放射性同位素地質年代學導論/第一部分 - 緒論

地質時間

地質時間可以用兩種截然不同的方式來測量：相對年代測定，它涉及將地質事件按順序排列，以及絕對年代測定，它利用放射性衰變來量化自特定地質事件發生以來經過的年數。在評估地質時間時，這兩種從根本上不同的測量地質時間的方式必須協同工作，以揭示對地球過程更全面的理解。

相對年代測定

在放射性測年法發展之前，地質學家沒有可靠的方法來確定地質事件的絕對年齡。相對年代測定法被開發出來是為了將一系列地質事件按順序排列。這種方法提供了大量重要資訊，因為即使在現在的年代學時代，也不可能對每個地質特徵都確定一個絕對年齡。此外，即使在現在的年代學時代，相對年代測定法也是在選擇和理解為年代學目的而收集的樣品的背景和野外關係時的關鍵。

在17世紀中葉，尼古拉斯·斯泰諾觀察到，當河流泛濫時，它會沉積水平的沉積物層並掩埋河流旁生活的動植物。他假設，隨著河流多次氾濫，這將導致一系列水平沉積物，最終會變成沉積岩。這種單個沉積物層的順序排列被稱為疊加定律。

與這些觀察相結合的是，這些層是水平沉積的，說明了原始水平性原理。這意味著，一系列傾斜的岩層最初一定是水平沉積的。斯泰諾還注意到，沉積物層通常橫向延伸，並在其沉積的盆地的邊界附近逐漸變薄。這被稱為側向連續性原理。這三個原理被稱為斯泰諾的三定律，是沉積層序相對年代測定的基礎。

相對年代測定的其他主要原理包括

1. 切割關係
2. 包裹體
3. 生物層序

儘管斯泰諾的三定律對早期地質思想產生了重大影響，但在時間和地質過程速率方面，當時的博物學家繼續依賴烏舍爾年代學，該年代學由烏舍爾提出。地質特徵可以用災變論的概念來解釋，其中地球的物理和生物歷史是一系列災難的結果。直到像詹姆斯·赫頓和查爾斯·萊爾這樣的博物學家認識到許多野外觀察與災變論的概念相矛盾。赫頓觀察到海岸線和溪流和河流中流水對波浪的侵蝕作用，並假設這些沉積物的侵蝕和再沉積可以解釋在不列顛觀察到的地層。赫頓聲稱“沒有使用任何不屬於地球的自然力量，也沒有承認任何除了我們知道其原理的之外的作用……”在其他地方，赫頓被引用說“我們地球的過去歷史必須用現在可以看到的事情來解釋。”這些概念統稱為均變論，並構成了現代地質學的支柱。

絕對年代測定

放射性同位素測年法歷史

在建立斯泰諾三定律之後，量化地質現象的時間和地球年齡的必要性變得明顯。在確定地質事件的時間方面，有幾次早期的嘗試，它們都未能達到預期，但仍然為了解科學進步提供了重要的見解。開爾文勳爵於1862年首次計算出地球的年齡在2000萬到1億年之間，這是基於這樣一個假設，即整個地球在某一時刻完全是熔化的。直到瑪麗·居里發現放射性會產生熱量，並且地球深處的放射性元素可以維持比開爾文勳爵計算得出的時間長得多的高溫，才有人認為地球可能比1億年要古老得多。由歐內斯特·盧瑟福和弗雷德里克·索迪對放射性的持續研究表明，鈾和釷等放射性元素以可預測的順序和可測量的量的時間“蛻變”成其他元素（在鈾和釷的情況下，蛻變為鉛）。這在今天被稱為衰變鏈。根據盧瑟福的建議，伯特拉姆·博爾特伍德首先測量了鉛與鈾的比率，結果範圍從4.1億到22億年。

關於地球年齡，第一個至今仍被廣泛接受的準確估計是由克萊爾·帕特森於1953年提出的。帕特森的論文專案重點是利用放射成因鉛（即由鈾的放射性衰變產生的鉛）來計算隕石的年齡。人們假設隕石和小行星代表了太陽系形成後剩下的物質，並且一直保持相對靜止，因此透過測量隕石的鉛同位素，可以假設地球的年齡與之相當。帕特森發現，來自亞利桑那州魔鬼峽谷、墨西哥新拉雷多和澳大利亞北部亨伯裡的五顆隕石的年齡為45.5±0.07億年。令人驚奇的是，目前對地球年齡的估計仍然在帕特森的第一次計算的不確定性範圍內，為45.4±0.05億年(4.54 × 10⁹ 年 ± 1%)。

21世紀的放射性同位素測年法

過去100年來的放射性同位素年代學見證了我們對核物理學、同位素地球化學、質譜法以及透過雷射燒蝕和離子槍進行的微束取樣等方面的重大發展，所有這些都匯聚在一起，增強了我們約束地質現象的時間和速率的能力。在接下來的部分中，我們將探討質譜法的基本原理，並介紹其在理解地球過程中的應用。