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地球45亿年龄之谜!——Pb同位素为你解开谜团

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Clair Patterson, 三尺微命,一介书生,单枪匹马,对阵资本大亨,一个地质学家的赤子之心和威武不屈。

茫茫宇宙,浩瀚苍穹,谁能计算脚下这片美丽土地的起点?古往今来,许多人为此绞尽脑汁。族谱定年,岩层定年……,但一切都建立在许多的猜测和假设上,谁能用铁证告诉世人这个美丽星球的芳龄呢?地质学家告诉我们——同位素定年可以!


锆石定年原理

由于地球的年龄很大,我们就需要一种半衰期很长的元素,并且它所赋存的岩石矿物要足够封闭稳定,在形成之后不受外界干扰。而自然界就是如此神奇,地质学家当时发现锆石是一个很好的样品。锆石是一个富铀(U)低铅(Pb)的矿物,且其性质非常稳定,不被外界干扰。其内部U238(半衰期为4.5Ga)衰变为Pb206, U235会衰变成Pb207,且由于锆石内部的普通Pb含量很低,几乎可以认为其内部的Pb都是放射成因Pb。而要用锆石定年,就必须找到一块地球诞生之初的古老锆石,目前最古老的锆石是在澳大利亚Jack Hills地区,其保存了大量地球早期的碎屑锆石。利用质谱仪测定锆石中的Pb同位素组成,再画出Pb-Pb谐和图,就可以测得Jack Hills锆石定出的地球年龄为43.6亿年。



建立超净实验室测Pb含量

在博士攻读期间,帕特森在对同种颗粒铅含量过程中,测量结果次次不一样。他猜测可能是实验环境中自身含有极高的铅影响了他的实验结果。帕特森几年中用尽一切方法除去实验室的铅,可最后测出的铅含量还是高了100倍。事情在加州理工大学的朋友邀请帕特森参与他的工作出现了转机。帕特森花了6年的时间锲而不舍地净化它的仪器中一切可能的铅来源,终于建造出世界上第一间超净实验室,并最终掌握了测量岩石中铅含量的方法。(此时得到实验所用锆石的年龄为10.5亿年)




铁陨石定年

在博士后研究期间帕特森把注意力转向了铁陨石,以揭示地球的真正年龄。他把在美国亚利桑那州迪布洛峡谷的铁陨石进行分离,得到足够的超洁净的原始铅样品。并把珍贵的样品带到阿贡国家实验室做质谱分析。质谱仪在磁作用下使样品中的元素分离,以测量其中每一种元素的含量,最终测出了样本中的铅含量和铀含量。而铁陨石中因为没有铀,不会因为铀的衰变而改变内部铅的含量。铁陨石中的铅可以代表太阳系形成时的铅含量,即地球形成时的原始铅组成。


Pb-Pb谐和图定年原理:

由此可得年龄:

其中D和P为体系现在的子体和母体同位素的量, D0和P0为体系初始的子体和母体同位素的量, D*为放射成因子体同位素的量。

看到这里小伙伴们脸上是不是有个大写的问号?


还有解释:

我们把上式应用到具体的铅同位素定年体系中去。其中D0为用铁陨石得到的地球初始的铅同位素含量,P0为样本中形成时的铀同位素含量,P是样本经过时间t后铀转变为铅同位素的含量。由衰变方程(λ为衰变速率常数),可以得到现在样本中铅同位素的含量D。反过来,我们只要求得现在样品中铀和铅的含量,就能求得样品形成的年龄。利用陨石定年帕特森得到地球的年龄为45.5亿年!



图片来自纪录片:《Cosmos:A Space Time Odessey》

撰稿:杨林

美编:江陵

石头科普工作室出品


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