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10-8 放射性定年法 (Radiometric Dating)
大家都知道原子核是由中子和質子緊密地結合而成的。電子是集中分佈在距離原子核不等遠的若干軌道上,形成很多層次。距離原子核最近的一層通常僅有兩個電子。如電子多於兩個的話,其他的便被分佈在較遠的第二層上,第二層當中可分兩個層次,內層有兩個,外層有六個,使第二層最多有八個電子。第三層當中則分為三個層次,最內的一層有兩個電子,中層有六個,外層有十個,使外層最多可有電子十八個。第四層當中又可分為四個層次,從內而外電子的數目為二,六,十,十四,共有三十二個因此使圍繞在原子核四週各軌道上的電子成為有系統的排列。常常最外層為八個電子。用這種方式構成的若干元素,化學性質非常穩定,不易與其他元素化合,它們都是氣體,又被稱作惰性氣體(Inert Gas)或稀有氣體(Rare Gas)。如氦(Helium)(No.2),氖(Neon)(No.10),氬(Argon)(No. 18),氪(Krypton)(No. 36),氙(Xenon)(No. 54)和氡(Radon)(No. 86)等是。這些氣體電子的集結非常穩定(表10-4)。

                                                  
 
 從上表我們可以觀察出,除氦之外,其外層含有八個電子的,都是最穩定的元素,這是因為在這種電子集結的方式之下,它們既不會從外層軌道中失去電子,也無需多得電子,故呈穩定。至於別的元素,因外層常常要增減電子使獲得八個的數量,故不穩定。
 
我們從實驗中知道,原子外層如具有八個電子的數目,它將會特別穩定,同時原子亦經常有走向這種穩定的趨勢,這是什麼緣故呢?
 
讓我們想想,如果原子失去一個電子,結果將會怎樣?首先,在圍繞原子核軌道上的電子數目,將少於原子中質子的數目,於是原子內正負電荷便不平衡,使原子帶有正電。假如失去兩個電子的話,情形也是如此。帶電子的原子,我們稱它作離子。離子可以是正的,叫陽離子(Cation),也可以是負的,叫陰離子(Anion),端視原子失去了電子或多得了電子。同時原子之將變為正離子或負離子亦很容易推測,比如有一個原子在最外面的一圈只有一個電子,而稍裏的一層有八個的話,那麼最外面這一個電子失去的機會,當大於獲得七個而趨穩定的機會。同理,一顆原子在最外層如只有兩個電子,那麼它們失去的機會亦大於獲得六個的機會。反過來說,如果一個原子的最外層有六個到七個的電子,那麼它們獲得補足的機會,自大於失去的機會。
 
據我們所知,宇宙間所有的物質,都是由離子經過電力的相互吸引而構成的。
 
同位素 
 
在正常的情況之下,每一元素的原子核應包含有等量的中子和質子,不過實際上每一元素都有不等形式的發生。這些數量不等的特別構造,和本來的元素,幾具有完全不同的物理性和化學性,叫元素的同位素(Isotope)。若干同位素是不穩定的,可經常放出輻射能而行蛻變(Disintegrate),叫放射性同位素(Radioactive Isotope)。它們所放射出的能,即是形成同位素原子核的中子和質子。同位素蛻變的速度,每一同位素都有一定。把質量的一半蛻變消失掉所需的時間,叫同位素的半衰期(Half-Life)。蛻變的結果可能產生新元素或者新同位素,它們可能仍具放射性而繼續蛻變不過最後必終生成穩定的同位素或者元素。由於放射性同位素的半衰期固定同時它們的終極性產物又是穩定的元素,所以我們可以應用放射性同位素作為計算地質年齡的工具。不過要應用這種工具,必須具備下列三個條件,即先要知道放射性同位素的半衰期,第二,放射性元素的蛻變並未全部完成,第三要有穩定的終極性產物(End Product)。
 
