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儀器與地球歷史（一）

———同位素測(cè)定 巖石你幾歲了？
2020-01-14 10:41:04來源：儀器網(wǎng)關(guān)鍵詞：同位素閱讀量：3656
我要評(píng)論

導(dǎo)讀：莊子在《逍遙游》中大椿是古人想象中生物存活時(shí)間的極限。然而即使是以萬年為一年，大椿的年齡依然無法與巖石相比。地質(zhì)學(xué)家一直沒有停止過對(duì)巖石年齡的追問，這不僅是為了了解巖層的形成與發(fā)展，還是為了回答一個(gè)更宏大的問題——地球的誕生與成長(zhǎng)。

　　【儀器網(wǎng) 能源環(huán)境】莊子在《逍遙游》中說：“上古有大椿者，以八千歲為春，八千歲為秋”，這是古人想象中生物存活時(shí)間的極限。然而即使是以萬年為一年，大椿的年齡依然無法與巖石相比。地質(zhì)學(xué)家一直沒有停止過對(duì)巖石年齡的追問，這不僅是為了了解巖層的形成與發(fā)展，還是為了解釋一個(gè)更大的謎團(tuán)——地球的誕生與成長(zhǎng)。
 

 
　　現(xiàn)在，即使是一個(gè)小學(xué)生也可以回答，地球的年齡是46億年。然而這個(gè)答案卻是地質(zhì)學(xué)發(fā)展200多年才得到的結(jié)果。地球的年齡初屬于神學(xué)領(lǐng)域，各種創(chuàng)世神話回答了先人對(duì)世界從何而來的的追問。而在1625年，一名愛爾蘭天竺教會(huì)的大主教結(jié)合圣經(jīng)、歷史學(xué)和天文歷法知識(shí)，通過“科學(xué)”的方法計(jì)算出了精確的創(chuàng)世日期——公元前4004年10月22日星球六下午6點(diǎn)左右。
 
　　隨著科學(xué)的發(fā)展與地質(zhì)學(xué)的萌芽，創(chuàng)世神話不再成為判斷地球年齡的依據(jù)，取而代之的是來自地層的直接證據(jù)。想要知道地球的年齡，就需要確定地球上古老的巖石的年齡。地質(zhì)學(xué)家確定巖石形成時(shí)間的方法主要有兩種：相對(duì)年代測(cè)定法與年代測(cè)定法。
 
　　相對(duì)年代測(cè)定法依據(jù)的基本規(guī)律是地層層序律，即沉積地層的層序中如果沒有被后期的運(yùn)動(dòng)所逆掩或倒轉(zhuǎn)，那么上層地層的形成時(shí)間要晚于下層地層。此外，化石層序律也是相對(duì)年代測(cè)定法的常用規(guī)律。不同時(shí)代生活的生物種類不同，對(duì)比地層中標(biāo)志性的化石就可以粗略估計(jì)地層的形成年代。
 
　　相對(duì)年代測(cè)定法只能簡(jiǎn)單判斷地層形成的先后順序，因此十九世紀(jì)以來，地質(zhì)學(xué)流行的觀點(diǎn)是地球演化的起點(diǎn)漫長(zhǎng)到無法推測(cè)，我們只能分析各個(gè)地質(zhì)時(shí)期的具體變化。這一理論在著名物理學(xué)家開爾文根據(jù)熱力學(xué)定律通過計(jì)算地球冷卻過程得到地球年齡之后受到了極大沖擊。開爾文的方法得到的終結(jié)果為2400萬年。然而對(duì)地質(zhì)變化和生物演化來說兩千多萬年遠(yuǎn)不足以讓地球變成現(xiàn)在的樣子。
 
　　轉(zhuǎn)折來自放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。放射性元素在放射過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，這一現(xiàn)象推翻了開爾文計(jì)算地球年齡時(shí)的一個(gè)前提假設(shè)——地球內(nèi)部沒有其他熱量來源。開爾文的學(xué)生盧瑟福在此基礎(chǔ)上提出“半衰期”的概念與利用放射性元素衰變過程測(cè)量巖石年齡的新設(shè)想。幾年后美國(guó)化學(xué)家博爾特伍德提出鈾—鉛測(cè)定方法，在理論上提出測(cè)定巖石年齡的方法。四十年后碳-14 測(cè)年法正式將同位素測(cè)年變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。從此測(cè)定地層具體年齡的年代測(cè)定法成為地質(zhì)年代學(xué)研究的主要方法。根據(jù)鈾—鉛測(cè)定方法，美國(guó)地球化學(xué)家克萊爾·帕特森終確定地球的年齡為45.5±0.7億年。
 
　　自碳-14 測(cè)年法出現(xiàn)之后，同位素測(cè)年法開始快速發(fā)展，在測(cè)年方法上出現(xiàn)了鈾-釷-鉛法、銣鍶法以及鉀氬法等新方法，測(cè)年技術(shù)也有了極大進(jìn)步。同位素測(cè)年法需要測(cè)定樣品中的微量甚至痕量元素，因此質(zhì)譜就成為同位素測(cè)年的標(biāo)配方法。
 
　　目前鈾鉛同位素定年的主要技術(shù)有同位素稀釋-熱電離質(zhì)譜法、二次離子質(zhì)法、激光剝蝕 - 電感耦合等離子體質(zhì)譜法等。地質(zhì)年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)除了氦同位素定年四極質(zhì)譜儀、多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀等先進(jìn)質(zhì)譜儀器之外，還需要超凈化學(xué)間以實(shí)現(xiàn)純凈無污染的鉛提取。從克萊爾·帕特森開始的超凈室是金屬同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的必備配置。
 
　　關(guān)于巖石年齡的問題在回答了地球年齡之后并沒有結(jié)束，同位素測(cè)年法并不是完美無缺的，例如不是所有的巖層都有合適的樣品可以進(jìn)行同位素測(cè)年、選取的樣品很難消除后期熱變質(zhì)作用的影響等。但是有不足才有進(jìn)步的可能，質(zhì)譜技術(shù)沒有停下發(fā)展的腳步。當(dāng)所有巖層的年齡都不再是秘密，地球的演變歷史也將完全展現(xiàn)在我們面前。
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