Datowanie metodą potasowo-argonową

Metoda potasowo-argonowa (K-Ar) – metoda stosowana do datowania skał o wieku setek tysięcy lub milionów lat. Została opracowana w latach pięćdziesiątych XX wieku. Dopuszczalny błąd chronologiczny tej metody wynosi maksymalnie 10%.

Metoda ta jest również stosowana do datowania stanowisk wczesnych hominidów w Afryce, pochodzących sprzed blisko 5 milionów lat. W przypadku skał wulkanicznych można nią datować tylko te, których wiek przekracza 100 000 lat.

Podstawowe założenia metody

Datowanie to, podobnie jak metoda radiowęglowa, opiera się na zjawisku rozpadu promieniotwórczego.

Argon (Ar, łac. argon) – pierwiastek chemiczny będący gazem szlachetnym. Jest praktycznie niereaktywny i nie ma żadnego znaczenia biologicznego, jest także jednym ze składników powietrza. Argon wyodrębnili i zidentyfikowali Lord Rayleigh i sir William Ramsay w 1894 roku.

Skały są to duże skupiska minerałów jednorodnych lub różnorodnych. Ze względu na sposób powstania wyróżnia się skały magmowe, osadowe i przeobrażone (metamorficzne)

W tym wypadku chodzi o bardzo powolny, lecz stały rozpad promieniotwórczego izotopu potasu K do postaci trwałego gazowego izotopu argonu Ar w skałach wulkanicznych. Znając szybkość rozpadu K (jego czas połowicznego zaniku wynosi ok. 1,26 miliarda lat) i zmierzywszy ilość Ar uwięzionego w 10-gramowej próbce skał, uzyskujemy szacunkową datę ich formowania się.

Człowiekowate, hominidy (Hominidae) – rodzina ssaków naczelnych obejmująca największe wśród naczelnych gatunki wykazujące dużą inteligencję, skłonność do przyjmowania spionizowanej, dwunożnej postawy oraz zdolność do wytwarzania i używania narzędzi. Gatunkiem typowym rodziny jest Homo sapiens Linnaeus, 1758. Najstarszy znany z zapisów kopalnych hominid Sahelanthropus tchadensis pochodzi z miocenu, 7 mln lat temu.

Afryka – drugi pod względem wielkości kontynent na Ziemi, ma 30,3 mln km² powierzchni, czyli ponad 20,3% ogólnej powierzchni lądowej naszego globu. Przechodzi przez niego południk 0°, obydwa zwrotniki i równik.

Bardziej czuły wariant tej metody, zadowalający się jeszcze mniejszą próbką, znany jest jako datowanie za pomocą fuzji laserowej argon-argon. Trwały izotop potasu K jest przekształcany w Ar w drodze bombardowania próbki, którą chcemy wydatować, strumieniem neutronów. Ilość obu izotopów argonu może być następnie zmierzona, po ich uwolnieniu w wyniku fuzji laserowej, przez spektrometr masowy.

Radioaktywność (promieniotwórczość) – zdolność jąder atomowych do rozpadu promieniotwórczego, który najczęściej jest związany z emisją cząstek alfa, cząstek beta oraz promieniowania gamma (promieniowanie elektromagnetyczne o bardzo dużej energii).

Czas połowicznego rozpadu (zaniku) (okres połowicznego rozpadu) jest to czas, w ciągu którego liczba nietrwałych obiektów lub stanów zmniejsza się o połowę. Czas ten, oznaczany symbolem T1/2, zgodnie z definicją musi spełniać zależność:

Ponieważ proporcja K do K w skałach jest stała, wiek znaleziska może być określony na podstawie proporcji Ar do Ar. Jak przy wszystkich radiometrycznych metodach datowania, istotne jest wykrycie czynnika ustawiającego zegar archeologiczny w pozycji zerowej. W tym przypadku byłoby to uformowanie się skały w wyniku aktywności wulkanicznej, uwalniającej cały znajdujący się tam wcześniej argon.

