本文作者：溯鹰

作者：溯鹰

第一章.回溯历史的历史

历史，一个厚重而宏大的字眼，人类所经往事的总集合。无论是有意无意被抬向高坛的光鲜形象，还是尚未在文明低谷里埋绝的世纪阵殇；无论是宽阔如大河般的编年主线，还是充满神秘色彩的传奇传说……历史的长卷中，总有太多太多吸引人们把目光投向往昔的理由。而对于以史为志的人来说，对这些纷繁沧桑的历史事件进行确切的的定位与编年，似乎总是一个能使他们心有归属的终极命题。不过好在文明史本身即是人类这个意识物种的发展史，历朝历代的历史学家们由此可以把心思主要放在考证古人们有意无意地留给后世的信息中，挖掘，解读，推论，编撰，最终为厚重的文明纪年留下一抹庄严的祭献。十载，千秋，一个世纪，十几个世纪，青史大卷几番书，溯觅轮辙见何年。

与历史学家们灯下读史的严肃身影相辉映的，则是人类群体中那群以不安分而出名的人——地质科学者。在史学家面对着漫漫黄沙中的文明遗迹或兴奋或叹息的时候，地质人却悄然走向人类文明史的界碑前，一个步伐迈出，留下一串设问。“文明史内的精确定年毕竟有人类意识所参与的遗留信息可供解读，可我们这边要去为没有人类文明存在的史前事件定年，我们又该怎么办呢？”

是啊，怎么办呢？永夜般的史前浩瀚渺茫，无际无期。何从下手？何从定位？无论从哪方面看，试图为动辄便以百万年为基本单位的史前某个事件[编年]，听起来都更像是一场虚幻的梦呓，一场不合时宜的意淫。然而，有太多事实却往往让我们不得不承认，人类——这个整天总把所谓梦想家挂在嘴边嘲笑的种族，其实恰恰最不乏的，便是一个又一个筑梦成真的实例。

在荒芜的史前永夜中第一次向人类伸出援助之手的，是化石。这些早已化为磐石的史前生命用自己的遗骸向人们诉出那悠远记忆中的一抹抹碎片。刚好在那个化石研究开始逐渐兴旺时代，近代生物学的先驱们又恰逢时宜地抛出了生物演化的时间理论——某个时代物种整体演化的复杂性总是与该时代距今所离的时光负相关。物种进化出的结构越复杂，距今的时光就越近。于是，人们得以在生物进化的曲线上，将它们生体构造复杂性的变化，转换为时光之晷上排列的刻度。随着一块块化石的出土，一片片拼图的完整，一个个证据的归位，人们渐渐开始知道，一个只有藻类漂浮的时期，怎么也不应覆盖石炭纪茂密丛生的蕨林，一个三叶虫和角石共舞的时代，怎么也不能晚于侏罗纪满地爬行的鲜活；一个始祖鸟振翼的天空，大概不会上演鱼儿登陆的大戏，而一个哺乳动物与被子植物交融共生的新时代，则终将替代中生恐龙们强权的帝国。

就这样，古生物工作者不懈地努力着，愈来愈精细的化石的出土了，模式种的建立也越来越完备了，按说，一切到了这里仿佛应该有了一个完美的解决方案，我们的故事也应就此打上一个饱满的休止符了。然而不。故事，终归还是遇到了一个无可避免的转折。我们应该看到，手握化石的地史回溯者们所做的不懈努力，似乎确实无补于古生物地层学一个先天的致命硬伤。甚至这种硬伤的表达实在太过简单，简单到直达这种体系的根基：生物的进化关系，向来只能确定生物所在的地层发育的先后。谁，又能指出这个具体的生物埋葬于哪一年呢？

