4. K-Ar Datierung

4.1. Grundlagen

4. K-Ar

Historisches:

1935 entdeckte Nier das natürliche Auftreten des Radioisotops 40K

1948 erbrachte Nier zusammen mit Aldrich den Nachweis, dass geologisch alte Minerale 40Ar enthalten, das durch den Zerfall von 40K entstanden ist.

50er-Jahre: erste K-Ar Datierung

4. K-Ar

K ist das 8-häufigste Element der Erdkruste

Isotope in der Natur: (Atmosphäre)

39K 93,2581 % 40Ar 99,60 %

40K 0.01167 % 38Ar 0.063 %

41K 6,7302 % 36Ar 0,337 %

20Protonen

40Ca 

42Ca 43Ca 44Ca 

46Ca

19   

39K 40K 41K       

18 36Ar 

38Ar 

40Ar    Neutronen  

18 19 20 21 22 23 24 25 26

Verzweigter Zerfall und Energiebilanz des Zerfalls von 40K

4. K-Ar

4. K-ArZerfall von 40K:

Zuwachsrate von 40Ca und 40Ar im geschlossenen System

D* = N (e t – 1)

40Ar* + 40Ca* = 40K (e t – 1)

Zur Zeit t ist die Menge 40Ar* + 40Ca* gleich der Menge des noch vorhandenen 40K (e t – 1)

ist dabei die Gesamtzerfallskonstante für 40K und setzt sich aus 2 Teilkonstanten zusammen:

Ar = 0,581 x 10-10 a-1

Ca = 4,962 x 10-10 a-1

= Ar + Ca = 5,543 x 10-10 a-1

4. K-Ar

Der Anteil von 40K-Atomen, die zu 40Ar zerfallen, entspricht dem Anteil von Ar am Gesamt-:

(Ar/)40K

Der Zuwachs von 40Ar beträgt also

D* = N (e t – 1)40Ar* = (Ar/) 40K (e t – 1)

t = 1/ ln (40Ar*/ [40K (Ar/)] + 1)

t = 1/ ln ( D* / N + 1) kein initiales Ar!!

t1/2 für 40K = ln2 / = 0.693 / (5,543 x 10-10) = 1,250 x 109 a

??? Was ist t ???

4. K-Ar

t ist der Zeitpunkt in der Erdgeschichte, zu dem sich das System für die jeweils untersuchten Isotope geschlossen hat

Kristallisation Kristallisationsalter

temperaturabhängige Schließung Abkühlalter

t gibt den Zeitpunkt an, zu dem das Gestein bei der Abkühlung nach einem geologischen Ereignis eine bestimmte Isoterme unterschreitet (Schließungstemperatur)

4. K-Ar

„Schließungstemperaturen“ im K-Ar-System:

bis ca. 1998 Villa, 1998

Hornblende 500°C 550 – 650°C

Muscovit 350°C 500°C

Biotit 300°C 450°C

Möglichkeit: Abschätzung der Abkühlgeschwindigkeit

Aber: abhängig z.B. von Stress, Mineralchemismus, Fluiddurchsatz

4. K-Ar

4.2. Probleme bei der K-Ar Datierung

- Kontamination mit atmosphärischem Ar

- geschlossenes System

4. K-Ar

Atmosphäre

40Ar 99,60 %38Ar 0.063 %36Ar 0,337 %

Kontamination bei

Bildung (Vulkanite) Verwitterung Probenahme Aufbereitung

Korrektur: vorausgesetzt wird, dass das Ar der Kontamination die Zusammensetzung des modernen atmosphärischen Ar besitzt

Messung aller Ar-Isotope:

40Ar für die Datierung

38Ar als Spike

36Ar (IVA) wird zur Korrektur verwendet

40Ar* = 40Argesamt – 40Aratmosphärisch

4. K-Ar

36Ar ist gegenüber 40Ar in sehr geringer Konzentration vorhanden

erhöhter Messfehler für 36Ar

Fehler bei der Korrektur des 40Ar

Relevanz für geologische Proben: 40Ar*/40Aratmosphärisch

junge Proben: < 40Ar*

alte Proben: > 40Ar*

Je älter die Probe, desto weniger fällt die Kontamination mit atmosphärischem Ar ins Gewicht

