地学科普：如何测量一块岩石的年龄？

2022-04-13 10:50 来源：地震三点通作者：张招崇编辑：苏世峰

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历史这本厚厚的书是如何被翻阅的？这些岩石和化石的“岁数”到底是怎么测量出来的呢？其实测量方法并不难，我们只需要用一把合适的“尺子”来测量就可以了。

经科学家研究发现，自然界中的某些放射性同位素，它们自身变化的计时单位也是亿年，比如铷-87，它的半衰期约为500亿年。那么，能否就用这500亿年的半衰期来帮助我们测量有关地质年代的问题呢？

答案是：可以！

大自然总是在不自觉地暴露自己的秘密。自从1896年法国物理学家亨利·贝克勒尔发现了某些元素天然具有放射性衰变的现象后，岩石本身便为我们提供了测定绝对年代的可靠依据。利用放射性元素的衰变，可以测量由几百年到几十亿年的时间。

知识链接：

1.放射性元素

放射性元素是一类内部不稳定的元素，它们会自发地由原子核向外发射粒子、射线及能量，最终形成另一种稳定的元素，并失去放射性。典型的放射性元素包括铀、钍、镭等。

2.同位素

自然界中的原子，质子数相同者为同一元素。而质子数相同、中子数不同的同一种元素互为同位素。如氢有三个同位素，为氕、氘、氚，这三者互为同位素。

目前世界上已经发现了118种元素，绝大多数元素都有数量不等的同位素。例如铀，就有3个同位素：铀-234、铀-235和铀-238（均有放射性）。有些元素的同位素的原子核能够自发地放出某种射线，而变成另一种同位素，这种现象叫作放射性衰变，这种同位素就叫作放射性同位素。各种放射性同位素都以自己恒定的速度衰变着，不受温度、压力、电磁场和原子核存在形式等物理化学条件的影响。

在衰变过程中，原有的放射性同位素减少到原来的一半所需要的时间叫作半衰期。地壳中的矿物、岩石以及包括人类和各种动植物遗体在内的各种化石，从形成之日起，都含有一定量的放射性同位素，并且在不断地衰变着，由母体同位素变为子体同位素。

随着时间的增长，母体的数量越来越少，子体的数量越来越多，因而母体与子体同位素数量之间的关系就反映了这些化石以及含化石地层的绝对年龄。前面提到的铷-87，就是由不稳定的铷原子释放射线和能量，最终衰变成稳定的锶-87元素。

瑞典生物学家林奈曾经说过：“坚硬的岩石不是原始的，而是时间的女儿。”因为岩石、化石形成后，它所含的天然放射性同位素的衰变是时间的函数。当然，也不是所有的岩石、化石都能用放射性同位素来测定它们的绝对年龄，只有那些其半衰期可以和地球年龄相比，而且现代的分析技术能够精确测定它们的含量和同位素比值的岩石、化石，才能应用放射性同位素方法来测定。

一般是用半衰期较长的同位素，如：钾-氩、铷-锶、铀-铅等来测定较古老的岩石的地质年龄；而碳-14半衰期较短，专用于测定最新的地质事件（如研究一些活动火山的喷发历史）和考古资料。

自然界分布着许多碳的同位素，如：碳-12、碳-13，它们都是比较稳定的，没有放射性。还有一种碳-14，它是由宇宙射线穿过大气层时与空气中氮的同位素氮-14碰撞后变成的。碳-14是有放射性的，它很容易与大气中的氧化合变成有放射性的二氧化碳。二氧化碳是植物不可缺少的“粮食”，植物在进行光合作用时就吸收了这些碳-14。许多植物都是动物赖以生存的主要食物，因此动物体内也会含有碳-14。生物死亡后被埋在地下，原来生物体内的碳-14会不断地衰变。因此，只要我们测定了碳-14的含量，就能算出化石的确切年龄。

虽然同位素年龄具有一定的误差，但用于测定无化石的前寒武纪岩石的年代是非常重要的依据。

说了这么多，我们来举个例子：如何用铷(Rb)-锶(Sr)来推算地质年代呢？

首先需要挑选几块有代表性的单矿物，如正长石、黑云母、白云母、角闪石、石榴石等及全岩样品；再通过一系列的化学处理，将需要的元素分离出来；而后使用质谱计或者现在比较流行的电感耦合等离子体质谱仪，测定得到Sr-87和Sr-86的比值，及Rb-87和Sr-86的比值，再经过进一步的换算就可得到当时地质活动的时间了。

电感耦合等离子体质谱仪

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