K-Ar年代測定

カリウム-アルゴン年代測定法（略称K-Ar年代測定法）は、地質年代学や考古学で用いられる放射年代測定法である。カリウム同位体（ K）の放射性崩壊によるアルゴン（Ar）への生成物の測定に基づく。カリウムは、長石、雲母、粘土鉱物、火山灰、蒸発岩など、多くの物質に含まれる一般的な元素である。これらの物質では、崩壊生成物は⁴⁰
アル
アルゴンは液体（溶融）岩石から逃げることができるが、岩石が固まる（再結晶する）と蓄積し始める。発生するアルゴン昇華の量は、サンプルの純度、母材の組成、およびその他の多くの要因の関数である。これらの要因により、年代測定の上限と下限に誤差が生じるため、最終的な年代の決定は、形成、溶融、および減圧または外気への露出中の環境要因に依存する。再結晶からの時間は、アルゴンの量の比率を測定することによって計算される。⁴⁰
アル
蓄積された金額⁴⁰
け
残り半減期が長い⁴⁰
け
この方法により、数千年以上前のサンプルの絶対年齢を計算することができる。 ^[1]

急速に冷却された溶岩は、K-Ar年代測定にほぼ理想的なサンプルとなり、サンプルが鉄のキュリー温度を超えて冷却されたときの局所的な磁場の方向と強度の記録も保存します。地磁気極性の時間スケールは、主にK-Ar年代測定を使用して較正されました。^[2]

カリウムは天然に3つの同位体で存在します。³⁹
け
（93.2581%）⁴⁰
け
（0.0117％）、⁴¹
け
（6.7302％）。³⁹
け
そして⁴¹
け
安定しています。⁴⁰
け
同位体は放射性であり、半減期は1.248 × 10 ⁹ 年まで⁴⁰
カナダ
そして⁴⁰
アル
. 安定への変換⁴⁰
カナダ
崩壊事象の89.3%は電子放出（ベータ崩壊）によって起こる。安定な⁴⁰
アル
残りの10.7%の崩壊イベントでは電子捕獲によって起こる。 ^[3]

アルゴンは希ガスであり、地質年代学的に興味深いほとんどの岩石サンプルの微量成分である。結晶格子内の他の原子と結合しない。⁴⁰
け
に崩壊する⁴⁰
アル
; 原子は通常、鉱物結晶内の他の原子間の空間よりも大きいため、格子内に閉じ込められたままになります。しかし、圧力や温度の変化など、適切な条件が満たされると、周囲の領域に逃げることができます。⁴⁰
アル
ほとんどの結晶が溶けて原子が閉じ込められなくなったため、原子は溶融マグマを拡散して逃げることができる。マグマから逃げられなかった拡散したアルゴンは、マグマが冷えて再び固体岩石になったときに再び結晶に閉じ込められる可能性がある。マグマの再結晶化後、より多くの⁴⁰
け
腐敗し、⁴⁰
アル
鉱物結晶に閉じ込められたアルゴン原子とともに再び蓄積される。⁴⁰
アル
原子は、岩石サンプルが固まってから経過した時間を計算するために使用されます。

にもかかわらず⁴⁰
カナダ
好ましい娘核種であるため、カルシウムは地殻中に非常に多く含まれているため、年代測定にはほとんど役立ちません。⁴⁰
カナダ
最も豊富な同位体であるため、元々存在するカルシウムの量は不明であり、放射性崩壊によって生じるわずかな増加の測定を混乱させるほど変化する可能性があります。

量の比率⁴⁰
アル
の⁴⁰
け
は、次の式によって、岩石が Ar を閉じ込めるのに十分冷えてから経過した時間に直接関係します。

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

どこ：

• tは経過時間です
• t _1/2は半減期である⁴⁰
  け
  
• K _fは、⁴⁰
  け
  サンプルに残っている
• Ar _fは、⁴⁰
  アル
  サンプルで見つかりました。

スケール係数0.109は、測定されていない部分を補正します。⁴⁰
け
それが崩壊して⁴⁰
カナダ
; 測定された値の合計⁴⁰
け
そして、スケールされた量の⁴⁰
アル
の量を与える⁴⁰
け
経過時間の開始時に存在していたカリウムの量です。実際には、絶対量ではなく相対量のみが必要であるため、これらの値はそれぞれ、存在するカリウムの総量に対する割合として表すことができます。

同位体の含有率を求める⁴⁰
アル
に⁴⁰
け
岩石や鉱物中の Ar の量は、岩石サンプルが真空中で揮発したときに放出されるガスの質量分析によって測定されます。カリウムは、炎光光度法または原子吸光分光法によって定量化されます。

の量は⁴⁰
け
直接測定されることはめったにありません。むしろ、より一般的なのは³⁹
け
測定され、その量は、受け入れられた比率で乗じられます⁴⁰
け
/³⁹
け
(つまり、0.0117%/93.2581%、上記を参照)。

の量は⁴⁰
アル
また、総アルゴンのうち大気起源のアルゴンがどれだけあるかを評価するためにも測定されます。

マクドゥーガルとハリソン（1999、p.11）によると、計算された日付が岩石の真の年代を表すものとして受け入れられるためには、以下の仮定が成り立つ必要がある：^[4]

