地球年齡

地球年齡

現代的地質學和地球物理學大致上都認為地球的年齡大約在45.4億年(4.54 × 109年 ± 1%)。年齡的測量是對隕石採用放射測年進行。這與地球上的最古老的石頭和月岩的結果一致。除此之外,也有測量是運用地球內的放射性元素和它蛻變生成的同位素,大致結果相同。

  • 中文名稱
    地球年齡
  • 天文年齡
    45.5億年
  • 天文年齡意思
    地球開始形成到現在的時間
  • 相    關
    地球起源的假說

定義

地球從原始的太陽星雲中積聚形成一個行星的時間。地球年齡約為46億年。關于地球同的概念,地球的天文年齡是指地球開始形成的時間。通常所說的地球年齡是指它的天文年齡。

計算

計量地球所經歷的時間,必須找到一種速率恆定而又量程極大的尺度。早期找到的一些尺度的變化速率在地球歷史上是不恆定的。1896年放射性元素被發現以後,人們才找到了一種以恆定速率變化的物理過程作為尺度來測定岩石和地球的年齡。

中國古人推測自開闢至于獲麟(公元前481年),凡三百二十六萬七千年。 17世紀西方國家的一個神父宜稱,地球是上帝在公元前4004年創造的。

最早嘗試用科學方法探究地球年齡的是英國物理學家哈雷。他提出,研究大洋鹽度的起源,可能提供解決地球年齡問題的依據。1854年,德國偉大的科學家赫爾姆霍茨根據他對太陽能量的估算,認為地球的年齡不超過2500萬年。1862年,英國著名物理學家湯姆生說,地球從早期熾熱狀態中冷卻到如今的狀態,需要2000萬至4000萬年。這些數位遠遠小于地球的實際年齡,但作為早期嘗試還是有益的。1953年地球化學家克萊爾·彼得森利用同位素法最早測定了地球的年齡約為45.5億年

到了20世紀,科學家發明了同位素地質測定法,這是測定地球年齡的最佳方法,是計算地球歷史的標準時鍾。根據這種辦法,科學家找到的最古老的岩石,有35億歲。然而,最古老岩石並不是地球出世時留下來的最早證據,不能代表地球的整個歷史。這是因為,嬰兒時代的地球是一個熾熱的熔融球體,最古老岩石是地球冷卻下來形成堅硬的地殼後儲存下來的。

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20世紀60年代末,科學家測定取自月球表面的岩石標本,發現月球的年齡在44至46億年之間。于是,根據目前最流行的太陽系起源的星雲說,太陽系的天體是在差不多時間內凝結而成的觀點,便可以認為地球是在46億年前形成的。然而,這是依靠間接證據推測出來的。事實上,至今人們還沒有在地球自身上發現確鑿的檔案,來證明地球活了46億年。

科學原理

很早以前,人們曾嘗試用地球上發生的一般物理化學過程來估算地球的年齡,如根據地球表面沉積岩的積累厚度,海水含鹽度隨時間的增加,地球內部的冷卻率等等。但是這些過程的變化速率在地球歷史上是不恆定的,因此不可能得到正確的年齡估計。直到1896年放射性元素被發現以後,人們才找到了一種以恆定速率變化的物理過程來測定岩石和地球的年齡。就測試水準,可以認為放射性元素的衰變速率在任何物理化學條件下都是恆定的。根據放射性衰變原理,如果已知放射性母體同位素的衰變常數及母、子體同位素的比值,那麽隻要測定岩石或礦物中某種放射性母體同位素及其衰變成的子體同位素的含量,一般說來就可以計算出該岩石體系的形成年齡。設有一放射性元素,開始時隻有N0個原子,過了t時間,由于衰變,隻剩下N個原子並產生D個新原子,按照衰變規律(λ為衰變常數),λ為已知,D/N為岩石或礦物中所含子體元素的原子數對母體元素的原子數之比,這一值是可以測定的。根據這個公式就可以計算出岩石或礦物形成的年齡。20世紀以來,已先後建立了用U→Pb、U→Pb、Th→Pb、K→Ar、Rb→Sr、和Sm→Nd等放射性衰變系列測定岩石年齡的各種方法。然而要進一步確定地球的年齡並非如此簡單。因為地球表面的岩石並不是在地球形成時就存在的。由于地球內部的運動和化學變化,它們曾經歷了多次分異、熔融和改造。因此要計算地球的年齡還必須解決一系列的理論和實驗技術問題。

