التأريخ بالبوتاسيوم والأرجون

يُعدّ التأريخ بالبوتاسيوم-أرجون ، أو اختصارًا K-Ar ، طريقةً للتأريخ الإشعاعي تُستخدم في علم تحديد أعمار المواد الجيولوجية وعلم الآثار . وتعتمد هذه الطريقة على قياس ناتج التحلل الإشعاعي لنظير البوتاسيوم ( K ) إلى الأرجون (Ar). يُعدّ البوتاسيوم عنصرًا شائعًا في العديد من المواد، مثل الفلسبارات والميكا والمعادن الطينية والتيفرا والمتبخرات . في هذه المواد ، يكون ناتج التحلل ⁴⁰يمكن للأرجون أن يتسرب من الصخور المنصهرة، ولكنه يبدأ بالتراكم عندما تتصلب الصخور ( تتبلور من جديد ). وتعتمد كمية الأرجون المتصاعد على نقاء العينة، وتركيب المادة الأصلية، وعوامل أخرى عديدة. تُدخل هذه العوامل حدودًا للخطأ في تحديد العمر، بحيث يعتمد التحديد النهائي للعمر على العوامل البيئية أثناء التكوين والانصهار والتعرض لضغط منخفض أو للهواء الطلق. يُحسب الوقت منذ التبلور من خلال قياس نسبة كمية ⁴⁰تراكمت Ar لتصل إلى ⁴⁰K المتبقية. ^عمر النصف الطويل 40تسمح K باستخدام هذه الطريقة لحساب العمر المطلق للعينات التي يزيد عمرها عن بضعة آلاف من السنين. ^{[ 1 ]}

تُحفظ الحمم البركانية سريعة التبريد، التي تُشكّل عينات مثالية تقريبًا لتأريخ البوتاسيوم-أرغون، سجلًا لاتجاه وشدة المجال المغناطيسي المحلي أثناء تبريد العينة إلى ما بعد درجة حرارة كوري للحديد. وقد تمت معايرة المقياس الزمني للقطبية المغناطيسية الأرضية بشكل كبير باستخدام تأريخ البوتاسيوم-أرغون. ^{[ 2 ]}

يوجد البوتاسيوم بشكل طبيعي في 3  نظائر: ³⁹K (93.2581%)، ⁴⁰K (0.0117%)، ⁴¹K (6.7302%). ³⁹K و ⁴¹K مستقرة. الـ ⁴⁰نظير البوتاسيوم مشع؛ ويتحلل بنصف عمر يبلغ1.248 × 10 ⁹  سنوات إلى ⁴⁰Ca و ⁴⁰التحويل إلى الحالة ^{المستقرة} 40يحدث انبعاث الإلكترونات ( تحلل بيتا ) في 89.3% من أحداث التحلل. يتحول إلى نظير مستقر ⁴⁰يحدث اضمحلال الأرجون عن طريق التقاط الإلكترون في نسبة 10.7% المتبقية من أحداث الاضمحلال. ^{[ 3 ]}

الأرجون، كونه غازًا نبيلًا ، يُعد مكونًا ثانويًا في معظم عينات الصخور ذات الأهمية الجيولوجية الزمنية : فهو لا يرتبط بذرات أخرى في الشبكة البلورية. عندما ⁴⁰يتحلل K إلى ⁴⁰الأرجون ؛ عادةً ما تبقى الذرة محصورة داخل الشبكة البلورية لأنها أكبر من المسافات بين الذرات الأخرى في البلورة المعدنية. ومع ذلك، يمكنها أن تهرب إلى المنطقة المحيطة بها عند توفر الظروف المناسبة، مثل التغيرات في الضغط أو درجة الحرارة. ⁴⁰تستطيع ذرات الأرجون الانتشار والهروب من الصهارة المنصهرة لأن معظم البلورات قد ذابت، ولم تعد الذرات محصورة. وقد يُحاصر الأرجون المُحتبس - وهو الأرجون المنتشر الذي لم يتمكن من الهروب من الصهارة - مرة أخرى في البلورات عندما تبرد الصهارة وتتحول إلى صخر صلب. بعد إعادة تبلور الصهارة، أكثر من ⁴⁰سوف يتحلل البوتاسيوم و ⁴⁰سيتراكم الأرجون مرة أخرى، إلى جانب ذرات الأرجون المحتجزة، والموجودة داخل بلورات المعدن. قياس الكمية ⁴⁰تُستخدم ذرات الأرجون لحساب مقدار الوقت الذي انقضى منذ تصلب عينة صخرية.