就这样，以古生物地层学为基础的相对地质年代学，在为人类带来了古生物精密的演化结构后，却发现，在时空的广袤矩阵中，它甚至连自己的地址都无法准确锁定。相对地质年代学携手生物学经历了大繁荣后，却遇到了这个实在过于尴尬的瓶颈。在此之后，虽然对于绝对测年亦有过一些零星的实践与尝试，但由于缺乏令人信服的理论而终归无法形成成熟的科学体系。探寻史前时光的旅者们就这样再次陷入了史前无尽的永夜，他们，仍然需要用继续向前的脚步来寻觅永夜中真正的光明，寻觅那对绝对地史定年的终极向往。我们今天的故事，也由此正式开始了。

第二章.岩石中的放射系统——寻回逝去时光的定律

经历过漫长的寻觅之后，黑色的眼睛最终还是寻找到了那片远在彼方的新的光明。更有意思的是，这道让地史的探寻者们眼前豁然的光，的的确确也就是某种“光源”——它的名字叫做放射性衰变。

说到放射性衰变，大家肯定不会陌生，天然放射性衰变来自于放射性核素。无论是Caution！Caution！的警报音，还是黑黄庄重的放射性标识。无论是原子弹的惊骇，还是切尔诺贝利的殇痛…说起放射性，总是有太多太多的话题勾起我们讨论的欲望。而今天纳入我们关注视野的，则是这些危险小粒子们的某条至关重要的性质———或者换句话说，也就是那束将地质年代学的研究者们引向光明的神圣之光——而这束光，便是著名的衰变定律。

1902年，卢瑟福（Rutherford）和索迪（Soddy）成功地将衰变速率的大小与放射性核素的数目量度建立起了联系——放射性母体核素衰变为稳定子体核素的衰变速率，将在任何时候（t）都与放射性原子数目（N）成正比。换句话说，裁定时光尺度的终极信息，便压缩在这样一个小小的公式里：

-dN/dt=λN ┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ （2-1）

其中，N：t时刻体系中的放射性原子数目。t：时间。λ：固定放射体系的衰变常数。

既然地质学家所要的最终结果是时间t。我们自然可以积分这个描述状态演化的方程——在一个初始时刻t0给定一个放射性原子数目的初始值N0，然后向任意t时刻所剩余的放射性原子数目N进行积分，把dt移向右侧，积分该式，我们将很快发现，速率已被立即绕开，魂牵梦绕的时间因数，已经豁然进入我们的面前——

N=N0e-λt ┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ （2-2）

正是这个公式，彻底让地质年代学家们兴奋了。

当然，走到这步，你可能会感到奇怪，一个在核物理学中用以推测放射性元素衰变的公式，怎么又能跟地质学的年代测定联系起来呢？上式中确实没有任何具有地质意义的信息介入啊。

其实这个问题是不难回答的。众所周知，大多数放射性核素在自然条件下基本都赋存在岩石圈中，赋存在岩石圈的具体岩石系统内。而具体的岩石系统的生成，又往往总是跟或大或小的地质事件的诱发分不开。那么，如果我们现在能够知道在某地质事件发生时，有多少放射性核素存储入由该地质事件所诱发产生的岩石系统——N0，并通过测定再了解出经历漫长的放射后时至今日它们还剩下多少——N，那么代入公式，我们便可知道地质事件的发生距今所经历的绝对年龄了。

诸位也许可能会问，测定当今剩余的放射性原子数目当然好说，然而我怎们能知道在遥远的远古，当岩石生成时其中包含有多少放射性原子呢？这个值我们固然无法测定，然而，我们知道放射性母体会通过单程衰变或分支衰变变成一个或多个衰变子体。那么，只要我们能够测定现今的某岩石体系中保留多少衰变子体D0，不就可以求出迄今为止有多少放射性原子发生衰变了？然后，再将之加以当今所剩余的放射性原子的数目，我们便可以知道岩石生成时其中拥有多少放射性原子了（N0=N+D0）。
因此，式子可以变化为

N=（N+D0）e-λt ┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ （2-3）

有了核物理学的支撑，地质学家们惊奇地发现，开启精确的史前定年之门，居然可以来的这么简单。一个公式，单枪匹马地便能解决战斗。只要我们能够找到N和D0，代入上面的2-3式，时间t岂不是成为探囊取物了？

