石头也有“年轮”？

引言

在大自然中，树木的年轮是最直观的时间记录者。每一圈年轮，就像是树的日记，记录着当年的风雨与阳光。年轮较宽，意味着雨水充沛、气候适宜；年轮较窄，则说明树木在恶劣环境中艰难生长。通过观察年轮，人们不仅可以轻松推算出树木的年龄，还能了解它所经历的环境变化。

树木的年轮

树木的年轮记录了它们的生长历史，而你可能不知道，石头其实也有自己的“年轮”。你可能会感到惊讶。毕竟，石头不像树木那样一年一年地生长。它们看起来静止不动，既冷峻又古老。然而，石头的“年轮”藏在它们的内部。这些年轮并不是像树木那样由生长痕迹形成的，而是通过一种叫“放射性同位素”的天然“化学时钟”记录下来的。虽然这些年轮没有肉眼可见的圆圈，但它们记录的时间更为悠久，甚至可以追溯到数十亿年前。

通过解读这些隐藏在岩石中的“时间印记”，地质学家可以揭开地球历史的神秘面纱，了解我们脚下这片土地的古老故事。正如树木年轮讲述他们生长的岁月，石头的“年轮”同样记录了地球的变迁和历史。

01.

你或许会问，

什么是放射性同位素？

我们都知道，从微观层面来讲，物质是由原子组成的，石头也不例外。每个原子有一个中心的原子核，由带正电的质子和不带电的中子组成，外面则有带负电的电子绕着原子核旋转。这些原子构成了不同的元素，例如氢、碳、氧等，元素的种类取决于原子核中的质子数量。

原子结构模型

氢、碳、氧三种元素

同一种元素的原子也会有所不同，原因在于它们的中子数可能不同，这些具有不同中子数的原子被称为“同位素”。以碳为例，碳的原子都有6个质子，但有些碳原子有6个中子（碳-12），有些则有7个中子（碳-13），还有些有8个中子（碳-14），这就是碳的同位素。

碳的同位素

有些同位素很稳定，但有些则不是，某些同位素的原子核会不断释放能量，试图“变身”成另一种更加稳定的元素。我们称这些不断释放能量、并逐渐转变成其他元素的同位素为“放射性同位素”。

放射性衰变

你可以把放射性同位素想象成藏在岩石内部的“小型定时炸弹”。这些“炸弹”不会爆炸，而是慢慢释放能量，并逐渐转变成其他元素。比如，钐-147（Sm147）是一种不稳定的放射性同位素，它就像一个充满能量的“定时炸弹”。随着时间的推移，这些同位素以稳定的速率衰变，最终变成更稳定的元素：钕-143（Nd143）。这种变化过程就像一个“倒计时”，每隔一段固定的时间，原子中的一半就会衰变为另一种元素。这个固定的时间段，我们称之为“半衰期”。

半衰期示意图

所以，在这个例子中，钐-147就是放射性同位素（也叫母体），而钕-143则是衰变后的产物（也叫子体）。钐-147与钕-143共同构成了一组放射性同位素体系。

02.

石头的“年轮”是怎么读出来的？

要计算石头的年龄，科学家们正是利用了“半衰期”这个概念。就像前面提到的，半衰期就像“定时炸弹”的倒计时器，它告诉我们原子中的一半会在固定的时间内衰变成其他元素。这意味着衰变速率是恒定不变的。

一个简单的比喻是，放射性同位素定年就像一个“沙漏”。沙漏上部的沙子代表“母体同位素”，也就是那些还未衰变的原子；下部的沙子代表“子体同位素”，也就是那些已经衰变的产物。

沙漏

当岩石形成时，这个沙漏开始“计时”，母体同位素开始缓慢而稳定地转化为子体同位素。科学家通过测量岩石中“母体同位素和子体同位素的比例”，就能知道沙子“漏”了多久，这也告诉了我们这块石头的年龄。

同时，科学家们发现，地球上存在多种不同的“沙漏”，有的漏得快，有的漏得慢。这样可以避免时间跨度较大的石头由于漏得太快而导致时间记录不准确的问题。

例如，钐-147每经过1.06*1011年，数量就减少一半，转变为钕-143。因此，钐-钕体系的半衰期就是1.06*1011亿年。同样的道理，其他同位素体系也有各自的半衰期。比如：铀-238衰变为铅-206，半衰期是4.5×109年；钾-40（K40）衰变为氩-40（Ar40），半衰期约为1.25*109年；铷-87（Rb87）衰变为锶-87（Sr87），半衰期为4.88*109年。考古中常用的碳-氮（C-N）体系，半衰期约为5730年。

半衰期较长的同位素体系（沙子漏得慢）适用于测定极其古老的岩石，如铷-锶体系；而半衰期较短的体系（沙子漏得快）更适合测定相对年轻的岩石，如钐-钕体系。碳-14（C-14）定年法由于半衰期较短（5730年），仅适用于测定几万年内的生物遗骸，而不适用于石头定年。

离子探针(SIMS)，一种用于测年的仪器

03.