على الرغم من ⁴⁰نظرًا لأن الكالسيوم هو النظير المفضل، فإنه نادرًا ما يكون مفيدًا في تحديد العمر لأن الكالسيوم شائع جدًا في القشرة الأرضية، حيث تبلغ نسبته ⁴⁰يُعد الكالسيوم النظير الأكثر وفرة. وبالتالي، فإن كمية الكالسيوم الموجودة أصلاً غير معروفة ويمكن أن تختلف بدرجة كافية لتضليل قياسات الزيادات الطفيفة الناتجة عن التحلل الإشعاعي.

نسبة الكمية ⁴⁰مقارنة بـ ⁴⁰يرتبط K ارتباطًا مباشرًا بالوقت المنقضي منذ أن بردت الصخرة بدرجة كافية لحبس الأرجون وفقًا للمعادلة التالية:

${\displaystyle t=t_{\frac {1}{2}}\log _{2}\left({\frac {{\ce {K}}_{f}+{\frac {{\ce {Ar}}_{f}}{0.109}}}{{\ce {K}}_{f}}}\right)}$،

أين:

• t هو الوقت المنقضي
• t _1/2 هو نصف ^عمر 40ك
• K _f هو مقدار ⁴⁰K المتبقي في العينة
• Ar _f هو مقدار ⁴⁰تم العثور على الأرجون في العينة.

• يُصحح عامل المقياس 0.109 الجزء غير المقاس البالغ ⁴⁰البوتاسيوم الذي تحلل إلى ⁴⁰كاليفورنيا .

مجموع الـ ^{40 المقاسة}K والكمية المُقاسة البالغة ⁴⁰يعطي Ar مقدار ⁴⁰البوتاسيوم (K) الذي كان موجودًا في بداية الفترة الزمنية المنقضية. عمليًا، يمكن التعبير عن كل قيمة من هذه القيم كنسبة مئوية من إجمالي البوتاسيوم الموجود، حيث أن الكميات النسبية فقط هي المطلوبة، وليست المطلقة.

وللوصول إلى ذلك، لاحظ أن المعادلة مكافئة لـ${\displaystyle {\frac {{K}_{f}}{{K}_{f,t=0}}}=2^{-t/t_{1/2}}}$، أين${\displaystyle K_{f,t=0}={K}_{f}+{\frac {{Ar}_{f}}{0.109}}}$هي الكمية الأصلية من K-40.

للحصول على نسبة محتوى النظائر ⁴⁰من Ar إلى ⁴⁰عند وجود البوتاسيوم في الصخور أو المعادن، تُقاس كمية الأرجون بواسطة مطياف الكتلة للغازات المنبعثة عند تبخير عينة صخرية في الفراغ. ويتم تحديد كمية البوتاسيوم باستخدام مطياف اللهب أو مطياف الامتصاص الذري .

المبلغ ⁴⁰نادراً ما يتم قياس قيمة K بشكل مباشر. بدلاً من ذلك، يتم استخدام الطريقة الأكثر شيوعاً وهي ³⁹يتم قياس قيمة K ثم يتم ضرب هذه القيمة في النسبة المقبولة وهي ⁴⁰K / ³⁹K (أي 0.0117%/93.2581%، انظر أعلاه).

المبلغ ⁴⁰يتم قياس الأرجون أيضًا لتقييم مقدار الأرجون الكلي ذي الأصل الجوي.

