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、地質年代学および考古学で使用される放射年代測定法です。これは、カリウム（K）の同位体がアルゴン（Ar）に放射性崩壊した際に生成される物質の測定に基づいています。カリウムは、長石、雲母、粘土鉱物、テフラ、蒸発岩など、多くの物質に一般的に含まれる元素です。これらの物質では、崩壊生成物⁴⁰アルゴンは溶融岩石から脱出できますが、岩石が固化（再結晶化）すると蓄積し始めます。アルゴンの昇華量は、試料の純度、母材の組成、およびその他のいくつかの要因によって決まります。これらの要因は年代測定の上限と下限に誤差範囲をもたらすため、最終的な年代決定は、形成、溶融、および減圧または開放空気への曝露中の環境要因に依存します。再結晶化からの時間は、^{40の量の比率を測定することによって計算されます。}Arは⁴⁰の量まで蓄積されたKが残っている^。40の長い半減期Kを用いることで、数千年以上前の試料の絶対年代を計算する方法が可能になる。 ^{[ 1 ]}

K-Ar年代測定にほぼ理想的な試料となる急速に冷却された溶岩は、試料が鉄のキュリー温度を超えて冷却されるにつれて、局所的な磁場の方向と強度の記録も保存している。地磁気極性タイムスケールは、主にK-Ar年代測定を用いて較正された。^{[ 2 ]}

カリウムは自然界に3つの 同位体として存在する：³⁹K（93.2581％）、⁴⁰K（0.0117％）、⁴¹K（6.7302％）。³⁹Kと⁴¹Kは安定している^。40K同位体は放射性であり、半減期は1.248 × 10 ⁹ 年～^{40 年}カルシウムと⁴⁰Ar 。安定な⁴⁰への変換Ca は、崩壊事象の 89.3% で電子放出 (ベータ崩壊) によって発生します。安定な^{40への変換}Arは、残りの10.7%の崩壊事象において電子捕獲によって発生する。 ^{[ 3 ]}

アルゴンは希ガスであるため、地質年代学的に重要なほとんどの岩石試料の微量成分です。結晶格子内の他の原子とは結合しません^。40Kは⁴⁰に崩壊するAr原子は、鉱物結晶中の他の原子間の空間よりも大きいため、通常は格子内に閉じ込められたままです。しかし、圧力や温度の変化などの適切な条件が満たされると、周囲の領域に逃げ出すことができます^。40アルゴン原子は溶融マグマ中を拡散して脱出することができます。これは、ほとんどの結晶が溶融し、原子がもはや閉じ込められていないためです。取り込まれたアルゴン（マグマから脱出できなかった拡散アルゴン）は、マグマが冷えて再び固い岩石になると、再び結晶に閉じ込められる可能性があります。マグマの再結晶化後、⁴⁰Kは崩壊し、⁴⁰Arは再び鉱物結晶に閉じ込められた同伴アルゴン原子とともに蓄積される^。40の量の測定アルゴン原子は、岩石試料が固化してから経過した時間を計算するために使用される。

^40歳にもかかわらずCaは優先される娘核種であるため、地殻にカルシウムが非常に多く存在するため、年代測定にはほとんど役立たない^。カルシウムは最も豊富な同位体であるため、元々存在していた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を測定する際に、その量が変動する可能性がある。

⁴⁰の比率Arの⁴⁰までKは、岩石がアルゴンを閉じ込めるのに十分な温度まで冷えてからの経過時間と、次の式で直接関係します。

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

どこ：

• tは経過時間です
• t _1/2は⁴⁰の半減期であるK
• K _fは⁴⁰の量ですサンプル中に残っているK
• Ar _fは⁴⁰の量です試料中にアルゴンが検出された。

• スケールファクター0.109は、測定されていない^{40の割合を補正します。}Kは⁴⁰に崩壊した約。

^{測定された40}の合計Kと⁴⁰のスケーリング量Arは⁴⁰の量を与える経過期間の開始時点で存在していたカリウム濃度。実際には、絶対値ではなく相対値のみが必要なため、これらの値はそれぞれ、存在する全カリウム濃度に対する割合として表すことができます。

これを導出するには、次の式が以下と同等であることに注目してください。${\displaystyle {\frac {{K}_{f}}{{K}_{f,t=0}}}=2^{-t/t_{1/2}}}$、 どこ${\displaystyle K_{f,t=0}={K}_{f}+{\frac {{Ar}_{f}}{0.109}}}$これはK-40の元の量です。

^同位体40の含有率を得るにはArから⁴⁰岩石や鉱物中のカリウム（K）の量は、岩石試料を真空中で揮発させた際に放出されるガスを質量分析法で測定することによって求められます。カリウムの量は、フレーム光度計または原子吸光分光法によって定量されます。

⁴⁰の量Kは直接測定されることはまれである。むしろ、より一般的な³⁹Kを測定し、その値を⁴⁰という既知の比率で乗じる。K / ³⁹K（すなわち、0.0117%/93.2581%、上記参照）。

