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历史地质学/硬骨年代学

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Arctica islandica,硬骨年代学家最喜欢的贝壳。

在本文中,我们将讨论硬骨年代学的基础,这是一种通过分析贝壳和珊瑚的生长模式来对其进行年代测定的方法。

贝壳和珊瑚的生长模式

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当贝壳生物生长时,许多类型以一种规律地反映时间流逝的方式沉积新的生长带:例如,每天沉积一个生长带(许多珊瑚都是这样做的),或者每当低潮时沉积一个生长带,就像贻贝一样。

一些珊瑚每天都会沉积明显的骨骼碳酸钙带,并且还表现出季节性模式,因此它们既能记录天数又能记录年数。同样,贻贝在每次低潮时都会沉积生长带,但也会根据月相显示变化,因此它们既能记录低潮次数又能记录月相周期。上面右边的照片显示了蛤蜊Arctica islandica,这是硬骨年代学家最喜欢的物种:贝壳中可以看到生长带。

我们可以使用这些生长模式来对近期的贝壳(以及含有它们的沉积物)进行年代测定,这类似于树木年代学。然而,还有另一种更有趣的方法可以使用这些数据,我们将在本文的剩余部分中讨论。

潮汐制动

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潮汐的摩擦减慢了地球的自转速度:这被称为潮汐制动。这种效应虽然很小,但可以通过天文学家使用的精密时钟测量出来,因此可以从理论上和直接测量上得到证实:目前,这种效应相当于一个世纪内一天变长 2.3 毫秒(有关详细信息,请参见此处)。这听起来可能不多,但它会累积起来:在一亿年的时间里,这将导致一天的长度变化 38 分钟。

这意味着在过去,一天比现在短。由于一年是固定的,这意味着在过去,一年中必须有更多天数:以目前减速的速度为基础,在一亿年前,一年中大约多出十天。

我们应该注意,事实上科学家并没有简单地以线性方式外推目前减速的速度来计算过去的旋转速度,而是根据地球-月球系统的物理学来计算。对于本文而言,没有必要详细介绍这种计算过程。

潮汐制动与硬骨年代学

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这立刻表明了一种对珊瑚和贝壳进行年代测定的方法。以珊瑚为例。正如我所说,它们每天都会沉积一个带,而且它们沉积的方式会显示季节性波动。这意味着通过计算每年沉积的日带数量,我们可以找出它们形成时的年天数。同样,通过观察贻贝,我们可以找出它们生长时每个月相周期有多少次低潮。

因此,通过计算潮汐制动是如何改变一年或一个月相周期中的天数的,我们可以对这些生物进行年代测定:例如,一个显示每年有 375 个日生长带的珊瑚,一定是大约在一亿年前生长的。

该方法的弱点

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一年或一个月相周期中的天数变化非常缓慢,因此我们不能指望硬骨年代学像U-Pb这样的放射性测年方法那样精确。如果一年中一天的变化对应于一千万年的时间,那么这限制了我们能够分辨贝壳或珊瑚年龄的精度。

更重要的是,日长的变化不像放射性同位素的衰变那样可预测。虽然地球总体上存在减速的趋势,但我们知道,它有时也会略微加速,这一点可以通过直接测量得到证实。

从长远来看,潮汐制动的幅度将取决于地球和月球的相互作用。诸如大陆位置和洋中脊的位置等因素将影响潮汐模式,而这些因素随着时间的推移会发生变化,正如我们在讨论板块构造时所看到的。同样,极地冰盖的形成以及随之而来的海平面下降,将根据角动量守恒定律加速地球的自转速度。

由于这些因素,地质学家更倾向于使用放射性测年方法,而不是硬骨年代学,只要有可能,即使放射性测年更加昂贵。然而,这种硬骨年代学技术,即使在实践中很少使用,但也具有明显的理论意义:它作为对放射性测年方法有效性的检验。当我们在泥盆纪时期发现一年中有大约 400 天,而在石炭纪时期发现大约有 390 天(请参见 J. Wells (1963) 珊瑚生长与地质年代学Nature 197(4871), 948-950) 时,这与放射性测年方法对这两个时期的年代测定结果一致。由于珊瑚和贝壳生长的机制与放射性衰变的过程完全无关,因此这提供了一个对放射性测年方法的完全独立的检验。硬骨年代学与放射性测年方法之间的一致性,是让我们对这两者都充满信心的一个很好的理由。

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