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向你介绍一些化石年龄的测定方法

收藏 打印 发给朋友 来源: 化石网 网站编辑:化石猎人
热度42票 浏览9次 时间:2021年9月03日 14:41
向你介绍一些化石年龄的测定方法

向你介绍一些化石年龄的测定方法

(化石网报道)据新浪科技:国外媒体报道,14700年前,旧石器时代的猎人曾在如今的墨西哥设下陷阱、捕捉猛犸象;5.5亿年前,一头不知名的海洋生物曾在沙地上留下了自己的足迹;16万年前,神秘的丹尼索瓦人来到了南亚地区;8000万年前,一头恐龙产下了一枚蛋,但并未孵化。

确定这些化石的年龄可以帮助我们判断其所属的时期、进行正确的时间排序。假如没有了这项技能,考古学家和古生物学家都会变得茫然无措。但我们这些普通人要么将这项本领视作理所当然,要么对其一知半解。在本文中,我们将向你介绍一些化石年龄的测定方法。

如果没有现代测年技术的加持,地球历史上的许多重要时刻都将不为人知。当然,科学家可以看出这些猛犸象的骨头、石灰岩中铭刻的线条、以及奇特的人类下颚骨都非常古老,但如果无法得知它们的准确年龄,这种判断也就毫无意义了。测不出精确的年龄,科学家就无法将这些化石放在特定的进化或地质学背景下进行考察、或是开展对比分析,其它重现远古历史的任务也根本无法完成。

从认识论角度来看,化石年代的测定同样具有重要意义。《圣经》的信奉者们简称,地球年龄只有6000岁。而根据现代测年技术,这种言论简直大错特错。可以毫不夸张地说,精确的化石年代测定可以让我们真正认识自身、以及了解自己在宇宙中的位置。

找到正确的化石

早从数百年前开始,科学家就在尝试判定化石年龄了。如今,各种化石测年技术与方法已经相当先进。当然,这并不意味着这个过程轻而易举、毫无挑战,并且这些技术依然有进步空间。

化石测年的第一步是,确保研究对象真的是一块化石。这话听着奇怪,但其实不无道理。因为许多被送到科学家那里分析的东西其实并不是化石,只是长得和化石很像而已。

“这些东西可能只是岩石上的刻痕、石头上不均匀的侵蚀痕迹、或者岩石上某种‘长相奇特’的矿物质,显得它仿佛曾经有过生命一样。”因斯布鲁克大学地质学家与激光断代专家迈克尔·梅耶解释道,“因为许多人并不清楚化石是如何形成的,而且人类总是倾向于‘辨认出’自己认识的形状,所以总有人以为自己发现的石头也许是一块化石。”

曾有人给梅耶送去过一些所谓的“足部”和“鸭子”化石,但最终证明,这些只是长相奇特的石块而已。至于哪些东西可以算作化石,梅耶给出了两种比较宽泛的定义:化石可以是过去生命留下的任何痕迹,一般是变为石块的有机质;或者只要是古代生命留下的任何迹象即可。

加州理工学院人类学家布里吉特·艾利克斯表示,研究人员有时会找错断代的对象。例如,考古学家可能想弄清一座古代城市被毁灭的具体时间,于是对遗址中发现的一些烧焦的木炭或骨骼进行了断代分析,但这些东西并不一定与城市的毁灭直接相关。或者说,考古学家想测定一块尼安德特人骨骼的年龄,结果错拿了附近一头动物的骨头,而这头动物“也许是在多年之后才误入岩洞、死在了这里的,与尼安德特人没有一点关系。”艾利克斯强调,“找到能够解答你的问题的正确化石”,是一项重大挑战。

幸运的是,“几乎任何东西都可以进行年代测定,但时间、资金、以及发现化石的环境,都是阻碍化石断代的最大问题。”梅耶指出,“因为给化石断代是一项非常繁重的工作。”

在原始环境中发现的化石是最容易断代的,因为化石本身、以及化石周围的信息量都很充足。相比之下,在其它环境中发现的化石(比如一枚在井下埋藏了85年、但真实年龄足有14万年的头骨)则难以进行年代测定、并且成本高昂。至于年代测定是否有上限,如果不考虑时间和资金问题,那么答案就是“没有”。地球上最古老的岩石可以追溯到37.7亿至39.5亿年前,而最古老的化石可追溯至约34.2亿年前。

科学家通常会将两种测年方法结合使用:相对测年法与绝对测年法。相对测年法是指,将化石按“最古老”到“最年轻”的顺序排序;而绝对测年法则是指确定某个物体所处的具体年代。

埋得越深,(也许就)越古老

相对测年法从18世纪就开始采用了,而且除了铲子之外,基本不需要用到其它技术。艾利克斯指出,最简单的测年方法往往是最准确的,最终得出的数据也是最有用的。

艾利克斯解释道,相对测年法的逻辑一般是“东西埋得越深,一般就越古老”。梅耶指出,这就是所谓的“层序律”:“比较古老的物质一般都会埋在比较年轻的物质下面,就像一堆脏衣服一样。”早年一位名叫查尔斯·莱伊尔的地质学家就将相对测年法发挥到了极致。他通过拥有现存亲属物种的动物在岩石中所占的比例,总结出了一张简单的年代分布图,在无法精确测定年代的情况下,判定了不同物种的相对生活时间。在此基础上,他率先提出了更新世、上新世、中新世、以及渐新世等第一批远古地质年代的名称。