Skała wylewna (skała wulkaniczna, wulkanity) – skała magmowa, która powstają wskutek zastygania magmy (lawy) wydostającej się na powierzchnię Ziemi (np. w postaci wulkanu) lub zgromadzonej bardzo płytko pod powierzchnią (do kilkuset metrów), gdzie ciśnienie i temperatura są niewielkie i bardzo zbliżone do atmosferycznych. Lawa zastyga wtedy bardzo szybko, dlatego też kryształy minerałów nie zdążają się wykształcić.

Datowanie izotopowe (radiodatowanie) – metody datowania próbek, oparte na zjawisku rozpadu promieniotwórczego, stosowne głównie w naukach geologicznych i archeologicznych. Metody oparte są na określeniu proporcji pomiędzy pierwotną zawartością danego izotopu promieniotwórczego a obecną zawartością tego izotopu w próbce. Proporcja ta zależna jest tylko i wyłącznie od czasu rozpadu. Warunkiem metodologicznym jest utrzymanie układu zamkniętego w czasie trwania rozpadu (z wyjątkiem metody radiowęglowej). Pierwotną zawartość izotopu oblicza się poprzez zsumowanie produktu jego rozpadu (stałego izotopu radiogenicznego) oraz reszty nierozpadniętego izotopu promieniotwórczego.

Niektóre obszary, najważniejsze dla badań dolnego paleolitu, a zwłaszcza Wielki Rów Wschodni w Afryce, to rejony aktywności wulkanicznej. Znaczy to, że pozostałości archeologiczne znajdują się często w warstwach geologicznych powstałych w wyniku działalności wulkanicznej, a zatem nadających się do datowania tą metodą. Dodatkowo są one często przykryte przez porównywalne skały wulkaniczne, a więc daty takich dwóch warstw geologicznych wyznaczają granice chronologiczne dla zawartego między nimi złoża archeologicznego.

W tej metodzie mierzy się zawartość argonu Ar powstałego z rozpadu jądra potasu K. W obliczeniach zakłada się, że cały rejestrowany argon zawarty w minerale powstał po zastygnięciu skały. Jest to warunek niezbędny.

Ograniczenia

Rezultaty datowania metodą argonowo-potasową obciążone są błędem szacunkowym (tak samo, jak w przypadku innych metod radiometrycznych). Główne ograniczenie tej techniki polega na tym, że może być użyta jedynie do datowania znalezisk przykrytych przez skałę wulkaniczną, oraz że rzadko za jej pomocą udaje się osiągnąć dokładność wyższą niż ±10%. Niemniej metoda ta stała się kluczowym narzędziem na obszarach, gdzie występuje odpowiedni materiał wulkaniczny.

Nie ma metody, która pozwalałaby zmierzyć początkową zawartość argonu Ar przed i tuż po zastygnięciu skały. Radioaktywny argon Ar powstały z rozpadu potasu K zawartego w skałach jest nie do odróżnienia od argonu Ar pochodzenia atmosferycznego.

W czasie rozpadu potasu K nie mogą występować żadne czynniki zakłócające. Problem polega na tym, że skały mają zdolność absorpcji argonu. Argon Ar nawet w normalnych (niezmiennych) warunkach może przenikać do otaczającej go wody lub być wypłukiwany przez wodę, w której jest rozpuszczalny. Nie istnieje metoda, która bezsprzecznie pozwoli ocenić czy warunki rozpadu potasu K nie ulegały zmianie i jaki wpływ na zawartość argonu Ar w skale miała woda.

Przed zastygnięciem materiału skalnego, gdy jest on w stanie płynnym, argon do pewnego stopnia ulatnia się. Ale jednocześnie istnieje możliwość zaabsorbowania przez skały tego gazu z atmosfery.

Bibliografia

Paul G. Bahn Archeologia – Przewodnik, Wydawnictwo "Arkady" Sp. z o.o., 2006, s. 91, ISBN 83-213-4293-0