Định tuổi kali–argon đo lượng khí argon-40 tích tụ trong đá núi lửa từ lúc đá nguội, do kali-40 phân rã với chu kỳ bán rã khoảng 1,25 tỷ năm. Bản cải tiến argon–argon đo chính xác hơn trên từng tinh thể nhỏ, dùng cho đá từ vài chục nghìn tới hàng tỷ năm.
Carbon-14 dừng ở khoảng 50.000 năm. Muốn biết một lớp đá ba triệu năm hay một hoá thạch người cổ hàng triệu năm, giới địa chất và cổ nhân học cần một chiếc đồng hồ chạy chậm hơn rất nhiều. Kali là nguyên tố phổ biến trong đá núi lửa và tro bụi phun trào, nên cặp kali–argon trở thành công cụ chủ lực cho cả một khoảng thời gian dài mà carbon-14 không với tới.
Kali–argon hoạt động theo nguyên lý nào?
Kali trong tự nhiên có một phần rất nhỏ là đồng vị phóng xạ kali-40. Nó phân rã theo hai nhánh: phần lớn thành canxi-40, phần nhỏ, khoảng một phần mười, thành khí argon-40. Canxi-40 quá phổ biến trong đá nên không dùng được để đếm, còn argon là khí trơ, gần như không có sẵn trong tinh thể đá mới hình thành. Vì vậy argon-40 tích lại trong đá chính là sản phẩm của đồng hồ.
Điểm then chốt là thời điểm “đặt lại đồng hồ”. Khi đá còn nóng chảy, argon dễ dàng thoát ra ngoài. Khi dung nham hoặc tro núi lửa nguội và kết tinh, argon sinh ra từ đó bị nhốt trong mạng tinh thể. Đo tỷ lệ argon-40 so với kali-40 còn lại, rồi dùng chu kỳ bán rã khoảng 1,25 tỷ năm, người ta tính được đá đã nguội cách đây bao lâu.
Đồng hồ này đo thời điểm phun trào và nguội đi, không đo tuổi của vật chất gốc trong lòng đất. Một dòng dung nham phun ra năm nay mang chất liệu đã nằm sâu hàng triệu năm, nhưng đồng hồ kali–argon của nó bắt đầu từ năm nay.
Một phép tính hình dung giúp thấy độ chậm của đồng hồ này. Sau một triệu năm, chỉ chưa tới một phần nghìn số nguyên tử kali-40 ban đầu đã phân rã, và chỉ khoảng một phần mười trong số đó thành argon. Lượng argon trong một gam đá bazan trẻ vì vậy cực nhỏ, phải đo bằng khối phổ kế khí có độ nhạy rất cao, trong hệ chân không kín để không khí bên ngoài không lọt vào. Không khí vốn chứa khoảng một phần trăm argon, chủ yếu là argon-40, nên mọi phép đo đều phải trừ phần argon khí quyển bằng cách đo thêm argon-36 làm mốc so sánh.
Argon–argon cải tiến điều gì?
Argon–argon là bản nâng cấp được dùng phổ biến hiện nay, khắc phục điểm yếu lớn nhất của cách đo cũ.
Đo hai thứ trên cùng một mẫu
Phương pháp kali–argon cũ phải chia mẫu làm hai: một phần đo kali bằng phân tích hoá, một phần nung chảy để đo argon. Nếu mẫu không đồng đều, hai phần cho hai câu chuyện khác nhau. Với argon–argon, mẫu được chiếu neutron trong lò phản ứng hạt nhân, biến một phần kali-39 bền thành argon-39. Từ đó, cả kali và argon đều đo được dưới dạng argon trong cùng một lần đo khối phổ.
Nung từng bậc để tự kiểm
Mẫu được nung nóng tăng dần từng bậc, mỗi bậc giải phóng một phần argon và tính ra một tuổi. Nếu nhiều bậc liên tiếp cho cùng một tuổi, đồ thị tạo thành một đoạn phẳng gọi là tuổi bình nguyên, dấu hiệu tinh thể giữ argon tốt. Nếu tuổi các bậc lệch nhau, người ta biết tinh thể đã mất hoặc nhận thêm argon.
Đo từng tinh thể
Nhờ lượng mẫu cần rất nhỏ, có thể đo từng hạt fenspat riêng lẻ bằng tia laser. Trong một lớp tro lẫn tinh thể cổ hơn từ đá xung quanh, các hạt lạc loài sẽ hiện ra như những điểm tách đàn, và người ta loại chúng ra.
So sánh nhanh hai phương pháp
Hai phương pháp chung nguyên lý nhưng khác nhau về cách đo và độ tin cậy.
| Tiêu chí | Kali–argon | Argon–argon |
|---|---|---|
| Đo kali và argon | trên hai phần mẫu khác nhau | trên cùng một phần mẫu |
| Lượng mẫu | tương đối nhiều | rất ít, tới từng tinh thể |
| Tự kiểm mất argon | khó | có, qua nung từng bậc |
| Khoảng tuổi thường dùng | từ khoảng trăm nghìn năm trở lên | từ vài chục nghìn năm tới hàng tỷ năm với mẫu tốt |
| Sai số với đá vài triệu năm | thường vài phần trăm | có thể dưới một phần trăm |
| Vật liệu | đá núi lửa, khoáng chứa kali | tro núi lửa, fenspat, mica, đá bazan |
Con số khoảng tuổi chỉ mang tính định hướng; mẫu trẻ nhiều kali và giữ argon tốt có thể đo được trẻ hơn, mẫu nghèo kali thì khó dù cổ.
