物理探秘科学家是怎么知道地球年龄的

物理探秘:科学家是怎么知道地球年龄的?

于你我而言,地球仿佛是一个永恒的存在
可伟大的地球母亲并没有留下出生证明
我们如何知道她几岁了?

悬而未决:数百年的地球年龄之争

在过去的数百年里,科学家们曾尝试过从各种角度来推测地球的年龄。西方国家甚至通过对《圣经》的解读,认定地球的年龄仅有几千岁。其他的一些观测手段,比如海平面的变化、海水盐度的变化等也被用于地球年龄的推测。然而,随着科学研究的进步,这些方法被认为是很不可靠的。直到放射性同位素测年方法问世,地球年龄的神秘面纱才被逐渐揭晓。
美丽的地球图自forums.pelicanparts.com

定年神器:放射性同位素测年

1898年,居里夫人(Marie Curie)发现了放射性现象,该现象表明不稳定的原子能通过以粒子和电磁辐射的形式放出能量,发生自然衰变。在元素周期表的100多个元素中,有些同位素非常不稳定,并且一直以可预测的方式和速度衰变,这些同位素被称为放射性同位素。如果我们假设岩石形成时,含有一定量的放射性母体同位素,随着时间的推移,这些母体同位素以可预测的速度衰变为其他元素,通过研究现有的元素,就可以推测出衰变所经历的时间,从而确定岩石的年龄。物理学家欧内斯特·卢瑟福(ErnestRutherford)早在1904年,就尝试将这种衰变过程用于测定岩石的年龄。之后,阿瑟·霍尔姆斯(Arthur Holmes)在伦敦帝国理工学院发展了用铀-铅法测定岩石年代的技术,并以此对当时地球上最古老的岩石定年,提出地球至少有16亿年的历史的观点。在随后的几十年里,地球的年龄不断被修改,成为地质学家们热议的话题。

石中长者:地球上最古老的岩石几岁了?

然而,截至目前,人们还未找到最原始地壳的踪迹。科学家猜测,由于板块构造的强烈活动,地球形成后最早的一批岩石可能早已被破坏殆尽。有研究推测,在全球冰河时期,冰川侵蚀岩石,使岩石崩解。然后板块构造将破碎的岩石抛回地球内部融化,并将其变成新的岩石。迄今为止,地球上已知的最古老的岩石是位于加拿大西北部的阿卡斯塔(Acasta)片麻岩,大约形成于40–42.0亿年前(Bowring,1999)。而且,所有的大陆上都能找到35亿年以上的岩石。如格陵兰岛Isua上地壳岩石就拥有37亿–38亿年的历史,而斯威士兰的岩石也有34亿–35亿年,西澳大利亚同样发现了年龄约为34亿–36亿年的岩石。然而,尽管这些岩石已经足够古老,但它们并非来自“原始地壳”,而是由熔岩流和沉积在浅水中的沉积物组成,这表明地球的历史早在这些岩石沉积之前就开始了。
Acasta(阿卡斯塔)片麻岩图自Crystal World Exhibition Centre作为地球上最坚硬的矿物之一,微小的锆石在各种毁灭性的地质事件中依然幸存了下来。于是,这些微小的晶体成为了迄今为止地球上最古老的物质,它们拥有44亿年的历史(Wilde,2001)。地球上的古老岩石和微小的锆石晶体告诉我们,地球至少已经有44亿年的历史了,因为地球存在的时间一定比它表面存在的东西更加古老。

天外之客:解开地球年龄之谜的钥匙

科学家们坚信,地球上最古老的那些岩石很可能已经被强烈的构造运动破坏殆尽了。根据天体物理学家的假设,包括地球在内的所有太阳系天体都是同时形成的,于是,科学家们将探索地球年龄的希望寄托在了太阳系的其他星体上。科学家们首先想到了月球,由于月球并未经历过像地球那样强烈的构造运动,月球最古老的岩石依然保留在月球的表面,从阿波罗登月任务中返回的月球表面岩石(Papike,1998)年龄被确定为45亿年。
1971年阿波罗14号带回的月球岩石,可能包含了古代地球的一小块碎片(箭头所指的“长岩碎屑”)图自NASA虽然科学家还还没有带回火星表面的岩石样本,但坠落到地球上的火星陨石的年龄也可以追溯到45亿年(Nyquist,2001)。1956年,加州理工学院的克莱尔?帕特森(ClairePatterson)采用铅同位素测年法测得代亚布罗峡谷(Canyon Diablo)的陨石年龄为4.55(±0.07)亿年,该年龄与今天公认的地球年龄已经相差无几。这一研究成果《陨石与地球的年龄》(Age ofmeteorites and the earth)发表在地球化学界的权威期刊《地球化学与宇宙化学学报》(Geochimica EtCosmochimica Acta)上(Patterson,1956),至此,长达数百年的地球年龄之争终于尘埃落定。
克莱尔?帕特森(ClairePatterson)图自montymckeever.com
代亚布罗峡谷(Canyon Diablo)陨石图自commons.wikimedia.org
参考文献:[1].BowringS A, Williams I S. Priscoan (4.00-4.03 Ga) orthogneisses from northwesternCanada. Contributions to Mineralogy and Petrology, 1999, 134(1): 3-16.[2].JeannaBryner. How is Earth’s Age Calculated? (https://www.livescience.com/32321 -how-is-earths-age-calculated.html).[3].NolaTaylor Redd. How Old Is Earth?(https://www.space.com/24854-how-old-is-earth.html).[4].NyquistL E, Bogard D D, Shih C Y, et al. Ages and Geologic Histories of MartianMeteorites. Space Science Reviews, 2001, 96(1): 105-164.[5].PapikeJ, Ryder G and Shearer Ch. Lunar Samples. Reviews in Mineralogy andGeochemistry, 1998, 36, 5.1-5.234.[6].PattersonC C. Age of meteorites and the earth. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1956,10(4): 230-237.[7].RichDeem. How Old is the Earth According to the Bible and Science? (http://godandscience.org/youngearth/age_of_the_earth.html#n01).[8].WildeS A, Valley J W, Peck W H, et al. Evidence from detrital zircons for theexistence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago. Nature,2001, 409(6817): 175-178.写在最后

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