歷史地質學/K-Ar 測年
在本文中，我們將考察 K-Ar 測年方法的基礎，其工作原理以及可能出現的問題。
40K（鉀-40）是一種特殊的同位素，它可以透過三種不同的方式進行衰變：透過 負貝塔衰變 衰變為 40Ca（鈣-40）；透過 電子俘獲 衰變為 40Ar（氬-40）；以及透過 正貝塔衰變 衰變為 40Ar。可以測量 40K 衰變的比例，大約 89.1% 的時間衰變為 40Ca，大約 10.9% 的時間衰變為 40Ar。40K 的半衰期為 12.48 億年，非常適合用於測年岩石。
鉀在化學上會結合到常見的礦物中，尤其是 角閃石、黑雲母 和鉀 長石，它們是 岩漿岩 的組成 礦物。
另一方面，氬是一種惰性氣體；它不能與任何物質發生化學反應。因此，在大多數情況下，我們不希望在 岩漿岩 形成後不久就發現大量的氬。（然而，請參閱下面有關該方法侷限性的部分。）
這表明了一種測年 岩漿岩 的明顯方法。如果我們認為岩石中最初沒有氬，那麼現在岩石中所有氬都必須是由 40K 的衰變產生的。因此，我們只需要測量岩石中 40K 和 40Ar 的含量，並且由於我們知道 40K 的衰變速率，因此我們可以計算出岩石形成的時間。從描述 放射性衰變 的方程式中，我們可以推匯出以下方程式
- t = h × log2(1 + R/c)
其中
- t 是岩石的年齡（年）；
- h 是 40K 的半衰期（年）；
- c 是 40K 衰變為 40Ar 而不是 40Ca 的比例（約 10.9%）；
- R 是測量的 40Ar 與 40K 的比率。
該方法存在一些問題。一個問題是，如果岩石是最近形成的，那麼岩石中 40Ar 的含量將非常少，以至於我們的儀器無法測量，並且昨天形成的岩石看起來與五萬年形成的岩石沒有區別。隨著我們儀器精度的提高，這個問題的嚴重程度會降低。然而，作為一般規則，K-Ar 測年的比例誤差在最年輕的岩石中最大。
第二個問題是，由於技術原因，氬的測量和鉀的測量必須在兩個不同的樣品上進行，因為每次測量都需要破壞樣品。如果兩個樣品的礦物成分不同，使得測量鉀的樣品比測量氬的樣品富含或貧乏鉀，那麼這將成為誤差來源。
對 K-Ar 測年的另一個擔憂是，它依賴於岩石在最初形成時沒有 40Ar，或者在其形成和我們應用 K-Ar 方法之間沒有新增到岩石中。由於氬是惰性的，因此它不能在礦物形成時在化學上結合到礦物中，但它可以在形成期間或之後被物理地捕獲在岩石中。這種氬被稱為過量氬。
如果這種氬的來源是大氣汙染，那麼我們可以對它進行校正。推理如下：大氣中不僅含有 40Ar，還含有 36Ar。大氣中 40Ar 的含量是 36Ar 的 298 倍，並且沒有理由認為 40Ar 原子比 36Ar 原子更容易被摻入岩石中，反之亦然。因此，這意味著，對於我們在樣品中發現的每一個 原子 的 36Ar，我們可以將 298 個 原子 的 40Ar 歸為大氣氬。
然而，這隻有在所有過量氬確實來自大氣時才有效。但考慮一下如果氬來自地球內部，在那裡它是由 40K 的衰變形成的，然後被捕獲在 岩漿 中或被熱液流體運送到岩石中，會發生什麼。那麼過量氬的 40Ar/36Ar 比率將與大氣中的比率不同，並且用於校正大氣碳的公式將無法校正這種情況。
最後，我們必須考慮氬損失的可能性。當岩石經歷 變質作用 時，部分或全部氬可能會被脫氣。如果所有氬都損失了，這將使 K-Ar 時鐘歸零，並且測年岩石將給出 變質作用 的時間；如果我們認識到這種岩石是 變質岩，這實際上會非常有用。然而，我們不能依賴於所有氬都損失了，如果它沒有損失，那麼當我們應用 K-Ar 測年時，這將給我們一個本質上是任意的日期，介於岩石形成時間和變質事件之間。
由於這些原因，K-Ar 測年在很大程度上已被 Ar-Ar 測年取代，這將是下一篇文章的主題。