L&TD
LOGGING & TESTING DIVISION
Giới thiệu một số phương pháp định tuổi Cổ vật
Phương pháp định tuổi theo vết phân hạch (Fission track dating)
Các hạt tích điện chuyển động trong vật thể cứng do chuyển tải năng lượng của mình cho các nguyên tử dọc theo quỹ đạo chuyển động tạo nên đới phá huỷ. Các dấu vết do các hạt tích điện để lại lần đầu tiên quan sát được khi nghiên cứu các mẫu vật cứng nhờ kính hiển vi điện tử có độ phóng đại rất lớn. Khi phân hạch nhân 238U thoát ra lượng năng lượng lớn (gần 200MeV) và các mảnh phân hạch có khối lượng lớn, chúng tạo nên các vết (track) với chiều dài khoảng n10 mm. Những vết mảnh phân hạch (fission fragment tracks) phát hiện trong các khoáng vật mica, zircon, epidot, sphen và các thuỷ tinh tự nhiên và tổng hợp. Nếu xác định được mật độ của vết ấy có thể định được tuổi của các mẫu vật.
Ngày nay phương pháp định tuổi theo vết mảnh phân hạch được sử dụng rộng rãi, đặc biệt thuận tiện để định tuổi cho các mẫu vật tương đối trẻ kể cả mẫu trong khảo cổ học. Phương pháp này cho ta cả những thông tin về lịch sử nhiệt của các đá cổ hơn, bởi vì sự bảo toàn các vết phân hạch phụ thuộc vào điều kiện nhiệt.Các nghiên cứu của Price P. và Walker R. chỉ ra rằng các vết phân hạch trong các khoáng vật tự nhiên chỉ do phân hạch của 238U gây nên.
Một hạt khoáng vật hoặc thuỷ tinh chứa các nguyên tử 238U phân bố đồng đều, số lượng phân rã hạt nhân của nó sau thời gian t được xác định bằng phương trình:
D = 238U (elat - 1) (5.37)
ở đây D- số phân rã trong 1 cm3 mẫu, 238U- số nguyên tử 238U trong 1 cm3 mẫu ở hiện tại, la - hằng số phân rã-a của 238U, bằng 1,55125´10-10 năm-1 (chính là l1, xem Bảng 5.3).
Số nguyên tử 238U, bị phân rã bằng cách phân hạch tự nhiên và sinh ra vết phân hạch, bằng:
Fc = (lf/la) 238U (elat - 1) (5.38)
Thực ra chỉ có một phần nhất định (q) của vết phân hạch cắt mặt mài láng của mẫu có thể tính toán. Trong khi đó mật độ vết mảnh phân hạch tự nhiên trên bề mặt này được xác định bằng phương trình:
rc = Fc q = (lf/la) 238U (elat - 1) q (5.39)
Số phân hạch cảm ứng của các nhân 235U trong 1 cm3 mẫu:
Find = 235Ufs (5.40)
ở đây, 235U- số nguyên tử 235U trong 1 cm3 mẫu hiện tại, f- liều lượng neutron nhiệt (neutron/cm2), s- tiết diện của phân hạch cảm ứng 235U, bằng 580,2´10-24 cm3. Với điều kiện phân tích mật độ của các vết mảnh phân hạch cảm ứng bằng:
rind = Findq = 235Ufs (5.41)
Kết hợp các phương trình (5.39) và (5.41), ta sẽ có:
(rc/ rind) = (lf/la)´(elat - 1)/ fsI (5.42)
ở đây I- tỉ lệ nguyên tử 235U/238U. Giải phương trình (5.42) đối với t được:
(5.43)
Thay các trị số la = 1,55125´10-10 năm-1, lf = 8,46´10-17 năm-1, s = 580,2´10-24 cm2 và I = 1/137,88, ta sẽ có:
(5.44)
Sau khi đo được rc/rind và nhờ máy xác định liều lượng neutron f, nhờ phương trình (5.44) có thể tính t. Nếu t < 500 triệu năm, phương trình (5.44) có thể đơn giản, sau khi thay elt-1» lt. Trong trường hợp này:
rc/rind = lft / fsI và t = (rc/rind)´(fsI/lf) = 4,974´10-8´ f (rc/rind) (5.45)
Tuổi, tính theo công thức gần đúng (5.45), bị giảm đi 4% khi t= 500 tr. năm và chỉ giảm mất 0,7% khi t = 100 tr. năm, trong khi đó sai số phân tích thường lớn hơn 5%.