故事当然不能这么轻易结束。科学者天生的直觉告诉他们，当一种看似简单的理论摆在眼前时，一般往往得做好为这种简单的理论寻找不简单的实际材料和数据的准备。已经知道用什么方法探囊取物，并不代表我们不费心思就可以找到那个装着我们想要的“物”的“囊”。怎么搞掂这个事儿，才是“绝对地质定年”这个故事中真正高潮的章节。

上文已述，放射性元素只有在稳定地赋存入岩石系统中才可以成为定年材料。而岩石系统就是这个囊。讨论如何找这个“囊”，实质上便是讨论放射性元素怎样赋存入岩石系统中、在赋存后怎么在亿万年中保持公式的适用条件又能让人们方便地获取等等一系列问题….再往前走一步，最根本的问题便是一句话——“我就是想要年代学数据，你就说吧，哪一种石头最靠谱！”

瞧，果然不简单。绝对地质年代学虽然在理论上装备了“核物理解决方案”，但是，地质的问题，终归还是要回到地质上去。下面，我们先解决放射性同位素如何寄存在岩石体系中这个最基本的问题吧。

放射性同位素所呆的地方既然是岩石圈，那么任何元素肯定不能凭空地漂在空间中——它们得住在岩石里。而岩石又被定义为天然矿物（天然存在的单质或化合物的晶体）的集合体，那么所谓赋存入岩石体系，对于原子来说，实质便是赋存在构成岩石组分那些矿物的晶格里。对于大部分克拉克值（元素在地壳中所占的平均比值）高的元素来说，它们很容易便可以单独或“成编制地”与其他克拉克值较高的元素构建晶格，形成独立的矿物，比如碳元素的规律排列可以形成金刚石（Dia，C）或石墨（Gra，C）；硅与氧的规律排列则可以形成石英（Q，SiO2）；钾离子规则填充硅氧铝搭成的格架则可以形成钾长石（Or，KAl[Si3O8]）等等。而对于丰度极小的那些放射性元素呢，天然的“稀有动物特性”，总是让它们不太容易能“形成气候”。屋漏偏逢连夜雨，它们又有着活跃的物化性质，从而让他们无法稳定地在岩石圈自己“注册晶格”而成为“矿物俱乐部的会员”。这个时候，它们在地壳中的富集状态就只有窘迫地寄生——寄生在其他矿物的晶格里，取代正常矿物晶体中粒子的位置。对于这种性质，地质上称之为[类质同象]——晶体内部某些晶格中的质点被其他粒子质点所替代，而保持原有晶格，不改变原有晶体相的性质。这样的说法多半有些拗口，不过还好，[类质同象]的另一种称谓想必大家也可能更熟悉一点——因为一般，对于类质同象物来说，我们也会称其为[固溶体]。

放射性同位素呈寄居状态漫布于岩石圈中并不意味着粒子们没有“忌口”。那些蜗居的小粒子们其实是很有原则的。没有人会觉得235-U会把石英中的一个硅原子踢掉然后自己在晶格里住下来，也没有人会觉得87-Rb能把煤层里石墨中的某个碳撵走然后进去陪剩下的碳建立它们的蜂巢晶格——化学家们可能会给你们讲出一堆为什么小粒子们不会这样做的理由。由于化合价，键性，原子半径大小等诸多原因，具体的放射性同位素一般只会取代与之性质相似的多量元素。所以，这些多量元素所形成的矿物晶格，便往往成为一个优良的定年矿物的备选项。

当然，这只是开始，仅仅具备能让放射性同位素“住下来”的条件，仅仅完成了寻找一个优秀的“囊”的第一步。更加苛刻的条件还在后面。一般来说，对于采用何种矿物进行放射性同位素定年，我们会遵循下面的几条原则：

