1. 什么是同位素地質年代學？

首先它有幾個主題詞，第一個是“同位素”。我想我們學過高中化學的都知道同位素，因為每個元素它都會有一個或者多個同位素。比如說氫，元素周期表第一個，它有H1，然后還有一個H2就是氘，還有H3就是氚，所以它有三個同位素。所以我們大概在元素表里面，絕大絕大多數都有多個同位素的。那么只有個別的元素，它只有一個同位素。所以同位素，我們學過化學的，看看翻個周期表就知道了。

然后還有一個“地質年代學”。“地質”是指我們地質歷史過去的事情，所以通常是以巖石來記錄的地質的歷史，當然包括其他的化石等等。“年代學”顯然就是年齡，你把這個年齡要測好，是吧？通過這個年齡知道地質歷史上，什么時候發生了什么事情，這事情發生原因是什么。每次我們去地質考察，這個地質體或者什么礦床，或這個東西什么時候形成的，這是我們最常用的一個問題。什么時候發生的？什么時候形成的？你多大歲數了？當然了我不好問你多大歲數，不太禮貌啊——其實如果拋開這個問題其實也一樣，是吧？這個就像你也知道我多大歲數一樣，這是第一個。所以年齡的事情，無論是我們去做地質學研究，還是我們在社交，都是我們大概第一想知道的一個信息。

然后我們地質上測量，實際上很多事情，想了解這個事情什么時候發生，為什么發生，這大概是我們同位素地質年代學要做的事情：利用放射性同位素衰變定律，精確測量地質歷史過程中發生的地質事件，來了解我們地球的演化歷史，大概就是這么簡單。

2. 你們是如何通過同位素測定地質歷史的準確時間的？

很有意思，如果我們還記得我們高中上過的放射性衰變定律，我記得有一年高考考這個題目，寫出放射性衰變定律的衰變公式，這可是獲得諾貝爾獎的公式，所以我們是基于一個放射性衰變這樣一個基本的物理規律。那么我們有些同位素，有些元素的同位素，它是具有放射性的。它的放射性衰變的速率是恒定的。所以我們測量它現在還剩下多少，我們就反推出經歷了多少時間，因為速率是跟時間有關系的。

就說地球歷史好了，好不好？所以你知道地球有多老，現在地球年齡是非常精確的。地球是我們太陽系的一個行星，對不對？所以我們太陽系的形成，就是我們這個星球形成的最初始的時間，塵埃吸聚在一起，開始形成了，慢慢長大，形成大的地球。所以一開始年齡是45.67億年，好記4567，45.67億年，這就是通過同位素地質年代學精確測定的結果，誤差非常小。這是我們整個太陽系，也是我們這些星球的起始年齡。所以如果說我們地質年表的，第一個數字就是45.67億年，地球的物質從這一刻誕生。

3. 這么精確的時間，是用哪種同位素測的？

鈾鉛同位素體系。鈾，天然鈾，主要是鈾-238，有鈾-235。鈾-238是放射性的，鈾-235也是放射性的。它就會鈾-238放射衰變，成為最后穩定的是鉛-206；鈾-235最后衰變成穩定的鉛-207，這樣為兩個衰變體系。通過這個衰變體系的精確測量，鈾鉛這些母子體的同位素比值，就可以算出年齡出來。

我們同位素年代學方法有很多，因為這些放射性母體的半衰期是不一樣的。半衰期就是指的放射性的母體，衰變到一半的量的時候，它需要的時間。比如我們剛才說的鈾-238衰變成鉛-206，它的半衰期45億年，剛好跟我們地球年齡差不多，對不對？所以它可以測很老的，也可以測很新的。

但是有些同位素半衰期很短，僅有幾個百萬年它一下子就衰變完了，現在都沒有了，我們叫滅絕了，它就不能測很年輕的了。像有些半衰期，像我們的碳-14大家大概知道最多，考古用的，它的半衰期大概只有5700年（這個數字我沒記錯的話），所以它只能測幾萬年的，再老的它都衰變完了。