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年齡下限

地球的各大陸都存在著一些古老的穩定地塊,如西格陵蘭、西澳大利亞和南非等地區。這些地塊上的岩石在地殼形成的初期就已經存在了,而且沒有發生過後期的重熔改造。70年代已用Rb-Sr、U-Pb和Sm-Nd法精確地測定了這些岩石的年齡,其中最古老的岩石在澳大利亞(42億年,鈾鉛法)和蓋亞那(41.3±1.7億年,銣鍶法)。這一年齡可以代表地殼形成時間的下限。

年齡上限

利用關于元素起源的理論可以給出地球年齡的上限。元素形成以後才形成太陽星雲,繼而地球等行星又從太陽星雲中分異凝聚形成。根據核子合成的理論,鈾同位素U和U在元素形成時的比例大約為1.64:1。它們形成以後就以自己固有的速率進行衰變,而且U要比U衰變得更快。因此地球上鈾的這兩個同位素的豐度比是1:137.88。根據這兩個比值,我們可以估算元素的年齡為66億年。盡管不同的理論對鈾同位素形成時豐度比的估算存在著差別,但這一年齡不會小于50億年。

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現代鉛

鈾的兩個放射性同位素U 和U衰變而成Pb和Pb。但沒有任何一種放射性同位素衰變形成Pb。因此Pb 的量在地球形成以來是不變的。這樣Pb/Pb和Pb/Pb 兩對同位素比值在地球歷史上將不斷成長。地球上形成的大洋沉積物,以及島弧地區的火山岩和方鉛礦是各大陸地殼和地幔物質經過充分混合後形成的,因此它們的鉛同位素組成可以近似代表現代地球鉛的平均組成。 地球現代鉛同位素的最佳測定值為αp(Pb/Pb)=18.700~18.773,βp(Pb/Pb)=15.600~15.628。如果取地球形成時的原始鉛同位素組成相當于隕石的原始鉛(根據鐵隕石中一種不含鈾的礦物即隕硫鐵的鉛同位素α0(Pb/Pb)=9.307,β0(Pb/Pb)=10.294),由于這兩種衰變系列都是從鈾衰變為鉛,因此可以從放射性衰變公式導出如下的關系式:

(1)

式中λ′和λ分別是U和U 的衰變常數。從公式(1)可以計算出惟一的未知量地球年齡T0。計算表明T0為44.3~44.5億年。

礦石鉛

在地球歷史上,從37億年前到現代的各個時代都形成了一些含方鉛礦的層狀礦床。這些方鉛礦的鉛是在不同時間ti地殼地幔中分異出來的。因此它們可以代表地球各個時期的平均鉛同位素組成(αiβi)。如果將βiαi作圖,可以近似符合一條單階段的生長曲線(即它們是從U/Pb比值近于一致的岩石體系中分異出來的)

岩石鉛

在地球歷史的不同時期形成了大量火成岩,其中有不少岩體幾乎沒有受到晚期變質作用的影響。如果在這些火成岩的同一岩體中取不同的岩石樣品進行鉛同位素分析,就可以發現它們的鉛同位素組成βjαj之間往往存在著極好的線性關系

間接方法

對地球年齡最可靠的估計是借助于隕石的年齡測定。太陽系中的行星體大體上是在同一時間形成的。隕石是小行星破裂的碎塊。由于小行星體積較小,它的內部放射能一般不足以引起再熔融,因此隕石中的放射性衰變系列的產物記錄了小行星體凝聚的時間。如果將所有隕石的Pb/Pb對Pb/Pb作圖,則它們都落在一條直線上(Pb-Pb等時線)。地球的現代鉛也同樣落在這條線的附近。這進一步證明了所有隕石與地球是大體同一時間形成的假設。根據各類隕石及其不同礦物的Pb-Pb等時線計算表明,地球年齡為45.3~45.7億年。套用 Rb-Sr等時線方法對各類隕石的測定結果,年齡值也主要落在45.4~45.7億年之間。有兩個無球粒隕石已用Sm-Nd等時線法確定了年齡,為45.5~45.6億年。地球的衛星──月球是離地球最近的太陽系成員,它的內能也不足以引起強烈的熔融作用,因此月球表面仍保留了許多它形成時的原始物質。用Rb-Sr等時線法測得月球表面上最古老的岩石年齡為45.2~46.0億年,粉塵的年齡也達46億年。因此太陽系行星體的形成時間最可能是在45.5~45.7億年左右。

上述幾種方法都不同程度地依賴于太陽系所有行星體同時形成的假設。更精確的研究成果證明,太陽系行星體起源仍存在著小的時間差別,因此要獲得地球更精確的年齡值有待于進一步的深入研究。

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