折腾不止
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这“老东西”是中国寿星

想知道中国寿星是谁吗?本文给你答案。

如果我们走在街上,迎面走来一位陌生人。我们只需要匆匆一瞥,便能大致估计他的年龄。有时候可能不太准,但通常也八九不离十。

当我们走在野外,随手捡起一块石头,无论观察得多么仔细,也难以估计它的年龄。岩石是名副其实的老东西,我们随手捡起的一块石头,它通常比整个人类的历史还要老。

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这块石头被我放在办公室辟邪,你能看出它有何特别之处么?

表面上看,它的确很普通,其貌不扬,也确实是不名一文。但是,如果你知道它的年龄,或许就会对它刮目相看。它是中国最老的岩石,采集自辽宁鞍山,形成于 38 亿年前,当之无愧的老东西中的老东西

绝大多数岩石诞生时,人类根本不存在,那么地质学家又是如何得知岩石的年龄呢?

早在詹姆斯·哈顿(James Hutton)开创现代地质学之前,科学家们就一直想知道岩石的年龄。最开始人们使用相对年代测定(Relative dating)的方法确定岩石形成的先后顺序。直到 1949 年,威拉德·利比(Willard Libby)发明了用碳-14法(C-14),开启了同位素地质年代学。1953 年,克莱尔·彼得森(Clair Patterson)使用铀铅法(U-Pb)测出地球年龄。至此通过两三百年的努力,地质学家总算是基本解决了岩石年龄的问题。在其后这 60 余年的时间里,分析技术的迅猛发展,使得测年技术变得更精确、更准确和更“无损”。

地质学家确定岩石的年龄,通常有两种方法,在多数情况下,这两种方法需要结合起来使用:

  • 相对年代测定(Relative dating):把一系列岩石或地质事件按照时间先后进行排序。例如:李雷出生比韩梅梅早,因此李雷 > 韩梅梅。
  • 绝对年代测定(Absolute dating):测量岩石或地质事件的绝对年龄值。例如:李雷 25 岁,韩梅梅 24 岁。

相对年代测定

在放射性同位素测年技术发展之前,考古学家和地质学家只能使用相对年代测定来估计岩石的年龄。虽然,这些方法只能确定岩石或地质事件发生的先后顺序,但是直至今日仍然被广泛使用,尤其是对那些无法使用放射性同位素方法测年的岩石。

地层层序(叠覆律)

叠覆律是相对年代测定中最基本的规律,它是由丹麦解剖学家尼古拉斯·斯坦诺于(Nicolas Steno)于 1669 年提出。理论上,沉积物、火山灰和熔岩流,在地表或海底形成岩石时,都要受到重力的作用。因此,在任何沉积地层(包括喷出岩)的层序中,最年轻的地层应当位于层序的顶部,而最老的地层则位于层序的底部,如下图:

Superposition

需要注意的是,这种方法有两个基本假设:

  1. 地层形成时是水平的;
  2. 地层形成之后没有发生过倒转。

化石层序律(生物层序律)

生物层序律是相对年代测定中的另一条普遍法则,最早由英国地质学家威廉·史密斯(William Smith)提出。它根据岩石中包含的化石将不同时期的岩层分开,其原理基于这样一个前提:

同时代沉积岩可能会因为沉积时所处环境的不同而不同,但它们很有可能包含同样的生物化石。假如该物种只存在于一相对短暂的时期(以地质学的角度来说,可能历时约几十万年),那么只要我们对比地层中含的化石,就可以估计这些地层可能的沉积时间。

基于此,越是演化快的生物,其化石越具有年代学价值,它们通常被称为标准化石。例如:Paradoxides 三叶虫,它生活在距今 5 亿年前。

Paradoxides

地质体的接触关系

通过地质体之间的接触关系,我们也可以判断岩石和地质事件的先后顺序。比如:花岗岩侵入到其它地层单位中,那么它必然比被侵入的岩石年轻。通过厘清地质体之间的关系,我们可以在野外给岩石和地质事件进行时间上的排序。例如:

cross-section

根据上面的示意图,我们可以确定岩石和地质事件的先后顺序:

  • 最先形成的是岩层 A ;
  • 按顺序依次形成岩层 B ~ F ;
  • 岩层 A ~ F 发生了弯曲变形(地质学上叫褶皱);
  • 花岗岩 G 侵入到岩层中(可能与上一个过程同时);
  • 剥蚀作用把弯曲的岩层刨平;
  • 形成岩层 H ~ J ;
  • 右侧的断层切割所有岩层。

相对年代测定说起来都很容易,但是却需要非常扎实的地质学野外基础。如果不认识岩石,不认识化石,不认识地层,不认识构造,那么上述方法都是空谈。

绝对年代测定

尽管地质学家 200 年前就已经掌握了相对年龄测定方法,但岩石的绝对年龄则一直是个谜。尤其是关于地球年龄的问题,不仅困扰着所有地质学家,而且牵动着许许多多其它学科的科学家。

革命性的突破来自于威拉德·利比(Willard Libby)发明的碳-14 法(C-14),他也因此而获得 1960 年的诺贝尔化学奖。如果你对放射性衰变有所了解,就会很容易理解这种方法的原理。

生物体内都有一种碳同位素——碳-14 ,生物一死,碳-14 马上以固定的速度变成氮-14(我们称它为放射性衰变),每 5730 年碳-14就会衰变成原来的一半(被称为半衰期)。因此,只要能测量碳-14 的衰变程度,就能锁定一个物体(如:化石、骨骼,等)的年代。

但是,碳-14 法对测量岩石年龄来说,还是不太适用,这是因为:

  1. 不能测量 20 万年以上的物质。因为,经过 10 几个半衰期之后,碳-14 的含量会变得非常低,无法被仪器准确测量。
  2. 不能测量无机物。

虽然,威拉德·利比的碳-14 法不能应用于绝大部分岩石,但是,它开创了一个学科——同位素地质年代学。于是,当时同在芝加哥大学的哈里森·布朗(Harrison Brown)让自己的学生克莱尔·彼得森发展铀铅法(U-Pb)测年技术,原理与碳-14 法是类似的。彼得森干了足足 7 年,中间过程还有些曲折(因为这事,彼得森后来跟含铅汽油卯上了)。1953 年,彼得森通过测量陨石,宣布地球的确切年龄是 45.5 ± 0.7 亿年。至此,在地质学诞生 200 多年之后,地球总算有了个年龄。

注意:所有的绝对地质年龄都是有误差的,45.5 ± 0.7 亿年的涵义是,地球有 95 % 的可能性年龄在 44.8 ~ 46.2 亿年之间。

此后,同位素地质年代学进入高速发展阶段,测年方法也变得越来越多样,如:钐钕法(Sm-Nd)、铷锶法(Rb-Sr)、氩氩法(Ar-Ar),等等。即使是铀铅法测年本身,在技术上也有了长足的进步,不仅精度和准确度更高,而且消耗的样品量也越来越少。

最后,我们再回到文章开头那块岩石,它的年龄就是通过铀铅法测定的,在这块岩石中,包含有很多年龄是 38 亿年的锆石。它是目前中国已发现的最老的石头,绝对的中国寿星