所以說我們要想測什么地質歷史年代的話，一定要找到一個合適的體系，同時半衰期還能夠讓它既有母體、子體都有，這樣我們才能測準。它相當于你量一個跑道100米，你不可能拿一個千分尺去量，對不對？一定要拿一個長長的那種米尺來量；但是你要量個很細的東西，你拿著米尺沒法量了，所以你要千分尺來量。所以看你量的東西是什么，所以我們同位素年代學也是一樣的，看你做什么事情，你要用什么的年代學的方法來做。

4. 你們是如何計算同位素的半衰期的？

首先這是一個物理學的問題。就是一個放射性衰變，放射性母體同位素，它會衰變的話，你可以通過物理測量，讓它去衰變來測量。

還有一種更巧妙的辦法是我們地質學的。就是說其實我并不知道當初母體有多少，現在是有多少我不曉得。第一，年齡也不知道，第二，當初含量也不知道。它衰變了，但是我們知道子體是誰，所以我們測子體的增量。你放射性母體衰變，衰變是什么東西？衰變成一個子體，是吧？子體同位素。所以我們測母體要測，那是今天剩下來的；但是原來還有多少呢？那一部分變成了子體同位素了。所以用這種巧妙的方法恢復到它母體當初有多少，所以我們不需要知道它當初有多少，我測一下子體就知道了。

一個母體同位素，比如說一個鈾-238，它只能衰變成一個鉛-206，它不可能衰變2個出來，它經過8個α衰變，對吧？所以我們測試今天有多少增加的鉛-206，就可以知道當初它母體有多少，我們能分得出來。

因為鉛同位素有4個同位素：鉛-204、鉛-206、鉛-207、鉛-208。鉛-204是不變的，是個常數，它沒有改變過；但是鉛-206、鉛-207剛才說的，是鈾-238、鈾-235形成的（一部分不是全部的）；鉛-208是釷-232衰變形成的。所以它們是在變的，根據你的母體多少，根據有多少時間，是吧？它是在變的。

剛形成時候又有母體又有子體，然后這個子體是當時跟它沒關系的，現在就有了；然后經過好多年之后，一部分母體形成了子體，對不對？但其中有一個鉛-204是不變的，因為沒有任何一個東西可以衰變形成鉛-204。通過測鉛-204，就把其他的算出來了，我們可以把它折算、繁衍出來，通過一組樣品可以把它解方程解出來。

5. 您還有什么有趣的地質發現可以給大家分享？

地質歷史事件很多了。因為我今天晚上在跟很多院士們一起交流的時候，他們雖然不是地球科學的，他們對氣候環境變化可有興趣了。因為我們一下飛機覺得，天哪，南京好暖啊，今天17度，今天是四九，怎么那么暖和？全球在變暖是吧？

全球變暖，全球現在是特別暖的時候嗎？其實不是！全球現在地質歷史上是非常冷的時候。那我們怎么知道全球地質歷史上，這個地球到底是什么時候冷、什么時候熱呢？我們需要時間。所以你做地質研究工作，如果沒有時間，你啥都沒說清楚，一定要知道什么時候發生的。

比如說，我們在七億年的時候，地球特別特別冷，是一個非常極端的，全球大概是個冰球！這是地質歷史上唯一已知的一次，全球是冰球。除此之外，我們地球表面的溫度從來沒有低于0度（沒有全球結冰），也沒有高于100度（如果全部汽化水都蒸發掉了）。所以我們一直保持在水的液態水的溫度范圍之內，有高有低。

什么是高、什么是低呢？現代其實是全球最冷的時期之一！為什么呢？現在兩極有冰。在地球歷史中，很長一段時間里兩極是沒冰的，偶爾會單極（就一個極有冰），兩極有冰的時間是很少有的。所以我們現在覺得特別暖和，是指的相對于大概幾十年之前在變暖，但其實總體來說地球現在還是比較冷的。所以我們要精確地測定地質歷史的過去發生的事情，才能了解現代，預測未來。

