地球萬(wàn)卷書(shū)中的書(shū)簽
——淺談火山灰U-Pb測(cè)年

申博恒

在地球45億年的歷史中，沉積地層如同一本萬(wàn)卷書(shū)忠實(shí)地記錄了地球自誕生以來(lái)的故事：化石記錄自深向淺的變化能給我們講述生命從古至今演化的故事；煤炭、鋁土礦、石膏等氣候敏感沉積物自深向淺的分布則帶給我們氣候從古至今變化的故事。

沉積地層萬(wàn)卷書(shū)里的故事固然精彩，可是這本書(shū)沒(méi)有頁(yè)碼。根據(jù)書(shū)里的化石內(nèi)容我們可以大致猜測(cè)章節(jié)之間誰(shuí)先誰(shuí)后，但對(duì)特定的某個(gè)故事位于哪一頁(yè)卻無(wú)能無(wú)力。好在天無(wú)絕人之路，大自然在誕生萬(wàn)卷書(shū)的同時(shí)也在書(shū)中留下了一個(gè)個(gè)書(shū)簽，這些書(shū)簽上記錄著書(shū)的頁(yè)碼。有了這些書(shū)簽，我們?cè)谧x萬(wàn)卷書(shū)的時(shí)候就有了非常清晰的時(shí)間線，最終能抓住地質(zhì)歷史脈絡(luò)，一一品讀故事。而這些書(shū)簽正是沉積地層中的火山灰層。

火山灰層（Wu et al.，2020）

火山爆發(fā)產(chǎn)生的火山灰通常持續(xù)數(shù)小時(shí)至數(shù)天，部分可能持續(xù)數(shù)周至數(shù)月之后才沉降下來(lái)并在水體中沉積。即便是火山灰中粒徑極小的顆粒在大氣中的滯留時(shí)間最長(zhǎng)也不會(huì)超過(guò)3年。這對(duì)以百萬(wàn)年為基本單位的地質(zhì)歷史來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)直可以忽略不計(jì)。所以在地質(zhì)歷史過(guò)程中可以認(rèn)為火山灰的噴發(fā)、搬運(yùn)和沉積過(guò)程是瞬時(shí)的。

火山灰含有很多鋯石，這些小小的鋯石顆粒記錄了萬(wàn)卷書(shū)的頁(yè)碼。小小的鋯石為何如此神奇呢？這就要從鋯石中含有的化學(xué)元素說(shuō)起了。

鋯石中含有的U和Th都是錒系中的放射性元素，在自然界礦物中主要以正四價(jià)的價(jià)態(tài)存在。其中U有三種天然存在的同位素，分別是238U、235U和234U。而Th僅有一種放射性同位素232Th。Pb有四種天然存在的同位素，它們均為穩(wěn)定同位素，其中206Pb、207Pb和208Pb分別由238U、235U和232Th衰變產(chǎn)生，204Pb與放射性衰變無(wú)關(guān)。

放射性同位素母體的原子數(shù)（N）和衰變產(chǎn)生的子體原子數(shù)（D）具有如下數(shù)學(xué)關(guān)系：

式中D0為子體同位素初始含量，λ為衰變常數(shù)，t為衰變時(shí)間。

238U和206Pb、235U和207Pb、232Th和208Pb之間的原子數(shù)都遵循上述關(guān)系。而204Pb由于沒(méi)有放射性來(lái)源，其含量保持不變。

D和D0的測(cè)量并不容易而且也沒(méi)有必要。這是因?yàn)樵诘厍蚧瘜W(xué)研究中使用廣泛的同位素質(zhì)譜測(cè)量只能測(cè)量不同元素含量之間的比值而不是絕對(duì)值。所以我們?nèi)绾尾拍艿玫缴鲜龊怂睾康谋戎?？其?shí)很簡(jiǎn)單，因?yàn)?04Pb含量始終保持不變，所以我們只需要對(duì)式（1）兩邊都除以穩(wěn)定同位素204Pb的含量就可以得到Pb的三種放射性同位素與204Pb的比值了，最后得到公式（2）-（4）：