一、体系匹配。
我们要找到的囊，必须拥有我们想要的粒子，如果研究U-Pb系，就肯定不能去考虑赋存Rb-Sr体系的矿物；如果研究Ar-Ar系，就根本不能去考虑Sm-Nd系的矿物。

二、量度足够。
这个囊不光得能让它们住下，还要住的稍微多点，要大辟天下寒士——毕竟，卢瑟福老爷子说了衰变是一种可能性的量度。既然最后要的是对概率的吻合，那么肯定多一点样本得出的信息才具有统计意义嘛。

三、放射子体初始含量低。
鉴于最后要统计放射性子体的量，因此，在矿物形成时，放射子体元素粒子数要尽可能地少。

一旦放射性子体拥有初始数量，那么在后期的测定中便要设计一堆办法去排除这种固有干扰，徒增绝对定年的难度与精确度。一个理想的矿物体系，赋存的原始子体元素量应该接近于零。

四、对保存性能好，不易流失。
这个囊不光得大，还得足够好，对放射体系封闭，这是一条很重要的原则。正因为在公式中粒子的数量是关键数据，所以，从放射时钟开始计时起便必须保证岩石维持对放射体系的封闭。这放射钟最终能“走准时间”的必要条件。总之就是别住着住着粒子们说流走便流走了——你人都溜没影儿了我怎么进行人口普查啊。

五、本身要性质稳定。
既然是我们当今的人去测定多少个百万年前的数据，那么必然要求矿物本身要在时光的洗礼中果断坚挺才行。可以把粒子保存的很好这固然需要赞许，但是走着走着别把自己弄丢了啊。这事儿也不小了。

于是，这么多的限定条件堆在面前，究竟什么囊好呢？没有光的时候，地质学家们在黑暗中苦苦寻觅着要得到光，而现在瞬间满地光斓的时候，在睁不开眼的光芒中他们又突然发现买方市场有时候也不是好当的——在太多的选项中进行筛选的过程，同样也是一个十分令人纠结的事情。

第三章.锆石—原子能动力的“纪元秒表”

好在地质学家们一直苦苦追寻的目的是为了一条可以使用的理论。而在追寻到理论之后怎么找囊这点，地质学家们随手便可以抄起看家本领了。于是，岩石学矿物学地球物理地球化学一齐上阵，很快便把一种种优良的囊推入了可供选择的视野。我们今天要介绍的主角，便是这一种种承装时间的锦囊中的一种。它便是绝对地质年代定年工作的标志性代表——锆石，以及它所带来的U-Pb测年法。它是一颗如此明亮的新星，以至同位素地质年代学发展迄今尚且白驹过隙，而“锆石铀铅”四个字儿，却已经几乎成了每一位现代地质人嘴中离不了的话题了。

要知道地质学家为何如此钟情于锆石U-Pb，还得先说说这个锆石究竟是何许人也。

锆石（Zircon），是锆的硅酸盐化合物，矿物符号Zc，化学成分ZrSiO4，以独立硅氧四面体和锆离子相互结合，而形成粒子晶体。其硬度高达7.5，无色或因含有各种杂质粒子而呈现各种颜色。具金刚光泽。完整的单体晶形常呈四方柱和四方双锥。

【图3-1 锆石】

作为一个选择者，单看这样一份简历你可能找不到必须要留下它的理由。不过没关系，各位且不要着急，紧接着亮点即将出现——锆石的晶格中的阳离子Zr⁴⁺常可被U⁴⁺、Th⁴⁺的离子进行类质同象置换，而对于一般呈二价产出的Pb离子相容度极低。一句话，锆石富含U、Th而初始铅含量极低。

这个信息果断亮了。还记得第二章最后我们所提到的一个理想的囊所必须具备的条件吗？U这个家伙虽然稀有，但由于半径特大和化合价较高的缘故，它并不被大多数晶体体系所待见。而Zr⁴⁺则很对它的胃口。键性相同、价位相同，离子半径又差别不大，它的放射子体Pb呢，又由于离子价位不同而基本无法在晶格形成时进入锆石晶体的殿堂，只能允许放射后形成的子体Pb因天生就成于其中而获得天生的公民权。这性质几乎对U-Pb放射体系完美，所以几乎单单这一点，就已经可以把一堆U-Pb体系拒之门外了。