Phương pháp định tuổi 14C
14C được thành tạo trong khí quyển theo các phản ứng hạt nhân chủ yếu do tác động của neutron với các đồng vị bền N, O và C. Quan trọng nhất là phản ứng: 1n + 14N ® 14C + 1H; ở đây 1n- neutron, 1H- protron. Carbon phóng xạ chuyển thành các phân tử 14CO2 hoặc 14CO, chúng nhanh chóng hoà trộn với không khí và nước. Các phân tử 14CO2 đi vào các tế bào của động vật hoặc quang hợp trong thực vật. Trong suốt đời sống của sinh vật xảy ra sự trao đổi thường xuyên 14CO2 giữa các tế bào và không khí. Hoạt tính của 14C trong các tế bào sống trong suốt đời sống của chúng là một đại lượng ổn định và phụ thuộc vào hoạt tính của 14C trong khí quyển. Khi các sinh vật chết đi, sự hất thụ 14C từ khí quyển bị ngừng lại và do phân rã phóng xạ nên hoạt tính của 14C bắt đầu bị giảm. Nếu biết được hoạt tính 14C trong tế bào sống, thì theo hoạt tính của 14C trong tế bào sinh vật chết có thể tính được thời gian xảy ra từ lúc ngừng hoạt động sống. Khoảng thời gian đó chính là tuổi carbon của mẫu.
Hoạt tính phóng xạ của mẫu carbon được lấy từ tế bào thực vật hoặc động vật, mà hoạt động sống của chúng bị ngừng t năm trước đây được xác định bằng phương trình:
A = A0e-lt (5.46)
ở đây A- hoạt tính 14C đo được, chính là số phân rã trong 1 phút trong 1g carbon, A0- hoạt tính riêng của 14C trong mẫu tế bào sống của sinh vật này. Giá trị của A0 = 13,56 ± 0,07 phr/g.ph (phân rã/ gam phút).
Giải phương trình (5.46) đối với t được:
t = (1/l) ln (A0/A) với l = 1,209´10-4 năm-1 (5.47)
Như vậy, hoạt tính 14C trong mẫu phụ thuộc vào thời gian xảy ra từ lúc chấm dứt trao đổi carbon giữa mẫu và nguồn được thể hiện trên Hình 5.9. Theo đồ thị này 40 nghìn năm là giới hạn khi định tuổi bằng carbon phóng xạ.
Các đối tượng lấy mẫu thuận lợi để định tuổi bằng phương pháp phóng xạ carbon đưa ra trong Bảng 5.7. Chú ý mẫu lấy được cần phải cách li khỏi bị lây nhiễm với carbon phóng xạ hiện đại, tuyệt đối không được rửa mẫu, nhất là rửa di sót hữu cơ khỏi bùn bẩn trong nước tự nhiên.
