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儀器與地球歷史（一）

———同位素測定 巖石你幾歲了？
2020-01-14 10:41:04來源：儀器網(wǎng)關鍵詞：同位素閱讀量：3670
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導讀：莊子在《逍遙游》中大椿是古人想象中生物存活時間的極限。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)學家一直沒有停止過對巖石年齡的追問，這不僅是為了了解巖層的形成與發(fā)展，還是為了回答一個更宏大的問題——地球的誕生與成長。

　　【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)學家一直沒有停止過對巖石年齡的追問，這不僅是為了了解巖層的形成與發(fā)展，還是為了解釋一個更大的謎團——地球的誕生與成長。
 

 
　　現(xiàn)在，即使是一個小學生也可以回答，地球的年齡是46億年。然而這個答案卻是地質(zhì)學發(fā)展200多年才得到的結果。地球的年齡初屬于神學領域，各種創(chuàng)世神話回答了先人對世界從何而來的的追問。而在1625年，一名愛爾蘭天竺教會的大主教結合圣經(jīng)、歷史學和天文歷法知識，通過“科學”的方法計算出了精確的創(chuàng)世日期——公元前4004年10月22日星球六下午6點左右。
 
　　隨著科學的發(fā)展與地質(zhì)學的萌芽，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)學家確定巖石形成時間的方法主要有兩種：相對年代測定法與年代測定法。
 
　　相對年代測定法依據(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動所逆掩或倒轉(zhuǎn)，那么上層地層的形成時間要晚于下層地層。此外，化石層序律也是相對年代測定法的常用規(guī)律。不同時代生活的生物種類不同，對比地層中標志性的化石就可以粗略估計地層的形成年代。
 
　　相對年代測定法只能簡單判斷地層形成的先后順序，因此十九世紀以來，地質(zhì)學流行的觀點是地球演化的起點漫長到無法推測，我們只能分析各個地質(zhì)時期的具體變化。這一理論在著名物理學家開爾文根據(jù)熱力學定律通過計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果為2400萬年。然而對地質(zhì)變化和生物演化來說兩千多萬年遠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產(chǎn)生熱量，這一現(xiàn)象推翻了開爾文計算地球年齡時的一個前提假設——地球內(nèi)部沒有其他熱量來源。開爾文的學生盧瑟福在此基礎上提出“半衰期”的概念與利用放射性元素衰變過程測量巖石年齡的新設想。幾年后美國化學家博爾特伍德提出鈾—鉛測定方法，在理論上提出測定巖石年齡的方法。四十年后碳-14 測年法正式將同位素測年變?yōu)楝F(xiàn)實。從此測定地層具體年齡的年代測定法成為地質(zhì)年代學研究的主要方法。根據(jù)鈾—鉛測定方法，美國地球化學家克萊爾·帕特森終確定地球的年齡為45.5±0.7億年。
 
　　自碳-14 測年法出現(xiàn)之后，同位素測年法開始快速發(fā)展，在測年方法上出現(xiàn)了鈾-釷-鉛法、銣鍶法以及鉀氬法等新方法，測年技術也有了極大進步。同位素測年法需要測定樣品中的微量甚至痕量元素，因此質(zhì)譜就成為同位素測年的標配方法。
 
　　目前鈾鉛同位素定年的主要技術有同位素稀釋-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)年代學實驗室建設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)譜儀等先進質(zhì)譜儀器之外，還需要超凈化學間以實現(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實驗室的必備配置。
 
　　關于巖石年齡的問題在回答了地球年齡之后并沒有結束，同位素測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行同位素測年、選取的樣品很難消除后期熱變質(zhì)作用的影響等。但是有不足才有進步的可能，質(zhì)譜技術沒有停下發(fā)展的腳步。當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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