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歷史地質學/硬骨年代學

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Arctica islandica,硬骨年代學家最喜歡的貝殼。

在本文中,我們將討論硬骨年代學的基礎,這是一種透過分析貝殼和珊瑚的生長模式來對其進行年代測定的方法。

貝殼和珊瑚的生長模式

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當貝殼生物生長時,許多型別以一種規律地反映時間流逝的方式沉積新的生長帶:例如,每天沉積一個生長帶(許多珊瑚都是這樣做的),或者每當低潮時沉積一個生長帶,就像貽貝一樣。

一些珊瑚每天都會沉積明顯的骨骼碳酸鈣帶,並且還表現出季節性模式,因此它們既能記錄天數又能記錄年數。同樣,貽貝在每次低潮時都會沉積生長帶,但也會根據月相顯示變化,因此它們既能記錄低潮次數又能記錄月相週期。上面右邊的照片顯示了蛤蜊Arctica islandica,這是硬骨年代學家最喜歡的物種:貝殼中可以看到生長帶。

我們可以使用這些生長模式來對近期的貝殼(以及含有它們的沉積物)進行年代測定,這類似於樹木年代學。然而,還有另一種更有趣的方法可以使用這些資料,我們將在本文的剩餘部分中討論。

潮汐制動

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潮汐的摩擦減慢了地球的自轉速度:這被稱為潮汐制動。這種效應雖然很小,但可以透過天文學家使用的精密時鐘測量出來,因此可以從理論上和直接測量上得到證實:目前,這種效應相當於一個世紀內一天變長 2.3 毫秒(有關詳細資訊,請參見此處)。這聽起來可能不多,但它會累積起來:在一億年的時間裡,這將導致一天的長度變化 38 分鐘。

這意味著在過去,一天比現在短。由於一年是固定的,這意味著在過去,一年中必須有更多天數:以目前減速的速度為基礎,在一億年前,一年中大約多出十天。

我們應該注意,事實上科學家並沒有簡單地以線性方式外推目前減速的速度來計算過去的旋轉速度,而是根據地球-月球系統的物理學來計算。對於本文而言,沒有必要詳細介紹這種計算過程。

潮汐制動與硬骨年代學

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這立刻表明了一種對珊瑚和貝殼進行年代測定的方法。以珊瑚為例。正如我所說,它們每天都會沉積一個帶,而且它們沉積的方式會顯示季節性波動。這意味著透過計算每年沉積的日帶數量,我們可以找出它們形成時的年天數。同樣,透過觀察貽貝,我們可以找出它們生長時每個月相週期有多少次低潮。

因此,透過計算潮汐制動是如何改變一年或一個月相週期中的天數的,我們可以對這些生物進行年代測定:例如,一個顯示每年有 375 個日生長帶的珊瑚,一定是大約在一億年前生長的。

該方法的弱點

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一年或一個月相週期中的天數變化非常緩慢,因此我們不能指望硬骨年代學像U-Pb這樣的放射性測年方法那樣精確。如果一年中一天的變化對應於一千萬年的時間,那麼這限制了我們能夠分辨貝殼或珊瑚年齡的精度。

更重要的是,日長的變化不像放射性同位素的衰變那樣可預測。雖然地球總體上存在減速的趨勢,但我們知道,它有時也會略微加速,這一點可以透過直接測量得到證實。

從長遠來看,潮汐制動的幅度將取決於地球和月球的相互作用。諸如大陸位置和洋中脊的位置等因素將影響潮汐模式,而這些因素隨著時間的推移會發生變化,正如我們在討論板塊構造時所看到的。同樣,極地冰蓋的形成以及隨之而來的海平面下降,將根據角動量守恆定律加速地球的自轉速度。

由於這些因素,地質學家更傾向於使用放射性測年方法,而不是硬骨年代學,只要有可能,即使放射性測年更加昂貴。然而,這種硬骨年代學技術,即使在實踐中很少使用,但也具有明顯的理論意義:它作為對放射性測年方法有效性的檢驗。當我們在泥盆紀時期發現一年中有大約 400 天,而在石炭紀時期發現大約有 390 天(請參見 J. Wells (1963) 珊瑚生長與地質年代學Nature 197(4871), 948-950) 時,這與放射性測年方法對這兩個時期的年代測定結果一致。由於珊瑚和貝殼生長的機制與放射性衰變的過程完全無關,因此這提供了一個對放射性測年方法的完全獨立的檢驗。硬骨年代學與放射性測年方法之間的一致性,是讓我們對這兩者都充滿信心的一個很好的理由。

古地磁年代學 · 潮汐節律與年代學

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