Vì sao tro núi lửa kẹp hoá thạch lại quý?
Xương hoá thạch không chứa kali theo cách dùng được để định tuổi trực tiếp. Nhưng ở những vùng núi lửa hoạt động, các lớp tro rơi xuống phủ lên mặt đất định kỳ. Nếu một hoá thạch nằm giữa hai lớp tro, tuổi của lớp dưới là giới hạn cổ nhất, tuổi lớp trên là giới hạn trẻ nhất, và hoá thạch nằm trong khoảng đó.
Thung lũng tách giãn Đông Phi là ví dụ kinh điển. Các lớp tro núi lửa xen giữa trầm tích hồ, sông đã cho phép định tuổi nhiều hoá thạch tổ tiên loài người cổ hàng triệu năm, như bộ xương nổi tiếng thường được nhắc tới với tuổi khoảng 3,2 triệu năm, hay những dấu chân hoá thạch khoảng 3,6 triệu năm. Ở những nơi không có tro núi lửa, hoá thạch phải định tuổi bằng cách khác như so sánh hoá thạch động vật đi kèm, nên khoảng tuổi thường rộng hơn.
Ở Việt Nam, các vùng có đá bazan như Tây Nguyên và một phần Nam Trung Bộ là kết quả của những đợt phun trào trong các triệu năm gần đây. Tuổi của các lớp bazan ấy được xác định chủ yếu bằng phương pháp kali–argon và argon–argon, theo các công trình địa chất đã công bố.
Những bẫy làm sai tuổi kali–argon
Argon thừa. Nếu đá nguội quá nhanh dưới áp suất cao, ví dụ dung nham phun ra dưới đáy biển sâu, argon cũ chưa kịp thoát và bị nhốt lại, làm tuổi đo được già hơn thật. Những bài viết lấy dung nham mới phun mà ra “tuổi triệu năm” để phủ nhận phương pháp thường rơi đúng vào trường hợp này, hoặc dùng mẫu chứa tinh thể cổ lẫn vào.
Argon mất. Đá bị nung lại do một đợt magma sau, bị phong hoá hay biến chất sẽ mất một phần argon, làm tuổi trẻ hơn thật. Nung từng bậc trong argon–argon giúp nhận ra hiện tượng này.
Tinh thể lạ. Tro núi lửa khi rơi có thể cuốn theo hạt khoáng từ đá cổ hơn. Đo từng tinh thể và loại hạt lạc loài là cách xử lý.
Mẫu nghèo kali. Đá ít kali cho ít argon, sai số tương đối lớn, nhất là khi đá còn trẻ.
Chuẩn so sánh. Argon–argon tính tuổi dựa vào một khoáng vật chuẩn chiếu neutron cùng mẫu. Khi tuổi của chuẩn được tinh chỉnh, các niên đại cũ dịch theo một chút; vì thế công trình nghiêm túc luôn ghi rõ dùng chuẩn nào để người sau tính lại được.
Khi đọc một niên đại kali–argon, nên hỏi gì?
- Mẫu là đá gì, lấy ở đâu so với hoá thạch hay di tích cần định tuổi: ngay trên, ngay dưới, hay cách xa nhiều mét?
- Dùng kali–argon cũ hay argon–argon? Công trình mới thường dùng argon–argon.
- Có đồ thị nung từng bậc cho đoạn bình nguyên rõ không, hay kết quả rời rạc?
- Sai số ghi là bao nhiêu và khớp với các lớp trên, dưới theo đúng thứ tự không?
Những câu hỏi này giúp bạn phân biệt một niên đại vững với một con số được trích lại mà không có bối cảnh.
Câu hỏi thường gặp
Kali–argon đo tuổi của cái gì?
Đo thời điểm đá núi lửa hoặc tro núi lửa nguội và kết tinh, khi argon bắt đầu bị nhốt lại trong tinh thể, không đo tuổi của chất liệu gốc nằm sâu trong lòng đất.
Chu kỳ bán rã của kali-40 là bao nhiêu?
Khoảng 1,25 tỷ năm. Vì phân rã rất chậm, phương pháp phù hợp với đá từ hàng chục nghìn năm tới hàng tỷ năm, không dùng cho vật liệu khảo cổ vài nghìn năm thông thường.
Kali–argon có định tuổi trực tiếp hoá thạch được không?
Thường không. Người ta định tuổi các lớp tro hoặc đá núi lửa nằm trên và dưới hoá thạch, từ đó suy ra khoảng tuổi của hoá thạch nằm giữa.
Vì sao dung nham mới phun có khi cho tuổi rất cổ?
Do argon thừa bị nhốt khi đá nguội nhanh dưới áp suất cao, hoặc do mẫu lẫn tinh thể cổ hơn. Đây là trường hợp đã biết, xử lý bằng chọn mẫu đúng và phương pháp argon–argon.
Argon–argon khác kali–argon ở điểm nào chính?
Argon–argon chiếu neutron để đo kali và argon trên cùng một phần mẫu, nung từng bậc để tự kiểm mất argon, và đo được từng tinh thể nên chính xác hơn.