Bảng 5.7. Các đối tượng để định tuổi theo phương pháp carbon phóng xạ (trích dẫn từ Faure G., 1989)
| Định tuổi thường chính xác, ngoại trừ than gỗ bị nghiền mịn có thể hấp phụ axit mùn | ||
| Đối tượng này ít nhất chứa 1% carbon hữu cơ dưới dạng mảnh thấy được | ||
| Định tuổi thường chính xác, tuy nhiên cần loại bỏ các rễ cây hiện đại thâm nhập vào | ||
| Tài liệu định tuổi của xương bị carbon hoá mạnh cho kết quả tốt hơn so với loại carbon hoá yếu; vì có thể xảy ra quá trình trao đổi với carbon phóng xạ hiện đại | ||
| Có thể xảy ra quá trình trao đổi carbon thuộc calcit hoặc aragonit của vỏ sò với carbon phóng xạ của nước tự nhiên chứa carbon…. Vì thế độ tin cậy của tài liệu phân tích vỏ sò có phần hạn chế | ||
| Carbon nguồn gốc hữu cơ có mặt dưới dạng vỏ ốc, chiếm 1-2% vỏ sò hiện đại. Do hoạt tính ban đầu của 14C trong các vật chất này không biết, nên có thể có sai số hệ thống trong các tài liệu định tuổi | ||
| Các vật chất này có thể định tuổi là do hàm lượng carbon phóng xạ trong carbonat calci. Cần đặc biệt chú ý đánh giá sai số do các yếu tố địa phương gây nên. |
Phương pháp carbon phóng xạ (tên tiếng Anh là Radiocarbon Dating method (RD)) là phương pháp phổ biến của các nhà khảo cổ trong việc định tuổi các cổ vật.Đây là phương pháp đo lượng phóng xạ C14 còn lại của 1 cổ vật.
Trong bầu khí quyển luôn tồn tại 1 lượng nhất định C14, đó là kết quả của việc va chạm giữa các tia vũ trụ (tia nơtron chứa các hạt này) và Nitơ. Vì các phản ứng hoá học này diễn ra 1 cách đều đặn do các tia vũ trụ luôn tồn tại trong 1 thời gian dài và có 1 tỉ lệ nhất định cho các vụ va chạm này, tóm lại C14 luôn tồn tại trong vũ trụ. Các sinh vật hay đồ vật luôn tồn tại trong mình 1 tỉ lệ C14 nhất định. Quá trình hấp thu C14 diễn ra như sau:
- C14 trên khí quyển phản ứng với oxy cho ra khí carbonic, khí này ngấm vào nước biển hay bị thực vật hấp thu trong quá trình quang hợp, các sinh vật biển trong môi trường nước và động vật ăn thực vật đương nhiên cũng sẽ hấp thu lượng này.
- Sau khi sinh vật đó chết đi thì không thể hấp thụ thêm C14. Do C14 không bền có tính phóng xạ nên sẽ phân rã dần theo 1 chu kì là 5730 năm, chu kì này gọi là chu kì bán rã. Tức là sau 5730 năm, ½ số C14 này sẽ tự phân rã ra chất khác và giải phóng phóng xạ.
Ta có Công thức:
M / Mo = e^[ - (t x ln2)/T]
Với
M / Mo: tỉ lệ lượng (hay khối lượng) C14 còn lại với C14 lúc vật chưa phân rã (lúc đầu).
T: chu kì bán rã của carbon (5730 năm).
e = 2.8, ln2 = 0.7
Với các dữ kiện đã cho thì dựa vào công thức ta sẽ tìm ra tuổi cổ vật (tìm t).
Để xác định lượng carbon14 lúc đầu của cổ vật (Mo) người ta lấy 1 tiêu bản tương tự như cổ vật được xác định nhưng còn mới. Ví dụ muốn xác định tuổi 1 cành cây đã cũ người ta bẻ 1 cành cây khác còn non để xác định.
Một số điều liên quan tới phương pháp phóng xạ C14:
- Phương pháp này được phát triển bởi Willard Libby và 1 số đồng nghiệp tại đại học Chicago năm 1949. Nó được phát triển sau vụ thử “thành công” bom nguyên tử và triển khai ném xuống Nhật. Đúng là “đi lên từ cõi chết”. Năm 1960 Libby được nhận giải Nobel hoá học cho việc này và phương pháp này đã giúp ông xác định, đo đạc chính xác niên đại các miếng gỗ trên sà lan của 1 hoàng tộc Ai Cập cổ đại nổi tiếng.