所以我們講地球冷和熱：現在大家都覺得冬天變暖了是吧？是指的跟我們過去100年或幾十年比，確實比過去變暖了。但是在地質歷史過程中，我不是說嗎？地球在很長一段時間是兩極沒有冰的！我們現在說暖了，北極冰開始化了，它還有冰，兩極有很大的冰蓋。我們測定我剛才說7億年之前——那就要同位素來定出來這個時間——所以在地質歷史上有一段時間，我們地質上術語叫“成冰系”，就是這段時間地球是個大冰球，從7.17億年差不多到6.7億年左右，這段時間，這段時間是地球大冰球最冷的，是非常獨特的一個階段。

我們現在不是說全球變暖了嗎？實際上是從工業革命以來是吧？也就是大概200年左右開始變暖了。那地質歷史上，其實跟現在也差不多冷的時候，它自己也會變暖，沒有人它也會變暖，沒有人的大量排放它也會變暖。那么為什么會這樣子？它什么時候發生的？發生的速率有多快是吧？跟現在有什么可比性？這個也需要我們精確地進行測量，來了解這個過程。

6. 同位素年代學的研究，與我們的生活有怎樣的關聯？

應該現在來說，大家對全球氣候變化特別特別關注，這是一個跟我們生活密切關系有關系的一件事情了。所以剛才我們談到了，現代我們感受到的氣候，還有一個我們研究過去曾經的氣候。所以我們在地質學里面，就是說我們常常“將今論古”，還有另外就是“從古來再論今，預測未來”，這是兩種思維的方式。

所以你現在叫我回答還有哪些更重要事情，那地球科學學科非常多，剛才只談到——其實我并不是做全球變化的——其實我想告訴你的是，地質學如果沒有地質年代學，它就沒有時間坐標。地質學說到根本到根上就這么幾件事情：一個是時間，一個是空間（空間當然是三維，是吧？），還有物質組成（這個物質包括化學的、物理的等等，物性、化學性質、化學組成）。所以大概就是了解時間、空間、物質及其的變化規律。

那么具體到比如說，我們是做古代的氣候環境，還是說我們能源資源的形成？現在你知道大家都發現，我們新的能源很重要，傳統的化石能源在不斷的消耗，也在抱怨是不是化石能源消耗太多了，產生太多的二氧化碳，需要一些清潔的能源。清潔能源哪里來？這是我們要面對的問題。大家其實常常想到就是我們的科學研究，比如地質學也好，或者其他學科也好，跟我們公眾民眾的民生生活息息相關。比如說，我們一個手機，這里有多少金屬，其實這都是資源在里面的體現。

那么我想其實這個是在應用層面上的。還有更多的我想舉例子，就是說在達到這個應用層面之前，我們需要很多基礎理論的研究。如果沒有很多基礎的研究，你咋知道它可以被利用？所以簡單的說，我們以資源來說，我們人類的進步，經過大概這么幾個跟資源有關系的時代：

第一個，人類最初的時候，原始時代是“石器時代”，用石頭來做我們的工具。

然后進入到“鐵器時代”，我們挖掘出很多鐵，當然包括我們一些青銅器等等，青銅器、鐵器，這都是還比較原始的。

后來，現在我們用的是一個新的一些戰略性金屬，即是跟新能源有關系。比如說，鋰！三十年前誰知道鋰有什么用啊？可是現在人人都知道鋰來做鋰電池。鋰電池是不是我們的能源的一個終結目標？顯然不是，我們還要發展其他的能源，比如說現在做氫能等等，大家現在在探索。

