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摘要：通过地层层序律、切割穿插关系和生物地层律我们可以得出地层、地质事件和古生物生存年代的先后关系。利用放射性同位素衰变可以确定地质事件的绝对年龄。沉积岩的定年则是与火成岩（如岩脉、火山灰）联系起来，利用沉积地层中化石组合可以确定多个化石地层的年龄。此外地质时间尺度是一项正在进行的动态变化的工作，随着新信息的出现，它会不断得到完善。

关键词：地质时间；14C定年；放射性同位素；热释光定年；化石

1.地质年龄的基本知识

1.1 相对年龄与绝对年龄

获取一个准确的年代对描述环境变化、生物演化、地质构造等诸多科学问题是不可或缺。在放射测年技术发展之前，只能依靠相对测年。相对年代法将事件按时间顺序排列，为地质学家提供了解释地质历史、确定相对地质时间尺度的手段。相对定年的六个基本地质学原理包括：地层垂向叠加定律（Principle of Superposition）、原始水平定律（Principle of Original Horizontality）、横向连续性、切割穿插定律（Principle of Intrusive Relationships）、包裹定律和化石定律（Principle of Faunal Succession）。1669年意大利学者斯丹诺（Nicolaus Steno）提出了著名的地层层序定律，他观察到，在雨季河流泛滥时，河水会蔓延到洪泛区并沉积地层，掩埋先前的植被、地层。在洪水退去，先前的沉积物上叠加了新沉积层，地层埋深成岩后，新的沉积岩即形成。在未受干扰的沉积岩层演替中，年代较老的地层在年代较新的地层之下，即原始产生的地层具有下老上新的规律。Steno还观察到，沉积颗粒重力的控制下在水中沉降，地层形成时一般是水平或者近水平的，在沉积成岩后期可能会发生倾斜。Steno的第三个原则，即横向连续性原则，指出沉积物向各个方向横向延伸，直到变薄在沉积盆地边缘终止，或被构造挤压出露（图1）。詹姆斯·赫顿（James Hutton）在苏格兰岩石露头中观察到岩浆岩、断层侵入沉积地层，判断岩浆岩比沉积岩要年轻，故提出切割穿插定律。化石演替原理是指不同时代的地层含有不同的化石，含相同化石的地层时代相同。时代老的地层中古生物化石形态、结构简单。此外，包裹关系定律也被用来确定相对年龄。这六个基本地质学原理为地质学家提供了岩石单元对比的方法，并确定了相对地质历史。

如图2所示，Mesaverde组岩脉和莫里森组（Morrison组）岩浆岩切割了Mancos页岩，其年龄可通过放射性测年法确定。岩浆岩之下沉积层显然形成于火山活动之前，而岩浆岩之上的沉积层形成时代较晚。该岩脉比Mancos页岩和Mesaverde组更年轻，但比Wasatch组更古老，因为该岩脉没有侵入最顶层。根据这些类证据，地质学家估计莫里森组地层形成于1.6亿年前，而顶部的瓦萨奇组（Wasatch组）的沉积是在6600万年前水流入侵之后开始的。这是成千上万个例子中的一个，说明了如何使用各种事件来判断相对年龄，也显示了实验室测年方法与岩石实地观测相结合的必要性。

1.2 地质时间

地球46亿年的历史可以细分为许多不同的单位，这些时间单元与过去的地质事件一一对应，具有实际意义。如图3所示，地球上已知最古老的岩石的年龄大约是38亿年的冥古宙时期，冥古宙这个名字来源自希腊语Hades，意为“地下世界”，指的是地球早期历史上普遍存在的“地狱般的”环境。大约5.42亿年前开始的时代是显生宙（希腊语，意思是“可见的生命”）。显生宙的岩石和沉积物中含有大量的化石，记录了主要的进化趋势。显生宙由古生代（Paleozoe，ancient life）、中生代（Mesozoe，middle life）和新生代（Cenozoe，recent life）组成。顾名思义，这些时代是以世界范围内生物种类的剧烈变化为界限的。