- Niềm vui của người này cũng là nỗi đau của người khác: Gerhardt Katz, 1 giáo sư đại học nổi tiếng, viết nhiều sách về khảo cổ, đã tự tử năm 1957 khi biết nhờ phương pháp này người ta đã định tuổi 1 nền văn minh trồng trọt cổ đại ở thung lũng Jericho là có từ 7500 trước chứ không phải là 3000 năm như ông định bằng kinh nghiệm. Các báo cáo của ông trở nên sai bét. Vị thế ông bị thu nhỏ. Kết cục buồn cho 1 con người tận tuỵ bởi khoa học luôn có 1 cái gì đó vượt qua sức tưởng tượng của con người.
- Bằng phương pháp này, Ice man, 1 người đàn ông bị đóng băng được tìm thấy trên đỉnh Alpine (biên giới Ý và Áo) được định tuổi, ông ta chết cách đây 5200 năm, đựoc xác định là chết do đá đè trước khi bị băng tuyết “ướp lạnh” nên vẫn còn khá nguyên vẹn da thịt (Tuy bị gãy hông và 1 cánh tay do lỗi sơ ý của những người phát hiện ra).
- Phương pháp này cũng giúp định tuổi của Stonehenge, 1 di tích nổi tiếng ở Anh. Được định tuổi bằng RD, nó tồn tại được khoảng 5000 năm. Điều này đã bác chuyện quân đoàn La Mã hay các giáo sĩ Druid đã dựng nên . Với niên đại này, nó làm từ thời tiền sử.
Phương pháp Rehydroxylation
Một phương pháp đơn giản hứa hẹn sẽ trở thành một kỹ thuật quan trọng trong việc xác định niên đại của vật liệu gốm, giống như phương pháp xác định niên đại carbon 14 đối với vật liệu hữu cơ như gỗ hoặc xương.
Các nhà khoa học từ Đại học Mancherster và Đại học Edinburg đã phát hiện một kỹ thuật mới mà họ gọi là “phương pháp xác định niên đại rehydroxylation” có thể được sử dụng đối với những đồ gốm nung như gạch, ngói, và đồ gốm thủ công.
Làm việc với Bảo tàng London, nhóm nghiên cứu có thể xác định các mẫu gạch từ thời La Mã, Trung Cổ và hiện đại một cách rất chính xác.
Họ nhận định rằng kỹ thuật này có thể được sử dụng để xác định niên đại của những hiện vật có độ tuổi đến 2000 năm – nhưng tin tưởng rằng phương pháp này có khả năng xác định niên đại của những hiện vật 10 000 năm tuổi.
Phương pháp này dựa trên thực tế rằng những vật liệu gốm được nung sẽ bắt đầu phản ứng hóa học với hơi ẩm trong không khí ngay khi nó được đưa khỏi lò nung. Quá trình này tiếp tục diễn ra khiến trọng lượng của hiện vật tăng dần – vật liệu có tuổi đời càng cao, thì trọng lượng thêm vào càng lớn.
Năm 2003, nhóm nghiên cứu của Manchester và Edinburg đã phát hiện một quy luật mới có thể xác định chính xác tốc độ phản ứng giữa gốm và nước thay đổi theo thời gian
Áp dụng quy luật này là nền tảng cho phương pháp xác định niên đại mới vì lượng nước được kết hợp với đồ gốm cung cấp “đồng hồ bên trong” có thể được sử dụng để xác định tuổi đời của hiện vật.
Kỹ thuật này bao gồm việc xác định khối lượng của mẫu vật gốm rồi làm nóng đến 500 độ C trong lò nung để loại bỏ nước.
Mẫu vật sau đó được kiểm soát trong một thiết bị đo lường đặc biệt chính xác gọi là microbalance, để xác định tốc độ mà vật liệu gốm kết hợp với nước theo thời gian
Sử dụng quy luật thời gian, có thể phân tích thông tin thu thập được để tinh toán thời gian cần để đạt được trọng lượng đã mất khi nung, từ đó có thể xác đinh tuổi của mẫu vật.
