500億年的尺子

張招崇

我們在地球表面見到的巖石和化石這些東西的年齡，常常是以“億年”為單位的，那它們的“歲數(shù)”到底是怎么測量出來的呢？其實測量方法并不難，我們只需要用一把合適的“尺子”來測量就可以了。經(jīng)科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，自然界中的某些放射性同位素，它們自身變化的計時單位也是億年，比如銣-87，它的半衰期約為500億年。那么，能否就用這500億年的半衰期來幫助我們測量有關(guān)地質(zhì)年代的問題呢？

大自然總是在不自覺地暴露自己的秘密。自從1896年法國物理學(xué)家亨利·貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了某些元素天然具有放射性衰變的現(xiàn)象后，巖石本身便為我們提供了測定絕對年代的可靠依據(jù)。利用放射性元素的衰變，可以測量由幾百年到幾十億年的時間。

目前世界上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了118種元素，絕大多數(shù)元素都有數(shù)量不等的同位素。例如鈾，就有3個同位素：鈾-234、鈾-235和鈾-238（均有放射性）。有些元素的同位素的原子核能夠自發(fā)地放出某種射線，而變成另一種同位素，這種現(xiàn)象叫作放射性衰變，這種同位素就叫作放射性同位素。各種放射性同位素都以自己恒定的速度衰變著，不受溫度、壓力、電磁場和原子核存在形式等物理化學(xué)條件的影響。在衰變過程中，原有的放射性同位素減少到原來的一半所需要的時間叫作半衰期。地殼中的礦物、巖石以及包括人類和各種動植物遺體在內(nèi)的各種化石，從形成之日起，都含有一定量的放射性同位素，并且在不斷地衰變著，由母體同位素變?yōu)樽芋w同位素。隨著時間的增長，母體的數(shù)量越來越少，子體的數(shù)量越來越多，因而母體與子體同位素數(shù)量之間的關(guān)系就反映了這些化石以及含化石地層的絕對年齡。前面提到的銣-87，就是由不穩(wěn)定的銣原子釋放射線和能量，最終衰變成穩(wěn)定的鍶-87元素。

瑞典生物學(xué)家林奈曾經(jīng)說過：“堅硬的巖石不是原始的，而是時間的女兒?！币驗閹r石、化石形成后，它所含的天然放射性同位素的衰變是時間的函數(shù)。當(dāng)然，也不是所有的巖石、化石都能用放射性同位素來測定它們的絕對年齡，只有那些其半衰期可以和地球年齡相比，而且現(xiàn)代的分析技術(shù)能夠精確測定它們的含量和同位素比值的巖石、化石，才能應(yīng)用放射性同位素方法來測定。

一般是用半衰期較長的同位素，如：鉀-氬、銣-鍶、鈾-鉛等來測定較古老的巖石的地質(zhì)年齡；而碳-14半衰期較短，專用于測定最新的地質(zhì)事件（如研究一些活動火山的噴發(fā)歷史）和考古資料。雖然同位素年齡具有一定的誤差，但用于測定無化石的前寒武紀(jì)巖石的年代是非常重要的依據(jù)。

自然界分布著許多碳的同位素，如：碳-12、碳-13，它們都是比較穩(wěn)定的，沒有放射性。還有一種碳-14，它是由宇宙射線穿過大氣層時與空氣中氮的同位素氮-14碰撞后變成的。碳-14是有放射性的，它很容易與大氣中的氧化合變成有放射性的二氧化碳。二氧化碳是植物不可缺少的“糧食”，植物在進(jìn)行光合作用時就吸收了這些碳-14。許多植物都是動物賴以生存的主要食物，因此動物體內(nèi)也會含有碳-14。生物死亡后被埋在地下，原來生物體內(nèi)的碳-14會不斷地衰變。因此，只要我們測定了碳-14的含量，就能算出化石的確切年齡。

舉例來說，如何用銣-鍶來推算地質(zhì)年代呢？需要挑選幾塊有代表性的單礦物，如正長石、黑云母、白云母、角閃石、石榴石等及全巖樣品。通過一系列的化學(xué)處理，將需要的元素分離出來。而后使用質(zhì)譜計或者現(xiàn)在比較流行的電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，測定得到Sr-87和Sr-86的比值，及Rb-87和Sr-86的比值，再經(jīng)過進(jìn)一步的換算就可得到當(dāng)時地質(zhì)活動的時間了。endprint