1.3 前寒武纪的时间问题

在5.41亿年前的寒武纪开始之后，地质时间尺度的记录详细起来。寒武纪之前的近40亿年被简单地称为前寒武纪，包括太古宙、元古宙两个时代。这段占地球历史88%的时代没有被详细划分呢？就像人类历史一样，我们对过去十年的了解远远超过对公元初期的了解。同样在地球历史上，最近的地质记录可直接观察、保存完整，而早期的地质线索支离破碎。一方面，前寒武纪简单生命占主导地位，如藻类、细菌、真菌和蠕虫，他们常缺乏坚硬壳体，仅极少量化石保存下来，对其研究极为困难。其次前寒武纪岩石非常古老，在后期漫长的地质演化中经历了改造甚至变质作用，原始沉积的线索遭破坏，使得解释过去的环境变得困难。放射性测年法已部分解决了前寒武纪的难题，但了解复杂的记录仍然是一项艰巨的任务。

2.测年方法的发展

通过地层层序律、切割穿插关系和生物地层律我们可以得出地层、地质事件和古生物生存年代的先后关系，那么如何确定绝对年龄呢？人们对原子核变化的了解使我们能够确定漫长的地质年代。原子结构中中子数量的变化导致同位素形成。如铀原子由于中子数量的差异，形成三种同位素：铀-234、铀-235和铀-238在自然界中是混合存在的。然而一些同位素中质子和中子结合作用力偏低，原子核不稳定会自发地分裂并释放能量，即放射性核衰变，直到产生稳定同位素。1903年，皮埃尔·居里和玛丽·居里夫妇发现放射性衰变，地质学家终于有了一种解释地球内部热量的机制，它不依赖于熔岩残余冷却，可以确定地质事件年代。

2.1  放射性碳同位素测年

1940年，美国科学家马丁·卡门和同事山姆·鲁宾发现了14C，7年后，芝加哥大学的Willard F. Libby因发明14C年代测定法而获得诺贝尔化学奖。此后考古、地质和水文中令人头疼的定年问题有了革命性突破。

碳元素（C）有三种天然同位素：12C、13C和14C，其中12C、13C是稳定同位素，14C是放射性同位素。高能宇宙射线粒子轰击高层大气气体的原子，将其原子核分裂成质子和中子，其中一些中子被氮原子吸收，产生了新的元素14C。这种在上层大气中形成的碳迅速融入到碳循环中。植物通过光合作用借助大气中的二氧化碳生成含碳有机物，动物通过呼吸、食物摄入获得大部分碳元素（图3），另外溶解的碳进入海洋，这样水圈和生物圈中都含有宇宙辐射成因的14C。CO2在有机体和大气中所占的比重是相同且稳定不变的，即约有99%的12C，1%的13C，而14C则只有万亿分之一，通过碳循环在所有生物体中均匀地传递。生物在活着时通过新陈代谢作用使衰变的放射性碳不断被替换，14C和12C的比例会保持不变。而生物一旦死亡，14C的摄入停止，12C、13C在机体里就固定下来。由于14C 原子核不稳定，以有规律的速率释放出β粒子后变为稳定的14N原子，其浓度逐渐下降。放射性同位素在相同的时间以固定的比例进行衰变，且不受气候或环境的影响。14C的半衰期约为5730年，意味着5730年后，只有一半的原始14C将被保留下来；1.146万年后含有只有25%的14C和75%的14N。利用这个原理，科学家们从发掘的古生物遗体或骨骼上，取下一些样本，通过超低本底液体闪烁谱仪和加速器质谱仪等仪器，检测总碳中β颗粒的释放率，或12C、13C和14C粒子的含量，从而获得14C与12C、13C的比例关系，最终计算木炭、贝壳、树木和毛发在内的各种有机物组织的年龄。

