互动科普

撰文/樊隽轩 叶法丞 冯伟民

结合高精度绝对年龄

此外，我们又如何获知地层的绝对年龄呢？幸好，现代科学技术还可以为我们提供同位素定年的方法。对于火成岩，其绝对年龄实际指的是其所含矿物中放射性同位素“封闭”的年龄。也就是说，从此时起，矿物内的放射性同位素及其衰变产物与外界再无交流。由于沉积岩中的矿物大多来自于更古老的火成岩、变质岩等，因此这些矿物所反映的绝对年龄与沉积岩形成的年龄之间存在较大的差别。理论上，沉积岩的绝对年龄可以用原生矿物如海绿石等得到，铼（Re）锇（Os）法在测定黑色页岩的年龄中也有表现。但总体而言，其可靠性和实用性都不及源自锆石的铀（U）铅（Pb）法。

可是，锆石同样产生于火成岩，如何将其应用到沉积岩的绝对年龄测定上呢？这是因为存在着一些名字奇特的沉积岩，如沉火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩等。没错，火山爆发时，其组分有可能会被沉积到地层中。特别是能够飘散很远的火山灰，可以形成广泛分布的火山灰夹层，这便是对沉积岩来说万分宝贵的绝对年龄素材。火山灰中的锆石几乎成了远古地层绝对年龄的代名词。

锆石有着诸多优点，例如它的晶体在生长时富集铀而排斥铅，这就保证了现存锆石中的铅都是由铀衰变而来，而非晶体形成时保留的。其次，锆石硬度很高，可作为钻石的替代品，熔点也非常高（超过2500℃），这保证了锆石封闭性良好，其中的元素几乎不会与外界交流。最后，铀-铅衰变有两条路径，因此又自带了对封闭性的检验，保证了数据的可靠性。

不过，锆石的高熔点也导致了一个问题，即锆石重新回到岩浆时，有可能不完全熔化，其残留物可能在下一次的岩石形成过程中成为新锆石的结晶核。这一过程能重复多次，从而形成典型的同心环带。

早期的锆石定年，由于质谱仪的限制，需要将整颗锆石溶于氢氟酸中进行测定，这导致测得的年龄实际上是一个平均年龄。现在，随着高分辨率离子探针(SIMS)及激光剥蚀等离子体质谱(LA-ICP-MS)方法的应用，科学家们可以测定和区分锆石晶体中每一个环带的年龄。新方法的引入和技术的进步也大大提高了铀铅法的精度。例如图中的锆石，是于澳大利亚采集到的地球上历史最悠久的矿物，其年龄是44亿年。之所以强调是矿物，是因为地球上至今尚未发现44亿年的岩石保存。这枚锆石是从变质岩中采集的，能很明显地看到同心环带构造，显示了多期的形成过程，而同样明显的证据是其外围深蓝色部分中的圆形物质，那是石英包裹体。此外，最外层的锆石不但有包裹体，而且晶体形状并不规整（他形），与内部晶体形状完好（自型）的锆石区分明显。

通过SIMS技术，科学家们发现其核心部分最古老的年龄是44亿年。而最年轻的年龄呢？34亿年！相差了整整10亿年！毫不意外，后者来自最外层的10～20纳米厚的环带。

图. 地球上迄今发现的最古老的矿物   图/John Valley

向大众揭露铅中毒危害的地质学家克莱尔·帕特森（Clair Patterson），也是成功测量地球年龄的第一人。他便是用锆石铀铅法测定了陨石的年龄，从而推测太阳系和地球的形成年龄。为何他不选用地球上的岩石？因为当时的地球被认为处处是岩浆，根本没有稳定的岩石，更别说能在今天被发现了。帕特森测得的地球年龄大约是45亿年，而上述最古老的地球锆石年龄恰好是44亿年，仅相差1亿年！这不但进一步佐证了45亿年地球年龄的可靠，也说明当时的地球至少冷却到了能形成锆石的温度，环境或许没有前人想象得那么恶劣。

此外，对沉积岩中的碎屑岩，还可以使用碎屑锆石年龄定年方法，也就是测量碎屑岩中碎屑锆石的绝对年龄，然后与可能的物源区的年龄进行对比，从而判断碎屑岩真正的物源区。此外碎屑岩的年龄必然不老于最年轻的碎屑年龄，也就是给其年龄掐定了一个上限。

对地质学研究而言，相对年龄和绝对年龄是我们认识地球和生命历史极其重要的数据，缺一不可。在现代地层学工作中，高精度的相对年龄和绝对年龄联合标定是一个重要的研究趋势。例如，中科院南京地质古生物研究所沈树忠领导的国际团队采用CONOP软件综合了华南18条剖面的1450种海洋化石的延限信息，建立了二叠纪末的海洋生物多样性曲线，并叠加了高精度同位素测年获得的绝对年龄数据，从而识别出地质历史中最大规模的海洋生物灭绝事件——二叠纪末大灭绝发生在2.51941±0.00037亿年和2.51880±0.00031亿年之间的约6万年时间里。在地质时间中这是一个极其短暂的过程，而这一年龄精度也是前所未有的。这一成果发表在著名学术杂志《科学》和《美国国家科学院院刊》上。全新的测年方法和高精度的数据，正在改变我们对地球历史上生命与环境协同演化过程与机制的认识。

（本文发表于《科学世界》2015年第11期）