Tác giả chính, tiến sĩ Moira Wilson, giảng viên Trường kỹ thuật cơ khí và hàng không (MACE), cho biết: “Những phát hiện này là kết quả của nghiên cứu trong nhiều năm. Chúng tôi rất hào hứng về tiềm năng của kỹ thuật này. Nó có thể trở thành phương pháp xác định niên đại chính của các vật liệu gốm”.
“Phương pháp này cũng có thể được sử dụng để đưa ra nhiệt độ trung bình của vật liệu, nếu thời gian nung chính xác được biết. Điều này có thể sẽ hữu ích đối với những nghiên cứu về thay đổi khí hậu”
“Ngoài ra, nghiên cứu còn đem lại nhiều ứng dụng khác, ví dụ như dò tìm gốm được rèn”.
Các nhà nghiên cứu hiện lên kế hoạch tìm hiểu liệu kỹ thuật xác định niên đại mới có thể được ứng dụng cho hiện vật bằng đất nung hay đồ sứ. Nhóm nghiên cứu bao gồm Tiến sĩ Moira Wilson, Tiến sĩ Margaret Carter, Giáo sư William Hoff, Ceren Ince, Shaun Savage, và Bernard McKay từ Đại học Manchester, giáo sư Chris Hall từ Trường kỹ thuật và Trung tâm khoa học vật liệu và cơ khí thuộc Đại học Edinburgh và Ian Betts thuộc Bảo tàng London.
Phương pháp định tuổi Kali-Argon
Kali(Z = 19) là kim loại kiềm, và cùng với Li, Na, Rb, Cs, phân bố trong nhóm IA của bảng tuần hoàn. Nó là thành phần chính của nhiều khoáng vật tạo đá như mica, felspat, felspatoid, các khoáng vật sét và một vài khoáng vật evaporit. Kali có ba đồng vị tự nhiên với độ phổ biến là:
39K = 93,2581±0,0029%; 40K = 0,01167±0,00004% và 41K = 6,7302 ± 0,0029%. Khối lượng nguyên tử của K bằng 39,0983 a.e.m.
Thành phần đồng vị của Ar trong khí quyển Trái đất: 40Ar = 99,60%; 38Ar = 0,063% và 36Ar = 0,337%; khối lượng nguyên tử của Ar = 39,9476 a.e.m., còn 40Ar/36Ar = 295,5
Trong đá, 40K phóng xạ và phân rã bằng cách phân đôi thành nhánh 40Ca và 40Ar. Sự thành tạo 40Ca xảy ra do xả khí (emanation) của một hạt b- và tạo nên hơn 89% của tổng các hạt mới thành tạo. Phần chủ yếu 40Ar được thành tạo do nhân thâu tóm một điện tử lớp K của nguyên tử (electron capture). Đồng vị 40Ar mới thành tạo (bị mất một điện tử ở vỏ trong) sau khi phân huỷ sẽ ở trạng thái bị kích động. Sau khi điện tử khác từ vỏ ngoài lấp chỗ trống, đồng vị 40Ar chuyển sang trạng thái bền. Sự chuyển biến như thế kèm theo bức xạ một hạt g. Một phần 40Ar cũng được thành tạo trực tiếp do phân huỷ positron và có thể tóm bắt điện tử bỏ qua trạng thái kích động.
Như vậy, sơ đồ thành tạo 40Ar rất phức tạp. Trước năm 1976, các phòng thí nghiệm khác nhau sử dụng các hằng số phân rã phóng xạ 40Ar khác nhau. Sau đó Steiger và Jager (1976) đã đề nghị sử dụng các hằng số, trên cơ sở biên tập các tài liệu thí nghiệm trực tiếp về hoạt tính b-, b+ và g của kali do Beckinsale R. và Gale N. tiến hành. Gần đây nhất, vấn đề xác định hằng số phân rã phóng xạ kali đã được Min K. và nnk (2000) xem xét một cách tỉ mỉ, tính lại và đưa ra giá trị mới đối với các hằng số phân rã (Bảng 5.6).