碳十四（14C）测年方法问世近80年来，通过不断引入新技术和应用实践而日臻完善，精度也逐步提高。尤其近年来14C测年在良渚遗址、三星堆“祭祀坑”等考古学中的成功应用，使得14C测年再次出圈。死海古卷被认为是20世纪最伟大的考古发现之一，亚利桑那大学的研究人员使用14C定年法来确定死海古卷的年代，结果显示卷轴上羊皮纸年代为公元前150年到公元前5年，与部分卷轴上记录的日期相符。利用14C定年的一个成功例子是澳大利亚新南威尔士古蒙哥湖边沙丘中的古人类遗迹定年（图4）。现今该区是一个不适宜居住、长着参差不齐的耐盐灌木和杂草的干旱平原地区。在1969年，考古学家在澳大利亚悉尼以西1000公里的蒙哥湖（Lake Mungo）挖掘出一些经历过挤压、火烧的人类骨骼碎片，其被称为蒙哥湖1号女性。用14C对骨骼的硬骨质磷灰石定年为1.9万年，对软组织定年为2.47万年，对骨骼碎片附近沉积的木碳定年为2.65万年。考古学家极为兴奋，认为这是澳大利亚最古老、可能经历过火葬的人类。

图3 碳-14的循环过程：在高层大气中形成14C，被植物通过光合作用吸收，并通过食物链被动物吸收扩散进入所有生物体的组织中。14C的摄入在动植物死亡时停止，并通过β衰变衰变回到14N，14C的量以已知速率衰减，测量残存在样本中的含量就能确定年代

图4 蒙哥湖（Lake Mungo）人类残骸。2003年2月，科学家宣布新检测表明蒙哥（Mungo）人死于4万年之前，与之前其他科学家用其它定年法测得的6.2万年不同。然而，这两次的定年结果都与最早对这些遗迹进行的碳14定年结果不一致

不过基于实验室的14C测年依然可能存在误差，（1）测试标本易受到土壤、水等的成因污染，会在标本中添加碳，影响到测量值的准确性；（2）测年假设大气中的14C/12C比值随时间变化是恒定的，实际上受太阳活动、地球磁场变化的影响，大气中14C的含量随时间发生着巨大的改变。历史时期特殊环境变化会影响碳平衡，如火山爆发、洪水活动会导致14C含量的显著波动，如洪水淹没大量富含12C的动植物，导致14C/12C的比值较低，这将使测量的年龄偏大，局部误差甚至超过数万年。（3）目前大多研究使用的14C半衰期是5730±40年的“剑桥半衰期”，由于14C在物体中本来含量就极少，年代越久远就越稀少了。这意味着经过8-10个半衰期后，剩余极少的14C很难被仪器检测到，从而也决定了测年的上限是4万到5.5万年。

2.2  放射性同位素的衰变与定年理论

化石和岩石的年龄动辄数亿年甚至几十亿年，地球的年龄有46亿年，那么化石、岩石年龄和地球年龄是怎么得来的呢？其实，虽然14C无法测定超过5.5万年的化石岩石，但给人们很大启发。既然放射性同位素14C可以测定年代，其它放射性同位素还有很多，有的半衰期很长，能否用半衰期更长的放射性同位素来测定更古老物质的年代呢？

尽管放射性衰变测年法的基本原理很简单，但其过程却相当复杂。一些元素在从不稳定态到稳定态的转化只经历一个衰变过程。如铷87通过一次发射衰变成锶87，钾40通过电子捕获衰变成氩40。其它多数放射性元素经历多次衰变才转变为稳定态，如235U经过7个α衰变（释放α粒子）和6个β衰变（释放电子）形成207Pb，而238U在最终形成206Pb之前，形成13个中间不稳定子产物（图5）。放射性测年法是可靠的，因为许多同位素的衰变速率已经被精确测量过，并且在地球之外太空背景下的物理条件下依然不变。

世界上最早的考古遗址年代之久，远超过14C测年的上限。考古发现古人类遗址与冷却火山熔岩碎片或火山灰直接伴存，这使一些著名的早期遗址，如肯尼亚东图卡纳的图卡纳湖直立人遗址（近200万年）、坦桑尼亚的奥杜瓦伊峡谷灵长类动物的头骨遗迹（近2500万年）的测年得以实现。科学家很快发现自然界中存在的许多放射性同位素中，有多种已被证明在测定古代岩石的放射性年龄方面特别有用。