較準確的絕對年齡測定法是開始於1896年,法人白奎雷(Henri Bacquerel)最早發現含鈾的鹽類可以放出神秘的光線使照相底片感光,後來居禮夫人(Madame Curie)也在釷元素(Thorinm)中同樣發現這自動發光的光線,她就名之為放射性作用(Radioactivity)。在1905年英國的物理學家羅瑞幅(Ernst Rutherford)首先建議可以利用放射性礦物來決定岩石的年齡。同一年美國的化學家包爾伍(B.B. Boltwood)也在耶魯大學作了同樣礦物定年的工作,但是他們所定出來的岩石年齡都嫌太高。直到1913年索代(F. Soddy) 把同位素的性質加以闡明,說明同位素是同一元素但具有不同原子量的元素,而且他又把放射性定年方法加以改良,自此以後,方始有比較準確的放射性定年結果。這時候已經可以確知早先的定年資料都是錯誤的,地球的年齡不是以百萬年計,而是要以數十億年來計算。我們以上說過有許多具有放射性能的元素並不安定,可以自動分裂,變為其他較輕的安定元素,這就是放射性蛻變(Radioactive Disintergration or Decay),自然界中共有三種不同的蛻變或分裂方法,分裂時都可以由該元素的原子核內放出高能量的粒子和以電磁波方式放射出來的能,這名叫迦瑪射線(Gamma Rays),是一種短波的X光線,速度和光速相似。這三種不同的蛻變方法如下所述。
 
Alpha(阿發)蛻變,放出粒子,這是由原子核中放出一個氦'原子,由二個中子和二個質子組成,速度為每秒數千公里。這種蛻變使原來的原子變為另一個比較輕的新原子,因為新原子中減少了二個中子和二個質子,所以它的原子序減少二,質量數則減少四。例如由鈾238變為釷234
 
                                                          
 
Bata(培太)蛻變,放出粒子,這使原子核中一個中子失去一個電子而放射出來,快如光速,原來這一個中子就變為質子,這樣可以使變成的新原子中減少一個中子而增加一個負子,其質量數不變;但是原子序就加一。例如由銣87變為鍶87

                                                             
 
捕獲電子蛻變(EIectron Capture Decay),這是原子核中的一個質子從軌道中捉到一電子而合成一中子,這樣新的元素增加一個中子而減少一個質子,原子序就減少一,但是質量不變。在蛻變過程中可以放出弱乂光線。例如由鉀40變為氬40
 
                                                         
 
在放射性元素蛻變的過程中,老的未變元素名為母元素(Parent Element),蛻變後所變成的新元素名為子元素(Daughter Element),兩者互成一對(Pair)。子元素可能是母元素的一個同位素,也可能是另外一個不同的元素。
 
放射性元素經自動分裂或蛻變後,其元素所含的原子數目就慢慢減小。有些蛻變只經過一次,就變為安定的元素。有些蛻變要經過許多次,起先都變為另一種或多種不安定的放射性元素,最後才變成安定的元素,所以這類母元素有很多不同的子元素。每一放射性元素都有一定不變的蛻變速度,不受溫度壓力或化學因素的影響。某一元素蛻變為原來質量或原子的一半時所需要的時間稱為這個元素的半衰期(Half-life)。不同的放射性元素的半衰期皆不相同,有的元素半衰期是一秒的幾分之幾,有的是數億年。圖10-7表示放射性元素發生蛻變時,母元素和子元素的消長曲線圖。

                                                            

 
我們如果知道原來元素(母元素)的含量,它的半衰期,它蛻變所成元素(子元素)的含量,馬上就可以算出含有這一元素的礦物的絕對年齡。例如放射性元素鈾-238的半衰期是45億年,假如原來母元素中含有一克的鈾-238經過45億年後,就變成只有半克;如果再經另外一個45億年後,就變得只有四分之一克了。只有少數自然發生的放射性同位素有地質上的重要性,可以用之來決定地層的年齡。已經知道而常用的有下列各對:鈾-238/鉛-206,鈾-235/鉛-207,釷-232/鉛-208,銣-87/鍶-87,鉀-40/氬-40,和碳-14/氮-14。各對元素中,前一元素為母元素,後一元素為子元素,今以鈾元素為例來略加說明。鈾-238是母元素,經過十四次蛻變後,最後變為安定的子元素鉛-206,半衰期是4.51x109年。在這中間共經過八次蛻變及六次蛻變,每一次中間蛻變所產生的同位素仍不安定,直到變成鉛206,始成為安定的子元素,見圖10-8。當岩漿冷卻礦物生成的時候,有些新生礦物可以含有這種鈾,隨時間的增長,鈾-238逐漸消失,而鉛-206逐漸增加。如能測定礦物中鈾-238和鉛-206相對的含量,再應用這個蛻變作用的半衰期數值,就可以算出這礦物生成,亦即其岩石生成的時期或年齡。
 
