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地球多大了

編著:地調科普 中國地質調查局中國地質科學院地質研究所 萬渝生     來源:https://mp.weixin.qq.com/s/nAkBllZhP7Qqbr08-eKbvg

從太空看,地球是一顆蔚藍色的星球,這是因為地球表面的70%被水覆蓋。地球之所以神奇,是她潤育了生命,并進化出了高智商的人類。這篇短文給大家講一件人類探索地球年齡的曲折故事。


 人類探索地球年齡的曲折故事


 我們知道,地球的年齡為45.67億年或稍稍年輕一點,為了好記,記住這個數字就行了。這一年齡來之不易,是人類經歷了漫長的探索才獲得的。45.67億年是個什么概念呢?打個比方,如果把地球的形成時間作為一天24小時,那么人類文明是在不到最后一秒鐘才出現的。


  在遠古時代,生產力低下,溫飽都成問題,地球有多大歲數,不是人們關心的問題。后來,慢慢有一些哲學家、佛教徒來思考這一問題,他們認為宇宙是無始無終的,當然地球也是永恒的了。


  到公元300年,也就是1700年前,基督教統治了羅馬帝國,一直延續到17世紀。基督教認為,是上帝創造了地球,因為圣經上是這樣說的。許多人根據圣經的記載來確定地球的年齡,其中,愛爾蘭首席主教烏瑟做了特別深入細致的研究,在1650年他把研究結果寫成了一本書 “舊約圣經年表”。結論是,上帝創造世界的時間為公元前4004年,也就是說,地球存在的時間還不到6000年。錯誤的原因是所依據的材料有問題。


  烏瑟發表“舊約圣經年表”的時候,歐洲啟蒙時代已經開始。一些人不再相信地球是上帝創造的,而相信是自然形成的,于是通過各種方法來尋找答案。有人想到用實驗的方法。發現萬有引力定律的科學家牛頓曾經提到,物體冷卻的時間與其大小成正比。既然地球最開始是一個熾熱的星球,逐漸冷卻變為了現在的樣子(法國哲學家笛卡爾就提出過這樣的看法),那么,通過冷卻實驗的方法也許就能獲得地球的年齡。第一個作實驗的人是法國博物學家布豐。他用10個直徑不同的鐵球,燒得通紅,然后慢慢冷卻,記錄下所用的時間,把實驗結果外推到地球這樣大的球體,算出地球的年齡大約為7萬5千年。不過,根據其他方面的研究,他覺得地球的年齡遠比這個大。但怕得罪教會,他不敢公開發表意見。


當然,許多地質學家也參加了進來。其中特別需要提到的有三個人,他們都是英國人。1785年,英國地質學家霍頓發表《地球的理論》,提出均變論,說地球是逐漸演變的,當然就不是上帝一次創造出來的了。1815年,英國人史密斯發表了英國地質圖。1830年,英國地質學家萊伊爾發表《地質學原理》第一卷,進一步闡述均變論,堅信地球確實很古老。


  我們多說一下史密斯。由于工作關系,史密斯跑遍了英國的山山水水,發現很多石巖石是一層一層摞起來的,這就是地層,而很多地層里面存在化石。根據多年的研究,他提出了地層學中一個非常重要的定律,人們稱之為史密斯化石層序律。它是說,不同時代的地層所含化石不同。現在我們知道,從古生代的三葉蟲到中生代的恐龍,再到新生代的哺乳動物,生物是在不斷進化的,不同時代地層中化石當然就不同。再就是,含有相同化石的地層屬同一時代。雖然兩個地方相距很遠,如果它們含有的化石相同,就是同一個時代的。這樣,通過地層對比,就可以計算一個地區地層的總厚度了。


  知道了地層總厚度,如果用其他方法又知道沉積巖的形成速率,一除就可獲得地層的形成時間。史密斯的學生菲利普斯用這種方法估算了英國地層形成時間,約為1億年。后來又有人利用這種方法,估算出歐洲大陸地層形成時間為幾億年。




發現哈雷彗星的英國科學家哈雷提出用海水含鹽度來計算地球的年齡。他是這樣想的,如果地球剛形成的時候就有海水,因為剛形成,海水是淡的,隨著礦物質不斷從大陸風化搬運進入海洋,使海水不斷變咸。如果是這樣,那么用大洋海水總含鹽量除以每年流入大洋的鹽分不就能計算地球的年齡了嗎?大約200年后,愛爾蘭科學家喬利真的做了這樣的計算,結果是8千萬年到1億年。

  達爾文是進化論的偉大旗手,寫了劃時代巨著《物種起源》。他認為,要進化出如此豐富多彩的生物物種,地球年齡怎么也需要十幾億年。現在我們知道,關于生物物種演化,除了漸變外,還有突變和災變。


  影響最大的還是湯姆遜(開爾文勛爵),他是那個時代名氣最大的科學家,人們提到他就象現在的人提到愛因斯坦一樣。他是一個物理學家,提出用物理的方法來計算地球的年齡。其中一種方法是根據地球的初始溫度、巖石的導熱率和現在地表的地熱梯度來計算。1862年的計算結果是:地球年齡在兩千萬到四億年之間,之后他還做過多次計算,在1897年的一次著名講演中,他宣布,地球年齡很可能更接近于兩千萬年。由于湯姆遜名氣太大,許多人都相信他,不相信他的大都也不敢公開質疑。湯姆遜計算的地球年齡統治了半個世紀,阻礙了地質學的發展。被稱為地質學發展史上的黑暗時代。


