高中地球科学/岩石绝对年龄
正如我们在上一课中学到的那样，索引化石和地层叠置是确定物体相对年龄的有效方法。换句话说，你可以使用地层叠置来告诉你一个岩层比另一个岩层更老。但是确定一种物质的**绝对年龄**（它的年龄以年为单位）则是一个更大的挑战。为了做到这一点，科学家使用各种证据，从树木年轮到岩石中放射性物质的含量。
- 定义绝对年龄和相对年龄之间的区别。
- 描述四种绝对测年的方法。
- 解释什么是放射性，并举出放射性衰变的例子。
- 解释放射性物质的衰变如何帮助确定物体的年龄。
- 估计物体的年龄，给出半衰期和放射性物质和子物质的量。
- 给出四个用于测年放射性物质的例子，并解释它们是如何使用的。
在热带地区以外的地区，树木在温暖的夏季比在寒冷的冬季生长得更快。这种生长模式导致了浅色、低密度“早材”和深色、高密度“晚材”交替出现。每条深色带代表一个冬季；通过计数年轮，可以找到树木的年龄（图 11.22）。一系列生长轮的宽度可以提供过去气候和各种干扰（如森林火灾）的线索。干旱和其他气候变化导致树木生长速度比正常速度慢或快，这反映在树木年轮的宽度上。这些树木年轮的变化将出现在某个地区的所有树木中，因此科学家可以将活树和死树的生长轮进行匹配。使用从旧建筑和古代遗迹中回收的木材，科学家已经能够比较树木年轮，从而创造出过去 2000 年的连续树木年轮记录。这种树木年轮记录已被证明对创建气候变化记录和寻找古代结构的年龄非常有用。
其他一些过程导致了明显年层的积累，这些年层可用于测年。例如，冰川内部形成层状结构，因为夏季降雪量往往较少，使得一层深色的尘埃可以在冬季降雪的顶部积聚（图 11.23）。为了研究这些模式，科学家会钻入冰盖深处，获取长达数百米的冰芯。科学家分析这些冰芯以确定气候随时间的变化，以及测量大气气体的浓度。最长的冰芯有助于形成极地气候的记录，可以追溯到数十万年以前。
另一个年层例子是湖泊中沉积物的沉积，特别是位于冰川末端的湖泊。夏季冰川快速融化会导致沉积物中出现厚厚的沙层。这些厚层与冬季沉积的薄而富含粘土的层交替出现。由此形成的层称为**纹泥**，为科学家提供了过去气候条件的线索。例如，特别温暖的夏季可能会导致融化的冰川沉积一层非常厚的沉积物。较薄的纹泥表明夏季较冷，因为冰川融化和携带到湖泊中的沉积物较少。
虽然树木年轮和其他年层对于测定相对较近的事件很有用，但在漫长的地质时间尺度上，它们并没有多大用处。在 18 世纪和 19 世纪，地质学家试图用间接技术来估计地球的年龄。例如，地质学家测量了河流沉积沉积物的速度，以试图计算河流的存在时间。不出所料，这些方法导致了截然不同的估计，从几百万年到“万亿年”。这些估计中可能最可靠的是英国地质学家查尔斯·莱伊尔提出的，他估计从第一个带壳动物出现到现在已经过去了 2.4 亿年。今天，科学家们知道他的估计太年轻了；我们知道这件事发生在大约 5.3 亿年前。
1892 年，威廉·汤姆森（后来被称为开尔文勋爵）系统地计算了地球的年龄（图 11.24）。他假设地球最初是一个熔化的岩石球，随着时间的推移逐渐冷却。从这些假设出发，他计算出地球的年龄为 1 亿年。这个估计对地质学家和查尔斯·达尔文进化论的支持者来说是一个打击，因为进化论需要一个更古老的地球来为进化提供时间。
然而，汤姆森的计算很快就被 1896 年发现的放射性所证伪。**放射性**是指某些原子衰变成更轻的原子的趋势，在这个过程中释放能量。地球内部的放射性物质提供了稳定的热源。使用放射性衰变计算地球年龄表明地球实际上比汤姆森计算的要古老得多。
放射性物质的发现不仅证伪了汤姆森对地球年龄的估计，它还提供了一种寻找岩石绝对年龄的方法。要理解这是如何做到的，有必要回顾一些关于原子的事实。
原子包含三种粒子：质子、中子和电子。质子和中子位于原子核中，而电子绕着原子核运行。质子的数量决定了你正在检查的元素。例如，所有碳原子都有 6 个质子，所有氧原子都有 8 个质子，所有金原子都有 79 个质子。然而，中子的数量是可变的。一种元素的中子数量不同的原子是该元素的**同位素**。例如，碳-12 同位素的原子核中包含 6 个中子，而碳-13 同位素的原子核中包含 7 个中子。
