4. K-Ar Datierung 4.1. Grundlagen.

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1 4. K-Ar Datierung 4.1. Grundlagen

2 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

3 K ist das 8-häufigste Element der Erdkruste
4. K-Ar K ist das 8-häufigste Element der Erdkruste Isotope in der Natur: (Atmosphäre) 39K 93,2581 % 40Ar 99,60 % 40K % 38Ar % 41K 6, % 36Ar 0,337 % 20 Protonen 40Ca 42Ca 43Ca 44Ca 46Ca 19 39K 40K 41K 18 36Ar 38Ar 40Ar Neutronen 21 22 23 24 25 26

4 4. K-Ar Verzweigter Zerfall und Energiebilanz des Zerfalls von 40K

5 4. K-Ar Zerfall von 40K: Zuwachsrate von 40Ca und 40Ar im geschlossenen System D* = N (e l t – 1) 40Ar* + 40Ca* = 40K (e l t – 1) Zur Zeit t ist die Menge 40Ar* + 40Ca* gleich der Menge des noch vorhandenen 40K (e l t – 1) ist dabei die Gesamtzerfallskonstante für 40K und setzt sich aus 2 Teilkonstanten zusammen: Ar = 0,581 x a-1 Ca = 4,962 x a-1 = lAr + lCa = 5,543 x a-1

6 4. K-Ar Der Anteil von 40K-Atomen, die zu 40Ar zerfallen, entspricht dem Anteil von lAr am Gesamt-l: (lAr/l)40K Der Zuwachs von 40Ar beträgt also D* = N (e l t – 1) 40Ar* = (lAr/l) 40K (e l t – 1) t = 1/l ln (40Ar*/ [40K (lAr/l)] + 1) t = 1/l ln ( D* / N ) kein initiales Ar!! t1/2 für 40K = ln2 / l = / (5,543 x 10-10) = 1,250 x 109 a ??? Was ist t ???

7 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)

8 4. K-Ar „Schließungstemperaturen“ im K-Ar-System: bis ca 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

9 4.2. Probleme bei der K-Ar Datierung
- Kontamination mit atmosphärischem Ar geschlossenes System

10 4. K-Ar Kontamination bei Bildung (Vulkanite) Verwitterung Probenahme Aufbereitung Atmosphäre 40Ar 99,60 % 38Ar % 36Ar 0,337 % 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

11 36Ar ist gegenüber 40Ar in sehr geringer Konzentration vorhanden 
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: Ar*/40Aratmosphärisch junge Proben: < 40Ar* alte Proben: > 40Ar* Je älter die Probe, desto weniger fällt die Kontamination mit atmosphärischem Ar ins Gewicht

12 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

13 Argonverlust durch Diffusion
4. K-Ar Argonverlust durch Diffusion Datierung nur über Minerale mit einem gewissen Ar-Haltevermögen: geeignet Amphibole Glimmer z.T. Gesamtgestein wenig geeignet Feldspäte Feldspatvertreter K-Salze

14 4. K-Ar

15 Argonverlust durch Aufheizung
4. K-Ar Argonverlust 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: Ma Intrusionsalter: 55 Ma Kontaktaureole

16 4. K-Ar Ar-Verlust weiterhin bei Wiederaufheizung durch neue Regionalmetamorphose Mechanische Beanspruchung (Schockwellen, Aufbereitung??) Chemische Verwitterung (auch K) Hydrothermale Alteration (auch K)

17 Reliktisches Argon, das zur Zeit t bereits im System vorliegt
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

18 Überschuss-Argon durch zugeführten Ar-Anteil
4. K-Ar Überschuss-Argon durch zugeführten Ar-Anteil Aufnahme von vagabundierendem Argon, vor allem durch Biotit, seltener Hornblende: Hydrothermale Beeinflussung Randbereich von Metamorphosegebieten

19 4.3. Anwendung der K-Ar Datierung
in der Geologie/Petrologie

20 4. K-Ar Datierung von Plutoniten: Abkühlalter: Hornblende Muscovit Biotit

21 4. K-Ar

22 4. K-Ar Falkenberger Granit K-Ar und Rb-Sr Glimmeralter (Rb-Sr Gesamtgestein 311 Ma)

23 4. K-Ar Datierung 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

24 Beispiel: Parkstein K-Ar WR  24 Ma 4. K-Ar

25 4. K-Ar Beispiel: Ozeanböden  sea-floor-spreading

26 4. K-Ar Datierung 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

27 4. K-Ar Möglichkeit: Datierung über Glaukonit (manchmal auch Sericit/Muscovit) (K,Na,Ca)0.6-1(Fe3+,Al,Fe2+,Mg)2[Si3,5-3,8Al O10] (OH)2 n(H2O) K Al [ Si3AlO ] (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))

28 4. K-Ar Datierung von Metamorphiten: Abkühlalter: Hornblende Muscovit Biotit

29 4. K-Ar

30 4. K-Ar Ostbayern Zone Erbendorf-Vohenstrauß (ZEV)

31 4. K-Ar Ostbayern Zone Erbendorf-Vohenstrauß (ZEV)

32 4.3. Praktische Durchführung der K-Ar Datierung

33 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 mm, mm) 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

34 4. K-Ar Vorbereitung zur Messung: K und Argon werden getrennt gemessen  Probenteilung repräsentativ (Karussell) Einwaage von 2 Aliquots zur K- und Ar-Messung

35 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 : : 6,7302

36 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

37 4. K-Ar Ar-Gas-Massenspektrometer

38 Die 40Ar-39Ar Methode 4. K-Ar Zusammenfassung:
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