4. K-Ar

Problem des geschlossenen Systems

t gibt den Zeitpunkt der Schließung nur dann korrekt wieder, wenn das betroffene geologische System

- zum Zeitpunkt t kein Ar enthalten hat

- von t an für K und Ar geschlossen war

Probleme werden in erster Linie durch das Ar verursacht (Edelgas, kein Einbau im Gitter, Diffusionsfreudigkeit)

- Argonverlust

- Überschussargon

Datierung nur über Minerale mit einem gewissen Ar-Haltevermögen:

geeignet

Amphibole

Glimmer

z.T. Gesamtgestein

wenig geeignet

Feldspäte

Feldspatvertreter

K-Salze

4. K-Ar

Argonverlust durch Diffusion

4. K-Ar

4. K-ArArgonverlust durch Aufheizung

Wird das System wieder aufgeheizt, dann kommt es mit Annäherung an die Schließungstemperatur zu einer verstärkten Ar-Diffusion

Eldora Quarzmonzonit-Intrusion in die metamorphe Idaho Springs Fromation (Colorado)

Metamorphosealter:

1400-1350 Ma

Intrusionsalter:

55 Ma

Kontaktaureole

4. K-Ar

Ar-Verlust weiterhin bei

Wiederaufheizung durch neue Regionalmetamorphose

Mechanische Beanspruchung (Schockwellen, Aufbereitung??)

Chemische Verwitterung (auch K)

Hydrothermale Alteration (auch K)

4. K-Ar

Überschuss-Argon durch ererbten Ar-Anteil

Reliktisches Argon, das zur Zeit t bereits im System vorliegt

Mantelargon: Vulkanite

Schnelle Abkühlung mit unvollständiger Entgasung

Wechselwirkung zwischen Schmelze und Nebengestein: z.B. Pegmatite

Restargon aus unvollständiger Aufheizung: z.B. niedriggradige Regionalmetamorphose, Kontaktmetamorphose

4. K-Ar

Überschuss-Argon durch zugeführten Ar-Anteil

Aufnahme von vagabundierendem Argon, vor allem durch Biotit, seltener Hornblende:

- Hydrothermale Beeinflussung

- Randbereich von Metamorphosegebieten

4.3. Anwendung der K-Ar Datierung

in der Geologie/Petrologie

4. K-Ar

Datierung von Plutoniten:

Abkühlalter:

Hornblende

Muscovit

Biotit

4. K-Ar

4. K-Ar

Falkenberger Granit

K-Ar und Rb-Sr Glimmeralter

(Rb-Sr Gesamtgestein

311 Ma)

4. K-ArDatierung von Vulkaniten:

Abkühlalter:

Hornblende

Biotit

Sanidin

Vulkanische Gläser

Gesamtgestein WR

Vorsicht!

Gesamtgestein oft alteriert Ar-Verlust Glas rekristallisiert, Sekundärminerale wie Zeolith, Calcit, Tonminerale

Xenolithe, Mantel-Argon Ar-Überschuss

Beispiel:

Parkstein K-Ar WR 24 Ma

4. K-Ar

4. K-Ar

Beispiel:

Ozeanböden sea-floor-spreading

4. K-ArDatierung der Sedimentation

Problem:

Die Minerale von Sedimenten stammen normalerweise aus dem Liefergebiet.