                                                                       
 
最早用來定年的放射性元素雖然是鈾元素,但是無論鈾或釷都是稀少的元素,只有少數礦物含有足夠的量可以用來做定年的用。到了1948年,美國明尼蘇達大學的物理學家發現鉀元素也具有放射性能,這是地殼上第七個含量多的元素。鉀有K39、K40和K41三個同位素,只有鉀-40具放射性能,而且有兩種蛻變方式:一是鉀-40經過放出粒子而變為鈣-40,這在定年上沒有多大用處,因為鈣是最多而最普通的元素,無法把鈣的同位素單獨分離出來。另一種方式是經過電子捕獲而使鉀-40變為氬-40,只有百分之十一的鉀-40可以採取這種蛻變方式,但是這是最有用的母子對定年元素,半衰期是13億年。氬是氣體,容易擴散,但是在黑雲母、角閃石、鉀長石中仍舊可以保存。不過岩石如受熱到攝氏250度以上時,氬就容易散失,所以應用本法頗受限制。
 
銣(Rubidium)-87和鍶(Strontium)-87是另一對用來定年的母子元素,其半衰期尚不十分確定,因為其所放出的粒子能量很低,但是通常定為500億年,似乎和其他元素的定年結果尚不致有太大的誤差。銣的化學性質和鉀很相近,所以大部含鉀的礦物都可以含有銣。鍶有四種同位素, Sr84Sr86Sr87和Sr88,只有鍶-87來自銣-87,所以一定要把鍶-87和其他鍶的同位素校正分離。如果所含鍶元素的質量太少,這工作就很困難。因之銣87/鍶87法不大適用於年幼的岩石,最好應用於中生代或更老的岩石,對先寒武紀的岩石也很有效。由於鍶不是氣體,輕微的變質作用不致使鍶的含量立即有很大的改變,所以老的岩石很適用這一種定年的方法。
 
放射性年齡(Radiometric Ages) 
 
子元素皆由母元素蛻變而成,其蛻變率或半衰期皆有一定。很多酸性火成岩都含有鈾的礦物,大部分酸性和中性火成岩都含鉀和銣,這些礦物和岩石都可以用來定年。變質岩中也有在變質時生成的含鉀或含銣礦物,因此其變質作用發生的時代也可以用放射性來測定。但是放射性定年只能測定變質作用發生的時代,不能決定沒有變質以前岩石的時代。
 
大部用放射性來定年的礦物都是岩漿作用造成的礦物,沉積岩中就缺少可用的礦物,因為其沉積物有不同的來源,放射性定年只能測定這些沉積岩造成的年代,不能測定含有這些沉積物的沉積岩造成的時代。有時海中造成的沉積岩中含有海綠石(Glauconite)礦物,其中含有鉀,也可以用來定年。但是先要決定這海綠石是原生而非次生的,即和其圍岩是同時沉積而非後來變成的。因之沈積岩中所含的原生海綠石可以用放射性來定年;不過也有定年學者認為海綠石結晶構造中所含的氬要比雲母中所含者容易擴散而消失,所以定出來的年齡準確度要比較低。
 
沉積岩的岩層順序中如夾有凝灰岩層或熔岩流,或者有火成岩體的侵入,也可以藉放射性定年來間接測定這沉積岩的年代。如果成層的火山岩流或火山灰和含有化石的沉積岩相間成層,那麼由放射性測定的火山岩年齡就可以決定與之成互層的沉積岩的年齡,同時也可以校對由化石所定地質時代的可靠性。如果火成岩侵入沉積岩層中,則可以利用括入(Bracketing)方法來測定沉積岩層的大致時代。其根據是這火成岩的時代要比被侵入的地層新,但是要比覆蓋在這火成岩體上的地層為老。所以如果有一個沉積地層位在老的火成岩體和新的火成岩體之間;而新舊火成岩體的時代都可以用放射性定年法測定,假定一為五百萬年;一為四百萬年,那麼這個沉積岩層的時代或年齡就可以括入五百萬年至四百萬年之間,也可以大致決定了。
 
