DEN KORTE FORKLARING

Kalium er et meget udbredt forekommende stof i jordens mineraler. Det optræder i naturen i 3 former (isotoper) med en formodet procentvis stabil fordeling over geologisk tid: K-39 (ca. 93,3%), K-41 (ca. 6,7%) som er stabile, og K-40 (0,0117%) som er er ustabil og henfalder til bl.a. Ar-40 med en halveringstid på 1,25 milliarder år. Ved at måle forholdet af K-40 og Ar-40 i en given klippe, vil man kunne udregne alderen ud fra henfaldsligningen. Argon er en luftart ,som søger ud af klippemassen ved smeltning. Derved nulstilles Kalium/Argon-uret ved en smeltning. Vulkanske aflejringer, som f.eks. ligger over og under lag med fossiler, kan således tidsfæstes og give en relativ dato på fossilerne. Forudsætningen for at bestemme N0 i henfaldsligningen er, at der efter smeltning ikke er noget ”gammelt” eller atmosfærisk Ar-40 tilbage i klippen ved størkning. Denne forudsætning kan være vanskelig at imødekomme, hvilket kan give for gamle dateringer. Tidligere har måling af mængden K-40, som er et fast stof, og Ar-40 som er en luftart, medført måleusikkerhed, idet målingen skal foregå ad to omgange på hver sin ”vægt” så at sige. 

Ar-39/Ar-40 dateringsmetoden er en videreudvikling af K-40/Ar-40 metoden, som eliminerer usikkerheden ved målemetoden, idet det nu er to luftarters indbyrdes forhold, der måles. Det kan gøres i samme arbejdsgang.  Et ”kontrolklippestykke” af kendt alder bestråles sammen med prøven i en atomreaktor, hvorved det ellers stabile K-39 omdannes til Ar-39 i begge klippestykker. Efterfølgende måles indholdet af Ar-39/Ar-40 i begge klippestykker. Da forholdet mellem K-40 og K-39 er konstant, kan man udregne alderen på prøven.

Måleusikkerheden er mindre ved denne metode, men forudsætningen for at bestemme N0 rummer samme usikkerhed. Desuden vil ”kontrolklippestykkets” alder være blevet udregnet ved den konventionelle K-40/Ar-40 metode.

DEN LANGE FORKLARING

Kalium er et meget udbredt metal i naturen og indgår i talrige forbindelser. Kalium er meget reaktionsvilligt og findes derfor ikke i ren form, men indgår i en række mineraler, således også i jordens magma og dermed også i lava.

Kalium forekommer i naturen i to stabile og én ustabil- eller radioaktiv isotop. Den hyppigst forekomne isotop er den stabile  K-39 som udgør omkring 93,3 % af den samlede mængde Kalium. En anden stabil isotop: K-41 udgør omkring 6,7 %.

Tilbage er K-40 som blot andrager 0,0117% af den samlede mængde Kalium. Denne isotop er til gengæld radioaktiv med en halveringstid på 1.250.000.000 (1,25 mia år).

K-40 henfalder ikke blot til én men til to datter-isotoper, nemlig Ca-40 og Ar-40, som begge er stabile. Forholdet mellem disse to datterisotoper er konstant. Således vil henfaldet fordele sig med 89% til Calcium (Ca-40) og 11% til Argon (Ar-40)

Det kan være meget vanskeligt at fastslå hvor meget Calcium, der oprindeligt var i klippen, da den størknede. Målingen af forholdet mellem K-40 og Ca-40 er derfor en for usikker målemetode.

Den anden isotop, Argon er en ædelgas, hvilket vil sige at den ikke indgår forbindelse med andre stoffer, men forbliver i samme tilstand. Argon er en luftart, og når K-40 henfalder til denne, vil den forblive fanget inde i klippen.