Kết quả phân rã đôi của kali phương trình (5.5)để đo địa thời K-Ar có dạng hơi khác:
40Ar = (lAr/l)´40K´(elt-1) (5.30)
Ngoài 40Ar, trong tự nhiên còn gặp hai đồng vị bền 38Ar và 36Ar, vì thế phương trình (5.24) có thể viết lại tương tự phương trình (5.10) dưới dạng sau:
(40Ar/36Ar) = (40Ar/36Ar)i + (lAr/l)´(40Ar/36Ar)m´(elt-1) (5.31a)
(40Ar/38Ar) = (40Ar/38Ar)¬i + (lAr/l)´(40Ar/38Ar)m´(elt-1) (5.31b)
Bảng 5.6. Các hằng số phân rã của K theo các tác giả khác nhau Hằng số phân rã Beckinsale, Gale (1969) Endt Van der Leun (1973) Audi và nnk. (1977) Steiger, Jager (1976) tính lại Min và nnk. (2000) tính lại
lCa 4,962´10-10 4,950´10-10 4,884´10-10 4,845´10-10
lAr 0,581´10-10 0,580´10-10 0,580´10-10 0,5814´10-10
l = lCa + lAr 5,430´10-10 5,530´10-10 5,463´10-10 5,428´10-10
Giả thiết chúng ta định tuổi cho đá núi lửa phun lên mặt đất. Trong trường hợp này các khoáng vật được kết tinh rõ ràng cân bằng với khí quyển.Từ đó (40Ar/38Ar)i = (40Ar/38Ar)kq và (40Ar/36Ar)i = (40Ar/36Ar)kq. Nier A. (1950) đã chỉ rõ tỉ lệ đồng vị Ar trong khí quyển là đại lượng không đổi. Ngày nay biết được (40Ar/36Ar)kq= 295.5 và (40Ar/38Ar)kq = 5,35. Thay các trị số này vào phương trình (5.25a, b) ta có: (40Ar/36Ar) = 295,5 + (lAr/l)´(40Ar/36Ar)m´(elt-1) (5.32a) (40Ar/38Ar) = 5,35 + (lAr/l)´(40Ar/38Ar)m´(elt-1) (5.32b)
Tỉ lệ 40Ar/36Ar hoặc 40Ar/38Ar trong mẫu định tuổi khó đo, vì argon là khí, còn kali là thể rắn. Vì thế để tính tuổi dùng phương trình (5.30)
40Ar = (lAr/l) ´ 40K ´ (elt-1)
ở đây 40Ar = 40Arm - 295,5 ´ 36Arm = 40Arm - 295,5 ´ 5,35 ´ 38Arm
Từ các phương trình trên thấy rõ, trong phương pháp K-Ar định tuổi cần biết số lượng tuyệt đối của K và Ar. Thành phần đồng vị Ar thường được xác định bằng phương pháp khối phổ kế có bổ sung đồng vị, còn lượng K - bằng phương pháp hoá lí nào đó, như trắc quang ngọn lửa. Số lượng đồng vị 40K sau đó được tính từ độ phổ biến của đồng vị này trong tự nhiên (40K/ Kchung= 0,000117).
Giả thiết tỉ lệ ban đầu của các đồng vị Ar trong khoáng vật tương ứng với các tỉ lệ đồng vị này trong khí quyển không phải lúc nào cũng đúng cả. Đối với các mẫu càng trẻ thì độ chính xác của việc định tuổi phụ thuộc vào gỉa thiết này càng mạnh mẽ hơn. Một trong những biện pháp kiểm tra xem tỉ lệ đồng vị ban đầu trong khoáng vật (hay đá) có tương ứng với tỉ lệ trong khí quyển hay không là đo tỉ lệ 36Ar/38Ar trong mẫu nghiên cứu. Nếu tỉ lệ này không đúng bằng 5,35 thì phải hiệu chỉnh tỉ lệ (40Ar/36Ar)i theo hằng số tương ứng. Hiệu chỉnh như thế được gọi là hiệu chỉnh phân đoạn khối lượng.