所以我想，我們經歷過很多跟資源，我們的每一次資源利用的進步或者更替，都代表人類文明的一個大的進步。這就是我們地質學，要把基礎研究走在人類文明發展的前面。所以我們地質學里面還有一個礦床學，就是做礦床的；還有做石油地質，做石油的形成，石油在哪里形成，在哪里儲存，怎么開采等等，這都是應用的。

7. 天文地質的研究中也有使用到同位素，它能給我們帶來哪些信息？

其實月球它也是個星球。我們人類站在地球上去研究地球，人類仰起頭來看到天空上，有這么多星球，其實也想知道其他星球是什么樣的，所以這就是我們人類的好奇心、求知欲。說古代人不是嫦娥奔月嗎？還有月亮女神，其實對我們頭頂上離我們最近的一個星球的好奇心所驅動的。

現在我們用科學的方法一樣，我們也想知道月球什么時候形成的。很遺憾的是，我們到現在——月球，月球是我們現在知道月球是當年，很早以前一個跟火星差不多大小，跟原來地球撞擊以后，大撞擊形成了月球——但這一撞什么時候撞的，到現在還沒搞清楚。剛才我已經說了我們的太陽系、我們地球形成的時間，非常的精確。可是我們不知道這一撞是什么時候發生的，這一撞誕生的月球，我們到現在還沒有搞清楚，有點遺憾。所以如果公眾特別年輕一代有興趣的話，我們現在不斷地，把這個事情搞得比過去清楚一點，但是還沒有特別特別清楚——找到撞擊那一刻產生的東西，可是現在我們不知道是什么東西，這個是比較遺憾的事情。

我們知道太陽系剛剛形成時候的東西保存下來是什么，但我們不曉得當年那兩個星球一撞，產生的東西保存在哪里，我們正在努力的探索這件事情。我們大概知道45億年左右——剛才已經說了，我們太陽系是45.67億年——月球大概在45億年左右一撞形成了。可是大概是大概，科學要精確準確，對不對？那么我們對月球同樣的，月球它整個從形成到發展到演化，到今天這個樣子，經歷了這么長時間，每個階段它都發生了什么事情？就像了解我們地球一樣，我們也希望知道，所以這也是我們人類好奇心的驅動去研究它，一樣的事情。

現在我們大概知道火星也差不多，因為有些火星的隕石樣品的研究，它跟我們早期的太陽系星球形成的歷史差不太多，火星跟地球差不多時間形成的。總體來說，太陽系在形成之后很短的時間，幾個百萬年差不多就形成了這個星球。但是我們真正獲得樣品研究的，主要還是來自于月球，極少量的火星，然后我們大量的隕石（天上掉下來）是來自于我們內外太陽系之間有個小行星帶。所以那些小行星帶的東西都很古老，差不多在45億年以上的，非常古老的。所以我們還沒有辦法獲得更遠的星球的樣品。

8. 如果能找到更多地外的樣品，你們會進行怎樣的研究？

我們正在努力做這些事情。比如說那些很多隕石掉下來，我們想知道這塊隕石從哪掉下來的，它跟哪個小行星是能夠相關的，都在做這些工作。

這個不是天文學，這是我們叫“天體化學”或者“隕石學”，這是屬于我們地球科學的范疇。我們以前學習叫“數理化天地生”，這屬于地學的，不屬于天文學。我們需要很多其他信息。但即便是測量也不簡單，說起來原理簡單，因為諾貝爾獎一百年前，一條定律就發現了，這是個物理學的定律。但是真正把這件事情能夠用好，能夠做好，其實不是件很容易的事情。所以專門有個分支學科。

而這個學科是我們地質學最初的發展，是以觀察為主的，是觀察科學，是吧？看看它的形狀面貌和基本的一些成分什么的，但是其實不太夠定量化的。而年代學是第一個，讓地質學走向非常定量化的東西。你知道以前我們都不曉得地球是多老的，你知道嗎？神學的時候說只有4000多年，后來好不容易說可能有幾億年，還挺老的。所以自從有了同位素地質年代學之后——同位素地質年代學是1913年這個學科誕生的——第一次真正把地球的年齡測得準確可靠，是20世紀50年代的事情！發展了好幾十年，才終于把地球和太陽系的時間確定下來。當然那時候精度測量的誤差大了一點，但是基本上是靠譜了。后來也經過若干年的努力，讓我們越來越精確，越來越準確。但是差不多測到45億年，是1956年的事情，是不容易的，經歷過幾十年的努力。

