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在学校的课文中,我们可以看到太阳系以及地球的准确年龄,高达45亿年,那么我们是怎么知道地球和太阳系是在45亿年前形成的呢?科学家又是凭什么判断的呢?
地球的古老是毋庸置疑的,我也相信证据是丰富的,并且有些确实是结论性的,实际上最好的证据包含在地球不完整、复杂但准确的地层记录中——这一记录是近两个世纪以来的研究课题。地质学家利用化石从一个地区到另一个地区进行对比,已经能够得出一个相对的世界范围内的岩层构成顺序,并将岩石记录和地质年代划分代、期和世。对地质年代的最后一次修改是在20世纪30年代,那时放射性测年还没有完全发展,渐新世被插入到始新世和中新世之间。
虽然早期地层学家能够确定岩石单位和化石的相对顺序,但他们只能通过观察当今地质过程的速率,并把这些地质过程产生的岩石与地层记录中保存的岩石进行比较,来估计所涉及的时间长度。20世纪40年代末和50年代,随着现代放射性测年方法的发展,第一次不仅可以测量代、期和代的长度,而且可以检查这些地质时间单位的相对顺序。放射性年代测定证实了地层学家和古生物学家确定的相对年代标度是绝对正确的,只有相对年代标度和放射性年代测定方法都正确,才能得到这个结果。
显生宙岩石中丰富多样的化石让地质学家们能够相当详细地解读出过去6亿年左右的地球历史。然而,在前寒武纪岩石中,化石很少,因此,地球历史这一重要部分的地质记录尤其难以破译。尽管如此,前寒武纪岩石的地层学和放射性年代测定已经清楚地表明,地球的历史可以追溯到数十亿年前。放射性年代测定法并不仅仅适用于地质记录中选定的少数岩石。科学文献记载了数以万计的放射性年龄测量数据。这些数据清楚地证明了地球的历史从现在向后延伸到过去至少38亿年。
关于地球的历史,一个特别吸引人的问题是“地球是什么时候开始的?”这个问题的答案是由放射性年代测定法提供的,现在已知的误差只有几个百分点。
有三种基本方法被用来确定地球的年龄。第一项任务是寻找暴露在地球表面的最古老岩石,并确定其年代。这些最古老的岩石是变质岩,它们的历史更早,但现在已经被抹去了,所以以这种方式获得的年龄就是地球的最小年龄。由于地球是作为太阳系的一部分形成的,第二种方法是测定地外物体的年代,即陨石和月球样本。这些样品中有许多不像最古老的地球岩石那样有那么强烈和复杂的历史,它们通常记录的事件更接近或等于行星形成的时间。第三种方法,也是科学家认为能给出地球、其他行星和太阳系最精确年龄的方法,是确定地球、月球和陨石的模型铅年龄。这种方法被认为代表了铅同位素最后一次均匀分布在整个太阳系的时间,从而也代表了行星天体被分离成离散的化学系统的时间。通过这些方法得出的结果表明,地球、陨石、月球以及由此推断的整个太阳系的年龄都在45亿年到46亿年之间。
在简要回顾地球年龄的证据之前,我要强调的是,太阳系和地球的形成不是一个瞬间的事件,而是在一个有限的时间内发生的,是宇宙形成时启动的过程的结果。因此,谈论太阳系和地球的形成间隔比谈论离散的年龄更正确。然而,目前的证据表明,与太阳系形成以来的大约40-50亿年前的时间相比,这些间隔相当短,大约在1-2亿年。因此,用不同方法测量的地球、月球和陨石的年龄代表着略微不同的事件,尽管这些年龄的差异通常很小。
当然,说实话我们不知道这颗行星的确切年龄,比如具体到45亿年的几个月甚至几天。最基本的问题是,地球对岩石进行循环利用,所以放射性衰变并不像看上去那样有效,因为我们找不到原始的岩石。锆石已经被测量过了,但地球的年龄肯定比这要大得多,因为我们知道,至少有一些锆石是在相对较冷的条件下结晶的,而且有水存在。这些水被过热了,仍然处于巨大的压力下,但比其他同年龄的锆石要冷得多。
根据铝的衰变速率,我们估计了冷凝年龄的开始,最早形成的固体是钙铝夹杂物(CAI)。含有这些元素的球粒陨石使我们能够估计当时其他放射性物质的浓度,这反过来表明,CAI形成于恒星基本完成后不久。一种寿命明显更长的同位素给了我们一个钨/铪钟,这是因为当铁熔化时,钨被提取出来,而铪却没有。这是因为每一种元素都有不同的同位素,因此26Al是不稳定的,并衰变为26Mg,但27Al和已知的三种Mg同位素的其他比值让我们可以弄清楚发生了什么。这些不同的同位素让我们形成了一个渐进的“事件日记”,最重要的是,因为在不同类型的固体中有不同的时钟,它们以不同的方式工作,因此存在交叉检查。当然,所有这些都过于简化了,而且在细节上,这是一个有点复杂的过程。
回到最初的原点,地球是由岩石构成的。当岩石形成时,这些岩石就熔化了。许多岩石在冷却时形成锆石晶体。这些晶体是在岩石凝固时与它们所嵌的岩石一起形成的。锆石晶体倾向于排除铅,浓缩钍、铀和其他一些物质,如锆——这种金属是以该晶体命名的。
钍和铀天生具有放射性。它们有半衰期。随着时间的推移,它们会分解成许多产品,最终产生铅。钍花了亿年的时间才使原来的一半钍衰变为铅。铀需要45亿年的时间才有一半衰变成铅。所以当晶体形成的时候晶体中的铅是零的。所以任何铅肯定来自于钍任何铅肯定来自于铀。
而且各种同位素年代测定表明,火星几乎可以肯定是在CAI形成后大约万年前形成的。如果火星能如此迅速地形成,那么地球也不会落后太多。预计地球是在CAI形成后的万年-万年之间形成的,而这是在恒星形成后不到万年的时候形成的。所以我们可以推测太阳系和地球的年龄相差无几,两者都是在45亿年前形成的。