图5 铀作为地质时钟的示意图：238U通过镭、氡、钋和其他中间元素到最终产物206Pb的衰变链，作为衰变系列的中间步骤，产生了许多不同的同位素，每一次放射性衰变都伴随着氦的释放。

铀-铅（U-Pb）和钍-铅（Th-Pb）系列是最常用的放射性同位素定年方法，主要用于测定古代侵入火成岩、月球样本和一些陨石的年龄，后文将详细讲述。铀-钍（U-Th）定年法也较为常用，铀在地表水中溶解度极低，而近地表水沉淀的碳酸盐矿物通常不含钍。沉淀后微量铀会产生放射性230Th，因此利用234U/230Th比值就可以确定岩石的年龄。

钾（Potassium，K）元素大量存在于地壳中，细粒火山岩、长石和云母等矿物富含钾。天然钾中含有少量放射性同位素40K会缓慢地衰变为惰性气体40Ar，其半衰期约为13亿年。Ar作为一种惰性气体，能在火成岩形成的时候迅速挥发。因此结晶形成的火山岩中40Ar含量几乎为零，40K将持续发生衰变，每100个衰变的40K原子将有11个生成40Ar。钾-氩法通常用来确定细粒火山岩的年代，这些岩石中不能分离出单个晶体，需要将整个岩石粉碎，借助分光仪测量积累起来的40Ar的含量，进而对岩石的形成年代做出估算。

激光熔融的氩氩（40Ar/39Ar）定年是钾氩法的一种较灵敏的变体，所需样品量较少。通过中子轰击火山灰颗粒样本，稳定同位素39K就转变为纯净的39Ar气体，利用激光熔融将其释放出来后，通过质谱仪测定两种氩同位素。由于岩石中40K/39K的比值是一个常数，因此利用40Ar/39Ar的比值就可以确定岩石的年龄。除了火山岩之外，氩-氩定年还可以测定变质岩的年龄。

钐-钕（Sm-Nd）定年是使用的是稀土元素147Sm和143Nd的比值，147Sm只经过一个α衰变就形成143Nd，半衰期为1060亿年。因此，在测定极古老的火成岩和变质岩以及陨石的年代时非常有用，常用来研究地幔的组成和演化。

2.3  U同位素测年示例

图6  235U和238U的放射性衰变对比：U是在6亿多年前的一颗超新星中形成的，235U和238U的产生比约为1.65。在大约4.6亿年前，这些物质被太阳系继承，地球作为太阳系的一部分。235U的衰变速率比238U要快得多，在238U衰变到原来的一半时，235U已经经过了六个半衰期以上。

铀元素（U）有三种天然同位素，234U、235U和238U，其中234U是稳定同位素，235U和238U则是放射性同位素。放射性同位素在相同的时间以固定的比例进行衰变，放射性元素235U它的半衰期约为7.04亿年， 238U衰变为206Pb的半衰期为45亿年（图6），第三种铅的同位素为204Pb，不是由放射性衰变生成的，可在测量中用作对比。放射性同位素238U、235U经系列阶段衰变生成子体核素（230Th，238U的子体）和镤（231Pa，235U的子体）本身也衰变，最终形成稳定的207Pb和206Pb。子体同位素的半衰期相对较短，从几十万年到几年不等。母体同位素的半衰期为几千万年。不同铀系列同位素测年范围可达几千年到50万年的，已被用于确定富含铀的岩石、深海沉积物、贝壳、骨骼和牙齿的年代，以及计算古湖床的年龄。

以钟乳石为例，母体铀（U）的三种天然同位素均溶于水，而其衰变产物子体却不溶。当铀同位素通过水体渗入石灰岩洞穴中，一旦溶在水里的含铀杂质的碳酸钙以钟乳石形式沉淀在洞壁或地面，随即母体铀的放射性时钟就开始启动。在其形成时刻，新形成的钟乳石中含溶解沉淀的238U和235U，而不含230Th和231Pa等子体不溶性物质。当沉积物最初形成后，两种同位素都没有进入或离开，衰变产物子体的同位素的含量只随着母体铀的衰变而增加，可以通过测量230Th/238U的比值就能确定钟乳石的年龄。