Netop fordi det er gasart, forventes der ikke at være noget til stede ved dannelsen af klippen, idet denne før sin faste form er en smeltet masse, hvorfra luftarter vil stige til vejrs. Således forventes det, at den Ar-40 der måtte være i en given stenprøve stammer fra henfald af K-40. Hvis man måler indholdet af Ar-40-atomet i en given prøve, kan man således regne ud hvor mange K-40-atomer der oprindeligt var til stede ved klippens dannelse.

De ældste dateringsresultater på klipper angiver 3,6 halveringstider, hvilket giver en alder på ca. 4,5 mia. år, hvilken opfattes som jordens alder.

Disse resultater er opnået ved at måle på klipper, som tilsyneladende ikke har været udsat for ændringer, hverken morfologiske eller vulkanske i hele den geologiske tidsperiode.

Datering af yngre klippelag

Hvordan kan man benytte metoden til at fastslå alderen på udgravede fossiler?

Forklaringen er, at gamle klipper får nulstillet deres Kalium/Argon-ur, hvis der sker en fornyet opvarmning/smeltning. Herved vil de Ar-40-atomer, der er dannet ved henfald af K-40 i en fjern fortid, forlade deres ”fangenskab” i klippen.

Betragt det som luftbobler indesluttet i frosset vand. Når vandet tør, vil luftboblerne forlade vandet. Således vil også luftarten argon forlade den smeltede klippemasse i forbindelse med opvarmning enten i et magmakammer eller med trykopvarmning og morfologiske ændringer af klippen.

På figurens første søjle ses den skematiske og procentvise fordeling af kaliums forskellige isotoper. Størrelsesforholdet er lidt fortegnet, idet K-40 udgør en forholdsmæssigt lille del af den samlede mængde.

Figurens anden søjle viser, hvad der er sket i klippestykket efter 1,25 mia. år er gået. Halvdelen af K-40 er henfaldet til dels Ca-40 og Ar-40 med den procentvise fordeling på henholdsvis 89% og 11%.

Tredje søjle viser klippen efter at den er blevet ophedet og smeltet f.eks. i et magmakammer eller ved tektoniske tryk. Ved denne tilstand vil Ar-40, som jo er en luftart, der er meget lettere end omgivelserne, have mulighed for at forsvinde.

Den Ca-40, der også er et resultat af henfaldet, vil indgå i andre kemiske forbindelser. Tilbage er så igen de tre isotoper af kalium.

Nu begynder et nyt henfald, og processen gentager sig, og nu vil den alder, man måler sig frem til, være alderen på klippens sidste flydende tilstand, eller rettere tidspunktet, hvor klippen størknede og ikke længere tillod udslip af luftarten Ar-40.

Ved at måle forholdet mellem K-40 og Ar-40 i lava vil man således kunne bestemme tidspunktet for det pågældende vulkanudbrud. Når man graver ned i jorden, vil man se aflejringer fra forskellige vulkanudbrud, som kan aldersbestemmes ved hjælp at Kalium-Argon-metoden. Finder man således et fossil imellem sådanne to vulkanske aflejringer, der kan dateres, vil man kunne aldersbestemme det relativt.

Det øverste lavalag er 600.000 år gammelt og det nederste er 800.000 år. Vi kan således fastslå et det fundne fossil er mellem 600- 800.000 år gammelt.

Sådan fungerer metoden i den ideelle verden, men der er en række forudsætninger, som skal være til stede, for at metoden kan give et tilfredsstillende resultat.

.

Metodens forudsætninger

• Ved klippemassens størkning (nulstilling af Kalium/Argon-uret) må der ikke være tilstedeværelse af atmosfærisk Argon eller gammelt argon fra tidligere henfald.
• Kalium og Argon skal forblive i klippen geologisk tid. Intet må undslippe eller komme til.
• Målingerne skal være nøjagtige og præcise.
• Man skal kende K-40´s halveringstid.
• Man skal kende den præcise procentvise fordeling af henfaldsisotoperne Ar-40 og Ca-40.
• Man skal have mulighed for at korrigere for ”fremmed” Argon i prøverne.
• Ved relativ fossildatering skal man have tydelige vidnesbyrd om absolutte dateringer af vulkanske aflejringer over og under fossilet.

