歷史地質學/Ar-Ar 測年

透過使用相關的Ar-Ar 測年方法可以避免K-Ar 測年中的一些問題。在本文中，我們將解釋這種方法的工作原理以及它為何優於 K-Ar 方法。讀者在進一步閱讀之前，應該對 K-Ar 方法有一個透徹的瞭解，如上一篇文章中所解釋的那樣。

同位素

在上一篇文章中，我向您介紹了⁴⁰K，一種鉀的不穩定同位素，它透過電子俘獲或正β衰變產生子同位素⁴⁰Ar。

Ar-Ar 測年方法關鍵依賴於另外兩種同位素的存在。³⁹K 是鉀的穩定同位素，根據定義，這意味著它不會自發地衰變為另一種同位素。然而，如果你把它放在核反應堆的核心附近，使其受到中子轟擊，那麼這將把它轉化為³⁹Ar。這種氬同位素非常不穩定，其半衰期僅為 269 年。因此，在岩石中發現的這種同位素含量微乎其微，除非你將其置於人工中子源中。

需要注意的關鍵一點是，由於³⁹K 和⁴⁰K 是同一元素的同位素，它們具有相同的化學性質。因此，當岩石最初形成時，其中的某些礦物會含有更多的鉀，而另一些則含有更少的鉀，但所有礦物的初始³⁹K 與⁴⁰K 之間的比值都是相同的，因為它們具有相同的化學性質，因此⁴⁰K 無法優先出現在角閃石中，而³⁹K 則出現在黑雲母中。

方法

首先，取你的岩石樣品，將其放在核反應堆的核心附近。結果，由於受到中子轟擊，一些³⁹K 會轉化為³⁹Ar。

然後，加熱岩石樣品以釋放³⁹Ar 和⁴⁰Ar。第一個，你要記住，是我們透過人工中子轟擊穩定的³⁹K 同位素而產生的；第二個是由岩石中不穩定⁴⁰K 同位素的自然衰變產生的。

因此，如果一切順利，並且沒有氬損失或過量氬的問題，那麼樣品的年齡將由以下公式給出

t = h × log₂(1 + J × R)

其中

t 是岩石的年齡，以年為單位；
h 是⁴⁰K 的半衰期，以年為單位；
R 是測量的⁴⁰Ar 與³⁹Ar 的比值。

但什麼是J？J 是一個取決於中子轟擊性質的因素。J 不是在理論基礎上計算的，而是在實驗中找到的；除了我們感興趣的樣本外，我們還會照射並加熱一個已知年齡的樣本（一個標準）。

測量標準釋放的³⁹Ar 和⁴⁰Ar，並知道其形成時間t，我們可以將這些資料代入上面的方程並求解J。

因此，現在我們知道了J，並且我們已經測量了我們想要測年的樣品的R 值，因此我們可以使用這些資料來求解方程中的t，從而得出我們想要測年的年齡。

你會注意到，這意味著我們必須能夠使用 Ar-Ar 以外的某種方法準確地測定一些岩石的年齡，以便我們可以找到一個標準來用於確定J；幸運的是，我們可以做到這一點，地質學家已經投入了大量精力來識別可以準確測年並用作標準的岩石。

Ar-Ar 方法的優勢

到目前為止，我們似乎只是採用了 K-Ar 測年方法，並將其變得更加複雜，但沒有明顯的原因。然而，這種更復雜的方法確實有一些優勢。

首先，回想一下，K-Ar 方法中可能存在的一個問題是，它需要兩個不同的樣本，一個用於測量鉀，另一個用於測量氬；如果這兩個樣本最初形成時具有不同的化學成分，那麼這將引入誤差。然而，在 Ar-Ar 測年方法中，兩種氬同位素都是從同一個樣本中測量的，因此至少消除了一個潛在的誤差來源。

Ar-Ar 測年的另一個重要優勢是透過分步加熱獲得的額外資料：與其將照射後的樣本一次性加熱到最高溫度，從而一次性釋放所有氬氣，不如我們可以從低溫開始分步升高溫度。

這樣做有什麼意義呢？嗯，岩石中的不同礦物將在不同的溫度下釋放氬氣，因此每一步都會給我們一個⁴⁰Ar 與³⁹Ar 的比值，我們可以將其代入方程中以計算出一個日期。現在，回想一下，我們說，當岩石最初形成時，從中衍生出³⁹K 和⁴⁰K 的比例在每種礦物中都應該是相同的，因為鉀的兩種同位素具有相同的化學性質。

這意味著，如果岩石冷卻速度足夠快，以至於其中所有礦物的日期相同，並且沒有氬損失，並且沒有過量的氬加入系統，那麼我們在每一步加熱中計算出的日期將是相同的日期。

如果我們在每一步都沒有得到相同的日期，那麼我們可能能夠弄清楚發生了什麼。

例如，如果日期在每一步都增加，那麼我們很可能正在觀察一種緩慢冷卻的火成岩，其中不同的礦物在不同的時間從岩漿中結晶出來，我們可以進一步研究這種可能性。

或者，如果我們始終在 400°C 以下的步驟中得到一個日期，並在 400°C 以上的步驟中始終得到另一個日期，那麼似乎氬損失是由於在約 400°C 的溫度下發生的變質作用造成的，較年輕的日期代表變質作用的日期，而較老的日期代表岩石的形成日期；我們可以透過尋找變質事件的其他證據來進一步研究這個線索。

如果我們得到的日期雜亂無章，那麼我們很可能正在觀察過量的氬。現在，壞訊息是我們無法操縱這些資料以獲得樣本的正確日期。但好訊息是我們確實知道存在問題；而如果我們使用 K-Ar 方法分析同一塊岩石，那麼它將提供給我們一個日期，並且 K-Ar 資料中不會有任何跡象表明存在問題。

由於這些原因，Ar-Ar 測年在很大程度上取代了K-Ar 測年，儘管在某些已知無問題的案例或 Ar-Ar 不適合某些技術原因的情況下，仍然會採用更簡單的方法。

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