I tre isotopi stabili, 36Ar, 38Ar e 40Ar, sono considerati nella discussione sui gas nobili. Dei sette isotopi radioattivi dell’argon, 37Ar, e 39Ar sono anche usati negli studi idrologici e discussi di seguito. Viene anche discusso l’uso del rapporto 40Ar/36Ar in applicazioni idrologiche.

• Costo dell’analisi
• Origine
• Tecniche di misurazione
• Applicazioni idrologiche
• Riferimenti e ulteriori reading
• Risorse internet

Costo dell’analisi (ritorna all’inizio)

Non ci sono laboratori che attualmente eseguono analisi degli isotopi di argon per il pubblico.

Vedi il laboratorio di clorofluorocarburi dell’USGS Reston per maggiori informazioni)

Origine (ritorna all’inizio)

Cosmogenico
39Ar è prodotto nell’atmosfera dal bombardamento di neutroni:

Tuttavia, nelle acque sotterranee il 39Ar può essere prodotto in situ dalle seguenti reazioni:

39Ar (t½ = 269 anni) subisce il decadimento beta per tornare a 39K.

Lithogenic
37Ar (t½ = 35 giorni) è costantemente prodotto nel sottosuolo da reazioni 40Ca(n,a)37Ar nella matrice rocciosa.

Tecniche di misurazione (ritorna all’inizio)

Conteggio proporzionale dei gas
L’analisi dell’argon è attualmente basata esclusivamente sulla ricerca a causa della concentrazione molto piccola di argon nell’acqua. L’argon rappresenta meno dell’uno per cento del totale dei gas presenti nell’atmosfera. L’equilibrio con l’atmosfera produce quindi concentrazioni minime di argon disciolto nell’acqua. Le dimensioni del campione d’acqua vanno da 2 litri (se si usa il degassamento sotto vuoto) a 15 metri cubi (se il campione deve essere bollito) (Clark & Fritz 1997). I campioni sono analizzati tramite conteggio proporzionale a gas ad alta pressione. Dato che l’attività del 39Ar è molto bassa (circa 2 conteggi all’ora), è necessario circa 1 mese per l’analisi (Cook e Herczeg 2000).

(vedi la pagina sul conteggio dei decadimenti per maggiori informazioni sul processo GPC).

Applicazioni idrologiche (torna all’inizio)
37Ar
A causa del breve tempo di dimezzamento del 37Ar, quasi nessuna acqua freatica ha forme prodotte cosmogenicamente di questo isotopo presenti. Tuttavia, la produzione sotterranea è comune. Misurando la quantità di 37Ar presente, gli idrogeologi possono determinare il tasso di produzione subsuperficiale (che a sua volta può aiutare a determinare il flusso di neutroni) e anche l’efficienza del trasferimento dal minerale all’acqua (Cook e Herczeg 2000). Entrambi questi valori sono utili per vincolare l’uso di altri isotopi litogenici in applicazioni idrologiche.

39Ar nella datazione delle acque sotterranee
La datazione al 39Ar è stata utilizzata principalmente nella datazione delle acque sotterranee insieme ad altri isotopi. Il suo tempo di dimezzamento di 269 anni permette di confrontare le età con l’estremità alta della gamma del trizio e l’estremità bassa della gamma del 14C. Il 39Ar è utile per la datazione delle acque sotterranee submoderne (da ~40 a ~1000 anni a.C.) perché riempie questo vuoto di incertezza tra gli isotopi più ampiamente applicati nella datazione delle acque sotterranee (3H e14C).

Vantaggi e svantaggi dell’uso del 39Ar per datare l’acqua
Ci sono numerosi vantaggi e svantaggi nell’uso del 39Ar per datare l’acqua. Dal lato positivo, l’argon è un gas nobile e quindi inerte. Non ci sono complicazioni di reazioni collaterali e il suo comportamento conservativo lo rende un eccellente tracciatore idrologico. In secondo luogo, la produzione di 39Ar non è aumentata in seguito ai test delle bombe termonucleari. La sua attività è rimasta quasi costante per almeno gli ultimi 1000 anni.

Tuttavia, nelle aree di acque sotterranee dove sono presenti uranio e torio, la produzione in situ di 39Ar può essere sostanziale. Poiché le concentrazioni di 39Ar sono molto basse nelle acque sotterranee, la produzione in situ può produrre concentrazioni di 39Ar che annullano le concentrazioni atmosferiche nell’acqua. Altri svantaggi derivano dalle tecniche di campionamento e analisi per il 39Ar, principalmente la dimensione del campione e il tempo di misurazione.

Altre applicazioni del 39Ar
Il 39Ar può essere usato per datare le masse d’acqua nell’oceano. L’applicazione qui è molto simile alla datazione delle acque sotterranee, tranne per il fatto che la produzione in situ di 39Ar è trascurabile. Il 39Ar è usato anche nel carotaggio del ghiaccio.

Rapporto 40Ar/36Ar nella datazione delle acque sotterranee
Il rapporto 40Ar/36Ar è stato usato anche per aiutare la datazione delle acque sotterranee. Questo rapporto ha un valore costante nell’atmosfera di 295,5. La maggior parte delle falde acquifere contiene minerali contenenti potassio. Il 40K (con un tempo di dimezzamento di 125 x 109 anni) decade beta in 40Ar e quindi, nel tempo questo rapporto diventa più grande. Se il tasso di produzione di 40Ar è noto, questo rapporto può essere usato per datare le acque sotterranee molto vecchie. Tuttavia, questo rapporto può essere notevolmente compromesso ed elevato dal trasporto di 40Ar radiogenico dagli strati di roccia vicini al di fuori di una falda acquifera. Una valutazione più quantitativa dei rapporti 40Ar/36Ar per l’analisi dei tempi di residenza dell’acqua richiederà una migliore comprensione dei processi di erosione delle rocce e il ruolo dell’inclusione dei fluidi (Rauber et al. 1991).

Riferimenti e ulteriori letture (ritorna all’inizio)

• Andrews, J.N., et al, The in situ production of radioisotopes in rock matrices with particular reference to the Stripa granite, Geochimica et Cosmochimica Acta, 53, 1803-1815, 1989.
• Clark, I., and P. Fritz, Environmental Isotopes in Hydrogeology, Lewis Publishers, Boca Raton, 1997.
• Cook. P.G., and A.L. Herczeg, editors, Environmental Tracers in Subsurface Hydrology, Kluwer Academic Publishers, Boston, 2000.
• Lehmann, B.E. et al, Atmospheric and subsurface sources of stable and radioactive nuclides used for groundwater dating, Water Resour. Res. 29(7), 2027-2040, 1993.
• Loosli, H.H., Un metodo di datazione con 39Ar, Earth and Planetary Science Letters, 63, 51-62, 1983.
• Loosli, H.H., and H. Oeschger, Argon-39, carbon-14 and krypton-85 measurements in groundwater samples, in Isotope Hydrology 1978, vol. 2, 931-997, International Atomic Energy Agency, Vienna, 1979.
• Pearson, F.J., Applied Isotope Hydrogeology: A Case Study In Northern Switzerland, Elsevier, New York, 1991.
• Rauber, D., H. H. Loosli, and B.E. Lehmann, 40Ar/36Ar ratios, in chapter 6 of Applied Isotope Hydrogeology: A Case Study in Northern Switzerland, Elsevier, Amsterdam, 1991.
• Scholtis, A., et al, Integration of environmental isotopes, hydrochemical and mineralogical data to characterize groundwaters from a potential repository site in central Switzerland, in Isotopes in Water Resource Management, pp. 263-280, International Atomic Energy Agency, Vienna, 1996.