式中λ238、λ235和λ232分別為238U、235U和232Th的衰變常數(shù)，t為礦物結(jié)晶后元素在封閉體系中衰變的時(shí)間。所以有了式子（2）（3）（4）,我們就可以得到三個(gè)年齡了。這三個(gè)頁(yè)碼有什么不一樣呢？這就需要我們回到前面來(lái)介紹下鋯石的性質(zhì)了。

鋯石（ZrSO4）是巖石中很常見(jiàn)的礦物，在中-酸性巖漿巖中尤為常見(jiàn)。其中Zr4+的離子半徑（0.87?）與U4+（1.05?）和Th4+（1.10?）非常接近，且價(jià)態(tài)相同，在鋯石結(jié)晶的過(guò)程中少量的Zr4+可以被U4+和Th4+替代。而Zr4+的價(jià)態(tài)和離子半徑與Pb2+（1.32?）明顯不同，繼而導(dǎo)致在鋯石結(jié)晶過(guò)程中U和Pb含量變化產(chǎn)生極大的差異，因此鋯石結(jié)晶初期Pb同位素比值幾乎為0。

所以回到前面，式子（2）和式子（3）又可以改寫了：

簡(jiǎn)化下得到：

鋯石具有較高的穩(wěn)定性，900℃以上的溫度才能使鋯石發(fā)生重結(jié)晶化或者蛻晶化，從而打破鋯石內(nèi)部的同位素體系，造成Pb同位素的丟失和擴(kuò)散，繼而導(dǎo)致年齡誤差。顯然封閉同位素體系的鋯石年齡更為可靠，年齡和年齡可以相互檢驗(yàn)鋯石體系是否封閉。如果鋯石體系保持封閉，這兩個(gè)年齡應(yīng)當(dāng)一致(諧和年齡),并落在諧和曲線上，這兩個(gè)頁(yè)碼一樣，也就是說(shuō)這個(gè)年齡很可靠；如果鋯石發(fā)生了一次鉛丟失，數(shù)據(jù)點(diǎn)可能會(huì)沿著不一致曲線分布，我們就需要重新審視這個(gè)結(jié)果了（見(jiàn)下圖）。

雖然“頁(yè)碼”很容易保存，但“書(shū)簽”相對(duì)而言卻比較脆弱。這是因?yàn)榛鹕交以趪姲l(fā)后會(huì)沉降在不同的環(huán)境下，而后在沉積和成巖作用中也會(huì)因?yàn)槲锘瘲l件的差異而蝕變成不同的產(chǎn)物。海洋、湖泊和三角洲（水下部分）等環(huán)境水體pH呈中性-堿性，火山灰經(jīng)過(guò)水解會(huì)蝕變?yōu)楦缓晾蛘咭晾?蒙脫石混層的鉀質(zhì)斑脫巖（K-tonstein，見(jiàn)74頁(yè)上圖）；河流、泥炭沼澤、濱岸等環(huán)境水體pH呈酸性，火山灰會(huì)蝕變成為富含高嶺石的高嶺巖（tonstein，見(jiàn)74頁(yè)下圖）。和正常的“書(shū)簽”相比，這些遭到破壞的“書(shū)簽”外觀差異不小。因此在野外地質(zhì)工作中，如何能識(shí)別這些“書(shū)簽”是一個(gè)很重要的問(wèn)題。而能得到正確“頁(yè)碼”、保存完好的“書(shū)簽”更是難得，需要地質(zhì)學(xué)家歷經(jīng)艱辛。

U-Pb一致曲線和不一致曲線（吳瓊， 2017， 2020）

鉀質(zhì)斑脫巖（王偉等，2020）

高嶺巖（Erkoyun et al.，2019）

顯然只要地層中有了一層或者更多的火山灰層，我們就可以得到更多的年齡，根據(jù)地層里的化石（事物）和事件層（事件）等與火山灰層的位置關(guān)系，就可以定量地比較地層里不同事物產(chǎn)生和事件發(fā)生的先后了。地球歷史里的故事也因?yàn)橛辛司_的時(shí)間線而變得更加清晰明了。

