为什么科学家能知道岩石的年龄

科普中国网 2017-09-06

　　　作者：黄晶，朱贝

　　　　1828年9月6日，著名的俄国化学家布特列洛夫诞生了。他曾提出化学上重要的概念——同位素的假设。现在，让我们来了解一下，同位素能干些什么！

　　平凡的岩石充斥着我们日常的视野，这些岩石的年龄是怎么被揭示出来的呢？

　　地质学家在很长一段时间内，都只能确定不同岩石之间的相对新老关系，而无法精确得知它们的具体年龄——当时采用的研究方法被称为相对地质年代学。相对地质年代学主要依靠地层、岩石、古生物和古地磁等研究手段。依据地层层序、沉积构造等特征，辨别哪些岩层形成较早，哪些形成较晚；不同的地层中，保存的生物化石不一样，根据生物的演化顺序，可以辨别地层沉积的先后顺序；同一时期全球的生物具有相似性，因此可以对比全球的地层；一些具有特殊岩石或矿产的岩层，可作为确定相对地质年代的标志，比如条带状磁铁石英岩只形成于18亿年前和距今8亿～7亿年之间；地球磁场改变的顺序也可以用在测定相对地质年代上。

　　相对地质年代学无法得知岩石的精确年龄，因而有着不可忽视的局限性。而且，地层和生物化石的方法主要针对沉积岩，可另两大类岩石——火成岩和变质岩大多不是以地层形式产出，要确定它们的相对新老便显得困难多了。一直到20世纪初，当相对地质年代学走到了这样的瓶颈期时，物理学的大突破为地质学带来了新的曙光——绝对地质年代学诞生了。

　　绝对地质年代学本质上就是放射性同位素年代学。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，它们在元素周期表中共同占据一个位置。有的同位素不稳定，能够自发地放射出各种射线，被称为放射性同位素。在射出各种射线的同时，这些同位素衰变成其他同位素，例如钾衰变成氩。所有的放射性同位素都遵循一个定律：衰变前的放射性同位素转变为新同位素的速率，只和原来的原子数目成正比。更直观地说，某种放射性元素的原子核发生衰变，无论有多少原子，只要衰变到只剩一半数量，所需要的时间（半衰期）是不变的。

　　岩石和矿物中含有的化学元素中就存在着微量的放射性同位素，如果知道了样品中某种放射性同位素及其衰变产生的新同位素的含量，根据它们的比例和已知的半衰期时间，就相当于看到了“同位素时钟”显示的时间，可借此精确计算出岩石形成的年龄。原理看似简单，但是有一个基本前提要保证——在漫长的地质历史时期，岩石、矿物中的该同位素只通过衰变自然变化，而没有任何丢失和加入。换句话说，地质学家必须在岩石中找到一个封闭性非常好的“盒子”，来确保里面的放射性同位素在漫长的历史时期不受任何外界影响。经过多年的试验研究，科学家找到了一些封闭性好的矿物，它们能够很好地保存岩石中的放射性同位素信息，又大量存在于各个时期形成的岩浆岩和变质岩中，比如锆石、独居石、黑云母等。

　　目前，地学家测定岩石年龄经常使用的同位素衰变体系有铀—钍—铅、钐—钕、铷—锶、钾—氩和碳-14等。不同的放射性同位素衰变的时间常数有长有短，比如铀—钍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；碳-14的半衰期只有5000多年，就被用来测定比较年轻的岩石的年龄。因此，科学家可以选择合适的矿物，利用合理的同位素衰变体系给各式各样的岩石测定年龄。