Datazione argon-argon

La datazione argon-argon (o ⁴⁰Ar/³⁹Ar) è un metodo di datazione radiometrica sviluppato per ovviare ai problemi di inaccuratezza della datazione potassio-argon (K/Ar), da cui deriva.

Il metodo (K/Ar) richiedeva di scindere in due parti il campione, per misurare separatamente il potassio e l'argon, mentre il nuovo metodo richiede soltanto un frammento di roccia o granulo di minerale e ricorre a una misurazione singola degli isotopi dell'argon.

La datazione ⁴⁰Ar/³⁹Ar si basa sull'irradiazione neutronica emessa da un reattore nucleare per convertire la forma stabile del potassio (³⁹K) nel radioattivo ³⁹Ar.

Irradiando contemporaneamente un campione standard di età nota e il campione da analizzare, è possibile utilizzare una misurazione singola degli isotopi dell'argon per trovare il rapporto ⁴⁰K/⁴⁰Ar*, e calcolare così l'età del campione. ⁴⁰Ar* è l'isotopo radiogenico dell' ⁴⁰Ar, prodotto dal decadimento radioattivo del ⁴⁰K.

⁴⁰Ar* non include l'argon atmosferico assorbito nella superficie o risultante dalla diffusione; il suo valore calcolato deriva dalla misurazione dell' ³⁶Ar (che si assume essere di origine atmosferica) e assumendo che ⁴⁰Ar mantenga un rapporto costante rispetto all' ³⁶Ar nei gas dell'atmosfera.

Metodica

Il campione viene generalmente triturato, dopodiché si seleziona manualmente un singolo cristallo o frammento di roccia che viene analizzato. Il frammento viene irradiato per produrre ³⁹Ar a partire dal ³⁹K presente. Il campione viene poi degassato in uno spettrometro di massa ad alto vuoto, e riscaldato con laser o resistenza termica. Il calore provoca la degradazione della struttura cristallina del minerale e la liberazione dei gas intrappolati.

I gas liberati in genere comprendono quelli presenti nell'atmosfera, come anidride carbonica, vapore acqueo, azoto e argon; ma possono includere anche gas radiogenici come argo e elio, generati dal normale decadimento radioattivo nel corso del tempo. L'abbondanza del ⁴⁰Ar* aumenta con l'età del campione, tenendo conto che il tasso di incremento decresce esponenzialmente con l'emivita del ⁴⁰K, che è di 1,248 miliardi di anni.

L'equazione per il calcolo dell'età

L'età t di un campione è data dalla seguente equazione:

t={\frac {1}{\lambda }}\ln(J\times R+1)

dove λ è la costante di decadimento radioattivo del ⁴⁰K (approssimativamente 5,5 x 10⁻¹⁰ anno⁻¹, che corrisponde a un'emivita di circa 1,25 miliardi di anni), J è il parametro associato al processo di irradiamento e R è il rapporto tra ⁴⁰Ar*/³⁹Ar.

Il fattore J si riferisce alla fluenza (energia radiante per unità di area) del bombardamento elettronico durante il processo di irradiamento. All'aumentare della densità del flusso elettronico, aumenta la quantità di atomi di ³⁹K convertita in ³⁹Ar.

Datazione relativa

Il metodo ⁴⁰Ar/³⁹Ar permette di ottenere solo datazioni relative. Per calcolare un'età con questo metodo, il parametro J deve essere determinato irradiando contemporaneamente il campione in esame e uno di età nota, che funziona da standard di riferimento. L'età del campione standard deve essere stata preventivamente calcolata attraverso un altro metodo, il più usato dei quali è la convenzionale datazione al potassio-argon.^[1]

Un metodo alternativo di calibrazione dello standard è quella astronomica (chiamata tuning orbitale), che però produce delle età leggermente diverse.^[2]

Ricalibrazione

La datazione argon-argon presenta delle leggere discrepanze rispetto ad altri metodi di datazione.^[3] Secondo alcuni autori è necessaria una correzione dello 0,65%.^[4]

L'estinzione di massa del Cretaceo-Paleocene (che portò alla scomparsa dei dinosauri), precedentemente datata a 65,0 o 65,5 milioni di anni fa, viene ora più accuratamente datata a 66,0 milioni di anni fa. Analogamente l'estinzione di massa del Permiano-Triassico viene ora datata a 252,5 milioni di anni fa, che coincide con l'età determinata con altri metodi per il flusso basaltico del trappo siberiano.

