岩石里的时钟

我们怎么才能量化岩石和化石的历史呢，例如用百万年为单位？这个方法被称为数值定年原理（曾被错误地称为“绝对定年”）。大部分砂岩、页岩、石灰岩和其他层状沉积岩都不能直接定年，因此必须用另一种方法来处理：放射衰变。这种放射性原理发现于1896年，到1913年的时候，地理学家就已经发现了该如何利用这种方式来确定岩石的年龄。

这种定年法所需的第一步是岩石熔化成岩浆，岩浆冷却后变成晶体，形成火成岩。你可能看过岩浆喷发后变成火成岩的视频，例如变成熔岩流的夏威夷黑色玄武石，庞贝维苏威火山和华盛顿圣海伦火山爆发后的漫天火山灰。其他岩浆冷却极慢，例如花岗岩。铀—238、铀—235和钾—40等放射性元素一开始会在熔岩里流动，但最后会随着结晶形成和冷却而停留在结晶里，如同被关入晶体牢笼。在漫长的时间中，放射性“母体”原子开始自发衰变成“子代”原子。例如铀—238衰变成铅—206，铀—235衰变成铅—207，钾—40衰变成氩—40。人们已经精确探索出了各元素的衰变速度，因此科学家只需要检测晶体里的母代和子代原子的数量，就可以通过它们的比值来推测放射性元素像时钟一样“滴答”活动了多久。

但使用数值定年法的前提是在含化石岩层之上、之下或之间有火成岩（例如火山或熔岩流）形成，这样才能用火成岩层的年龄来为处于其上或其下的含化石岩层推测历史。例如，在含化石哺乳动物的落基山脉和高地平原岩层中（图1.2）有很多火山灰沉积物。这在为大多数北美哺乳动物化石精确计算形成年代的过程中发挥了很大作用，使我们能在计算数千万年前的化石形成年代时，误差不会超过10万年。

需要火成岩来为含化石沉积物定年这一原则也有一个例外，即众所周知的碳—14法。不过碳—14的衰变非常迅速（每过5370年，就有一半的初始碳—14母代原子衰变），因此该法只适用于历史不足6万年～8万年的物体。超过这个时间之后，放射性碳“时钟”就消耗殆尽，无法再用于定年。因此，放射性碳定年法只能用于历史不足8万年的样本，即在上一个冰河时代中形成的样本，或在上一个冰河时代结束后1万年里形成的样本。可见受益于放射性碳定年法的研究者只有以上一个冰河时代为研究对象的地理学家和古生物学家，以及致力于研究过去8万年间人类演化的考古学家和人类学家。不过碳—14有一个巨大的优势，它能够直接为样本定年。只要历史够短，那含有碳的物体（骨骼、木材、陶器、纤维和很多其他材料）就都能用该法测量。而使用钾—40/氩—40化石定年法时，含化石的沉积物就必须和火成岩互层。但从另一方面来说，钾/氩法既能测量和地球同寿（46亿年）的化石，也能检测只有100万年历史的样本，因此大部分地理研究和哺乳动物演化研究中的定年工作都采用该法。