然而，像钟乳石类似的纯粹的自生沉淀物很少见，许多沉积物含有一些硅酸盐同源物质，其中238U与大量230Th处于长期平衡状态。软体动物和珊瑚只会吸收含溶解的含铀化合物，不含不溶解的镤。生物死亡后，次丰度的铀同位素235U衰变开始积累231Pa，半衰期为3.28万年，通过测量样本中 231Pa的含量就可来确定珊瑚的年龄。此外234U比其母体238U在水中的溶解度大，湖泊和海洋中过量的234U将会转移到软体动物或珊瑚等生物体中，这就是234U/238U测定的基础。

2.4 放射性衰变测年的误差

放射性测年始于火成岩，当岩浆冷却并结晶时，放射性母体原子与子体原子分离，稳定的子体与放射性母体原子的大小不同，一些母体原子被纳入矿物晶体结构中，而子体被排除在晶体之外，这样冷却的岩浆中结晶的矿物只含有放射性的母体原子。实际上测量的时间是含有放射性原子的矿物结晶的时间。随着新技术和新仪器发展，许多放射性测年的测量误差通常小于年龄的0.5%，在某些情况下甚至优于0.1%。因此，对于一块5.4亿年的岩石（接近寒武纪初期），可能的误差范围从近270万年到不到54万年。

放射性衰变测年的一个重要前提，自含放射性元素的矿物形成以来，晶体和周围环境之间为封闭系统，没有发生同位素泄露，元素比例变化仅受衰变控制。而实际情况并非如此，显而易见的是在钾-氩法中，氩是一种气体，极易从矿物中逸出，导致放射性年龄较比实际年龄偏低。如果岩石受到高温烘烤或强烈挤压（变质作用时常发生），氩气逸散程度将增大，那么钾-氩法测年确定的将是变质岩形成时间，而不是自矿物结晶以来的真实年龄。

2.5 热释光定年

光释光（Optically stimulated luminescence）测年于1985年被提出，目前已广泛应用于走滑断层活动、区域隆升、低温热年代学，以及黄土地层、海岸带变迁、考古、湖泊河流与沙漠演化等的年代学研究。沉积物经搬运稳定埋藏后其中的矿物颗粒（主要是石英、长石）不断接受来自周围环境中的放射性物质的衰变所产生的α、β、γ、宇宙射线等的辐射，晶体电子发生电离形成自由电子，随后被晶格中杂质原子或晶格缺陷形成的“电子陷阱”所俘而储存，长期的埋藏辐射使得矿物晶格中的“俘获电子”越来越多，矿物颗粒不断累积辐射能。辐射量随时间保持恒定，以均衡的速率积累，总能量将取决于暴露的全部时间。后期当这些矿物颗粒在天然或实验环境光照、受热时，累积的辐射能以光的形式激发出来，即释光信号，此时所测的释光信号为样品最后一次曝光后埋藏至今所累积的。通过加热而激发出的释光信号叫热释光（TL），通过光激发的释光信号叫光释光（OSL）。如陶器古文物器物，在它们被最初烧造时，“放射性时钟”归零，相当于重新设置了时钟（图7）。当对这些器物再次加热时，就能测量其放出的热释光，进而确定其时代。

光释光测年范围为距今100～15万年，这取决于石英矿物释光信号对环境剂量响应的饱和度、信号热定性和环境剂量率。需要注意的是，热释光定年的未知影响因素很多，其原理假设“存储”在矿物中的辐射量、辐射变化只受环境中的影响，环境中的辐射保持不变，矿物晶体对环境辐射的敏感度保持不变等。而所有这些因素都会受到水、热、阳光、环境中矿物质的积累或淋滤等诸多因素影响。

