케이-아르데이트

K–Ar dating

칼륨-아르곤 연대 측정법, 약칭 K-아르곤 연대 측정법은 지구 연대학과 고고학에서 사용되는 방사성 연대 측정법입니다. 이것은 칼륨(K)의 동위원소가 아르곤(Ar)으로 방사성 붕괴되는 생성물의 측정을 기반으로 합니다. 칼륨은 장석, 운모, 점토 광물, 테프라 및 증발산물과 같은 많은 물질에서 발견되는 일반적인 원소입니다. 이러한 물질에서 붕괴 생성물 Ar은
액체(용융된) 암석을 탈출할 수 있지만 암석이 응고(재결정)되면 축적되기 시작합니다. 아르곤 승화의 발생량은 시료의 순도, 모재의 조성 및 기타 여러 요인의 함수입니다. 이러한 요인들은 데이트의 상한과 하한에 오차 한계를 도입하여 나이의 최종 결정은 형성, 용융 및 감소된 압력 또는 열린 공기에 노출되는 동안 환경 요인에 의존합니다. 재결정화 이후의 시간은 잔류하는

K의 양에 대한 Ar의 축적량의 비율을 측정하여 계산됩니다. K의
반감기가 길기 때문에 이 방법을 사용하여 수천 년 이상 된 표본의 절대 연령을 계산할 수 있습니다.[1]

K-Ar 연대 측정에 거의 이상적인 샘플을 만드는 빠르게 냉각된 용암은 또한 샘플이 철의 퀴리 온도를 지나 냉각될 때 국부 자기장의 방향과 강도에 대한 기록을 보존합니다. 지자기 극성 시간 척도는 크게 K-Ar 연대 측정법을 사용하여 보정되었습니다.[2]

붕괴계열

자세한 정보: 칼륨 동위 원소

칼륨은 K
(93.2581%), K
(0.0117%), K(6
.7302%)의 세 가지 동위원소에서 자연적으로 발생합니다. 39
K와
K는
안정적입니다. K
 동위 원소는 방사성이고 Ca와
Ar의
반감기는 1.248×10년으로9 붕괴됩니다. 붕괴 현상의 89.3%에서 전자 방출(베타 붕괴)을 통해 안정한
Ca로 전환됩니다. 안정적인
Ar로의 전환은 붕괴 사건의 나머지 10.7%에서 전자 포획을 통해 이루어집니다.[3]

아르곤은 희유기체로서 지질학적으로 관심 있는 대부분의 암석 샘플에서 작은 성분입니다. 결정 격자 안에서 다른 원자들과 결합하지 않습니다. K가
Ar로
붕괴할 때, 일반적으로 원자는 광물 결정에서 다른 원자들 사이의 공간보다 크기 때문에 격자 안에 갇혀 있습니다. 그러나 압력이나 온도의 변화와 같은 적절한 조건이 충족될 때 주변 지역으로 탈출할 수 있습니다. 40
아르
 원자는 대부분의 결정이 녹아 원자가 더 이상 갇히지 않기 때문에 녹은 마그마를 통해 확산되고 탈출할 수 있습니다. 감금된 아르곤 – 마그마에서 빠져나오지 못하는 확산 아르곤 – 마그마가 식으면 다시 결정체에 갇힐 수 있습니다. 마그마의 재결정화 후에는 더 많은
 K가 붕괴되고 Ar이
다시 축적되어 붙잡힌 아르곤 원자와 함께 광물 결정에 갇히게 됩니다. Ar
 원자의 양을 측정하는 것은 암석 시료가 굳어버린 이후의 시간을 계산하는 데 사용됩니다.

Ca가
가장 좋아하는 딸 핵종임에도 불구하고
 칼슘은 지각에서 매우 흔하고 Ca가 가장 풍부한 동위원소이기 때문에 데이트에 거의 유용하지 않습니다. 따라서 원래 존재하는 칼슘의 양은 알려져 있지 않으며 방사성 붕괴에 의해 생성되는 작은 증가의 측정값을 혼동할 정도로 다양할 수 있습니다.

공식

Ar의
양과 K의
양의 비율은 암석이 식에 의해 Ar을 가둘 수 있을 정도로 충분히 차가웠기 때문에 경과된 시간과 직접적인 관련이 있습니다.