Udfordringer

• Nulstilling af Kalium/Argon-uret. Det har vist sig, at der, trods teorien om at alle luftarter forlader en smeltet magma, faktisk kan være indlejret små mængder af argon og andre luftarter i klippen ved størkning.
  Dels kan der være tale om atmosfærisk argon eller ”gammelt” argon, datterisotoper fra tidligere henfald, som alligevel ikke har nået at undslippe, eller som har været fanget i ikke-helt-smeltet klippe, og som derfor indlejres som konglomerater i den nye klippe.
• Atmosfærisk argon kunne måske være fanget under vulkanudbrud, hvor flydende lava slynges op i luften. Den atmosfæriske Argon (ca 1% af atmosfæren) findes i to isotoper, nemlig Ar-40 og Ar-36 i forholdet 1-295. Såfremt dette forhold i atmosfæren altid har været konstant, kan man måle forholdet mellem disse to isotoper i klippen og udregne hvor meget af den tilstedeværende Argon, der hidrører fra henfald. Er forholdet således 2-295, vil halvdelen af den Ar-40 man finder i klippestykket hidrøre fra henfald af K-40.
  Man kan således, i den ideelle verden med meget nøjagtige måleinstrumenter, kalibrere for denne fejlkilde.
• Gammel datter-isotop-argon. Det er straks vanskeligere at bestemme det oprindelige indhold af gammelt datterisotop Ar-40, som måske er ved at undslippe underliggende smeltede klipper og bliver indfanget i en størknende lava eller magma. Disse isotoper kaldes forældreløse isotoper, fordi forældre-isotoperne ikke befinder sig i samme klipper. I sådanne tilfælde vil dateringen give for høje aldre. Man skal derfor altid sammenholde med andre dateringer.
  Hvis man daterer yngre klipper, kan man derfor opleve falske resultater, som hidrører fra gamle indfangede “bobler” af forældreløse Argon-40 isotoper i f.eks. lava. Det forklarer hvorfor nogle lava klipper, der er under hundrede år gamle bliver dateret som værende millioner af år gamle.
• Intet udslip eller tilgang. Det kan være svært at bevise, at klippen ikke har været udsat for en ekstraordinær opvarmning , enten ved termisk påvirkning eller ved friktionsvarme ved f.eks. tektoniske sammenstød. Ved bestemmelse af Argon-indholdet i en prøve vil det meste Argon forsvinde ved temperaturer mellem 680 og 1300 grader. Hvis dette har været tilfældet, har noget af den henfaldne Argon-isotop sikkert forladt mineralet i denne forbindelse. Prøven ville i den forbindelse blive dateret for ung.
  Ar-40 og Ar-36 fra atmosfæren kan diffundere ind i klippen under afkøling og ved andre processer, men der kan kalibreres for den tilførte Ar-40, da forholdet i atmosfæren mellem Ar-40/Ar-36 er 1 til 295,5.
  Tilførsel af ”fremmed” Ar-40 kan også forekomme, hvis der er blevet indlejret gamle ikke-smeltede indeslutninger i en lava inden den størknede. Disse indeslutninger kan antage alle størrelser fra små sandkorn og til store og synlige fodbolde. De kan indeholde gamle bjergarter med allerede henfaldet Ar-40. Hvis man ikke er opmærksom på disse indeslutninger, vil det bidrage til en datering af for høj alder.
• Nøjagtige op præcise målinger. Der er en vanskelighed ved at måle moder og datterisotoperne K-40 og Ar-40, da det er stoffer af helt forskellige karakterer. Kalium er et stof i fast form, som indgår i forbindelser med andre stoffer. Argon er en ædelgas, som ikke indgår i kemiske forbindelser.
  Man kan således ikke ved den samme måling bestemme både kaliumindholdet og Argonindholdet af samme prøve.
  Man bliver nødt til at ”veje” dem på to forskellige ”vægte”, hvilket øger usikkerheden ved resultatet.
• Halveringstid. K-40 har en fast halveringstid på 1.250.000.000 år. Såfremt kalium/argonuret er blevet nulstillet, er dette en konstant, man kan regne med.
• Procentvise fordeling. Fordelingen af Ar-40 og Ca-40 ved henfald fra K-40 er konstant på 11% Ar-40 og 89% Ca-40.
• Korrektion. Man kan til en vis grad kalibrere for atmosfærisk Ar-40, som måtte have diffunderet ind i klippen, idet denne isotop i atmosfæren optræder sammen med Ar-36 i et bestemt forhold (Ar-40/Ar-36  som 1/295,5). Ved at bestemme mængden af Ar-36 kan man således regne sig frem til hvor stor en mængde af Ar-40, der stammer fra atmosfærisk Ar. Ved at trække denne udregnede mængde fra den målte Ar-40, vil man nå frem til den mængde Ar-40, som er et resultat af henfald fra K-40. Dette betegnes også med Ar-40_{*
  Anderledes forholder det sig med forældreløs Ar-40*,  som hidrører fra undsluppet Ar-40 fra tidligere henfald. Det er vanskeligt at kalibrere for disse mængder, som vil give en for høj alder. Dette betegnes Ar-40E  (E står for excess)}
  