Authigene Minerale enthalten entweder kein K oder kein verlässliches Haltevermögen des Ar

Möglichkeit:

Pyroklastit- oder Bentonitlagen mit Mineralen, die den Zeitpunkt des vulkanischen Ereignisses wiedergeben und der Alteration entgangen sind: Sanidin, Biotit, Amphibol, vulkanisches Glas

Bei mehreren Lagen:

Abschätzung der Sedimentationsrate

Eichung des biostratigraphischen Skala

4. K-Ar

Möglichkeit:

Datierung über Glaukonit (manchmal auch Sericit/Muscovit)

(K,Na,Ca)0.6-1(Fe3+,Al,Fe2+,Mg)2[Si3,5-3,8Al0.5-0.2O10] (OH)2 n(H2O)

K Al2 [ Si3AlO10 ] (OH)2 (Muscovit)

Glaukonit wird in gemäßigten Breiten während der Sedimentation gebildet.

Voraussetzungen:

- gute Kristallausbildung

- nicht metamorph oder tektonisch beansprucht

- oft verjüngt, deshalb eher Minimalalter als tatsächliches Alter

(Essener Grünsandstein (Cenoman, Turon))

4. K-Ar

Datierung von Metamorphiten:

Abkühlalter:

Hornblende

Muscovit

Biotit

4. K-Ar

4. K-Ar

Ostbayern

Zone Erbendorf-Vohenstrauß (ZEV)

4. K-Ar

Ostbayern

Zone Erbendorf-Vohenstrauß (ZEV)

4.3. Praktische Durchführung der K-Ar Datierung

4. K-Ar

Bei der K-Ar Methode werden fast immer Mineralfraktionen datiert.

Aufbereitung:

- frische Probe von Verwitterungsrinden, Kluftbelägen, Gangfüllungen, Sekundärmineralisationen befreien

- zerkleinern im Backenbrecher auf Splitgröße

- kurz Anmahlen in der Scheibenschwingmühle

- Siebkolonne, geeignete Fraktionen auswählen (oft 63-125 m, 125-250 m)

- säubern der benötigten Siebfraktionen im Ultraschall

- Mineraltrennung: Magnetscheider, (Nass-)Schütteltisch, Glasplatte

- dazwischen mehrfach Ultraschall und Nachsieben

- letzte Säuberung des Konzentrats mit der Präpariernadel u.d. Binokular

4. K-Ar

Vorbereitung zur Messung:

K und Argon werden getrennt gemessen

- Probenteilung repräsentativ (Karussell)

- Einwaage von 2 Aliquots zur K- und Ar-Messung

4. K-Ar

Messung von 40K

Bestimmung des gesamten K mit Hilfe konventioneller Analytik

- Flammenphotometer

- Atomabsorptionsanalyse AAS

- andere spektralanalytische Methoden

Errechnen des 40K auf der Basis des aktuellen K-Isotopenverhältnisses

39K : 40K : 41K = 93,2581 : 0.01167 : 6,7302

4. K-Ar

Messung von Ar

Massenspektrometrisch im Gas-Massenspektrometer

- Probe wird in Alufolie eingewogen und eingewickelt

- Probenserie in horizontalem Glasrohr wird an das Rohrleitungssystem des Massenspektrometers angeschweißt

- Hochvakuum

- Transport der Einzelprobe in einen Mo-Tiegel

- Induktionsheizung ca. 1600°C

- Gas-Spike, Gaspipette

- Gasreinigung mit CuO: H2 H2O, CO CO2, wird eingefroren

- Gasreinigung mit heißem Ti-Getter (850°C): Adsorption weiterer Nichtedelgase

- Messung der drei Ar-Isotope

4. K-Ar

Ar-Gas-Massenspektrometer

4. K-ArZusammenfassung:

Lange Zeit wesentliche Standardmethode zur Datierung der Abkühlung nach einem geologischen Temperaturereignis: Intrusionen, Extrusionen, Metamorphose, seltener Sedimentation.

Datiert werden i.d.R. Mineralfraktionen, meist Hornblende, Biotit, Muscovit, seltener Gesamtgestein, Sanidin, vulk. Glas

Problem: Geschlossenes System, Ar-Verlust oder –Gewinn

Abhilfe: Größere Probenmenge oder besser:

Die 40Ar-39Ar Methode