Argon-argon dating

Berkeley - En kraftfull geologisk dateringsteknik, benämnd argon-argon-datering, har fastställt Vesuvius utbrott år 79 e.Kr. med en sådan precision att den etablerar en av de mest solida och pålitliga grunderna för alla dateringsmetoder.

Med en sådan validering kan den radioaktiva argon-dateringstekniken nu tillförlitligt fastställa åldern på stenar som är lika gamla som solsystemet eller så unga som 2 000 år, säger forskare från University of California i Berkeley och Berkeley Geochronology Center.

"Argon-argon-datering är utan tvekan den viktigaste tekniken för att dokumentera mänsklighetens evolutionshistoria, och detta nya resultat är en viktig bekräftelse av tekniken", säger Paul Renne, adjungerad biträdande professor i geologi och geofysik vid UC Berkeley och chef för det privatfinansierade Berkeley Geochronology Center.

Centret har använt argon-argon-metoden för att datera många viktiga fossila fynd nyligen, från den högt prisade mänskliga förfadern som fått namnet "Lucy" och de stora etiopiska upptäckterna av UC Berkeley-antropologen Tim White till Homo erectus-rester från Java.

Argon-argon-datering har också använts för att fastställa åldern på meteoriter som är flera miljarder år gamla, massutdöenden, klimatförändringar och andra geologiska händelser under de senaste flera hundra miljoner åren.

De nya resultaten publiceras i numret den 29 augusti av tidskriften Science. Renne's medförfattare är Warren D. Sharp och Alan L. Deino från Berkeley Geochronology Center, och Giovanni Orsi och Lucia Civetta från Institutionen för geofysik och vulkanologi vid University of Naples. Civetta är också chef för det vesuvianska vulkanologiska observatoriet.

Orsi och Civetta samarbetar med centret för att erhålla argon-argon-datum för många tidigare vulkanutbrott i Campi Flegrei eller Phlegraean Fields runt Neapel, i sökandet efter ledtrådar till aktivitetens periodicitet som kan möjliggöra förutsägelser av framtida utbrott. Neapel och dess omgivningar, med mer än två miljoner invånare, är en av världens mest utsatta befolkningar för vulkaniska risker.

Enligt den romerska historikern Plinius den yngre, hade Vesuvius utbrott tidigt på eftermiddagen den 24 augusti, för 1 918 år sedan, och förstörde Pompeji, Herculaneum och andra romerska städer.

Säkerheten av datumet frestade teamet att testa argon-argon-dateringsteknikens förmåga att fastställa åldern på nyliga historiska händelser. Om det gav en korrekt ålder för pimpstenen som kastats ut av vulkanen, skulle det vara med god marginal den yngsta stenen som någonsin daterats med tekniken.

Den vanligaste metoden för att erhålla åldern på föremål som är så unga som detta är kol-14-datering, en teknik begränsad till organiskt material som trä eller ben.

Till allas förvåning var det datum som gavs av argon-argon-dateringstekniken 1 925 år sedan - avvikande med endast sju år. Det vetenskapliga felet på uppskattningen var plus eller minus 94 år.

"Vi spikade datumet till fem procent vid vårt första försök, så vi kunde förmodligen få felet ner till en procent eller mindre", säger Renne.

Resultatet är så fantastiskt eftersom varje dateringsteknik åberopar antaganden eller involverar osäkerheter som begränsar dess förmåga att fastställa datum med extrem precision. Med kol-14, till exempel, sätter det förändrade förhållandet mellan kol-12 och kol-14 i atmosfären över tiden en begränsning på hur exakt ett datum kan fastställas.

Forskare vid Berkeley Geochronology Center har förbättrat argon-argon-tekniken för att identifiera och korrigera för många av dessa osäkerheter, och därigenom erhålla förbättrade uppskattningar.

Argon-argon-tekniken är endast användbar med bergarter som innehåller avsevärda mängder kalium, eftersom den är baserad på det faktum att den naturligt förekommande isotopen kalium-40 sönderfaller till argon-40 med en halveringstid på 1,25 miljarder år.

I en äldre metod känd som kalium-argon-datering mättes mängden av varje isotop i provet för att erhålla en uppskattning av dess ålder. Precisionen var dock begränsad av hur exakt argonet kunde extraheras från provet, som vanligtvis smälts till 1 600 till 1 700 grader Celsius.

I argon-argon-datering, som först utvecklades vid UC Berkeley på 1960-talet, bestrålas prover med neutroner för att omvandla kalium-40 till argon-39, som normalt inte finns i naturen. Förhållandet mellan argon-40 och argon-39 ger ett mått på provets ålder som är mindre föremål för experimentella fel.

Tack vare förbättringar i utrustningen kan tekniken nu användas med milligramprover istället för de tiotals gram - nästan en uns - av berg som behövs vid kalium-argon-datering.

Sharp säger också att en ny koldioxidlaser tillåter gradvis upphettning av små prover, på ett sätt som ger interna tillförlitlighetstester och kan bidra till att förbättra precisionen i åldersuppskattningen.