我國(guó)在地質(zhì)歷史時(shí)期由于森林密布，成煤條件優(yōu)異，因而蘊(yùn)含豐富的煤炭資源。但我國(guó)最早的森林出現(xiàn)在何時(shí)仍是個(gè)問(wèn)題。直到最近，火山灰U-Pb測(cè)年解答了這個(gè)問(wèn)題：中國(guó)已知最早森林出現(xiàn)在約3億7150萬(wàn)年前。研究人員在中國(guó)新疆塔城西準(zhǔn)噶爾地區(qū)中—晚泥盆世的朱魯木特組地層剖面進(jìn)行古生物學(xué)研究的同時(shí)也進(jìn)行火山灰測(cè)年工作。朱魯木特植物群包含有晚泥盆世森林中石松類（Lycopsida）、古羊齒類（A rchaeopter idales）和枝蕨類（Cladoxylopsida）等典型的樹(shù)型植物化石，反映了晚泥盆世的森林面貌。而從朱魯木特組化石層中得到的火山灰U-Pb年齡為371.5±0.9Ma，精確的年齡很好確定了我國(guó)已知最早森林的出現(xiàn)時(shí)代（見(jiàn)75頁(yè)圖）。

新疆塔城西準(zhǔn)噶爾地區(qū)中-晚泥盆世植物群面貌變化及地質(zhì)年代（Zheng et al.，2020）

在地球步入顯生宙（最近5億4000萬(wàn)年）以來(lái)一共發(fā)生5次生命大滅絕，其中發(fā)生在約4億4千萬(wàn)年前的奧陶紀(jì)末生命大滅絕是第一次也是滅絕物種規(guī)模位居第二的生命大滅絕。雖然公認(rèn)奧陶紀(jì)末大滅絕與當(dāng)時(shí)的全球性冰川有關(guān)系，但由于缺乏地質(zhì)年齡的約束，仍有學(xué)者懷疑奧陶紀(jì)末全球性冰川活動(dòng)是否就是導(dǎo)致生命大滅絕的罪魁禍?zhǔn)?。而研究人員在云南萬(wàn)和一個(gè)完好的奧陶系-志留系界線剖面的斑脫巖層得到了4個(gè)高精度年齡：444.65±0.22Ma（Dicellograptus complexus筆石帶中部），444.06±0.20Ma（Paraorthograptus pacificus筆石帶下部），443.81±0.24Ma（Tangyagraptus typicus筆石亞帶上部）和442.99±0.17Ma（Metabolograptus extraordinarius筆石帶上部）。根據(jù)這些年齡，在沉積學(xué)得到沉積速率的基礎(chǔ)上可以計(jì)算出赫南特階頂界（即奧陶系-志留系界線）（442.67±0.24Ma）和底界（443.14±0.24Ma），D. mirus筆石亞帶底界（443.41±0.24Ma），T. typicus筆石亞帶底界（444.17±0.28Ma），P. pacificus筆石帶底界（444.38±0.31Ma）和D. complexus筆石帶底界（444.84±0.31Ma）年齡。這些年齡揭示晚奧陶世赫南特階的時(shí)間跨度為0.47±0.34Ma，赫南特盛冰期（Hirnantian glacial maximum）的持續(xù)時(shí)間為約0.2Ma。這些年齡足以說(shuō)明如此迅速的全球性冰川作用使全球海平面驟降100到150m甚至更多，使以底棲生物為代表的絕大部分海洋生物來(lái)不及逃生就慘遭滅頂之災(zāi)（注：Ma代表百萬(wàn)年）。

地球漫漫45億年歷程中發(fā)生的地質(zhì)事件不計(jì)其數(shù)，上述兩件有地質(zhì)年齡約束的事件只是滄海一粟，更多事件的時(shí)間線索仍然需要我們?nèi)ネ诰??；鹕交襏-Pb測(cè)年無(wú)疑是個(gè)很好的工具，有了這個(gè)工具，經(jīng)過(guò)數(shù)代人持之不懈的努力，地球故事的脈絡(luò)終會(huì)為我們所知！