一些同位素是**放射性**的，这意味着它们不稳定，很可能会衰变。这意味着原子会自发地从不稳定形式转变为稳定形式。在地质学家如何测年岩石中，有两种核衰变形式是相关的（表（11.1））
| 粒子 | 组成 | 对原子核的影响 |
|---|---|---|
| α粒子 | 2 个质子，2 个中子 | 原子核包含少 2 个质子和少 2 个中子。 |
| β粒子 | 1 个电子 | 一个中子衰变成一个质子和一个电子，该电子被发射出去。 |
如果一种元素通过失去α粒子而衰变，它将失去 2 个质子和 2 个中子。如果一个原子通过失去β粒子而衰变，它将失去一个电子。
那么这与地球的年龄有什么关系呢？放射性衰变最终会导致稳定的**子体产物**的形成。放射性物质以已知的速率衰变。随着时间的推移，放射性同位素的比例会下降，子体同位素的比例会上升。一块放射性同位素比例相对较高的岩石可能非常年轻，而一块子体产物比例较高的岩石可能非常古老。
科学家用一个称为**半衰期**的单位来测量放射性衰变的速率。放射性物质的半衰期是指平均而言，一半原子衰变所需的时间。例如，想象一种半衰期为一年的放射性物质。当岩石形成时，它包含一定数量的放射性原子。一年（一个半衰期）后，一半的放射性原子已衰变形成稳定的子体产物，剩下 50% 的放射性原子。再过一年（两个半衰期），剩下的放射性原子中的一半已经衰变，只剩下 25% 的放射性原子。在第三年（三个半衰期）之后，剩下 12.5% 的放射性原子。在四年（四个半衰期）之后，剩下 6.25% 的放射性原子，在五年（五个半衰期）之后，只剩下 3.125% 的放射性原子。
如果你发现一块岩石，其放射性物质的半衰期为一年，测得 3.125% 的放射性原子和 96.875% 的子体原子，那么你可以认为该物质已有 5 年历史。放射性物质的衰变可以用图表（图 11.25）来表示。如果你发现一块岩石，其中 75% 的放射性原子仍然存在，那么它大约有多老？
在**放射性年代测定**的过程中，使用几种同位素来测定岩石和其他材料的年代。使用几种不同的同位素可以帮助科学家检查他们计算出的年龄的准确性。
地球大气层包含三种碳同位素。碳-12 稳定，占大气碳的 98.9%。碳-13 也是稳定的，占大气碳的 1.1%。碳-14 是放射性的，含量微量。当宇宙射线与氮原子相互作用时，大气中自然产生碳-14。在任何特定时间，大气中产生的碳-14 量在时间上是相对稳定的。
放射性碳-14 通过释放一个β粒子衰变为稳定的氮-14。氮原子会散逸到大气中，但可以通过测量放射性碳-14 与稳定碳-12 的比例来估计碳-14 衰变的量。随着物质年龄的增长，碳-14 的相对含量会降低。
植物在光合作用过程中从大气中吸收碳。动物在食用植物或其他吃过植物的动物时，会摄入这种碳。因此，碳-14 定年法可以用来确定植物和动物遗骸的年代。例如，旧建筑的木材、骨骼或火坑的灰烬。碳定年法可以有效地用来确定 100 到 50,000 年之间的物质的年代。
钾-40 衰变为氩-40，半衰期为 12.6 亿年。由于氩气是一种气体，它可以从熔化的岩浆或熔岩中逸出。因此，在晶体中发现的任何氩气很可能是钾-40 衰变的结果。测量钾-40 与氩-40 的比率可以很好地估计样品的年龄。
钾是许多矿物质（如长石、云母和角闪石）中常见的一种元素。这种技术可以用来测定从 10 万年到 10 亿年以上火成岩的年龄。由于它可以用来测定地质年代较年轻的物质的年龄，因此该技术在估计含有人类祖先骨骼的沉积物的年龄方面非常有用。
铀的两种同位素用于放射性年代测定。铀-238 衰变形成铅-206，半衰期为 44.7 亿年。铀-235 衰变形成铅-207，半衰期为 7.04 亿年。