وفقًا لما ذكره ماكدوغال وهاريسون (1999 ، ص 11) ، يجب أن تكون الافتراضات التالية صحيحة حتى يتم قبول التواريخ المحسوبة على أنها تمثل العمر الحقيقي للصخرة: ^{[ 4 ]} 

• النظير الأم، ⁴⁰يتحلل البوتاسيوم بمعدل مستقل عن حالته الفيزيائية، ولا يتأثر باختلافات الضغط أو درجة الحرارة. هذا افتراض رئيسي راسخ، مشترك بين جميع طرق التأريخ القائمة على التحلل الإشعاعي. على الرغم من أن التغيرات في ثابت التحلل الجزئي لالتقاط الإلكترون للبوتاسيوم ^-40قد يحدث K عند ضغوط عالية، وتشير الحسابات النظرية إلى أنه بالنسبة للضغوط التي يتعرض لها جسم بحجم الأرض، فإن التأثيرات ضئيلة للغاية. ^{[ 1 ]}
• الأربعون^​K / ³⁹نسبة البوتاسيوم في الطبيعة ثابتة، لذا فإن ⁴⁰نادرًا ما يُقاس البوتاسيوم (K) مباشرةً، ولكن يُفترض أن نسبته 0.0117% من إجمالي البوتاسيوم. ما لم تكن هناك عملية أخرى نشطة وقت التبريد، فإن هذا افتراض جيد جدًا للعينات الأرضية. ^{[ 5 ]}
• تم إنتاج الأرجون المشع الذي تم قياسه في العينة عن طريق التحلل الموضعي لـ ⁴⁰K في الفترة الزمنية منذ تبلور الصخر أو إعادة تبلوره. إن انتهاكات هذا الافتراض ليست نادرة. أمثلة معروفة على دمج عناصر دخيلة ⁴⁰تشمل هذه الصخور البازلت الزجاجي المبرد في أعماق البحار والذي لم يتخلص تمامًا من الغازات الموجودة مسبقًا ^.Ar *، ^{[ 6 ]} والتلوث الفيزيائي للصهارة نتيجةً لوجود مواد زينوليتية أقدم. وقد طُوِّرت طريقة التأريخ Ar-Ar لقياس وجود الأرجون الدخيل.
• ^{يلزم توخي الحذر الشديد لتجنب تلوث العينات عن طريق امتصاص 40} غير المشعالأرجون من الغلاف الجوي. يمكن تصحيح المعادلة بطرح ^{40 من}_{القيمة المقاسة} للكمية الموجودة في الهواء حيث ⁴⁰يُعدّ الأرجون أكثر وفرة بمقدار 295.5 مرة من ³⁶أر ⁴⁰​ _تحلل الأرجون = ⁴⁰Ar _المقاس − 295.5 × ³⁶تم _قياسها .
• لا بد أن العينة ظلت نظامًا مغلقًا منذ تاريخ الحدث. وبالتالي، لا ينبغي أن يكون هناك أي خسارة أو ربح بمقدار ⁴⁰ألف أو ⁴⁰Ar *، بخلاف التحلل الإشعاعي لـ ⁴⁰ك . إن الانحرافات عن هذا الافتراض شائعة جدًا، لا سيما في المناطق ذات التاريخ الجيولوجي المعقد، ولكن هذه الانحرافات يمكن أن توفر معلومات مفيدة ذات قيمة في توضيح التاريخ الحراري. نقص بنسبة ⁴⁰يمكن أن يشير وجود الأرجون في عينة ذات عمر معروف إلى انصهار كامل أو جزئي في التاريخ الحراري للمنطقة. وتزداد موثوقية تحديد عمر المعلم الجيولوجي من خلال أخذ عينات من مناطق متباينة تعرضت لتاريخ حراري مختلف قليلاً. ^{[ 7 ]}

يُعد كلٌّ من قياس اللهب الضوئي وقياس الطيف الكتلي اختباراتٍ مُتلفة، لذا يلزم توخي الحذر الشديد لضمان أن تكون العينات المستخدمة ممثلةً تمثيلاً دقيقاً للعينة الأصلية. أما تأريخ الأرغون-أرغون فهو تقنيةٌ مماثلةٌ تُقارن النسب النظائرية من الجزء نفسه من العينة لتجنب هذه المشكلة.