解读石头的“年轮”有什么意义呢？

放射性同位素定年技术自其问世以来，就成为地质学中不可或缺的工具。这种技术通过测量岩石中不稳定同位素的衰变，精确计算出岩石的年龄，就像打开了一本埋藏在地球深处的时间书卷，为我们提供了宝贵的线索，帮助揭示地球及其他天体的古老历史。这不仅让科学家们得以推算出地球上不同岩石的绝对年龄，还为了解板块运动、火山喷发、冰河时期、以及海洋的进退演化等重大地质事件提供了关键的时间框架。无论是揭示大陆漂移，还是研究古气候变化，放射性同位素定年都为我们提供了一个可靠的“时间标尺”。

其中，一个经典的例子就是科学家利用这种方法（U-Pb同位素体系）确定了地球上最古老的岩石的年龄，追溯地球最早的形成时刻。

这个地球上最古老的岩石来自加拿大西北领地阿卡斯塔河流域的片麻岩。阿卡斯塔片麻岩呈现出典型的片麻岩结构，带有显著的层状纹理，颜色从浅灰到暗灰不等。这种岩石通常由长石、石英、角闪石和少量云母等矿物构成。

阿卡斯塔(Acasta)片麻岩

阿卡斯塔片麻岩手标本（图源：中国地质大学博物馆）

其中也含有一种特别的矿物-锆石，锆石的化学稳定性极强，即使在高温高压环境下也能保持原有的同位素比例。同时，锆石含有微量的铀，但不含铅。这就好比一个‘沙漏’，初始时下部没有沙子（几乎不含铅）。随着时间推移，铀缓慢衰变为铅，科学家可以通过测量铀-铅比例，精准计算锆石的形成时间来推测岩石的年龄。因此科学家们利用铀-铅同位素测年法，分析岩石阿卡斯塔片麻岩中的锆石矿物，最终得出阿卡斯塔片麻岩的形成年龄在约 40亿年左右。这是地球先存最早的岩石，他的发现为科学家们提供了研究地球最初几亿年演化过程的关键线索。让我们了解到，地球早期的地壳是在极端高温的环境下形成的，随后逐渐冷却固化，最终成为我们今天所见的地壳结构。这些古老的岩石不仅见证了地球的早期历史，还为理解其他行星的地质演化提供了宝贵的参照。

阿卡斯塔(Acasta)的U-Pb年龄

更令人惊叹的是，科学家发现过比阿卡斯塔片麻岩更古老的矿物。是的，你猜的没错还是锆石。即使是石头，经过长期的风化或熔融，也依旧有可能会消失，但是石头里面有一种副矿物-锆石往往能够稳定存在，即使经历风化、高温和压力也依然可以保存。地球产生的已经被证实的现存最古老的矿物就是这些家伙。来自澳大利亚西部的杰克山，发现了一种只比地球形成时间稍晚一些的锆石晶体，它们被包裹在相对年轻的沉积岩石中，形成的角砾岩经过挤压，变质成为“变质砾岩”。

变质砾岩

2014年2月，美国威斯康星大学的约翰·W·威利教授在《自然·地球科学》杂志发表了一篇论文，确定在澳大利亚西部发现的锆石晶体，是迄今为止在地球上发现的最为古老的岩石，已有43.74亿年历史。这也为地球的诞生时间提供有力的证据。

澳大利亚西部的杰克山-最古老的碎屑锆石

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04.

岩石里的时间故事

当我们站在大地之上，脚下的石头似乎沉默无言，然而它们却承载着地球乃至宇宙的悠久历史。虽然不像树木那样在表面留下年轮，但石头的“年轮”隐藏在它们的微观世界里。放射性同位素就如同一把时间的钥匙，通过解读这些“看不见的年轮”，科学家得以探寻亿万年前的地球演化历程。

通过这些微小的时间标记，地质学家成为了“时间的解读者”，他们利用这些标记揭示了从地球形成到大陆漂移、火山喷发，甚至生命诞生的诸多关键历史。石头的“年轮”不仅记录了地球的变迁，还讲述了星辰的故事     从恒星的死亡与重生，到行星的形成，甚至追溯到宇宙大爆炸的起源。

这些沉默的石头，正是时间无声的见证者。每一块石头，都是大地的日记，记录着岁月的点点滴滴。通过解读这些石头中的“年轮”，我们不仅在回顾地球的历史，更是在追溯整个宇宙的进化。也许，下一次当你捡起一块小小的石头时，你会意识到，手中的它承载着亿万年的时光故事，静待人类去揭示它的秘密。