高中地球科學/岩石絕對年齡
正如我們在上一課中學到的那樣，索引化石和地層疊置是確定物體相對年齡的有效方法。換句話說，你可以使用地層疊置來告訴你一個岩層比另一個岩層更老。但是確定一種物質的**絕對年齡**（它的年齡以年為單位）則是一個更大的挑戰。為了做到這一點，科學家使用各種證據，從樹木年輪到岩石中放射性物質的含量。
- 定義絕對年齡和相對年齡之間的區別。
- 描述四種絕對測年的方法。
- 解釋什麼是放射性，並舉出放射性衰變的例子。
- 解釋放射性物質的衰變如何幫助確定物體的年齡。
- 估計物體的年齡，給出半衰期和放射性物質和子物質的量。
- 給出四個用於測年放射性物質的例子，並解釋它們是如何使用的。
在熱帶地區以外的地區，樹木在溫暖的夏季比在寒冷的冬季生長得更快。這種生長模式導致了淺色、低密度“早材”和深色、高密度“晚材”交替出現。每條深色帶代表一個冬季；透過計數年輪，可以找到樹木的年齡（圖 11.22）。一系列生長輪的寬度可以提供過去氣候和各種干擾（如森林火災）的線索。乾旱和其他氣候變化導致樹木生長速度比正常速度慢或快，這反映在樹木年輪的寬度上。這些樹木年輪的變化將出現在某個地區的所有樹木中，因此科學家可以將活樹和死樹的生長輪進行匹配。使用從舊建築和古代遺蹟中回收的木材，科學家已經能夠比較樹木年輪，從而創造出過去 2000 年的連續樹木年輪記錄。這種樹木年輪記錄已被證明對建立氣候變化記錄和尋找古代結構的年齡非常有用。
其他一些過程導致了明顯年層的積累，這些年層可用於測年。例如，冰川內部形成層狀結構，因為夏季降雪量往往較少，使得一層深色的塵埃可以在冬季降雪的頂部積聚（圖 11.23）。為了研究這些模式，科學家會鑽入冰蓋深處，獲取長達數百米的冰芯。科學家分析這些冰芯以確定氣候隨時間的變化，以及測量大氣氣體的濃度。最長的冰芯有助於形成極地氣候的記錄，可以追溯到數十萬年以前。
另一個年層例子是湖泊中沉積物的沉積，特別是位於冰川末端的湖泊。夏季冰川快速融化會導致沉積物中出現厚厚的沙層。這些厚層與冬季沉積的薄而富含粘土的層交替出現。由此形成的層稱為**紋泥**，為科學家提供了過去氣候條件的線索。例如，特別溫暖的夏季可能會導致融化的冰川沉積一層非常厚的沉積物。較薄的紋泥表明夏季較冷，因為冰川融化和攜帶到湖泊中的沉積物較少。
雖然樹木年輪和其他年層對於測定相對較近的事件很有用，但在漫長的地質時間尺度上，它們並沒有多大用處。在 18 世紀和 19 世紀，地質學家試圖用間接技術來估計地球的年齡。例如，地質學家測量了河流沉積沉積物的速度，以試圖計算河流的存在時間。不出所料，這些方法導致了截然不同的估計，從幾百萬年到“萬億年”。這些估計中可能最可靠的是英國地質學家查爾斯·萊伊爾提出的，他估計從第一個帶殼動物出現到現在已經過去了 2.4 億年。今天，科學家們知道他的估計太年輕了；我們知道這件事發生在大約 5.3 億年前。
1892 年，威廉·湯姆森（後來被稱為開爾文勳爵）系統地計算了地球的年齡（圖 11.24）。他假設地球最初是一個熔化的岩石球，隨著時間的推移逐漸冷卻。從這些假設出發，他計算出地球的年齡為 1 億年。這個估計對地質學家和查爾斯·達爾文進化論的支持者來說是一個打擊，因為進化論需要一個更古老的地球來為進化提供時間。
然而，湯姆森的計算很快就被 1896 年發現的放射性所證偽。**放射性**是指某些原子衰變成更輕的原子的趨勢，在這個過程中釋放能量。地球內部的放射性物質提供了穩定的熱源。使用放射性衰變計算地球年齡表明地球實際上比湯姆森計算的要古老得多。
放射性物質的發現不僅證偽了湯姆森對地球年齡的估計，它還提供了一種尋找岩石絕對年齡的方法。要理解這是如何做到的，有必要回顧一些關於原子的事實。
原子包含三種粒子：質子、中子和電子。質子和中子位於原子核中，而電子繞著原子核執行。質子的數量決定了你正在檢查的元素。例如，所有碳原子都有 6 個質子，所有氧原子都有 8 個質子，所有金原子都有 79 個質子。然而，中子的數量是可變的。一種元素的中子數量不同的原子是該元素的**同位素**。例如，碳-12 同位素的原子核中包含 6 箇中子，而碳-13 同位素的原子核中包含 7 箇中子。