بسبب عمر النصف الطويل الذي يبلغ ⁴⁰تُعدّ هذه التقنية، عند درجة حرارة الغرفة، الأنسب لتحديد عمر المعادن والصخور التي يزيد عمرها عن 100,000 عام. أما بالنسبة للفترات الزمنية الأقصر، فمن غير المرجح أن تكون ^{البيانات كافية.}سيكون للأرجون وقت كافٍ للتراكم ليصبح قابلاً للقياس بدقة. وقد كان تأريخ البوتاسيوم-أرجون أساسيًا في تطوير مقياس الزمن للقطبية المغناطيسية الأرضية . ^{[ 2 ]} على الرغم من أن فائدته الأكبر تكمن في التطبيقات الجيولوجية ، إلا أنه يلعب دورًا هامًا في علم الآثار . ومن تطبيقاته الأثرية تحديد عمر الرواسب الأثرية في وادي أولدوفاي من خلال تأريخ تدفقات الحمم البركانية فوق الرواسب وتحتها. ^{[ 8 ]} كما كان لا غنى عنه في مواقع أخرى من شرق إفريقيا القديمة ذات تاريخ من النشاط البركاني ، مثل هدار في إثيوبيا . ^{[ 8 ]} ولا تزال طريقة البوتاسيوم-أرجون مفيدة في تأريخ تحول المعادن الطينية . ^{[ 9 ]} في عام 2017، تم الإبلاغ عن نجاح تأريخ الإيليت المتكون بفعل التجوية . ^{[ 10 ]} وقد أدى هذا الاكتشاف بشكل غير مباشر إلى تأريخ سهل الساحل في غرب النرويج ، حيث تم أخذ عينة الإيليت. ^{[ 10 ]} المعادن الطينية أقل من 2  ميكرومتر سمكًا ولا يمكن تشعيعها بسهولة لتحليل Ar-Ar لأن Ar يرتد من الشبكة البلورية.

في عام 2013، استخدمت مركبة كيوريوسيتي المريخية طريقة البوتاسيوم-الأرجون لتحديد عمر صخرة على سطح المريخ، وهي المرة الأولى التي يتم فيها تحديد عمر صخرة من مكوناتها المعدنية وهي موجودة على كوكب آخر. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

• آرونسون، جيه إل؛ لي، إم. (1986). "نظام البوتاسيوم/الأرجون للبنتونيت والطفل في منطقة التحول التماسي" . معادن الطين . 34 (4): 483-487 . Bibcode : 1986CCM....34..483A . doi : 10.1346/CCMN.1986.0340415 .
• ماكدوغال، آي.؛ هاريسون، تي إم (1999). التأريخ الجيولوجي والتأريخ الحراري باستخدام طريقة ^40Ar / ^39Ar . مطبعة جامعة أكسفورد . ISBN 978-0-19-510920-7.
• تاترسال، آي. (1995). درب الأحافير: كيف نعرف ما نعتقد أننا نعرفه عن التطور البشري . مطبعة جامعة أكسفورد . ISBN 978-0-19-506101-7.

• " منهجية البوتاسيوم/الأرجون والبوتاسيوم ^-40 /البوتاسيوم ^-39 " . مختبر أبحاث التأريخ الجيولوجي في نيو مكسيكو . مؤرشف من الأصل في 17 أبريل 2006.
• مايكلز، جي إتش؛ فاجان، بي إم (15 ديسمبر 2005). "الأساليب الزمنية 9: التأريخ بالبوتاسيوم-الأرجون" . جامعة كاليفورنيا . مؤرشف من الأصل في 10 أغسطس 2010.
• موران، تي جيه (2009). "تدريس التأريخ بالنظائر المشعة باستخدام جيولوجيا جزر هاواي" (ملف PDF) . مجلة تعليم علوم الأرض . 57 (2): 101-105 . Bibcode : 2009JGeEd..57..101M . doi : 10.5408/1.3544237 .