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地球多大了

编著:地调科普 中国地质调查局中国地质科学院地质研究所 万渝生     来源:https://mp.weixin.qq.com/s/nAkBllZhP7Qqbr08-eKbvg

从太空看,地球是一颗蔚蓝色的星球,这是因为地球表面的70%被水覆盖。地球之所以神奇,是她润育了生命,并进化出了高智商的人类。这篇短文给大家讲一件人类探索地球年龄的曲折故事。


 人类探索地球年龄的曲折故事


 我们知道,地球的年龄为45.67亿年或稍稍年轻一点,为了好记,记住这个数字就行了。这一年龄来之不易,是人类经历了漫长的探索才获得的。45.67亿年是个什么概念呢?#30475;?#20010;比方,如果把地球的形成时间作为一天24小时,那么人类文明是在不到最后一秒钟才出现的。


  在远古时代,生产力低下,温饱都成问题,地球有多大岁数,不是人们关心的问题。后来,慢慢有一些哲学家、佛教徒来思考这一问题,他们认为宇宙是无始无终的,?#27604;?#22320;球也是永恒的了。


  到公元300年,也就是1700年前,基督教统治了罗马帝国,一直?#26377;?#21040;17世纪。基督教认为,是上帝创造了地球,因为圣经上是这样说的。许多人根据圣经的记载来确定地球的年龄,其中,爱尔兰首席主教乌瑟做了特别深入细致的研究,在1650年他把研究结果写成了一本书 “?#31245;?#22307;经年表”。结论是,上帝创造世界的时间为公元前4004年,也就是说,地球存在的时间还不到6000年。错误的原因是所依据的材料有问题。


  乌瑟发表“?#31245;?#22307;经年表”的时候,欧洲启蒙时代已经开始。一些人不再相信地球是上帝创造的,而相信是自然形成的,于是通过各种方法来寻找答案。有人想到用实验的方法。发现万有引力定律的科学家牛顿曾经提到,物体冷却的时间与其大小成正比。?#28909;?#22320;球最开始是一个炽热的星球,逐渐冷却变为了现在的样子(法国哲学家笛卡尔就提出过这样的看法),那么,通过冷却实验的方法也许就能获得地球的年龄。第一个作实验的人是法国博物学家布丰。他用10个直径不同的铁球,烧得通红,然后慢慢冷却,记录下所用的时间,把实验结果外推到地球这样大的球体,算出地球的年龄大约为7万5千年。不过,根据其他方面的研究,他觉得地球的年龄远比这个大。但怕得罪教会,他不敢公开发表意见。


?#27604;唬?#35768;多地质学家也参加了进来。其中特别需要提到的有三个人,他们都是英国人。1785年,英国地质学?#19968;?#39039;发表《地球的理论》,提出均变论,说地球是逐渐演变的,?#27604;?#23601;不是上帝一次创造出来的了。1815年,英国人?#35775;?#26031;发表了英国地质图。1830年,英国地质学家莱伊尔发表《地质学原理》第一卷,进一?#35762;?#36848;均变论,坚信地球确实很古老。


  我们多说一下?#35775;?#26031;。由于工作关系,?#35775;芩古?#36941;了英国的山山水水,发现很多石岩石是一层一层摞起来的,这就是地层,而很多地层里面存在化石。根据多年的研究,他提出了地层学中一个非常重要的定律,人们称之为?#35775;?#26031;化石层序律。它是说,不同时代的地层所含化石不同。现在我们知道,从古生代的三叶虫到中生代的恐龙,再到新生代的哺乳动物,生物是在不断进化的,不同时代地层中化石?#27604;?#23601;不同。再就是,含有相同化石的地层属同一时代。虽然两个地方相距很远,如果它们含有的化石相同,就是同一个时代的。这样,通过地层对比,就可以计算一个地区地层的总厚度了。


  知道了地层总厚度,如果用其他方法又知道沉积岩的形成速率,一除就可获得地层的形成时间。?#35775;?#26031;的学生菲利普斯用这种方法估算了英国地层形成时间,约为1亿年。后来?#38047;?#20154;利用这种方法,估算出欧洲大陆地层形成时间为几亿年。




发现哈雷彗星的英国科学家哈雷提出用海水含?#21619;?#26469;计算地球的年龄。他是这样想的,如果地球刚形成的时候就有海水,因为刚形成,海水是淡的,随着矿物质不断从大陆风化搬运进入海洋,使海水不断变咸。如果是这样,那?#20174;?#22823;洋海水总含盐量除以每年流入大洋的盐分不就能计算地球的年龄了吗?大约200年后,爱尔兰科学家乔利真的做了这样的计算,结果是8千万年到1亿年。

  达尔文是进化论的伟大旗手,写了划时代巨著《物种起源》。他认为,要进化出如此丰富多彩的生物物种,地球年龄怎么也需要十几亿年。现在我们知道,关于生物物种演化,除了渐变外,还有突变和?#30452;洹?/p>


  影响最大的还是汤姆逊(开尔文勋爵),他是那个时代名气最大的科学家,人们提到他就象现在的人提到爱因斯坦一样。他是一个物理学家,提出用物理的方法来计算地球的年龄。其中一种方法是根据地球的初始温度、岩石的导热率和现在地表的地热梯度来计算。1862年的计算结果是:地球年龄在两千万到四亿年之间,之后他还做过多次计算,在1897年的一次著名讲演中,他宣布,地球年龄很可能更接近于两千万年。由于汤姆?#35775;?#27668;太大,许多人都相信他,不相信他的大?#23478;?#19981;敢公开质疑。汤姆逊计算的地球年龄统治了半个世纪,阻碍了地质学的发展。被称为地质学发?#25925;?#19978;的黑暗时代。