铀-铅定年法通常对锆石（图 11.26）矿物晶体进行。当锆石在火成岩中形成时，晶体很容易接受铀原子，但拒绝铅原子。因此，如果在锆石晶体中发现了任何铅，可以认为它是铀衰变产生的。
铀-铅定年法可以用来测定从 100 万年到 45 亿年前火成岩的年代。地球上一些最古老的岩石是使用这种方法测定的，包括来自澳大利亚的 44 亿年前的锆石晶体。
放射性年代测定只能用于含有可测量的放射性物质及其子体产物的材料。这包括有机遗骸（与岩石相比，有机遗骸相对年轻，不到 10 万年）和更古老的岩石。理想情况下，将使用几种不同的放射性年代测定技术来测定同一块岩石的年代。这些值之间的一致性表明计算出的年龄是准确的。
总的来说，放射性年代测定最适合火成岩，对确定沉积岩的年龄并不十分有用。为了估计沉积岩层的年代，地质学家会寻找附近或夹层的火成岩，这些火成岩可以进行年代测定。例如，如果一层沉积岩夹在两层火山灰之间，那么它的年龄就在两层火山灰的年龄之间。
使用放射性年代测定、标准化石和叠覆原理的组合，地质学家构建了一条清晰的地球历史时间表。例如，上覆的熔岩流可以对某一地点沉积岩层的年龄进行可靠的估计。该地层中包含的标准化石可以与不同地点的化石进行匹配，从而为新的岩石地层提供一个良好的年龄测量值。随着这种过程在世界各地不断重复，我们对岩石和化石年龄的估计变得越来越准确。
叠覆原理和标准化石等技术可以告诉你物体的相对年龄，哪个物体更老，哪个物体更年轻。要确定物体以年为单位的绝对年龄，需要其他类型的证据。地质学家使用各种技术来确定绝对年龄，包括放射性年代测定、树木年轮、冰芯和称为纹泥的年沉积物。
放射性年代测定是这些技术中最有用的——它是唯一能够确定几千年以上的物体年龄的技术。几种放射性同位素（碳-14、钾-40、铀-235 和 -238）及其子体产物的浓度被用来确定岩石和有机遗骸的年龄。
- 确定物体或事件的绝对年龄使用哪四种技术？
- 一种放射性物质的半衰期为 500 万年。如果一块岩石中还剩下 25% 的原始放射性原子，那么这块岩石的年龄是多少？
- 一位科学家正在研究一块来自古代墓地的布料。她确定布料中还剩下 40% 的原始碳-14 原子。根据碳衰变图（图 11.27），布料的近似年龄是多少？
图 11.27：碳-14 的放射性衰变。 - 你会使用哪种或哪些放射性同位素来测定以下物体的年代？解释你的每一个选择。
- 一块 40 亿年的花岗岩。
- 一层 100 万年的火山灰层，其中包含人类祖先的脚印。
- 最近在冰川中发现的冻结的猛犸象毛。
- 一块从大约 5 亿年前的砂岩层中发现的三叶虫化石。
- 均变论原则指出，现在是过去的钥匙。换句话说，我们今天看到的正在发生的过程，很可能在过去以类似的方式发挥作用。为什么假设放射性衰变速率在时间上保持不变很重要？
- 绝对年龄
- 一个物体以年为单位的年龄。
- α粒子
- 由两个质子和两个中子组成的粒子，在放射性衰变过程中从原子核中射出。
- β粒子
- 由单个电子组成的粒子，在放射性衰变过程中从原子核中射出。β粒子是在中子衰变成质子和发射电子时产生的。
- 子产物
- 由放射性物质衰变产生的稳定物质。例如，铀-238 衰变产生铅-207。
- 半衰期
- 放射性物质的一半原子衰变并形成子产物所需的时间。
- 冰芯
- 从冰川或冰盖中提取的冰柱。
- 放射性
- 不稳定且可能发射高能粒子或辐射的物质。
- 放射性
- 某些不稳定原子发射高能粒子或辐射。
- 放射性测年
- 使用放射性物质和子产物的浓度来估计材料年龄的过程。随着物质老化，放射性原子数量减少，而子产物数量增加。
- 树木年轮
- 树木中一年形成的一层木材。你可以通过数树木的年轮来确定树木的年龄。
- 纹泥
- 一年内沉积在湖底的薄层沉积物，通常出现在冰川湖的底部。
- 为什么像树木年轮、冰芯和纹泥这样的技术只适用于过去几千年的事件？
- 为什么对达尔文及其追随者来说，证明地球非常古老是如此重要？
- 为什么使用多种方法来确定岩石或其他物体的年龄很重要？