"Med kalium-argon-datering var man tvungen att anta att allt argon som fångats i provet hade samma isotopsammansättning som atmosfären vid bildandet", säger Sharp. "Argon-argon-datering tillåter oss att korrelera med andra luftisotoper för att avgöra om det finns någon avvikelse från det som orsakas av icke-atmosfäriskt argon, såsom kontaminering från argon i bergarterna."

Med det nya dateringssystemet bör det vara möjligt att datera ännu yngre prover, kanske blott 1 000 år gamla med 10 procents noggrannhet.

"Att datera saker som är riktigt unga har alltid varit den heliga graalen för kalium-argon- och argon-argon-datering", säger Renne.

För detta experiment fick forskarna prover av kaliumrik sanidin, en typ av fältspat, från en nyligen genomförd utgrävning av Villa di Poppea i Pompeji, och tog dem till Berkeley för analys.

Arbetet stöddes av bidrag från National Science Foundation, Ann and Gordon Getty Foundation och Osservatorio Vesuviano. Berkeley Geochronology Center är ett oberoende, icke-vinstdrivande vetenskapligt institut som specialiserar sig på toppmodern geologisk datering.

Argon-argon (eller ⁴⁰Ar/³⁹Ar) datering är en radiometrisk dateringsteknik som påminner om kalium-argon (K-Ar) datering. I denna teknik används sönderfallet av ⁴⁰K till ⁴⁰Ar ( indikerar radiogent) för att tidsbestämma geologiska händelser, i synnerhet utbrott och nedkylning av magmatiska bergarter och mineraler. Denna teknik skiljer sig från K-Ar-tekniken genom att provet före mätning i en masspektrometer bestrålas med neutroner i en kärnreaktor, och en del av ³⁹K (som finns som en känd andel av det totala K i berget) omvandlas till ³⁹Ar. Förhållandet mellan den radiogena dotterprodukten, ⁴⁰Ar, till ³⁹Ar som en proxy för ⁴⁰K) kan mätas i samma prov, vilket ger en praktisk fördel gentemot K-Ar-datering, där ⁴⁰K och ⁴⁰Ar måste mätas separat, vilket förbättrar mätnoggrannheten.

Metod

Provet krossas i regel och enskilda kristaller av ett mineral handplockas för analys. Dessa bestrålas sedan för att alstra ³⁹Ar från ³⁹K. Provet avgaser sedan i en högvakuum-masspektrometer via en laser eller resistansugn. Datering är beroende av omvandlingen av K till Ar och en exakt mätning av denna konvertering. Provet upphettas i steg (steguppvärmning) vilket frigör argon från olika reservoarer inom kristallkornet. Varje steg frambringar argon med ett visst ⁴⁰Ar:³⁹Ar-förhållande, och först när 80 % eller mer av dessa steg ligger inom godtagbar felmarginal, är kristallens ålder känd. Datering via ⁴⁰Ar/³⁹Ar-geokronologi är i allmänhet korrekt inom 1-2 % för korrekt insamlade och bestrålade och behandlade prover.

Ålderekvation

Åldern på ett prov ges av ålderekvationen:

där λ är den radioaktiva sönderfallskonstanten för ⁴⁰K, J är J-faktorn (parameter associerad med bestrålningsprocessen), och R är ⁴⁰Ar/³⁹Ar-förhållandet.

Tillämpningar

Det främsta användningsområdet för ⁴⁰Ar/³⁹Ar-geokronologi är att datera metamorfa och magmatiska mineraler. ⁴⁰Ar/³⁹Ar är osannolikt att ge åldern på intrång av granit, eftersom åldern typiskt återspeglar den tidpunkt då ett mineral kyldes genom sin stängningstemperatur. Men i en metamorf bergart som inte har överskridit sin stängningstemperatur daterar åldern sannolikt mineralets kristallisation. Datering av rörelse på felsystem är också möjlig med ⁴⁰Ar/³⁹Ar-metoden. Olika mineraler har olika stängningstemperaturer; biotit är ~300°C, muskovit är cirka 400°C och hornblende har en stängningstemperatur på ~550°C. Således kommer en granit som innehåller alla tre mineralerna att registrera tre olika "åldrar" för placering när den svalnar genom dessa stängningstemperaturer. Även om en kristallisationsålder inte registreras, är informationen fortfarande användbar för att konstruera bergets termiska historia.

Datering av mineraler kan ge åldersinformation på en bergart, men antaganden måste göras. Mineraler registrerar vanligtvis bara senaste gången de kyldes under stängningstemperaturen, och detta kanske inte representerar alla de händelser som berget har genomgått, och kanske inte matchar åldern på intrång. Därför är diskretion och tolkning av åldersdatering väsentligt. ⁴⁰Ar/³⁹Ar-geokronologi förutsätter att en bergart behåller allt sitt ⁴⁰Ar efter att ha svalnat förbi stängningstemperaturen och att detta provtogs korrekt under analysen.

Denna teknik möjliggör kontroll av felen som är involverade i K-Ar-datering. Argon-argon-datering har fördelen av att inte kräva bestämningar av kalium. Moderna analysmetoder tillåter att enskilda områden av kristaller undersöks. Denna metod är viktig eftersom den gör att kristaller som bildas och svalnar under olika händelser kan identifieras.