利用放射性定年的先決條件第一必須岩石中含有可定年的放射性元素礦物,第二其子元素必須全部留在原岩中而不能部分散失,因為這樣可以影響母和子元素的相對含量,可以使測算所得的年齝不準確。因之定年的礦物必須非常新鮮,而不要受過風化作用。風化以後的礦物最容易損失子元素,尤其是具有氣體性質的元素如氬等很容易擴散消失。第三原來岩石不要受到以後地殼變動、變質作用、或火成岩活動的影響,因為岩石經過加熱或局部的融化作用後,岩石中所有放射性元素的含量又要重新調整而變化,這樣測出來的放射性元素時代只能代表地殼變動或火成岩活動時的時代,而不是岩石原來造成時的年代。
 
目前的放射性定年法以鉀-40法最普遍而重要,因為火成岩中含鉀的礦物如雲母、角閃石等很多。這個方法可以用在很年幼如幾萬年的岩石,也可以用在年齡很老的岩石。但是因為氬在受高溫或慢慢冷卻時容易損失,所以太老的岩石不適用這一種定年法。如果可能的話,較可靠的放射性定年法是在同一標本中選擇二種或二種以上的放射性元素做定年測定,可以彼此互相校對,容易得到準確的判斷。
 
碳一14定年法(Carbon-14 Dating) 
 
有許多本身不具放射性的元素可以因其他粒子所衝擊而具有放射性,碳-14就是這樣一個元素,也可以用來定年,本法是1940年代美國芝加哥的李培(W.F. 
Libby)發展出來的。碳-14蛻變的產物是氮-14,其造成是高能核子所成的宇宙線,最早在高空中和氣體分子撞擊,使其原子核中放出中子,此中子衝擊高空中的氮-14同位素,去掉其原子核中一個質子,以後就生成碳-14,也是一個放射性元素。當高空的碳-14生成之後,立即與氧化合成為二氧化C14O2,慢僈下沉到地球表面,或溶解在地下水中。
 
植物生存期間需要不斷吸收二氧化碳,所以也吸入碳-14,動物食用這類植物時也吸入碳-14。等到動植物死亡後,呼吸作用停止,不但不能再吸收碳-14,就是原有碳-14的含量也因蛻變為氮-14而逐漸減少,其半衰期是5730年 (圖10-9)。所以由已死亡有機物中碳-14和氮-14含量的比率,就可以知道生物死亡和含有這生物的岩石的時間。碳-14定年的方法頗適合各種含碳物質,如枯木、骨頭和貝殼等,這個方法在考古學和第四紀地層的研究上也最有幫助。
 
碳-14法只要測定標本中母元素碳-14的含量,其子元素氮-14是氣體,不容易測算。碳-14的測定也是用的間接方法,就是計算標本中殘留碳-14所放出來的β
(培太)粒子數目,因為這粒子的數目是和標本中所含碳-14原子的數目成正比的。假定空氣中碳-14的含量在最近五萬年內是沒有什麼變化的,那麼以標本中碳-14含量和空氣中所含碳-14的數量一比較,舊可以算出這個標本的年齡了。
 
                                                 

                                                    

 
分裂跡法(Fission Track Method)
 
岩石經過長期風化作用之後,不穩定的礦物有不同程度的分解,產生的可溶性物質隨水流失,剩下的物質(物理風化、化學風化的產物)殘留原地,稱殘積物(eluvium)。殘積物的棱角明顯,無分選、無層理,在成分上與母岩呈過渡關係,常分佈在山頂和平緩的山坡上,殘積物和經生物風化作用形成的土壤在陸地上形成一層不連續的薄殼(層)稱為風化殼(crust of weathering)。風化殼的性質與厚度因地而異,主要受岩石性質、氣候、地形條件的影響。一般厚為數十厘米至數米,有些地區可以更厚。風化殼的某些基本特點是:底部為未經風化的基岩,基岩之上為半風化的岩石和殘積層,最上面是土壤層。剖面上由下向上具有層次但無明顯界線。風化殼被上覆沉積層掩埋後形成埋藏風化殼。 

 
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