文/胡月
人们见面寒喧,总忘不了相互关注对方的年龄、什么地方人等问题。那么,对于我们居住生活的地球家园,您知道“她”的芳龄多大吗?“她”是如何形成的?我们依赖的大气、土壤、水、矿藏是如何形成的,来自何处……这些问题,地球科学家,尤其是地球化学家利用元素周期表中一些具有放射性的原子核衰变规律性,通过分析陨石、地球上的岩石、有关的矿物就能科学地回答。
什么是同位素地质年代学?简而言之,就是利用具放射性的原子核通过衰变作用随着时间其数量变少,而变为另一种不具放射性的稳定原子核的过程中,母体量的减少、子体量的增加正好反映了一个体系所经历的时间。具放射性的原子核称之为母体,由放射衰变产生的原子核称之为子体。正如我们在运动中利用钟表来计时一样,短距离运动,我们要用非常精确的计时器,精确到零点几毫秒,而马拉松运动我们计时精确到秒即可。
地球科学中的放射性衰变母体-子体体系也一样,一些衰变非常快,一些衰变很慢,因此地球化学家利用不同母体-子体体系可了解地球上新近发生的、古老时间发生的事件时间序列,宇宙起源的时间。
如百年尺度以内,可以利用210Pb(238U衰变的中间具放射性的子体铅-210)、3H(氚,人工核爆炸中产生的氢中具放射性的同位素);百年以上,几万年以内的时间尺度,可以利用宇宙成因核素(包括大家熟知的碳-14)、光释光/热释光现象进行年龄测定;而几万年以上,百万年以内的年龄,可以利用U、Th放射性母体衰变产生的中间具放射性子体的活度关系进行定年;百万年以上有铷-锶、铼/铂-锇、钐-钕、铀-钍-铅、镥-铪等同位素衰变体系可将相关年龄测定出来。
一个元素一般是由具有相同质子数、不同中子数的核素组成,在化学与地球化学中将它们称为同位素,即在元素周期表上处于同一个位置上。前面提到的氢,有氕(1H)、氘(2H)、氚(3H)三个同位素;铷-锶体系,并不是所有的铷同位素都具有放射性,只有87Rb具有放射性,它衰变产生稳定的87Sr,所谓的铷-锶体系实际上是87Rb-87Sr的衰变体系;宇宙成因核素是因为一些同位素受到宇宙射线作用形成具有放射性的核素,用于考古定年的碳-14,是因为氮-14受到中子轰击后,放出一个质子变为碳-14,而碳会参与生态系统循环,一旦生物死亡与大气、水体隔绝其中的碳-14的量就不断减少,通过与现在生态系统平衡的碳-14量比较,就能知道生物死亡的时间。
光释光/热释光的定年原理,与前面提到不同,它是一些矿物颗粒(如长石、石英)在太阳照射下,其空隙中吸收的能量被释放出来,而当它埋藏于地下,与太阳隔绝后,由于颗粒周围的铀、钍、钾等放射性同位素衰变过程中产生的a、b-、g射线能量再次被空隙吸收,埋藏时间越长,吸收的射线越多,从而可确定出研究对象自埋藏以来的时间。
物理学上,放射性衰变是原子核发生的变化,按类型可分为a、b-、EC(电子捕获)-正电子发射、同质异能衰变(g)与裂变。由于自然界体系形成与演化过程中,不是纯组分,要利用放射性衰变规律进行精确与准确的年龄测定,地球化学家必须将干扰的同质量数原子分离开,然后利用质谱仪将相关元素的同位素信号(电压值)转化为同位素比值精确地测定出来。
我们知道地球演化到现在是由不同圈层组成的,最外层为大气圈与水圈,依次向内为地壳、上地幔、下地幔、外核、内核。这些不同的圈层其母体-子体元素组成有明显的差别,在长期演化过程使得母体/子体元素比值、放射成因同位素比值各具不同特征。地壳主要形成机制是最早阶段受小行星冲击发生的广泛熔融形成的岩浆海冷却,而后地幔,尤其是上地幔软流圈不断熔融产生的熔浆喷发于洋底,经过大洋板片的向下俯冲在岛弧带中经变质、深熔作用演化出岛弧岩浆组合。
因此,软流圈地幔一般大离子亲石元素明显低于大陆地壳,地球化学家将其称为亏损地幔;而大陆地壳因强烈富集大离子亲石元素而称为富集地壳。利用有关的年龄与初始同位素组成,地球化学家就能确定有关岩石在什么时间、由什么物质、通过什么样的机制形成的。如目前对大洋地壳的研究结果表明,它们的形成年龄不老于两亿年,洋中脊玄武岩具有最亏损的大离子亲石元素含量,其147Sm/144Nd比值明显高于大陆比值、143Nd/144Nd在全球地壳样品中具有最高值。大陆地壳的平均形成年龄大约为20～19亿年,越古老的大陆地壳物质具越低的143Nd/144Nd比值。
由于地球早期遭遇了强烈的岩浆作用,后期具有非常复杂的形成与演化历史,目前地球样品测得的最古老年龄接近44亿年,它是由西澳大利亚太古宙变砾岩中分选出的锆石U-Pb年龄测得;中国最古老的年龄大约40亿年。因为地球形成的初始物质类似于球粒陨石,由球粒陨石的同位素分析得到的年龄45.65亿年。太阳系的形成年龄推测大约为50亿年。宇宙中最古老的物质测得的年龄大约为138亿年。地球是太阳形成时,由于其强大的引力作用而将宇宙空间前一代或几代恒星爆炸产生的尘埃聚集、扫并、加积过程形成的。
除了具放射性同位素外,元素周期表上一些元素的同位素在现有仪器观察能力下,其同位素组成不因时间而发生变化,称之为稳定同位素。但是这些元素在参与有关的地质过程中因物理化学条件(如温度、氧化还原、动力学过程)的变化而在两相间发生同位素组成的微小变化,这种变化就是稳定同位素的分馏作用。根据这种原理,地球化学家利用地球历史中形成的有关体系,来反演当时形成的物理化学条件、有关物质来源、形成过程等特征。如地幔来源的铜镍硫化物矿床的硫同位素组成与陨石中陨硫铁基本一致,而海水蒸发形成的硫酸盐非常富集34S,由细菌参与形成的硫化物非常亏损34S。
总之,同位素地质年代学与地球化学在地球科学具有不可或缺的作用,它是人类了解地球、了解宇宙的一把“金钥匙”。
(中国地质大学(北京)地球科学与资源学院 陈岳龙教授)