Nếu tỉ lệ (40Ar/36Ar)i trong mẫu cao hơn trong khí quyển thì gọi là argon lạ, ngoại lai (extraneous argon). Trong trường hợp argon ngoại lai có trong đá dưới dạng bao thể thì được gọi là argon dư thừa (exess argon). Nếu nó là sản phẩm phân rã kali in situ (tại chỗ), ví dụ trong trường hợp định tuổi các đá magma trẻ theo đá tù bị bắt cóc thì argon này được gọi là argon kế thừa (inherited argon).
Tài liệu định tuổi các đá núi lửa trẻ theo phương pháp K-Ar đã được sử dụng để lập thang nghịch đảo từ trường Trái đất; xác định tuổi của các bazan trẻ dưới đáy đại dương và luận giải dị thường từ tính trong các bồn đại dương. Đó là những bằng chứng trực tiếp cho tách giãn các lục địa.
Một số đá bazan được thành tạo ở trũng sâu đại dương, nơi áp suất cao hoặc nguội lạnh nhanh chứa argon có nguồn gốc từ magma manti Trái đất. Argon này đặc trưng có 40Ar/36Ar cao hơn hẳn so với argon khí quyển. 40Ar được làm giàu do kết quả khử khí của Trái đất ở giai đoạn sớm lúc hình thành, kết quả quá trình này phần lớn 36Ar bay vào bầu khí quyển.
Việc mất 40Ar phóng xạ sinh khi nhiệt độ nâng cao tạo ra khả năng sử dụng tài liệu định tuổi K-Ar như chỉ thị cho lịch sử nhiệt của các đá pluton nguội lạnh chậm chạp và đá biến chất; nhưng không cho phép xác định tuổi của khoáng vật nguyên sinh.
Phương pháp 40Ar /39Ar định tuổi
Phương pháp 40Ar/39Ar định tuổi dựa trên sự thành tạo 39Ar trong mẫu chứa K được chiếu trong lò hạt nhân. Khi đó xảy ra phản ứng, trong vật lí hạt nhân gọi là phản ứng chuyển biến n®p và được kí hiệu 39K (n,p)39Ar. Cách viết này chỉ rõ là một neutron bị nguyên tử thâu tóm, trong khi đó một proton rời khỏi nguyên tử. Số lượng 39Ar mới sinh trong mẫu khi chiếu: 39Ar = 39Ktòj(e)s(e)de; ở đây t - thời gian chiếu; j(e) - mật độ chùm neutron có năng lượng e; s(e) - tiết diện thu nhận năng lượng e.
Số lượng nguyên tử của đồng vị 40Ar*, được sinh ra do phân rã 40K sau thời gian tồn tại của mẫu, bằng:
40Ar* = (le/l)40K(elt-1)
ở đây le - hằng số phân rã của 40K do thâu tóm điện tử và l - hằng số phân rã đày đủ của 40K. Tỉ lệ 39Ar*/39Ar trong mẫu đem chiếu được xác định bằng phương trình:
(5.33)
Đơn giản phương trình (5.33), sau khi chỉ J cho đại lượng
J = (l/le)(40K/39K)t òj(e)s(e)de (5.34)
Khi đó: J = (elt-1) / (40Ar*/39Ar) (5.35)
Để xác định giá trị J cùng với mẫu định tuổi trong lò phản ứng hạt nhân, người ta chiếu mẫu chuẩn có tuổi K-Ar đã biết. Sau đó tính tuổi :
(5.36)
Mặc dù thủ tục đo rất phức tạp, phương pháp 39Ar/40Ar định tuổi có nhiều ưu thế so với phương pháp K-Ar truyền thống: a) các tỉ lệ đồng vị được đo trong cùng lượng mẫu, điều đó giảm tối thiểu khả năng ảnh hưởng sự phân bố không đồng đều của K và Ar trong mẫu đến độ chính xác của phép đo; b) không cần phải đo hàm lượng tuyệt đối của các đồng vị để xác định tuổi, chỉ cần biết tỉ lệ 39Ar/40Ar là đủ, điều đó làm tăng độ chính xác phép đo; c) chỉ cần sử dụng lượng mẫu nhỏ, thậm chí có thể định tuổi các tinh thể riêng biệt; d) và cuối cùng có khả năng xác định các tuổi biểu kiến trong điều kiện nhiệt độ khác nhau của cùng một khoáng vật (nung nóng theo bậc).