• 親核種、⁴⁰
  け
  は、その物理的状態とは無関係に崩壊し、圧力や温度の違いによる影響を受けない。これは、放射性崩壊に基づくすべての年代測定法に共通する、根拠のある主要な仮定である。⁴⁰
  け
  高圧下では発生する可能性があるが、理論計算によれば、地球サイズの物体内で経験される圧力に対しては、その影響は無視できるほど小さい。^[1]
• の⁴⁰
  け
  /³⁹
  け
  自然界の比率は一定なので、⁴⁰
  け
  直接測定されることは稀ですが、総カリウムの0.0117%と仮定されています。冷却時に他の何らかのプロセスがアクティブでない限り、これは陸生サンプルの場合に非常に良い仮定です。^[5]
• サンプルで測定された放射性アルゴンは、⁴⁰
  け
  岩石が結晶化または再結晶化してからの期間。この仮定に反することは珍しくない。よく知られている例には、⁴⁰
  アル
  既存のガスを完全に放出していない冷えたガラス質の深海玄武岩を含む⁴⁰
  アル
  *、^[6]および古い捕獲岩物質の包含によるマグマの物理的汚染。Ar -Ar年代測定法は、外来アルゴンの存在を測定するために開発されました。
• 非放射性物質の吸収によるサンプルの汚染を避けるため、細心の注意が必要である。⁴⁰
  アル
  大気から。この式は、⁴⁰
  アル
  _測定値 空気中に存在する量⁴⁰
  アル
  295.5倍豊富です³⁶
  アル
  。 ⁴⁰
  アル
  _腐敗した=⁴⁰
  アル
  _測定値− 295.5 ׳⁶
  アル
  _{測定しました}。
• サンプルは、日付が付けられたイベント以降、閉鎖系のままでなければならない。したがって、⁴⁰
  け
  または⁴⁰
  アル
  *、放射性崩壊以外による⁴⁰
  け
  この仮定からの逸脱は、特に複雑な地質学的歴史を持つ地域では非常に一般的ですが、そのような逸脱は、熱史を解明する上で価値のある有用な情報を提供することができます。⁴⁰
  アル
  既知の年代のサンプルでは、​​その地域の熱履歴において完全または部分的な溶融が示唆される可能性がある。地質学的特徴の年代測定の信頼性は、わずかに異なる熱履歴を受けた異なる地域をサンプルとして採取することで向上する。^[7]

炎光光度法と質量分析法はどちらも破壊的なテストであるため、使用するアリコートがサンプルを真に代表するものであることを特に注意して確認する必要があります。Ar -Ar 年代測定法は、この問題を回避するためにサンプルの同じ部分の同位体比を比較する同様の技術です。

半減期が長いため⁴⁰
け
この技術は10万年以上前の鉱物や岩石の年代測定に最も適している。より短い時間スケールでは、十分な⁴⁰
アル
正確に測定できるほど蓄積する時間があったであろう。K-Ar年代測定は、地磁気極性時間スケールの開発に役立った。^{[2]この方法は}地質学への応用で最も有用であるが、考古学においても重要な役割を果たしている。考古学への応用の1つは、オルドバイ渓谷の考古学的堆積物の年代を、堆積物の上下の溶岩流の年代を測定することによって区分することであった。 ^{[8]この方法はまた}、エチオピアのハダールなど、火山活動の歴史を持つ他の初期の東アフリカの遺跡でも欠かせないものであった。^{[8] K-Ar法は粘土鉱物の続成作用の年代}測定にも引き続き有用である。^{[9] 2017年には、}風化によって形成されたイライトの年代測定に成功したと報告された。^[10]この発見は間接的に、イライトが採取されたノルウェー西部の海岸平原の年代測定につながった。 ^[10]粘土鉱物の厚さは2μm未満であり、Arが結晶格子から反跳するため、 Ar-Ar分析のために容易に照射することができない。

2013年、火星探査車キュリオシティはK-Ar法を用いて火星表面の岩石の年代を測定した。これは他の惑星にある岩石の鉱物成分から年代を測定した初めてのケースである。^{[11] [12]}

• Aronson, JL; Lee, M. (1986). 「接触変成帯におけるベントナイトと頁岩のK/Ar体系」粘土と粘土鉱物. 34 (4): 483– 487. Bibcode :1986CCM....34..483A. doi : 10.1346/CCMN.1986.0340415 .
• McDougall, I. ; Harrison, TM (1999). ⁴⁰ Ar/ ³⁹ Ar 法による地質年代学と熱年代学. Oxford University Press . ISBN 978-0-19-510920-7。
• タッターソール、I. (1995)。化石の道：人類の進化について私たちが知っていると思っていることは、どのようにしてわかるのか。オックスフォード大学出版局。ISBN 978-0-19-506101-7。

ウィキブック歴史地質学には、 K-Ar年代測定に関するページがあります。

• 「K/Ar および 40K/39K の方法論」。ニューメキシコ地質年代学研究所。2006 年 4 月 17 日時点のオリジナルからアーカイブ。
• Michaels, GH; Fagan, BM (2005 年 12 月 15 日). 「年代学的方法 9: カリウム-アルゴン年代測定」.カリフォルニア大学. 2010 年 8 月 10 日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• Moran, TJ (2009). 「ハワイ諸島の地質学を用いた放射性同位元素による年代測定の指導」(PDF) . Journal of Geoscience Education . 57 (2): 101– 105. Bibcode :2009JGeEd..57..101M. doi : 10.5408/1.3544237 .