⁴⁰の量アルゴン濃度も測定され、全​​アルゴンのうち大気由来のアルゴンがどれくらいあるかを評価する。

McDougall & Harrison (1999 、p. 11)によると、計算された年代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、次の仮定が真でなければならない。^{[ 4 ]} 

• 親核種、⁴⁰K は、その物理状態に依存しない速度で崩壊し、圧力や温度の違いの影響を受けません。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、十分に根拠のある主要な仮定です。40 の電子捕獲部分崩壊定数の変化は^、Kは高圧下で発生する可能性があるが、理論計算によると、地球サイズの物体内部で経験される圧力では、その影響は無視できるほど小さい。^{[ 1 ]}
• 40^​K / ³⁹自然界におけるK比は一定なので⁴⁰Kは直接測定されることはまれですが、全カリウムの0.0117%であると仮定されています。冷却時に他のプロセスが活発でない限り、これは地球上のサンプルに対しては非常に良い仮定です。^{[ 5 ]}
• 試料中で測定された放射性アルゴンは、^{40のその場での崩壊によって生成された。}Kは岩石が結晶化または再結晶化してからの期間における値である。この仮定に違反することは珍しくない。異質な物質の取り込みのよく知られた例としては、⁴⁰Arには、既存のガスを完全に放出していない冷却されたガラス質の深海玄武岩が含まれる^。Ar *、^{[ 6 ]}および古い異種岩物質の混入によるマグマの物理的汚染。Ar –Ar 年代測定法は、外部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^{40の吸収による試料の汚染を避けるためには、細心の注意が必要である。}大気中のAr 。この式は^{40から差し引くことで修正できます。}空気中に存在する量の測定値は₄₀^ですArは³⁶よりも295.5倍多く存在する。Ar . ⁴⁰Ar_崩壊数= ⁴⁰Arの_測定値− 295.5 × ³⁶Ar_{を測定した}。
• サンプルは、イベント発生以来、閉鎖系に保たれていなければならない。したがって、^{40の損失または増加はなかったはずである。}Kまたは⁴⁰Ar *、 ⁴⁰の放射性崩壊以外K . この仮定からの逸脱は、特に複雑な地質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、熱史の解明に役立つ有用な情報を提供する可能性があります。40 の^不足既知の年代の試料中のArは、その地域の熱履歴における完全溶融または部分溶融を示すことができる。わずかに異なる熱履歴を受けた異なる地域をサンプリングすることで、地質学的特徴の年代測定の信頼性が向上する。 ^{[ 7 ]}

炎光光度法と質量分析法はいずれも破壊的な検査法であるため、使用する分取試料が試料全体を真に代表するものであることを確実にするために、細心の注意を払う必要がある。Ar -Ar年代測定法は、試料の同じ部分から得られた同位体比を比較することでこの問題を回避する、同様の手法である。

半減期が⁴⁰と長いためK、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ます。より短い時間スケールでは、十分な⁴⁰Ar は正確に測定できるほど蓄積する時間があったはずです。K–Ar 年代測定は地磁気極性タイムスケールの開発に役立ちました。^{[ 2 ]}地質学の応用で最も有用ですが、考古学でも重要な役割を果たしています。考古学の応用例の 1 つは、オルドバイ渓谷の考古学的堆積物の上下の溶岩流の年代を測定することによって、堆積物の年代を範囲指定することです。 ^{[ 8 ]}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不可欠でした。^{[ 8 ]} K–Ar 法は、粘土鉱物の続成作用の年代測定に引き続き有用です。^{[ 9 ]} 2017 年に、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ことが報告されました。^{[ 10 ]}この発見は、イライトが採取された西ノルウェーの海岸平野の年代測定に間接的につながりました。^{[ 10 ]}粘土鉱物は厚さが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はできない。 

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測定を行った。これは、他の惑星に存在する岩石の鉱物成分から年代測定が行われた初めての事例である。^{[ 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系統性" . Clays and Clay Minerals . 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および熱年代学.オックスフォード大学出版局. ISBN 978-0-19-510920-7。
• タッターサル、I. (1995). 『化石の道：人類進化について私たちが知っていると思っていることを、私たちはどのように知るのか』オックスフォード大学出版局ISBN 978-0-19-506101-7。

• 「K/Ar法および^40K / ^39K法」。ニューメキシコ地質年代学研究所。 2006年4月17日にオリジナルからアーカイブ済み。
• Michaels, GH; Fagan, BM (2005年12月15日). 「年代測定法9：カリウム-アルゴン年代測定法」 .カリフォルニア大学. 2010年8月10日にオリジナルからアーカイブ済み。
• Moran, TJ (2009). "ハワイ諸島の地質を用いた放射性同位体年代測定法の指導" (PDF) . Journal of Geoscience Education . 57 (2): 101– 105. Bibcode : 2009JGeEd..57..101M . doi : 10.5408/1.3544237 .