放射性同位素地质年代学导论/第一部分 - 绪论

地质时间

地质时间可以用两种截然不同的方式来测量：相对年代测定，它涉及将地质事件按顺序排列，以及绝对年代测定，它利用放射性衰变来量化自特定地质事件发生以来经过的年数。在评估地质时间时，这两种从根本上不同的测量地质时间的方式必须协同工作，以揭示对地球过程更全面的理解。

相对年代测定

在放射性测年法发展之前，地质学家没有可靠的方法来确定地质事件的绝对年龄。相对年代测定法被开发出来是为了将一系列地质事件按顺序排列。这种方法提供了大量重要信息，因为即使在现在的年代学时代，也不可能对每个地质特征都确定一个绝对年龄。此外，即使在现在的年代学时代，相对年代测定法也是在选择和理解为年代学目的而收集的样品的背景和野外关系时的关键。

在17世纪中叶，尼古拉斯·斯泰诺观察到，当河流泛滥时，它会沉积水平的沉积物层并掩埋河流旁生活的动植物。他假设，随着河流多次泛滥，这将导致一系列水平沉积物，最终会变成沉积岩。这种单个沉积物层的顺序排列被称为叠加定律。

与这些观察相结合的是，这些层是水平沉积的，说明了原始水平性原理。这意味着，一系列倾斜的岩层最初一定是水平沉积的。斯泰诺还注意到，沉积物层通常横向延伸，并在其沉积的盆地的边界附近逐渐变薄。这被称为侧向连续性原理。这三个原理被称为斯泰诺的三定律，是沉积层序相对年代测定的基础。

相对年代测定的其他主要原理包括

1. 切割关系
2. 包裹体
3. 生物层序

尽管斯泰诺的三定律对早期地质思想产生了重大影响，但在时间和地质过程速率方面，当时的博物学家继续依赖乌舍尔年代学，该年代学由乌舍尔提出。地质特征可以用灾变论的概念来解释，其中地球的物理和生物历史是一系列灾难的结果。直到像詹姆斯·赫顿和查尔斯·莱尔这样的博物学家认识到许多野外观察与灾变论的概念相矛盾。赫顿观察到海岸线和溪流和河流中流水对波浪的侵蚀作用，并假设这些沉积物的侵蚀和再沉积可以解释在不列颠观察到的地层。赫顿声称“没有使用任何不属于地球的自然力量，也没有承认任何除了我们知道其原理的之外的作用……”在其他地方，赫顿被引用说“我们地球的过去历史必须用现在可以看到的事情来解释。”这些概念统称为均变论，并构成了现代地质学的支柱。

绝对年代测定

放射性同位素测年法历史

在建立斯泰诺三定律之后，量化地质现象的时间和地球年龄的必要性变得明显。在确定地质事件的时间方面，有几次早期的尝试，它们都未能达到预期，但仍然为了解科学进步提供了重要的见解。开尔文勋爵于1862年首次计算出地球的年龄在2000万到1亿年之间，这是基于这样一个假设，即整个地球在某一时刻完全是熔化的。直到玛丽·居里发现放射性会产生热量，并且地球深处的放射性元素可以维持比开尔文勋爵计算得出的时间长得多的高温，才有人认为地球可能比1亿年要古老得多。由欧内斯特·卢瑟福和弗雷德里克·索迪对放射性的持续研究表明，铀和钍等放射性元素以可预测的顺序和可测量的量的时间“蜕变”成其他元素（在铀和钍的情况下，蜕变为铅）。这在今天被称为衰变链。根据卢瑟福的建议，伯特拉姆·博尔特伍德首先测量了铅与铀的比率，结果范围从4.1亿到22亿年。

关于地球年龄，第一个至今仍被广泛接受的准确估计是由克莱尔·帕特森于1953年提出的。帕特森的论文项目重点是利用放射成因铅（即由铀的放射性衰变产生的铅）来计算陨石的年龄。人们假设陨石和小行星代表了太阳系形成后剩下的物质，并且一直保持相对静止，因此通过测量陨石的铅同位素，可以假设地球的年龄与之相当。帕特森发现，来自亚利桑那州魔鬼峡谷、墨西哥新拉雷多和澳大利亚北部亨伯里的五颗陨石的年龄为45.5±0.07亿年。令人惊奇的是，目前对地球年龄的估计仍然在帕特森的第一次计算的不确定性范围内，为45.4±0.05亿年(4.54 × 10⁹ 年 ± 1%)。

21世纪的放射性同位素测年法

过去100年来的放射性同位素年代学见证了我们对核物理学、同位素地球化学、质谱法以及通过激光烧蚀和离子枪进行的微束采样等方面的重大发展，所有这些都汇聚在一起，增强了我们约束地质现象的时间和速率的能力。在接下来的部分中，我们将探讨质谱法的基本原理，并介绍其在理解地球过程中的应用。