C- Luận giải các tài liệu địa niên đại.
d- Tuổi khoáng vật bằng phơng pháp K Ar.
Các đồng vị Ar đợc nghiên cứu chủ yếu trong các khoáng vật biotit, muscovit, hornblend và felspat kiềm. Nhiệt độ đóng đôởi với sự khuyếch tán Ar đợc sử dụng để luận giải tuổi K-Ar và Ar39/Ar40 phức tạp hơn nhiều so với việc áp dụng đối với sự khuyếch tán của Sr. Nhiệt độ đóng của biotit đ ợc xác định từ các nghiên cứu thực nghiệm về sự khuyếch tán nhiệt dịch thay đổi từ 2950C tới 410 ± 500C tùy thuộc vào tỷ số Fe/Mg của biotit (theo Blanckenburg, 1989). Muscovit có nhiệt độ đóng khoảng 350 ± 500C, còn hornblend có nhiệt độ đóng khoảng 530 ± 300C (thậm chí có thể > 6500C).
* Xác định tuổi bằng phơng pháp Ar40/Ar39.
Đồng vị Ar39 có chu kỳ bán phân rã là 269 năm và không tồn tại trong tự nhiên. Phơng pháp Ar39/Ar40 cũng tơng tự nh phơng pháp xác định tuổi đồng vị K40/Ar40 nhng có sử dụng kỹ thuật phân tích K khác biệt đôi chút. Mấu chốt của phơng pháp là tạo ra đồng vị Ar39 bằng phản ứng hạt nhân trên đồng vị K39 - là đồng vị phổ biến nhất trong số 3 đồng vị của K.
K39 →n,p Ar39
Phản ứng đợc xảy ra bởi sự chiếu xạ mẫu bằng neutron trong lò phản ứng hạt nhân. Điều quan trọng là cần phân biệt phản ứng này với quá trình thu nhận neutron đơn giản khác. Lợng Ar39 đợc sinh ra phụ thuộc vào lợng K39 có mặt, thiết diện phản ứng, cờng độ chùm neutron và thời gian chiếu xạ. Do tỷ số K40/K39 trong Trái đất là hằng số (constant), nên lợng K40 có thể tính toán từ Ar39. Sự sinh ra Ar39 từ K39 có thể biểu diễn dới dạng:
Ar39 = K39τ∫Φeσede
ở đây e là năng lợng neutron, Φe là cờng độ chùm neutron với năng lợng e, σe là thiết diện thu nhận cho năng lợng này, τ là thời gian chiếu xạ.
Và khi đó: ( ) ∫Φ − = de e K K Ar Ar e e t e σ τ λ λ λ 1 39 40 39 40
Trong thực tế, công việc phân tích đợc tiến hành đồng thời sự chiếu xạ với phân tích mẫu chuẩn đã biết rõ tuổi. Cờng độ dòng neutron, thiết diện thu nhận và hằng số phân rã là nh nhau đối với mẫu chuẩn cũng nh với mẫu phân tích, vì vậy có thể viết: ( ) 39 40 39 40 1 K e K C Ar Ar = λt −
Giá trị C có thể xác định từ việc phân tích mẫu chuẩn, và từ ph ơng trình này có thể giải quyết đợc tuổi của mẫu phân tích.
* Một vấn đề cần lu ý là có thể sản sinh ra cả Ar39 và Ar40 bằng những phản ứng khác nhau: K40 (n, p) Ar40, Ca40 (n, nα) Ar36, Ca42 (n, α) Ar39 và Ca40 (n,
α) Ar37.
Trong phơng pháp xác định tuổi K-Ar truyền thống, Ar bị tách ra khỏi mẫu bằng việc nấu chảy trong chân không. Tuy nhiên, mẫu có thể bắt đầu mất Ar trớc khi đạt tới nhiệt độ nóng chảy do khuyếch tán. Nếu nh tỷ số Ar40/K (và có thể Ar39/K) phân bố đồng đều trong toàn bộ mẫu, thì mẫu khí lấy ra tr ớc khi mẫu bị nóng chảy sẽ cho giá trị tuổi tơng tự nh khi mẫu đã bị nóng chảy hoàn toàn. Tuy nhiên, một số phần nào đó của tinh thể bị mất Ar thông qua sự khuyếch tán trong quá trình nguội lạnh ban đầu của tinh thể hoặc thậm chí trong một số sự kiện nung nóng tiếp theo. Do tốc độ khuyếch tán tỷ lệ với gradient
hàm lợng, có thể dự đoán đợc rằng sự khuyếch tán sẽ xảy ra nhanh hơn ở phần rìa tinh thể nơi mà gradient hàm lợng cao hơn phần bên trong của tinh thể. Nh vậy phần rìa tinh thể bị mất Ar ở nhiệt độ thấp hơn phần bên trong tinh thể, kết quả phần rìa sẽ có tuổi trẻ hơn. Khi nung nóng mẫu phần ngoài rìa bắt đầu thoát Ar ở nhiệt độ thấp nhất. Tỷ số Ar40/Ar39 của khí ở ngoài rìa đợc xem nh có tuổi thấp hơn. Còn khi tăng nhiệt độ, các phần còn lại của tinh thể sẽ thoát khí và tỷ số Ar40/Ar39 sẽ cho giá trị tuổi cao hơn. Nếu nh một vài phần nào đó của tinh thể không bị mất khí, thì các tỷ số Ar40/Ar39 sẽ ghi nhận giá trị tuổi “chính xác”.