  不過,轉機終于來了。在1896年,就是湯姆遜作那次著名講演的前一年,法國科學家貝克勒爾發現了放射性現象,開啟了同位素年代學時代到來的最重要的第一步。但這一發現純屬偶然。那時,人們剛剛發現某些熒光物質在陽光照射下會發出類似x光的射線。在用熒光物質硫酸鉀鈾作了一次實驗后,他想再作一次以便進一步驗證,是否所有的熒光物質都有這個特性。但接連幾天都是陰天,等到太陽天的時候,他擔心照片底片漏光,就沖洗了出來,結果使他大吃一驚。放在抽屜里用黑紙包裹的底片有一些黑影,被感光了,其中一張底片上還有把鑰匙的影像,而鑰匙是他自己放上去的,硫酸鉀鈾是放在桌面上的。他馬上意識到,含鈾的物質會自發放出射線。


感光底片照片

  兩年后,波蘭物理學家居里夫人通過一系列實驗,發現元素釷和釷的化合物也有這樣的性質,她把這種現象命名為“放射性”。也就是說,在自然界中,存在一些元素,它們可以自發地發出射線。并且,這種射線的強度與物質的物理和化學狀態無關。

  盧瑟福和索迪是英國的大科學家,都獲得過若貝爾獎。1902年,也是在研究釷的化合物的過程中,他們發現原子發出射線之后自己也會衰變,形成另外元素的原子。例如,鈾是一種放射性元素,通過一系列中間過程,釋放出α粒子射線,也就是帶正電的氦,自己也衰變最終成為穩定元素鉛。鈾稱為放射性母體,鉛和氦稱為放射性子體。同樣重要的是,他們還發現了放射性元素衰變定律。根據該定律,通過測定放射性元素母體和子體的含量,原則上就可計算礦物和巖石的年齡了。


  鈾的放射性衰變產物有氦和鉛兩種,所以測年的方法也有兩種,一種是用鈾-氦體系來測。1910年,英國科學家斯特拉特測定了氦在礦物方釷石中的含量,獲得年齡為2.8億年。但是,氦是氣體元素,容易從礦物逃逸出來,不適宜測年,這種方法獲得的年齡通常偏年輕。再就是鈾-鉛體系測年。與氦是氣體不同,鉛是金屬,更易在巖石和礦物中保存。所以U-Pb體系測年更好。在盧瑟福的建議下,1907年美國化學家波爾特伍德首次作了鈾-鉛體系測年。他一共測了26個樣品,年齡在4億到22億年之間。

  到1913年,已積累了較多的年齡數據。這年只有23歲的英國地質年代學家霍姆斯寫了一本書,叫做《地球的年齡》。在這本書中,霍姆斯提出了人類歷史上第一個地質年代表,獲得13億年的片麻巖年齡,推斷最古老太古宙巖石年齡為16億年。


  就在同一年,與盧瑟福一起提出衰變定律的科學家索迪發現,很多元素是由質量數不同的原子組成的,他們在元素周期表中占據同一個位置,所以把它們叫作同位素。例如鈾,就是由質量數不同的三種原子組成的。《地球的年齡》一書的發表和同位素概念的提出,對于同位素年代學來說非常重要,所以人們把1913年為同位素年代學誕生之年。元素周期表是俄羅斯化學家門捷列夫提出的。


  但是,那時測年用的是化學方法,用元素含量的比值來計算,年齡不會太準確。直到1919年,情況才得到根本改變,英國科學家阿斯頓制造出了世界上第一臺質譜儀。質譜儀的發明,使得現代同位素年代學研究成為可能。

  到上世紀40年代,不但知道U(鈾)是由U234、U235和U238組成,還知道了Pb(鉛)是由Pb204、Pb206、Pb207和Pb208組成。U235和U238的衰變常數也知道了。自此,U-Pb同位素年代學才算真正建立起來。

  在這之后,大多數地質學家都相信同位素年代學了,在全世界尋找古老巖石。1954年,發表《地球的年齡》一書的霍姆斯在非洲的津巴布韋測得26.4億年的獨居石U-Pb年齡。是那時地球上獲得的最古老礦物和巖石的年齡。

  在地球上尋找最古老物質來確定地球年齡十分困難。于是,人們把視線轉移到隕石上,因為隕石和地球都是太陽系形成的產物,形成時代相同。1956年,美國地球化學家帕特森獲得隕石年齡為45.5億年。這個年齡十分接近于地球的真實年齡。


早期太陽系星云的藝術再現,隕石出生的地方


  隕石可劃分為球粒隕石和非球粒隕石,球粒隕石還可進一步劃分。其中有一種叫做CV球粒隕石,它含有較多白色的難熔硅酸鹽礦物包體。2002年,加拿大地球化學家阿梅林和其他人對它們進行了精確定年,獲得年齡為45.67億年,就是我們最開始提到的那個年齡。這是至今獲得的包括地球在內太陽系形成的最精確年齡。從圣經的公元前4004年到精確的45.67億年,人類探索地球年齡的過程確實十分復雜曲折。


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