如何测定岩石的年龄

原文：如何测定岩石的年龄

Vol.1/ 地球、岩石圈和岩石

人类的家园——地球自诞生以来，至今已约46亿年。与微小的细胞、鸡蛋等生命体类似，地球也有从核到壳的分层结构，即地核（分为内核和外核）、地幔、地壳(qiào)，固体地壳主要由厚约60 ~ 120 km岩石圈构成，岩石圈又由各种各样的岩石（Rock）所构成，岩石按形成原因可划分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。从低一级的物质构成来说，岩石通常是由一种或多种矿物组成的固态集合体，常见造岩矿物有长石、石英、云母、角闪石和辉石等，岩石和矿物可以合并简称为岩矿。岩石圈是距离人类最近的地球圈层结构，所以人类和岩石关系亲密，人类发展史上曾经历过石器时代，即使在现代社会，人类也需要从岩石中获取各类矿产资源。对于地球科学研究来说，岩矿的年龄、起源、构成、性质、演化等自然特征是主要研究内容。

Vol.2/ 测定岩石年龄的意义

测定岩石的年龄是地球科学研究中一项重要基础性研究，是众多地学分支学科开展其他研究的依据或前提，如划分不同地层的地质年代、研究化石生物的出现及演化时期、确定矿床的形成时间等等。直到19世纪，人们仍未掌握准确测定岩石年龄的方法，这大大地限制了自然科学的进步。举一个典型的例子，地球的年龄在19世纪初可是科学界圣杯式的重大科学问题，许多科学家做了研究尝试。例如，著名物理学家开尔文（国际单位制七个基本物理量之一的开尔文温标的定义者）假设初始地球是一个熔化的球体，此后逐渐稳定冷却至现今的地球，通过复杂的数学计算后，认为地球年龄在20 ~ 40 Ma (1 Ma=100万年)，也就是2 000万至4 000万年；著名生物学家达尔文（生物进化论奠基者）在《物种起源》中先计算出英格兰南部的维尔德谷地在自然风化作用下损失的岩石体积，再用来除以沉积搬运的近似速率，得出地球最小年龄为300 Ma（3亿年）。时至今日，我们已知道这两位历史上的著名科学家都得出了相差甚远的错误结论，因为人们已在西澳大利亚杰克峰（Jack Hill）的沉积岩中发现了最大年龄为44亿岁的矿物（锆石），那么地球的年龄不可能小于44亿岁。

Vol.3/ 岩石测年的原理和方法

自20世纪初，科学家们逐渐发现了各种各样的同位素，同位素是指同一元素原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子，不同的同位素其稳定性也不同，那些能自发地放射出各种射线的同位素被称为放射性同位素。初始同位素放射出射线后形成了其他元素，它们就组合成了某种放射性同位素体系，如U-Pb、Sm-Nd、Rb-Sr、K-Ar和C14等。在一个样本的某一种放射性同位素体系中，初始放射性同位素的原子核有一半发生衰变时所需要的时间叫半衰期，最神奇的是，科学家们发现这个半衰期是固定不变的！这样，科学家就可以建立了“同位素时钟”来计算研究对象的形成年龄。半衰期有长有短，适合的研究对象也不同，比如U-Pb衰变体系的半衰期很长，适合用来测定有数亿年历史的古老岩石；C14的半衰期比较短，就适合用来测定相对年轻的岩石或是考古文物。

这种计算岩石年龄的原理看上去很简单，但使用同位素时钟有一个重要前提，那就是岩矿中同位素衰变体系只有自然衰变，没有相关同位素的混入和丢失。简单来说，就是在岩石中寻找一个封闭性很好的空间，能保证放射性同位素在漫长地质历史时期内完全或基本不受干扰。这种可以很好地保存同位素衰变体系信息的完全封闭的空间，理论上可以由封闭性好的矿物提供，比如锆石、独居石、黑云母、石英等等。地质科学家根据要测定年龄的岩石样品情况，先选择合适的矿物（来自岩石）和同位素衰变体系，然后利用高精密仪器分析出矿物中某种放射性同位素及其衰变形成的新同位素含量，最后结合同位素比例、固定半衰期等元素衰变与时间的关系，就可精确计算出岩石的形成年龄。

（2022年地球科学科普作品大赛优秀作品）