3.沉积地层定年方法

虽然在地质年代上已有同位素定年给出了精确的数值日期，但依然存在诸多困难：并非所有的岩石都可以用放射性衰变法测定年代。放射性定年要求所有矿物在大约同一时间形成，因此，可以利用不稳定同位素衰变确定火成岩中的结晶矿物、以及压力和热量变化在变质岩中产生的新矿物。虽然碎屑沉积岩可包含不稳定同位素颗粒，但沉积岩通常不能用来开展放射性测年，因为这些沉积物是由不同时代的岩石风化而成，组成岩石的颗粒来自更古老的物源剥蚀、运移形成，与岩石的年龄并不相同。一个特殊的例子是海绿石矿物，它是一种形成在100-300m深的浅海环境中含水的钾、铁、硅酸盐矿物，为成岩过程中与粘土矿物发生化学反应的结果。海绿石与沉积岩同时形成，放射性40K衰变成40Ar，对其定年可以获得沉积岩的年龄。那么如何确定沉积岩年龄呢？通常，地质学家使用相对定年原理将其与火成岩（如岩脉、火山灰）联系起来。

3.1 化石与生物进化方法

地球的年龄大约为46亿年，而地球上最早的原始生命出现在距今约38亿年。对于古生物埋藏的年代，一般采用地层分类，即生物地层年代。由于环境是不断变化的，生物也是不断演化的，所以每一个时代都有独特的生物类群，根据地层中的化石我们可以了解生物所生活的时代，例如寒武纪的三叶虫，奥陶纪的笔石，侏罗纪和白垩纪的恐龙，中新世的三趾马等等。因为地壳运动和其他一些地质活动，所以很多地方的地层并不是自地球诞生以来连续沉积的，通常都是有间断的。比如B地有三叠纪和白垩纪的沉积地层但是缺乏侏罗纪的沉积地层，A地恰好缺失了三叠纪的沉积地层，那么可以对比沉积地层中的化石将两个地方的沉积地层柱状图进行拼合，做出一个综合的地层沉积序列（图8）。同理，我们可以将世界各地包含生物化石的地层全部综合起来，这样就可以了解从远古到现代的每个地层及其包含的化石。

化石生物以明确的、可确定的顺序相互演替（图9），因此任何时期都可以通过其化石含量来识别。Charles Lyell试图用化石来确定地球的绝对年龄。他比较了新生代地层中海洋软体动物的变化量，与更新世冰期开始以来的变化量，认为自新生代开始以来已经过去了8000万年。实际上他惊人地接近了正确的数字，现代证据表明是6600万。然而，对于更古老的岩石，基于进化速率的时间估计就十分困难。主要是由于部分化石消失了，一些灭绝生物的进化速度也不知道。Charles计算的是生物产生的年龄，与地球的年龄相距甚远。

3.3 国际年代地层表

经过科学家们几十年的努力，发掘的化石种类和数量越来越多，伴随着测年技术的不断发展，科学家们对古生物存在的年代、生存环境等重大科学问题有了更加全面和深入的认识。在知道地层或者地质事件年代的早晚关系后，可以用各种测年方法获得一个绝对年代，把这些数据综合古生物以及地层等信息，就可以得出一个全球范围内的地层沉积序列。“金钉子”是指地球界线层型剖面和点位（GSSP），是地质学家按地球所有岩石或地层形成时代的先后，建立一套年代地层单位系统，每一个时间地层单位包括了在这个时间间隔内在地球上所形成的所有岩石和与其相关的地质事件。

如今科学家们已经制定了国际年代地层表，确定了沉积岩形成、古生物生活以及各种地质事件所发生的大致年代。但这依然是一项正在进行的动态变化的工作，随着新信息的出现将不断完善。对地球和环境是如何演变、生命如何演化等具体问题我们依然存在很多的疑惑，有待科学家们进行探索。

参考文献：

Peter van Calsteren， Louise Thomas. Uranium-series dating applications in natural environmental science. Earth-Science Reviews. 2006，75（1-4）：155-175.

Brian M. Fagan， Nadia Durrani. World Prehistory： A Brief Introduction （10th Edition）. 2019. Publisher：Routledge

Frederick K. Lutgens Edward J. Tarbuck. Essentials of geology 13nd. 2016. 468-525

基金项目：中国地质调查局项目“洞庭—沅麻盆地页岩气战略性矿产调查评价”（编号：DD20230323）资助.

作者简介：罗胜元（1986-），男，湖北武汉人，工程师