= ln ⁡ (2)ln ⁡ (Kf + Arf 0.109Kf) {\displaystye t={\frac {t_{\frac {1}{2}}{\ln(2)}}\ln \lt ({\frac {\ce {K}}_{f}+{\ce {Ar}}_{0.109}}{\ce {K}_{f}}\right)},

위치:

  • 이 시간이 경과함
  • 이것은1/2
    K의 반감기입니다.
  • K는f 샘플에 남아있는 K의
    양입니다.
  • Ar은f 샘플에서 발견된 Ar의
    양입니다.

스케일 팩터 0.109는 Ca로
붕괴된 K의
미측정 분율을 보정합니다. 측정된 K와
Ar의
스케일링된 양의 합은 경과된 시간 기간의 초기에 존재했던 K의
양을 제공합니다. 실제로는 절대량이 아닌 상대적인 양만 필요하므로 이러한 값 각각은 존재하는 총 칼륨의 비율로 표시될 수 있습니다.

데이터를 얻는 중

암석이나 광물에서 동위원소
 Ar과 K의
함량비를 구하기 위해 암석 시료가 진공에서 휘발될 때 방출되는 기체의 질량분석법으로 Ar의 양을 측정합니다. 칼륨은 화염 측광법 또는 원자 흡수 분광법으로 정량화됩니다.

K의
양이 직접 측정되는 경우는 거의 없습니다. 오히려 더 일반적인 K를
측정하고 그 양에 허용된
K/39
K
 비율을 곱합니다(즉, 0.0117%/93.2581%, 위 참조).

Ar의
양은 또한 전체 아르곤 중 어느 정도가 대기 기원인지 평가하기 위해 측정됩니다.

가정

McDougall & Harrison(1999, 페이지 11)에 따르면, 계산된 날짜가 암석의 실제 나이를 나타내는 것으로 받아들여지기 위해서는 다음과 같은 가정이 사실이어야 합니다.[4]

  • 모핵종인 K는
    물리적 상태와 무관한 속도로 붕괴하며 압력이나 온도의 차이에 영향을 받지 않습니다.     이것은 방사성 붕괴에 기초한 모든 데이트 방법에 공통적으로 적용되는 근거가 있는 주요 가정입니다. K에
    대한 전자 포획 부분 붕괴 상수의 변화는 높은 압력에서 일어날 수 있지만 이론적 계산에 따르면 지구의 크기는 무시할 수 있을 정도로 작습니다.[1]
  • 자연에서의 K
    /39
    K
     비율은 일정하기 때문에
    K를 직접 측정하는 경우는 드물지만, 전체 칼륨의 0.0117%로 가정합니다.     냉각 시 다른 공정이 활성화되지 않는 한, 이는 지상 샘플에 매우 좋은 가정입니다.[5]
  • 시료에서 측정된 방사성 아르곤은 암석이 결정화되거나 재결정화된 이후의 간격에서 K의
    in situ decay에 의해 생성되었습니다.     이 가정을 위반하는 경우는 드물지 않습니다. 외부 Ar의
    잘 알려진 통합 예로는 기존의 Ar
    *[6]을 완전히 능가하지 않은 냉각된 유리질 심해 현무암과 오래된 이종 물질을 포함함으로써 마그마를 물리적으로 오염시키는 것이 있습니다.     Ar-Ar 연대 측정법은 외부 아르곤의 존재 여부를 측정하기 위해 개발되었습니다.
  • 대기 중에서 비방사성 Ar이
    흡수되어 시료가 오염되지 않도록 세심한 주의가 필요합니다.     Ar이
    Ar보다
    295.5배 많은 공기 중에 존재하는 양을 Ar
    measured 값에서 빼서 방정식을 수정할 수 있습니다.     40
    Ar
    decayed = 40
    Ar
    measured − 295.5 × 36
    Ar
    measured.
  • 샘플은 이벤트 날짜가 지정된 이후 폐쇄된 시스템으로 유지되었을 것입니다. 따라서 K의
    방사성 붕괴 이외에는 K나
    Ar
    *의 손실이나 이득이 없어야 합니다.     이 가정에서 벗어나는 것은 특히 복잡한 지질학적 역사의 영역에서 상당히 일반적이지만, 이러한 이탈은 열 역사를 설명하는 데 가치가 있는 유용한 정보를 제공할 수 있습니다. 알려진 연령의 표본에서 Ar이
    부족하면 해당 지역의 열 이력이 완전히 또는 부분적으로 녹았음을 나타낼 수 있습니다.     지질학적 특징의 연대 측정에 대한 신뢰성은 약간 다른 열 이력을 가진 이질적인 지역을 샘플링함으로써 향상됩니다.[7]