Phương pháp nung nóng theo bậc
Trong phương pháp nung nóng theo bậc, mẫu nghiên cứu được nung từ nhiệt độ thấp đến nóng chảy hoàn toàn. Khi đó mỗi phần khí được thoát ra ở bậc nhiệt độ nào đó được khảo sát riêng. Có mấy trường hợp xảy ra:
- Trong trường hợp nếu mỗi khoáng vật của mẫu được nung có thành phần đồng vị Ar ban đầu như nhau và bảo toàn tất cả Ar phóng xạ sinh, thì tỉ lệ 40Ar/39Ar và tuổi được tính toán cho mỗi mức nhiệt độ sẽ như nhau.
- Trường hợp trong các khoáng vật định tuổi có những bao thể chứa Ar có tỉ lệ 40Ar/39Ar > 295,5, thì Ar này có thể bắt đầu được thoát ra từ các bao thể trong khoảng nhiệt độ nhất định. Đặc điểm thoát khí Ar, có thể là dấu hiệu giám định tốt sự có mặt của Ar dư thừa. Mặc dù là argon dư thừa, nhưng nếu tạo ra plato trên biểu đồ tích luỹ của Ar thoát ra thì tuổi plato chính là tuổi thật. Dưới tên "plato" thường được hiểu ở một vài mức nhiệt độ kế tiếp nhau argon thoát ra không dưới 50% và tuổi ở các mức nhiệt độ này tương tự nhau trong giới hạn sai số của phép đo.
- Trường hợp phương pháp 39Ar/40Ar có phổ thoát argon dạng yên ngựa. Phổ dạng yên ngựa phản ánh sự có mặt argon dư thừa trong khoáng vật nghiên cứu. Và không loại trừ tuổi biểu kiến của mức nhiệt độ thấp và cao là do có sự tái phân bố các đồng vị argon khi chiếu rọi mẫu trong lò phản ứng hạt nhân gây nên. Dù nguyên nhân nào chăng nữa, trong các phổ dạng yên ngựa tuổi cực tiểu cho ta giá trị gần gũi nhất với tuổi thật.
- Kiểu phổ bậc thang (staircase spectrum) thường gặp trong địa thời học 39Ar/40Ar. Nó đặc trưng cho các khoáng vật bị mất argon phóng xạ sinh do khuyếch tán.
Cần chú ý các kết quả phân tích đồng vị của các phần nhiệt khác nhau của argon trên biểu đồ là đường đẳng thời nghịch (Mỗi một phần nhiệt khác nhau của khí thoát ra là hỗn hợp giữa argon phóng xạ sinh và nguyên sinh (ban đầu). Nếu argon nguyên sinh phân bố đều, thì những phần này sẽ được phân bố dọc theo đường thẳng trong hệ toạ độ: tung độ- (36Ar/40Ar)m và hoành độ- (39Ar/40Ar). Giao điểm với trục x phản ánh 100% thành phần phóng xạ sinh được dùng để tính toán tuổi, còn giao điểm với trục y đặc trưng thành phần argon nguyên sinh (hay Ar bị bắt giữ - trapped argon).
NXQ