当然，这还不够。锆石的胃口很大。它还需要亮出自己真正的王牌来最终俘获地质学家的芳心。

第一张王牌便是它自身极其稳定的化学性质。而这种稳定的化学性质则得惠于Zr⁴⁺离子不活泼的化学性质以及锆石本身岛状硅酸盐的稳定晶体结构。

岛状硅酸盐究竟是何方神圣大家平时可能不太耳闻，众所周知，我们所生存的生物圈是一个由碳基所构成的大千世界，而我们脚下的岩石圈却是由碳的兄弟——硅所统治硅基帝国。在碳基系统里，碳链可以形成各种复杂多彩的组合，从而最终创造出有机世界的绚丽；而在硅基世界中，碳的这位同组兄弟硅也同样有着不输给碳的大气，它们同样能用丰富的“单元架构”作为原材料进行各种组合，从而建立起了在多样性足以媲美于生物圈的岩石大世界。只不过，在有机界，各种各样链子的核心仅仅是碳，而在无机界，多样骨架的组合单元却不是一个简简单单的硅——而是——硅氧四面体。

锆石使用的便是其中一种叫做岛状硅氧四面体的系统。这种独立分布的硅氧四面体确保了基本单元可以与阳离子用高度的秩序排列共生，共结成牢固的网格，而不像辉石和角闪石这种链状硅酸盐一样，用硅氧四面体组装成长长的链条结出长长的晶体——这是相当不稳定的，那么长的链子，稍微哪个地方一断就要“掉链子”变成别的东西。连辉石角闪石这种造岩矿物都不太容易经得住外界“诱惑”，那就更不用说云母这种软如胶片的层状硅酸盐了。

【图3-2 硅氧四面体的各种结构】

化学性质稳定，最直观的好处就是使得锆石具有相当强的耐化学风化的能力。任凭环境再怎么恶劣变化，我就是不与你环境发生化学反应，这种“清莲般得秉性”保证了自己晶格结构的完整，最终成为了脆弱的U-Pb体系成功的守护者，使之在时光的吹洗中长时间保存下来，从而成为跨越百万纪年的“石时计”。

第二张王牌则同样来得很绝。

如果说化学性质的稳定主要用来抵抗各种天然化学反应的话，那么物理性质的稳定，则是锆石在外生地质作用这个“体术”修罗场上保存自身的资本，是“物理防御力”。

说起外生地质作用，大家最直观能想到的便是侵蚀与打磨。毕竟在侵蚀-搬运-沉积系统这个大熔炉里，一个矿物99%以上的机会都是在与常见矿物打交道。每一次打交道都是实实在在的石头碰石头——硬碰硬。这种硬者生存的“石林法则”已经宣告了多少“英雄”悲情的退场。所以，石英这个“岩石圈第一矿物”之所以能泛滥于地表各种剖面，不仅仅是由于它在岩石圈广泛的发育，这跟它化学性质和物理性质的稳定也是不能分开的。而锆石呢，有着7.5的摩氏硬度，基本完杀所有常见矿物不说，连一路坚挺而赢得了最大分布量的石英（摩氏硬度7）都对它无可奈何。

正是物化性质的稳定给锆石带来了大受地质学家青睐的硬资本，不过现在就为它祝贺为时可尚早，因为第三张王牌，也是最后的王牌，还没有亮呢。

第三张王牌则是以前两张王牌为因而得到的果。我们知道，岩石圈总共就只有三大岩类，火成岩、沉积岩、变质岩。这是岩石的全集，所有的地球活动事件，在岩石圈最终留下的信息也只能在这三大岩类中予以保留。谁能在三大岩类中普适存在，很大程度上决定了谁能最终成为地质实验室仪器上的座上宾。咱们的锆石表现给不给力呢？不妨在三大岩类中做一个调查看看吧