艾利克斯指出,在同一环境中发现多件物品时,也可以采用相对测年法。例如,如果发现了一枚标有日期的硬币,就可以用其判断周围物品或化石的年代。又例如,假如在一枚猛犸象头骨近旁发现了一具人类骸骨,就说明二者同属于冰河时代晚期。

但相对测年法存在一大缺陷:研究对象可能会受到污染。艾利克斯指出,负责任的科学家“会假定这些物品之前被移动过,也清楚自己研究的不是一块无人碰过的蛋糕,最底层的物质一定最古老。”结冰、解冻、昆虫行为、人类活动……这些都会对考古遗迹的完整性造成影响。科学家需要时刻留意这些“宏观污染”的痕迹,然后交给地质考古学家进行分析,因为后者的专长便是识别这一类污染问题。

化学钟

采用绝对测年法,科学家可以精确判断化石的年份、或是大致的年份范围。梅耶解释道,绝对测年法“利用化学或物理原理推断出化石的确切年代,可以将误差控制在一定范围内”。这种方法又叫“精密测年法”,以放射性物质衰变为基础。放射性元素的衰变是可以预测、有章可循的,相当于为我们提供了一台精确、可靠的时钟。

目前最佳的精密测年法为放射性碳测年法。用艾利克斯的话来说,这项技术“使考古学界发生了革命性的变化”。任何由生物遗留下来的物质都可以用该技术断代,包括骨骼、牙齿、树叶、树皮等等。

碳测年法的原理是,将样本中放射性碳与普通碳的占比进行比较。放射性碳不够稳定,随着时间的流逝,其能量也会不断流失,最终衰变成氮元素。“放射性碳的衰变速度是可以预测的,”艾利克斯指出,“生物一旦死亡,体内的放射性碳(特别是同位素碳14)就会开始衰变,半衰期为5730年。也就是说,每过5730年,有机样本中遗留的碳14的量就会减少一半。该方法的问题在于,这些有机化石的年龄不得超过6万年,才能精确测定其所处年代,因为如果样本过于古老,尚未衰变的放射性碳便已所剩无几,很容易受到环境的影响。”

对于碳测年法而言,污染也是一大问题。化石中很容易沾染与之无关的其它有机质,导致测出的年龄比其实际年龄要短。艾利克斯指出,这种情况即使在实验室中也会出现。不过近几年来,科学家发明了一些新方法,比如清洁化石、提取其中的胶原质等等,可以有效避免这种情况的发生。

对于年龄超过6万年的化石,科学家可以通过测定化石周围的无机沉积物或矿物质的年龄,间接推断出化石的年代。例如,光释光(OSL)测年法可以测出土壤中特定矿物质最后一次暴露在阳光下的时间,从而为某件物品被埋入地下的时间提供一个大致范围。在使用光释光测年法时,必须将样本避光保存,否则就会失效。热释光测年法则可以测定出某物最后一次被加热的时间,“比如某件石制工具何时被加热过、或被火烧过。”而铀系测年法和电子自旋共振测年法可以测定同位素的衰变情况,可以确定化石的绝对年代。

马克斯·普朗克人类历史科学研究所的考古学家艾莉诺·赛利指出,人们对精密测年法有一种误解,认为这项工作“一般都是在实验室中进行的”。但实际上,为了弄清化石的年龄,科学家“还需要了解考古遗迹的形成过程、沉积物是否换过位置、是否保留了原始状态”。这个问题与使用相对测年法时的污染问题很类似,在考古遗址被发掘前的成千上万年间,沉积物的位置可能会有所变动,水流可能将化石或古器物冲到其它地方、与最初的埋藏点相距甚远。“如果送到实验室的样本不好,无论测年法有多么精确,结果都不可能理想。”

精密测年法的确强大,但正所谓能力越大、责任越大。赛利指出,科学家必须弄清自己的测年对象究竟为何物,并且尽量多使用几种测年方法。

“我们之前发现了一个深不可测的岩洞,里面满是骨骼化石。”赛利表示,“通过对外层物质进行放射碳年代测定,我们了解到,这些化石全都是在一次洪水中被冲进这个岩洞中的。但我们相信,这些骨骼的真实年龄其实要古老得多。”目前,该团队正在利用铀系测年法和电子自旋共振测年法解决这一问题。

“如果这些骨骼样本的测年结果相差很大,就说明这些化石分属不同年代,只不过被一次大规模洪水一起冲到了这里。”赛利解释道,“但即使测得的结果相差不大,这些化石形成的年代仍有可能远远早于在岩洞中沉积下来的年代。”

科学家应尽量使用多种测年技术,给测得的化石年龄增加一重佐证。

到目前为止,这些技术还仅被用于测定地球上发现的化石年龄。不过,考虑到人类正在计划前往火星收集样本,形势也可能有所变化。因此,这些测年技术除了帮助我们了解自己的过去之外,有朝一日或许还能告诉我们,火星上是否曾经(或者何时)有过生命。
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