500億年的尺子

張招崇

我們在地球表面見到的巖石和化石這些東西的年齡，常常是以“億年”為單位的，那它們的“歲數”到底是怎么測量出來的呢？其實測量方法并不難，我們只需要用一把合適的“尺子”來測量就可以了。經科學家研究發現，自然界中的某些放射性同位素，它們自身變化的計時單位也是億年，比如銣-87，它的半衰期約為500億年。那么，能否就用這500億年的半衰期來幫助我們測量有關地質年代的問題呢？

大自然總是在不自覺地暴露自己的秘密。自從1896年法國物理學家亨利·貝克勒爾發現了某些元素天然具有放射性衰變的現象后，巖石本身便為我們提供了測定絕對年代的可靠依據。利用放射性元素的衰變，可以測量由幾百年到幾十億年的時間。

目前世界上已經發現了118種元素，絕大多數元素都有數量不等的同位素。例如鈾，就有3個同位素：鈾-234、鈾-235和鈾-238（均有放射性）。有些元素的同位素的原子核能夠自發地放出某種射線，而變成另一種同位素，這種現象叫作放射性衰變，這種同位素就叫作放射性同位素。各種放射性同位素都以自己恒定的速度衰變著，不受溫度、壓力、電磁場和原子核存在形式等物理化學條件的影響。在衰變過程中，原有的放射性同位素減少到原來的一半所需要的時間叫作半衰期。地殼中的礦物、巖石以及包括人類和各種動植物遺體在內的各種化石，從形成之日起，都含有一定量的放射性同位素，并且在不斷地衰變著，由母體同位素變為子體同位素。隨著時間的增長，母體的數量越來越少，子體的數量越來越多，因而母體與子體同位素數量之間的關系就反映了這些化石以及含化石地層的絕對年齡。前面提到的銣-87，就是由不穩定的銣原子釋放射線和能量，最終衰變成穩定的鍶-87元素。

瑞典生物學家林奈曾經說過：“堅硬的巖石不是原始的，而是時間的女兒。”因為巖石、化石形成后，它所含的天然放射性同位素的衰變是時間的函數。當然，也不是所有的巖石、化石都能用放射性同位素來測定它們的絕對年齡，只有那些其半衰期可以和地球年齡相比，而且現代的分析技術能夠精確測定它們的含量和同位素比值的巖石、化石，才能應用放射性同位素方法來測定。

一般是用半衰期較長的同位素，如：鉀-氬、銣-鍶、鈾-鉛等來測定較古老的巖石的地質年齡；而碳-14半衰期較短，專用于測定最新的地質事件（如研究一些活動火山的噴發歷史）和考古資料。雖然同位素年齡具有一定的誤差，但用于測定無化石的前寒武紀巖石的年代是非常重要的依據。

自然界分布著許多碳的同位素，如：碳-12、碳-13，它們都是比較穩定的，沒有放射性。還有一種碳-14，它是由宇宙射線穿過大氣層時與空氣中氮的同位素氮-14碰撞后變成的。碳-14是有放射性的，它很容易與大氣中的氧化合變成有放射性的二氧化碳。二氧化碳是植物不可缺少的“糧食”，植物在進行光合作用時就吸收了這些碳-14。許多植物都是動物賴以生存的主要食物，因此動物體內也會含有碳-14。生物死亡后被埋在地下，原來生物體內的碳-14會不斷地衰變。因此，只要我們測定了碳-14的含量，就能算出化石的確切年齡。

舉例來說，如何用銣-鍶來推算地質年代呢？需要挑選幾塊有代表性的單礦物，如正長石、黑云母、白云母、角閃石、石榴石等及全巖樣品。通過一系列的化學處理，將需要的元素分離出來。而后使用質譜計或者現在比較流行的電感耦合等離子體質譜儀，測定得到Sr-87和Sr-86的比值，及Rb-87和Sr-86的比值，再經過進一步的換算就可得到當時地質活動的時間了。endprint