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4. K-Ar Datierung 4.1. Grundlagen. 4. K-Ar Historisches: 1935 entdeckte Nier das natürliche Auftreten des Radioisotops 40 K 1948 erbrachte Nier zusammen.

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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 40 K 1948 erbrachte Nier zusammen mit Aldrich den Nachweis, dass geologisch alte Minerale 40 Ar enthalten, das durch den Zerfall von 40 K entstanden ist. 50er-Jahre: erste K-Ar Datierung

3 4. K-Ar K ist das 8-häufigste Element der Erdkruste Isotope in der Natur: (Atmosphäre) 39 K93,2581 % 40 Ar99,60 % 40 K % 38 Ar0.063 % 41 K6,7302 % 36 Ar0,337 % 20 Protonen 40 Ca 42 Ca 43 Ca 44 Ca 46 Ca K 40 K 41 K Ar 38 Ar 40 Ar Neutronen

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

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

6 4. K-Ar Der Anteil von 40 K-Atomen, die zu 40 Ar zerfallen, entspricht dem Anteil von Ar am Gesamt- : ( Ar / ) 40 K Der Zuwachs von 40 Ar beträgt also D*= N (e t – 1) 40 Ar* = ( Ar / ) 40 K (e t – 1) t = 1/ ln ( 40 Ar*/ [ 40 K ( Ar / )] + 1) t = 1/ ln ( D* / N + 1) kein initiales Ar!! t 1/2 für 40 K = ln2 / = / (5,543 x ) = 1,250 x 10 9 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. 1998Villa, 1998 Hornblende500°C550 – 650°C Muscovit350°C500°C Biotit300°C450°C Möglichkeit: Abschätzung der Abkühlgeschwindigkeit Aber: abhängig z.B. von Stress, Mineralchemismus, Fluiddurchsatz

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

10 4. K-Ar Atmosphäre 40 Ar99,60 % 38 Ar0.063 % 36 Ar0,337 % 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: 40 Ar für die Datierung 38 Ar als Spike 36 Ar (IVA) wird zur Korrektur verwendet 40 Ar* = 40 Ar gesamt – 40 Ar atmosphärisch

11 4. K-Ar 36 Ar ist gegenüber 40 Ar in sehr geringer Konzentration vorhanden erhöhter Messfehler für 36 Ar Fehler bei der Korrektur des 40 Ar Relevanz für geologische Proben: 40 Ar*/ 40 Ar atmosphärisch junge Proben:< 40 Ar* alte Proben: > 40 Ar* 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 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

14 4. K-Ar

15 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 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 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 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 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) (Fe 3+,Al,Fe 2+,Mg) 2 [Si 3,5-3,8 Al O 10 ] (OH) 2 n(H 2 O) K Al 2 [ Si 3 AlO 10 ] (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 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 m, 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

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 40 K Bestimmung des gesamten K mit Hilfe konventioneller Analytik - Flammenphotometer - Atomabsorptionsanalyse AAS - andere spektralanalytische Methoden Errechnen des 40 K auf der Basis des aktuellen K- Isotopenverhältnisses 39 K : 40 K : 41 K = 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: H 2 H 2 O, CO CO 2, 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 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 40 Ar- 39 Ar Methode


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