一些同位素是**放射性**的，這意味著它們不穩定，很可能會衰變。這意味著原子會自發地從不穩定形式轉變為穩定形式。在地質學家如何測年岩石中，有兩種核衰變形式是相關的（表（11.1））
| 粒子 | 組成 | 對原子核的影響 |
|---|---|---|
| α粒子 | 2 個質子，2 箇中子 | 原子核包含少 2 個質子和少 2 箇中子。 |
| β粒子 | 1 個電子 | 一箇中子衰變成一個質子和一個電子，該電子被髮射出去。 |
如果一種元素透過失去α粒子而衰變，它將失去 2 個質子和 2 箇中子。如果一個原子透過失去β粒子而衰變，它將失去一個電子。
那麼這與地球的年齡有什麼關係呢？放射性衰變最終會導致穩定的**子體產物**的形成。放射性物質以已知的速率衰變。隨著時間的推移，放射性同位素的比例會下降，子體同位素的比例會上升。一塊放射性同位素比例相對較高的岩石可能非常年輕，而一塊子體產物比例較高的岩石可能非常古老。
科學家用一個稱為**半衰期**的單位來測量放射性衰變的速率。放射性物質的半衰期是指平均而言，一半原子衰變所需的時間。例如，想象一種半衰期為一年的放射性物質。當岩石形成時，它包含一定數量的放射性原子。一年（一個半衰期）後，一半的放射性原子已衰變形成穩定的子體產物，剩下 50% 的放射性原子。再過一年（兩個半衰期），剩下的放射性原子中的一半已經衰變，只剩下 25% 的放射性原子。在第三年（三個半衰期）之後，剩下 12.5% 的放射性原子。在四年（四個半衰期）之後，剩下 6.25% 的放射性原子，在五年（五個半衰期）之後，只剩下 3.125% 的放射性原子。
如果你發現一塊岩石，其放射性物質的半衰期為一年，測得 3.125% 的放射性原子和 96.875% 的子體原子，那麼你可以認為該物質已有 5 年曆史。放射性物質的衰變可以用圖表（圖 11.25）來表示。如果你發現一塊岩石，其中 75% 的放射性原子仍然存在，那麼它大約有多老？
在**放射性年代測定**的過程中，使用幾種同位素來測定岩石和其他材料的年代。使用幾種不同的同位素可以幫助科學家檢查他們計算出的年齡的準確性。
地球大氣層包含三種碳同位素。碳-12 穩定，佔大氣碳的 98.9%。碳-13 也是穩定的，佔大氣碳的 1.1%。碳-14 是放射性的，含量微量。當宇宙射線與氮原子相互作用時，大氣中自然產生碳-14。在任何特定時間，大氣中產生的碳-14 量在時間上是相對穩定的。
放射性碳-14 透過釋放一個β粒子衰變為穩定的氮-14。氮原子會散逸到大氣中，但可以透過測量放射性碳-14 與穩定碳-12 的比例來估計碳-14 衰變的量。隨著物質年齡的增長，碳-14 的相對含量會降低。
植物在光合作用過程中從大氣中吸收碳。動物在食用植物或其他吃過植物的動物時，會攝入這種碳。因此，碳-14 定年法可以用來確定植物和動物遺骸的年代。例如，舊建築的木材、骨骼或火坑的灰燼。碳定年法可以有效地用來確定 100 到 50,000 年之間的物質的年代。
鉀-40 衰變為氬-40，半衰期為 12.6 億年。由於氬氣是一種氣體，它可以從熔化的岩漿或熔岩中逸出。因此，在晶體中發現的任何氬氣很可能是鉀-40 衰變的結果。測量鉀-40 與氬-40 的比率可以很好地估計樣品的年齡。
鉀是許多礦物質（如長石、雲母和角閃石）中常見的一種元素。這種技術可以用來測定從 10 萬年到 10 億年以上火成岩的年齡。由於它可以用來測定地質年代較年輕的物質的年齡，因此該技術在估計含有人類祖先骨骼的沉積物的年齡方面非常有用。
鈾的兩種同位素用於放射性年代測定。鈾-238 衰變形成鉛-206，半衰期為 44.7 億年。鈾-235 衰變形成鉛-207，半衰期為 7.04 億年。