9. 對月壤的研究，給我們帶來了哪些有意思的發現？

月球跟地球不太一樣。剛才說了很多相似的事情，也是差不多45億年，年齡稍微年輕一點點，但是也就這么老了。然后也經歷過形成、發展、演化。但是月球現在很多狀況跟地球不一樣：

  • 第一個，當然月球上沒有人，我們有人，這是最大的不同。一個星球有生命，不要說是人了，哪怕是有生命，哪怕是那種微生物都是了不起的一件事情，所以月球上沒有。
  • 月球上現在是這么一個情況：沒有大氣，是真空，高真空；是沒有磁場，你知道我們地球有磁場，對不對？沒有磁場。
  • 然后關鍵是，月表沒有液態水。水超級重要！一個星球是否可能有生命，首先它要有水。這個星球表面沒有水的地方是沒有生命的。所以水是生命之源，。

所以我們不是要去火星上找生命什么的嗎，火星上曾經有水，沒有水是不行的。所以月球沒有水，今天基本上是一個我們地質學意義上已經死亡的星球——沒有內動力了。它星球很小，但什么時候死亡了，這事還沒有完全搞明白。

當時我們測嫦娥5號時候，是認為嫦娥5號采樣點是月球大概最年輕的火山活動的地方，也就是說它發生完之后就沒什么火山活動了，因為火山活動是一個星球有沒有內動力的表現。湯加火山爆發，還記得嗎？其實只是中等水平的火山，但是已經席卷了半個地球了。月球沒有這么大規模的火山，基本上沒有了。但是后來發現還可能還有一點點這個事情沒完全搞明白。

然后一個星球有沒有內動力，一個是有沒有火山活動，巖漿作用是吧？還有有沒有自身的內源的地震？我們地球有很多地震，表明地球內部在運動，要不然它怎么地震？月球好像月震有一點，但特別小，你到底是哪發生的現在不是很清楚，因為你要去了解月震的話，你要放月震儀，就像我們了解地震要放地震儀一樣。之前在西藏也地震了是吧？現在快得很馬上就知道在哪發生的，震中在什么地方，離地表多少公里，然后這個級別是多少，完了測量出來，但在月球上當年阿波羅放了幾個，放了三個月震儀壞了一個，還有兩個也工作的不好，所以我們對月球這個月震的事情了解的很少，但是最重要的就是真空無磁場，沒有液態水，這個星球跟我們星球不一樣，然后我們現在人想上去是吧，你上去你得需要在那里想呆得住，你得要有水，所以在月球上尋找水資源是特別重要的一件事情，沒有水你待不下來的。

以后我們要在那些海洋還要去做月球科研基地，科研站的話，不能就地解決水的問題，在地球上帶太多的水的可能性還是比較小。

所以找水資源成為我們未來，包括我們中國，包括美國，還有其他國家探測月球一個現在最重要的科學目標就是月球哪有水，但它的水不是我們液態的水，可能是因為月球你知道它溫度變化非常大，晝夜相差白天一百幾十度，晚上零下一百幾十度。可能有的水都是在一些永久陰影區，照不到太陽就變成水冰什么，但現在這都是推測的，還沒有被證實，所以需要我們去探測。

真正找到可利用的水，這可不是一件簡單的事情，但我們下面的嫦娥的一些探測，我們6號之后，7號、8號，它的目的主要就是找水。

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品

作者：李獻華

審核：李金華 中國科學院地質與地球物理研究所 研究員

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 科普中國創作培育計劃

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