二、同位素地质年龄的测定

相对地质年代只表示了地质事件或地层的先后顺序，即使是利用古生物化石组合的方法，也只能了解它们的大致时代。要更确切、更全面地了解地球的发展史，除了知道各种地质事件的先后顺序及大致时代外，必须定量地知道地质事件究竟发生在距今多少年的时候？延续的时间有多长？地质事件的剧烈程度或作用速率怎样？以及地球形成的确切年龄、地球或地壳发展演化的细节等等。所以，以年为单位来测定绝对地质年龄长期以来深受地质学界的重视。

早在19世纪，人们就已开始探索绝对年龄的计算方法。例如，有人曾根据沉积岩的厚度和沉积作用的大致速率来估算地球的年龄；还有人设想海水是由淡变成的，然后根据现代海洋中的总含盐量与流水每年从陆地带入海洋的盐量来估算地球的年龄等等。这些方法显然都是很原始的和不准确的，其结果当然也毫无意义。19世纪末，放射性同位素的发现，为测定岩石的绝对年龄提供了科学方法，这种方法主要是利用放射性同位素的蜕变规律，因此被称为同位素地质年龄测定法。

放射性元素在自然界中自动地放射出α（粒子）、β（电子）或γ（电磁辐射量子）射线，而蜕变成另一种新元素，并且各种放射性元素都有自己恒定的蜕变速度。同位素的衰变速度通常是用半衰期（T1/2）表示的。所谓半衰期，是指母体元素的原子数蜕变一半所需要的时间。例如，镭的半衰期为1622年，如果开始有10g镭，经过1622年后就只剩下5g；再经过1622年仅只有2.5g……依此类推。因此，自然界的矿物和岩石一经形成，其中所含有的放射性同位素就开始以恒定的速度蜕变，这就像天然的时钟一样，记录着它们自身形成的年龄。当知道了某一放射元素的蜕变速度（T1/2）后，那么含有这一元素的矿物晶体自形成以来所经历的时间（t），就可根据这种矿物晶体中所剩下的放射性元素（母体同位素）的总量（N）和蜕变产物（子体同位素）的总量（D）的比例计算出来。其公式如下：

式中λ为蜕变常数，与蜕变速度（T1/2）有关。关系式为λ=0.639/T1/2，通常是在实验室中测定；N、D值可用质谱仪测出。

自然界放射性同位素种类很多，能够用来测定地质年代的必须具备以下条件：

①具有较长的半衰期，那些在几年或几十年内就蜕变殆尽的同位素是不能使用的；

②该同位素在岩石中有足够的含量，可以分离出来并加以测定：

③其子体同位素易于富集并保存下来。

  表4.1  用于测定地质年代的放射性同位素

通常用来测定地质年代的放射性同位素见表4.1所列。从表中可看出，铷—锶法、铀（钍）—铅法（包括3种同位素）主要用以测定较古老岩石的地质年龄；钾—氩法的有效范围大，几乎可以适用于绝大部分地质时间，而且由于钾是常见元素，许多常见矿物中都富含钾，因而使钾—氩法的测定难度降低、精确度提高，所以钾-氩法应用最为广泛；14C法由于其同位素的半衰期短，它一般只适用于5万a以来的年龄测定。另外，近年来开发的钐-钕法和40Ar-39Ar法以其准确度提高、分辨率增强，显示了其优越性，可以用来补充上述方法的一些不足。

同位素测年技术为解决地球和地壳的形成年龄带来了希望。首先，人们着手于对地球表面最古老的岩石进行了年龄测定，获得了地球形成年龄的下限值为40亿a左右，如南美洲圭亚那的古老角闪岩的年龄为（41.30±1.7）亿a、格陵兰的古老片麻岩的年龄为36亿～40亿a、非洲阿扎尼亚的片麻岩的年龄为（38.7±1.1）亿a等等，这些都说明地球的真正年龄应在40亿a以上。其次，人们通过对地球上所发现的各种陨石的年龄测定，惊奇地发现各种陨石（无论是石陨石还是铁陨石，无论它们是何时落到地球上的）都具有相同的年龄，大致在46亿a左右，从太阳系内天体形成的统一性考虑，可以认为地球的年龄应与陨石相同。最后，取自月球表面的岩石的年龄测定，又进一步为地球的年龄提供了佐证，月球上岩石的年龄值一般为31亿～46亿a。综上所述，现在一般认为地球的形成年龄约为46亿a。
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