Phơng pháp xác định tuổi K - Ar truyền thống sẽ cho các giá trị tuổi trung bình giữa tuổi “chính xác”và tuổi trẻ hơn của các phần tinh thể đã bị mất Ar phóng xạ. Nh vậy, tổ hợp phơng pháp Ar40/Ar39 với sự nung nóng từng bớc sẽ cung cấp những thông tin địa niên đại hữu ích từ các mẫu mà các giá trị tuổi của nó đã bị ảnh hởng bởi sự mất khí do khuyếch tán. Tóm lại, đối với phơng pháp xác định tuổi K - Ar đòi hỏi hệ thống đồng vị cần phải tồn tại trong trạng thái đóng kín; còn đối với phơng pháp Ar40/Ar39 chỉ đòi hỏi một phần của hệ thống ở trạng thái đóng kín mà thôi.
Tác dụng ngợc lại của Ar39 đợc tạo ra bởi phản ứng K39 (n, p) Ar39 trong quá trình chiếu xạ thể hiện trong sự mất Ar39 từ các cạnh gần bề mặt khoáng vật. Đối với những hạt lớn điều này không quan trọng lắm, nh ng đối với các hạt nhỏ sự mất Ar39 sẽ trở nên rõ rệt hơn dẫn tới các giá trị tuổi cổ hơn (sai lạc).
Trong phần lớn trờng hợp Ar có mặt trong mẫu không phải là Ar đợc sinh thành bởi quá trình phân rã phóng xạ đơn thuần. Ar không phóng xạ th ờng đợc gọi là Ar d thừa. Tỷ số Ar40/Ar39 đợc sử dụng để tính toán tuổi trong phổ thoát khí đợc hiệu chỉnh với sự hiện diện của Ar khí quyển bằng sự đo tỷ số Ar40/Ar36. Ar khí quyển có tỷ số đồng vị Ar40/Ar39 là hằng số (= 295,5). Chỉ Ar40 có mặt vợt quá tỷ số này đợc xem nh là Ar phóng xạ và đợc sử dụng để tính toán tỷ số Ar40/Ar39.
Lợng Ar d thừa có thể có hai nguồn:
- Nó có thể phát sinh khi khoáng vật kết tinh trong sự có mặt của Ar phóng xạ dới áp suất từng phần hạn chế. Thí dụ: basalt xuất sinh từ manti trong một vài trờng hợp có tỷ số đồng vị Ar40/Ar39 vợt quá 20,000. Tỷ số Ar40/Ar39 cao phản ánh sự sinh ra Ar40 bởi sự phân rã K40 trong manti. Những khoáng vật kết
tinh với sự có mặt của khí này sẽ lu giữ một lợng Ar40, chính điều đó sẽ gây ra tuổi già dị thờng khi phân tích tuổi. Khí này đợc xem nh là lợng Ar thừa kế.
- Trong sự kiện nhiệt, sự khuyếch tán Ar40 ra khỏi khoáng vật có thể bị bắt giữ lại bởi các khoáng vật khác. Do lợng Ar40 này khuyếch tán vào trong hạt khoáng vật, nên hàm lợng của nó sẽ là cao nhất ở phần ngoài của các hạt và vì vậy nó có xu hớng thoát ra ở nhiệt độ thấp nhất.
Khi lợng Au d thừa bị lu giữ trong nhiều mặt tinh thể (thí dụ những khoáng vật khác nhau trong mẫu phân tích) thì phổ thoát khí có thể thể hiện dạng yên ngựa. Dạng yên ngựa tạo nên do Ar trong một khoáng vật bị khuyếch tán và thoát ra ở nhiệt độ thấp, và sự khuyếch tán chậm hơn trong các khoáng vật khác với khí thoát ra ở nhiệt độ cao.
Kỹ thuật phân tích phát triển trong khoảng 5 năm gần đây liên quan tới sự thoát khí Ar từ một diện nhỏ của mẫu bằng chùm tia laser. Điều này dẫn đến sự thoát khí Ar từ các diện có đờng kính nhỏ hơn milimet và tạo khả năng phân tích không gian của sự mất Ar do khuyếch tán.