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仪器与地球历史(一)

—— 同位素测定 岩石你几岁了?

2020年01月14日 10:40:33来源:仪器网作者:宋池

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  【仪器网 能源环境】庄子在《逍遥游》中说:“上古有大椿者,以八千岁为春,八千岁为秋”,这是古人想象中生物存活时间的极限。然而即使是以万年为一年,大椿的年龄依然无法与岩石相比。地质学家一直没有停止过对岩石年龄的追问,这不仅是为了了解岩层的形成与发展,还是为了解释一个更大的谜团——地球的诞生与成长。
 

 
  现在,即使是一个小学生也可以回答,地球的年龄是46亿年。然而这个答案却是地质学发展200多年才得到的结果。地球的年龄最初属于神学领域,各种创世神话回答了先人对世界从何而来的的追问。而在1625年,一名爱尔兰天竺教会的大主教结合圣经、历史学和天文历法知识,最先通过“科学”的方法计算出了精确的创世日期——公元前4004年10月22日星球六下午6点左右。
 
  随着科学的发展与地质学的萌芽,创世神话不再成为判断地球年龄的依据,取而代之的是来自地层的直接证据。想要知道地球的年龄,就需要确定地球上最古老的岩石的年龄。地质学家确定岩石形成时间的方法主要有两种:相对年代测定法与绝对年代测定法。
 
  相对年代测定法依据的基本规律是地层层序律,即沉积地层的层序中如果没有被后期的运动所逆掩或倒转,那么上层地层的形成时间要晚于下层地层。此外,化石层序律也是相对年代测定法的常用规律。不同时代生活的生物种类不同,对比地层中标志性的化石就可以粗略估计地层的形成年代。
 
  相对年代测定法只能简单判断地层形成的先后顺序,因此十九世纪以来,地质学流行的观点是地球演化的起点漫长到无法推测,我们只能分析各个地质时期的具体变化。这一理论在著名物理学家开尔文根据热力学定律通过计算地球冷却过程得到地球年龄之后受到了极大冲击。开尔文的方法得到的最终结果为2400万年。然而对地质变化和生物演化来说两千多万年远不足以让地球变成现在的样子。
 
  转折来自放射性现象的发现。放射性元素在放射过程中会产生热量,这一现象推翻了开尔文计算地球年龄时的一个前提假设——地球内部没有其他热量来源。开尔文的学生卢瑟福在此基础上提出“半衰期”的概念与利用放射性元素衰变过程测量岩石年龄的新设想。几年后美国化学家博尔特伍德提出铀—铅测定方法,在理论上提出测定岩石年龄的方法。四十年后碳-14 测年法正式将同位素测年变为现实。从此测定地层具体年龄的绝对年代测定法成为地质年代学研究的主要方法。根据铀—铅测定方法,美国地球化学家克莱尔·帕特森最终确定地球的年龄为45.5±0.7亿年。
 
  自碳-14 测年法出现之后,同位素测年法开始快速发展,在测年方法上出现了铀-钍-铅法、铷锶法以及钾氩法等新方法,测年技术也有了极大进步。同位素测年法需要测定样品中的微量甚至痕量元素,因此质谱就成为同位素测年的标配方法。
 
  目前铀铅同位素定年的主要技术有同位素稀释-热电离质谱法、二次离子质法、激光剥蚀 - 电感耦合等离子体质谱法等。地质年代学实验室建设除了氦同位素定年四极质谱仪、多接收电感耦合等离子体质谱仪等先进质谱仪器之外,还需要超净化学间以实现纯净无污染的铅提取。从克莱尔·帕特森开始的超净室是金属同位素地球化学实验室的必备配置。
 
  关于岩石年龄的问题在回答了地球年龄之后并没有结束,同位素测年法并不是完美无缺的,例如不是所有的岩层都有合适的样品可以进行同位素测年、选取的样品很难消除后期热变质作用的影响等。但是有不足才有进步的可能,质谱技术没有停下发展的脚步。当所有岩层的年龄都不再是秘密,地球的演变历史也将完全展现在我们面前。
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