鉀氬定年法

鉀氬定年法（Potassium-argon Dating）是分析岩石礦物形成年代的方法之一，是利用鉀氬同位素的蛻變關係，量測岩石礦物的“絕對年代”，也就是分析既有的岩石礦物已在地球上存在了多久。一系列的岩石礦物年代配合其它地質數據，也可以解析漫長的地質年代中岩石所曾經歷的種種地質作用，進而建立整個區域的地質演化歷史。

基本介紹

• 中文名：鉀氬定年法
• 外文名：Potassium-argon Dating
• 所屬學科：地理
• 所屬領域：地質

概念

鉀氬定年法分析岩石礦物形成年代

鉀氬定年法分析岩石礦物形成年代

鉀氬定年法 是分析岩石礦物形成年代的方法之一。鉀在一般岩石及礦物中是很常見的元素，在地殼中含量豐富，重量約占2.8%。它有兩個主要的同位素鉀—39和鉀—40，但只有鉀—40是具有放射性的。鉀—40中有89%會衰變成鈣—40，其餘則會衰變成氬—40。由於鈣是常見元素無法做估測，因此只有氬—40一方面屬稀有，二方面火成岩形成時由於高溫熔融，原有的氬—40不可能保存下來而會重新累積，因此可以用來斷代，半衰期為13億年。實驗者將岩石熔化，分析計算鉀—40及氬—40的含量，帶入公式即可求出岩石的年齡。由於鉀—40的半衰期長，一般多用於10萬年以上的岩石測年，尤其適合更新世早、中期之年代測定。

鉀氬定年法可分析的年代範圍由地球年齡四十六億年至十萬年左右。更年輕的年齡，除非是鉀元素含量高的特殊標本，否則無法精確地分析。由於地殼岩層中含有鉀元素的礦物普遍存在，材料容易取得，所以鉀氬定年法成為重要且常用的定年法之一。

研究歷史

鉀氬定年法分析岩石礦物形成年代

鉀氬定年法分析岩石礦物形成年代

1930年代末期，C.F.V.Weizsaoker即開始研究大氣中過量的氬—40，發現是由鉀—40捕獲電子衰變而成，應可用來斷代。這個理論雖然出現的早，但一直到1950年代才被認為是可靠的測年法，在W.Gentner等人的改良下，成為地質學十分有用的測年法，至於套用到考古學，則是1960年代以後的事。

考古學上第一次使用鉀氬法測年是在東非的奧都威峽谷(OlduvaiGorge)，這裡以奧都威文化（OlduvaiCulture）著稱於世，是古人類學非常重要的一環。英國考古學家L.S.Leakey在此研究多年，建立起舊石器時代早期的文化層序。由於奧都威峽谷純由火成岩堆積，考古遺址被夾在兩個地曾中間，形成一份火成岩三明治，很適合用鉀氬法測年，因此首次將這種技術引進考古學，學者在此區建立了200萬年的時間標尺，奧都威文化則距今約175萬年。

原理

理論依據

鉀氬定年法分析岩石礦物形成年代

鉀氬定年法分析岩石礦物形成年代

自然界某些元素的原子核內質子數相同，即原子序相同，但是具有不同的中子數，因此形成在周期表上同一位置但是有不同質量的“同位素”，例如40Ar、38Ar和36Ar為氬同位素，上標數字代表各同位素的質量數；41K、40K和39K則為鉀同位素。在自然界中40K會隨時間逐漸蛻變為40Ca和40Ar，然而鉀鈣定年法至今尚未發展成熟，相對而言，氬同位素，均為惰性氣體，不會和其它物質形成鍵結，即使標本含量少，也能用儀器精確地量測，因此鉀氬定年法的發展相當完善。

計算公式

鉀氬定年法的原理很簡單，只是在分析過程中必須謹慎處理標本和操作儀器，以及適當地校正空氣所帶來的氬元素。鉀氬同位素間蛻變的簡化數學關係已由核物理學得到以下的方程式：
t（Ma）=1804.08×ln〔1+17187.03×（40 Ar*/K2O）〕
t（Ma）表示以「百萬年」為單位的年代值，ln為自然對數運運算元，40 Ar*是標本中40K經蛻變而來的氬含量，K2O則是標本中的鉀元素含量。
有了年代計算公式，一個標本只要分別分析40 Ar*和K2O再代入年代計算公式就能得到標本形成的年齡了。標本中的K2O值可由前一節所提的各種化學分析的光譜儀器量測，氬同位素則必須藉助超高真空系統的「質譜儀」量測。氬同位素利用質譜儀分析時，要先使標本氣體化，然後利用物理和化學原理去除不必要的其它氣體成分如氧、氮、二氧化碳和水等等，以純化氬同位素成分，再導引純化的氣體進入質譜儀內才進行分析。

實際套用

鉀氬定年法分析火星礦物形成年代

鉀氬定年法分析火星礦物形成年代

2013年12月，好奇號項目組接連在《科學》雜誌上發表文章，報告了一系列重要的進展。好奇號在火星的工作正為科學家們提供窺視火星過去與現在環境的重要視窗，也將為未來載人登入火星奠定基礎。自從2012年8月6日登入火星以來，好奇號已經在這顆紅色星球上度過了將近一年半的時間。在此期間好奇號測定了火星地表岩石的年齡，找到了火星曾經擁有可讓微生物存活環境的證據，還首次測定了火星地表環境的輻射水平。

“Cumberland”是好奇號在火星上鑽探取樣的第二塊岩石，也是第一塊被在原地進行就地年齡分析的岩石樣品。美國加州理工學院的肯尼斯·法雷(KennethFarley)教授發表的一篇論文詳細報告了對這塊岩石的分析過程。該團隊測量數據顯示這塊火星岩石的年齡大致在38.6~45.6億年之間。這也符合此前科學家們對蓋爾隕坑的年齡估算。這一成就即便在去年好奇號剛剛著陸的那段時間都還被認為是不可能做到的。但法雷教授和他的團隊將地球上一種已經被套用超過60年的成熟放射性測年技術套用到了火星上。這種定年方法就是所謂“鉀-氬定年法”。當岩石處於熔融狀態時，氬作為一種氣體會從液體中析出逃逸。而這種技術便是測定當岩石凝結之後岩石中的氬含量有多高。由於當岩石位於地表或淺地下時，宇宙射線會直接轟擊其礦物成分中的原子並產生特徵氣體產物，而好奇號攜帶的儀器可以測定岩石中這些特徵氣體的含量。測量的結果是，通過對3種不同氣體的測量，這塊岩石的暴露年齡大約是6000萬~1億年之間。