  不过,转机终于来了。在1896年,就是汤姆逊作那次著名讲演的前一年,法国科学家贝克勒尔发现了放射性现象,开启了同位素年代学时代到来的最重要的第一步。但这一发现纯属偶然。那时,人们刚刚发现某些荧光物质在阳光照射下会发出类似x光的射线。在用荧光物质硫酸钾铀作了一?#38382;?#39564;后,他想再作一次以便进一步验证,是否所有的荧光物质都有这个特性。但接连几天都是阴天,等到太阳天的时候,他担心照片底片漏光,就冲洗了出来,结果使他大吃一惊。放在抽屉里用黑纸包裹的底片有一些黑影,被感光了,其中一张底片上还有把钥匙的影像,而钥?#36164;?#20182;?#32422;?#25918;上去的,硫酸钾铀是放在桌面上的。他马上意识到,含铀的物质会自发放出射线。


感光底片照片

  两年后,波兰物理学家?#27704;?#22827;人通过一系列实验,发现元素钍和钍的化合物也有这样的性质,她把这种现象命名为“放射性”。也就是说,在自然界中,存在一些元素,它们可以自发地发出射线。并且,这种射线的强度与物质的物理和化学状态无关。

  卢瑟福和索迪是英国的大科学家,都获得过若贝尔奖。1902年,也是在研究钍的化合物的过程中,他们发现原子发出射线之后?#32422;閡不?#34928;变,形成另外元素的原子。例如,铀是一种放射性元素,通过一系列中间过程,释放出α粒子射线,也就是带正电的氦,?#32422;?#20063;衰变最终成为稳定元素铅。铀称为放射性母体,铅和氦称为放射性子体。同样重要的是,他们还发现了放射性元素衰变定律。根据该定律,通过测定放射性元素母体和子体的含量,原则上就可计算矿物和岩石的年龄了。


  铀的放射?#36816;?#21464;产物有氦和铅两种,所以测年的方法也有两种,一?#36136;?#29992;铀-氦体系来测。1910年,英国科学家斯特拉特测定了氦在矿物方钍石中的含量,获得年龄为2.8亿年。但是,氦是气体元素,容易从矿物逃逸出来,不适宜测年,这种方法获得的年龄通常偏年轻。再就是铀-铅体系测年。与氦是气体不同,铅是金属,更易在岩石和矿物中保存。所以U-Pb体系测年更好。在卢瑟福的建议下,1907年美国化学家波尔特伍德首次作了铀-铅体系测年。他一共测了26个样品,年龄在4亿到22亿年之间。

  到1913年,已积累了较多的年龄数据。这年只有23岁的英国地质年代学?#19968;?#22982;斯写了一本书,叫做《地球的年龄》。在这本书中,霍姆斯提出了人类历史上第一个地质年代表,获得13亿年的片麻岩年龄,推断最古老太古宙岩石年龄为16亿年。


  就在同一年,与卢瑟福一起提出衰变定律的科学家索迪发现,很多元素是由质量数不同的原子组成的,他们在元素周期表中占据同一个位置,所以把它们叫作同位素。例如铀,就是由质量数不同的三种原子组成的。《地球的年龄》一书的发表和同位素概念的提出,对于同位素年代学来说非常重要,所以人们把1913年为同位素年代学诞生之年。元素周期表是俄罗斯化学家门捷列夫提出的。


  但是,那时测年用的是化学方法,用元素含量的比值来计算,年龄不会太准确。直到1919年,情况才得到根本改变,英国科学家阿斯顿制造出了世界上第一台质谱仪。质谱仪的发明,使得现代同位素年代学研究成为可能。

  到上世纪40年代,不但知道U(铀)是由U234、U235和U238组成,还知道了Pb(铅)是由Pb204、Pb206、Pb207和Pb208组成。U235和U238的衰变常数也知道了。?#28304;耍琔-Pb同位素年代学才算真正建立起来。

  在这之后,大多数地质学家都相信同位素年代学了,在全世界寻找古老岩石。1954年,发表《地球的年龄》一书的霍姆斯在非洲的津巴布韦测得26.4亿年的独居石U-Pb年龄。是那时地球上获得的最古老矿物和岩石的年龄。

  在地球上寻?#26131;?#21476;老物质来确定地球年龄十分困难。于是,人们把视线转移到陨石上,因为陨石和地球都是太阳系形成的产物,形成时代相同。1956年,美国地球化学家帕特森获得陨石年龄为45.5亿年。这个年龄十分接近于地球的真?#30340;?#40836;。


早期太阳系星云的艺术再现,陨石出生的地方


  陨石可划分为球粒陨石和非球粒陨石,球粒陨石还可进一步划分。其中有一种叫做CV球粒陨石,它含有较多白色的难熔硅酸盐矿物包体。2002年,加拿大地球化学家阿梅林和其他人对它们进行了精确定年,获得年龄为45.67亿年,就是我们最开始提到的那个年龄。这是?#20004;?#33719;得的包括地球在内太阳系形成的最精确年龄。从圣经的公元前4004年到精确的45.67亿年,人类探索地球年龄的过程确实十分复杂曲折。


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