화염 측광법과 질량 분석법은 모두 파괴적인 테스트이므로 사용된 부분 샘플이 실제로 샘플을 대표하는지 확인하기 위해 특별한 주의가 필요합니다. Ar-Ar 연대 측정은 이 문제를 피하기 위해 표본의 동일한 부분에서 동위원소 비율을 비교하는 유사한 기술입니다.

적용들

K의
반감기가 길기 때문에 이 기술은 10만 년 이상 된 광물과 암석의 연대 측정에 가장 적합합니다. 더 짧은 시간 척도의 경우, 정확하게 측정할 수 있는 충분한 Ar이
축적될 시간이 없었을 것입니다. K-Ar 연대 측정은 지자기 극성 시간 척도의 발전에 중요한 역할을 했습니다.[2] 지질학적 응용에서 가장 유용성을 찾지만 고고학에서 중요한 역할을 합니다. 한 고고학적 응용은 퇴적물 위와 아래의 용암 흐름을 연대 측정함으로써 올두바이 협곡의 고고학적 퇴적물의 시대를 구분하는 것이었습니다.[8] 에티오피아 하다르와 같은 화산 활동의 역사를 가진 다른 초기 동아프리카 유적지에서도 빼놓을 수 없었습니다.[8] K-Ar 방법은 점토 광물의 생성을 측정하는 데 계속해서 유용합니다.[9] 2017년에는 풍화작용으로 형성된 일라이트의 성공적인 데이트가 보고되었습니다.[10] 이 발견은 일라이트가 표본으로 추출된 노르웨이 서부의 스트랜드플랫의 연대를 간접적으로 유도합니다.[10] 점토광물은 두께가 2μm 미만으로 결정격자에서 Ar이 반동하기 때문에 Ar-Ar 분석을 위해 쉽게 조사할 수 없습니다.

2013년 화성 큐리오시티 탐사선은 K-Ar 방법을 이용해 화성 표면의 암석을 연대 측정했는데, 이는 암석이 다른 행성에 위치해 있는 동안 광물 성분으로 연대 측정된 것은 처음입니다.[11][12]

메모들

  1. ^ a b McDougall & Harrison 1999, 10페이지
  2. ^ a b McDougall & Harrison 1999, 9페이지
  3. ^ ENSDF decay data in the MIRD format for 40
    Ar
     (Report). National Nuclear Data Center. December 2019. Retrieved 29 December 2019.
  4. ^ McDougall & Harrison 1999, p. 11: "모든 동위원소 연대 측정 방법과 마찬가지로, K-Arage가 연구되는 지역의 지질학적 역사의 사건과 관련되기 위해서는 여러 가지 가정이 충족되어야 합니다."
  5. ^ McDougall & Harrison 1999, 14페이지
  6. ^ 40
    Ar
    *은 방사선을 발생시키는 아르곤을 의미합니다.
  7. ^ McDougall & Harrison 1999, 9-12쪽
  8. ^ a b 1995년 모두 타터즈
  9. ^ 애런슨 & 리 1986
  10. ^ a b Fredin, Ola; Viola, Giulio; Zwingmann, Horst; Sørlie, Ronald; Brönner, Marco; Lie, Jan-Erik; Margrethe Grandal, Else; Müller, Axel; Margeth, Annina; Vogt, Christoph; Knies, Jochen (2017). "The inheritance of a Mesozoic landscape in western Scandinavia". Nature. 8: 14879. Bibcode:2017NatCo...814879F. doi:10.1038/ncomms14879. PMC 5477494. PMID 28452366.
  11. ^ NASA Curiosity: First Mars Age Measurement and Human Exploration Help, Jet Propulsion Laboratory, 9 December 2013
  12. ^ Martian rock-dating technique could point to signs of life in space, University of Queensland, 13 December 2013

참고문헌

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