巖石里的時鐘

我們怎么才能量化巖石和化石的歷史呢，例如用百萬年為單位？這個方法被稱為數值定年原理（曾被錯誤地稱為“絕對定年”）。大部分砂巖、頁巖、石灰巖和其他層狀沉積巖都不能直接定年，因此必須用另一種方法來處理：放射衰變。這種放射性原理發現于1896年，到1913年的時候，地理學家就已經發現了該如何利用這種方式來確定巖石的年齡。

這種定年法所需的第一步是巖石熔化成巖漿，巖漿冷卻后變成晶體，形成火成巖。你可能看過巖漿噴發后變成火成巖的視頻，例如變成熔巖流的夏威夷黑色玄武石，龐貝維蘇威火山和華盛頓圣海倫火山爆發后的漫天火山灰。其他巖漿冷卻極慢，例如花崗巖。鈾—238、鈾—235和鉀—40等放射性元素一開始會在熔巖里流動，但最后會隨著結晶形成和冷卻而停留在結晶里，如同被關入晶體牢籠。在漫長的時間中，放射性“母體”原子開始自發衰變成“子代”原子。例如鈾—238衰變成鉛—206，鈾—235衰變成鉛—207，鉀—40衰變成氬—40。人們已經精確探索出了各元素的衰變速度，因此科學家只需要檢測晶體里的母代和子代原子的數量，就可以通過它們的比值來推測放射性元素像時鐘一樣“滴答”活動了多久。

但使用數值定年法的前提是在含化石巖層之上、之下或之間有火成巖（例如火山或熔巖流）形成，這樣才能用火成巖層的年齡來為處于其上或其下的含化石巖層推測歷史。例如，在含化石哺乳動物的落基山脈和高地平原巖層中（圖1.2）有很多火山灰沉積物。這在為大多數北美哺乳動物化石精確計算形成年代的過程中發揮了很大作用，使我們能在計算數千萬年前的化石形成年代時，誤差不會超過10萬年。

需要火成巖來為含化石沉積物定年這一原則也有一個例外，即眾所周知的碳—14法。不過碳—14的衰變非常迅速（每過5370年，就有一半的初始碳—14母代原子衰變），因此該法只適用于歷史不足6萬年～8萬年的物體。超過這個時間之后，放射性碳“時鐘”就消耗殆盡，無法再用于定年。因此，放射性碳定年法只能用于歷史不足8萬年的樣本，即在上一個冰河時代中形成的樣本，或在上一個冰河時代結束后1萬年里形成的樣本。可見受益于放射性碳定年法的研究者只有以上一個冰河時代為研究對象的地理學家和古生物學家，以及致力于研究過去8萬年間人類演化的考古學家和人類學家。不過碳—14有一個巨大的優勢，它能夠直接為樣本定年。只要歷史夠短，那含有碳的物體（骨骼、木材、陶器、纖維和很多其他材料）就都能用該法測量。而使用鉀—40/氬—40化石定年法時，含化石的沉積物就必須和火成巖互層。但從另一方面來說，鉀/氬法既能測量和地球同壽（46億年）的化石，也能檢測只有100萬年歷史的樣本，因此大部分地理研究和哺乳動物演化研究中的定年工作都采用該法。