Metodica iniziale

La tecnica ³⁹argon/⁴⁰argon, è stata proposta per la prima volta agli inizi degli anni 1950, ma in una variante differente. Utilizzava un flusso di neutroni termici invece che di neutroni rapidi, che provocano le seguenti reazioni nucleari:^[5]

$_{18}^{40}\mathrm {Ar} ~(\mathrm {n} ,\mathrm {\gamma } )~_{18}^{41}\mathrm {Ar}$
$_{18}^{36}\mathrm {Ar} ~(\mathrm {n} ,\mathrm {\gamma } )~_{18}^{37}\mathrm {Ar}$
$_{19}^{41}\mathrm {K} ~(\mathrm {n} ,\mathrm {\gamma } )~_{19}^{42}\mathrm {K}$

Gli isotopi ⁴¹argon, ³⁷argon e ⁴²potassio sono tutti radioattivi, con emivita compresa tra 1,82 ore per l' ⁴¹argon e 35,1 giorni per l' ³⁷argon.^[5] si può pertanto calcolarne la quantità osservando la loro attività e determinando così la correzione da apportare per l'argon atmosferico (la cui quantità è correlata a quella dell' ³⁶argon), la quantità di ⁴⁰argon e il tenore in potassio (correlato alla quantità di ⁴²potassio).^[5]

Reazioni nucleari parassite

La reazione nucleare utile ai fine della datazione delle rocce è la trasmutazione del ³⁹K in ³⁹Ar, che però non è l'unica che avviene nel campione irradiato.^[5] Occorre pertanto apportare delle correzioni che tengano conto delle seguenti reazioni:^[5]

$_{20}^{40}\mathrm {Ca} ~(\mathrm {n} ,\mathrm {n\alpha } )~_{18}^{36}\mathrm {Ar}$
$_{20}^{42}\mathrm {Ca} ~(\mathrm {n} ,\mathrm {\alpha } )~_{18}^{39}\mathrm {Ar}$
$_{19}^{40}\mathrm {K} ~(\mathrm {n} ,\mathrm {p} )~_{18}^{40}\mathrm {Ar}$

Per questo occorre sfruttare la reazione:

$_{20}^{40}\mathrm {Ca} ~(\mathrm {n} ,\mathrm {\alpha } )~_{18}^{37}\mathrm {Ar}$

Si confronta a questo punto il rapporto isotopico dell'argon ottenuto tramite spettrometria di massa con quello ottenuto dall'irradiazione di un campione standard di calcio, per quantificare la quantità di argon apportata da ciascuna reazione parassita, in modo da isolare quella dovuta alla sola trasmutazione del ³⁹K in ³⁹Ar, che è quella che ci interessa.^[5]

Note

^ New Mexico Geochronology Research Laboratory: K/Ar and ⁴⁰Ar/³⁹Ar Methods, su geoinfo.nmt.edu, New Mexico Bureau of Geology and Mineral Resources. URL consultato il 29 marzo 2020 (archiviato dall'url originale il 3 agosto 2017).
^ K. F. Kuiper, F. J. Hilgen, J. Steenbrink e J. R. Wijbrans, ⁴⁰Ar/³⁹Ar ages of tephras intercalated in astronomically tuned Neogene sedimentary sequences in the eastern Mediterranean (PDF), in Earth and Planetary Science Letters, vol. 222, n. 2, 2004, pp. 583–597, DOI:10.1016/j.epsl.2004.03.005.
^ P. R. Renne, Absolute Ages Aren't Exactly, in Science, vol. 282, n. 5395, 1998, pp. 1840–1841, DOI:10.1126/science.282.5395.1840.
^ K. F. Kuiper, A. Deino, F. J. Hilgen, W. Krijgsman, P. R. Renne e J. R. Wijbrans, Synchronizing Rock Clocks of Earth History, in Science, vol. 320, n. 5875, 2008, pp. 500–504, DOI:10.1126/science.1154339.
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f (FR) Étienne Roth, Bernard Poty, Henri Maluski e et al., 12, in Méthode argon 39 - argon 40, principe et applications aux roches terrestres, Collection Commissariat à l'énergie atomique (CEA), Paris, Éditions Masson, 1985, p. 631, ISBN 2-225-80674-8.