鈾-鉛定年法通常對鋯石（圖 11.26）礦物晶體進行。當鋯石在火成岩中形成時，晶體很容易接受鈾原子，但拒絕鉛原子。因此，如果在鋯石晶體中發現了任何鉛，可以認為它是鈾衰變產生的。
鈾-鉛定年法可以用來測定從 100 萬年到 45 億年前火成岩的年代。地球上一些最古老的岩石是使用這種方法測定的，包括來自澳大利亞的 44 億年前的鋯石晶體。
放射性年代測定只能用於含有可測量的放射性物質及其子體產物的材料。這包括有機遺骸（與岩石相比，有機遺骸相對年輕，不到 10 萬年）和更古老的岩石。理想情況下，將使用幾種不同的放射性年代測定技術來測定同一塊岩石的年代。這些值之間的一致性表明計算出的年齡是準確的。
總的來說，放射性年代測定最適合火成岩，對確定沉積岩的年齡並不十分有用。為了估計沉積岩層的年代，地質學家會尋找附近或夾層的火成岩，這些火成岩可以進行年代測定。例如，如果一層沉積岩夾在兩層火山灰之間，那麼它的年齡就在兩層火山灰的年齡之間。
使用放射性年代測定、標準化石和疊覆原理的組合，地質學家構建了一條清晰的地球歷史時間表。例如，上覆的熔岩流可以對某一地點沉積岩層的年齡進行可靠的估計。該地層中包含的標準化石可以與不同地點的化石進行匹配，從而為新的岩石地層提供一個良好的年齡測量值。隨著這種過程在世界各地不斷重複，我們對岩石和化石年齡的估計變得越來越準確。
疊覆原理和標準化石等技術可以告訴你物體的相對年齡，哪個物體更老，哪個物體更年輕。要確定物體以年為單位的絕對年齡，需要其他型別的證據。地質學家使用各種技術來確定絕對年齡，包括放射性年代測定、樹木年輪、冰芯和稱為紋泥的年沉積物。
放射性年代測定是這些技術中最有用的——它是唯一能夠確定幾千年以上的物體年齡的技術。幾種放射性同位素（碳-14、鉀-40、鈾-235 和 -238）及其子體產物的濃度被用來確定岩石和有機遺骸的年齡。
- 確定物體或事件的絕對年齡使用哪四種技術？
- 一種放射性物質的半衰期為 500 萬年。如果一塊岩石中還剩下 25% 的原始放射性原子，那麼這塊岩石的年齡是多少？
- 一位科學家正在研究一塊來自古代墓地的布料。她確定布料中還剩下 40% 的原始碳-14 原子。根據碳衰變圖（圖 11.27），布料的近似年齡是多少？
圖 11.27：碳-14 的放射性衰變。 - 你會使用哪種或哪些放射性同位素來測定以下物體的年代？解釋你的每一個選擇。
- 一塊 40 億年的花崗岩。
- 一層 100 萬年的火山灰層，其中包含人類祖先的腳印。
- 最近在冰川中發現的凍結的猛獁象毛。
- 一塊從大約 5 億年前的砂岩層中發現的三葉蟲化石。
- 均變論原則指出，現在是過去的鑰匙。換句話說，我們今天看到的正在發生的過程，很可能在過去以類似的方式發揮作用。為什麼假設放射性衰變速率在時間上保持不變很重要？
- 絕對年齡
- 一個物體以年為單位的年齡。
- α粒子
- 由兩個質子和兩個中子組成的粒子，在放射性衰變過程中從原子核中射出。
- β粒子
- 由單個電子組成的粒子，在放射性衰變過程中從原子核中射出。β粒子是在中子衰變成質子和發射電子時產生的。
- 子產物
- 由放射性物質衰變產生的穩定物質。例如，鈾-238 衰變產生鉛-207。
- 半衰期
- 放射性物質的一半原子衰變並形成子產物所需的時間。
- 冰芯
- 從冰川或冰蓋中提取的冰柱。
- 放射性
- 不穩定且可能發射高能粒子或輻射的物質。
- 放射性
- 某些不穩定原子發射高能粒子或輻射。
- 放射性測年
- 使用放射性物質和子產物的濃度來估計材料年齡的過程。隨著物質老化，放射性原子數量減少，而子產物數量增加。
- 樹木年輪
- 樹木中一年形成的一層木材。你可以透過數樹木的年輪來確定樹木的年齡。
- 紋泥
- 一年內沉積在湖底的薄層沉積物，通常出現在冰川湖的底部。
- 為什麼像樹木年輪、冰芯和紋泥這樣的技術只適用於過去幾千年的事件？
- 為什麼對達爾文及其追隨者來說，證明地球非常古老是如此重要？
- 為什麼使用多種方法來確定岩石或其他物體的年齡很重要？