• Fossildatering. Fossilerne kan ikke direkte dateres med K/Ar-metoden. Den forstening, der er foregået, giver ikke nogen mulighed for at datere selve objektet. Men hvis man er så heldig, at man inden for det samme afgrænsede findested kan lokalisere geologiske lag over og under fossilet, kan en datering alligevel gennemføres. Andre metoder har også været taget i anvendelse, fx hvor dateringer af vulkanske aflejringer fjernere fra findestedet har været benyttet, men det øger usikkerheden ved resultatet.
  https://en.wikipedia.org/wiki/K%E2%80%93Ar_dating
• Ar-40/Ar-39 datering. Ar-40/Ar-39 datering er en videreudvikling af K-40/Ar-40 metoden. Med denne metode elimineres mindst ét af problemerne med K-40/Ar-40 metoden, nemlig selve målingen af mængderne af henholdsvis K-40 og Ar-40, som nu ikke behøver at foregå i to tempi og på to ”vægte”.
  Her kan målingen af Ar-40 og Ar-39 foregå i samme arbejdsgang, og da det begge er en luftart, er der også en større sandsynlighed for et rigtigt målt forhold mellem de to isotoper.
  Metoden går ud på, at man ved kraftig bestråling af K-39 skaber en ustabil isotop: Ar-39_K , som ikke forekommer i naturen (fordi den har en meget kort halveringstid : 269 år) så eventuelle dannede mængder af denne isotop for længst ville være gået tilbage til den stabile isotop K-39.
  Man kan således udlede, at den mængde Ar-39_K der fremkommer som henfald efter en given stråling i et givent tidsrum modsvarer den mængde K-39 som er blevet omdannet.
  Nu er der imidlertid ingen garanti for, at man ved bestråling kan omdanne alt K-39 til Ar-39_K, så regnestykket bliver ikke så simpelt. Ved at bestråle et andet klippestykke, som man kender alderen på, sammen med det stykke man skal aldersbestemme, er det ikke nødvendigt at omdanne alt K-39 til Ar-39_K Ved at gå ud fra at den samme bestråling i det samme tidsrum i begge klippestykker fremprovokerer et henfald af K-39 til Ar-39_K af samme størrelsesorden, kan man, fordi man kender kontrolstykkets alder, ud fra forholdet Ar-40/Ar-39_K på både kontrolstykket og det testede klippestykke, udregne forholdet mellem dette klippestykkes K-40 og Ar-40, og derfor udregne alderen på det.