先说火成岩。本来，从成因矿物学上，锆石便形成于中酸性火成岩如花岗岩中。有时候，手标本大小的花岗岩甚至可以挑出几千颗锆石来。听到这个，岩浆岩学家们肯定会兴奋了——如果他们想知道某次岩浆事件的年龄，有了锆石，谁还用愁呢？

继续沿着岩石演化的一般规律往下走。火成岩生成后，经历风化搬运堆积则成为沉积岩。而上文已述，锆石具有着坚挺的物理性质。这可以让它在火成岩母岩收到风化磨蚀之后，能够一路凯歌地保存在沉积物中，从而顺利地被陆缘碎屑沉积岩所继承。这个时候兴奋的则该是沉积学者了——你看，沉积地层的形成年龄也不愁了吧。什么？你说锆石是在岩浆期形成的，沉积这种物理继承性赋存并不能成为体系计时的起点？没关系。跟生物一样，锆石也相信“存在即是胜利”这个铁的法则。虽然我确实是来自于早就生成的风化母岩，但是我只要能在你沉积物中保存下自身，那么当你经历成岩作用的时候，我便能够汇拢孔隙流体中Zr离子和二氧化硅，从而让自身的晶体加大增生啊——这种情况在地质上称之为次生加大。这个时候，实验者只要避开锆石的原生晶界，操纵仪器照着锆石晶体的加大环边打，便可以知道沉积成岩的年龄了。

沉积埋藏的结局是进入变质作用的界限。最后便轮到变质岩学家来评测了。化学性质是否稳定是变质学家需要考虑的第一信息。但是锆石不是问题。正如上文已论，锆石稳定的化学性质使其即使到了高温高压的变质带依然能不怎么屈服于环境，相反，还能在变质作用中广泛存在的流体中趁机接受变质热液来完成对自身的次生加大。这下很好嘛。变质期次的年龄也不愁了啊。

地球上的岩石总共也就分这么三大类，所有的地质信息，几乎绝大多数最终都将以具体的岩石作为物质依托来存储，这样一来，在一定程度上，如果我们知道了跟某件地质事件相关所形成岩石中的锆石所给出的年龄，我们不就能对很多地质事件作出兴衰转合的限定性解释了吗？

岩石学的孪生姊妹是构造地质学。而大地构造则是地质学家们了解地壳运动变迁的终极命题。大规模的板块运动注定不是一朝一夕的事情，每一幕都是一个个“让生物都等得灭绝了”的漫长过程。但是我们知道，每一次这种大构造运动的开场或者终幕都注定会伴随一定岩石生成物来作为岩石圈对这次构造运动的物质响应啊。如果在这时，我们把锆石的年龄拿出来，在很大程度上，不就等于基本限定出了构造事件的年龄吗。

这便是锆石真正最强大的王牌——在相当大范围内无所不能的普适性。至此，科学家们成功地通过放射性核物理大大地发展了绝对地质年代学，而绝对地质年代学又最终成功与大地构造学挂上了钩。不得不承认，这是一次真正字面意义上的“历史”性的握手——这是放射性同位素衰变的历史，与地球事件历史之间的握手——而这次“历史”性握手所催生的，则是放眼望向史前大地的人们真正所拥抱的光芒——一部宏大的纪元编年史。

于是，在一批批新生的地质学子们阅读地质年代表的朗朗书声中，我们仿佛可以听到同位素之钟正在滴答滴答地敲响，射线仿佛指针般划过每一颗锆石晶面，在生动的今日留下亿年时光早已凝固的辉煌余韵。

寒武纪，起始于540个百万年，结束于490个百万年，
奥陶纪，起始于490个百万年，结束于445个百万年，
志留纪，起始于445个百万年，结束于415个百万年，
泥盆纪，起始于415个百万年，结束于360个百万年...

Fin.

参考书目