七亿年前地球曾是冰球？同位素如何揭开地质奥秘

1. 什么是同位素地质年代学？

首先它有几个主题词，第一个是“同位素”。我想我们学过高中化学的都知道同位素，因为每个元素它都会有一个或者多个同位素。比如说氢，元素周期表第一个，它有H1，然后还有一个H2就是氘，还有H3就是氚，所以它有三个同位素。所以我们大概在元素表里面，绝大绝大多数都有多个同位素的。那么只有个别的元素，它只有一个同位素。所以同位素，我们学过化学的，看看翻个周期表就知道了。

然后还有一个“地质年代学”。“地质”是指我们地质历史过去的事情，所以通常是以岩石来记录的地质的历史，当然包括其他的化石等等。“年代学”显然就是年龄，你把这个年龄要测好，是吧？通过这个年龄知道地质历史上，什么时候发生了什么事情，这事情发生原因是什么。每次我们去地质考察，这个地质体或者什么矿床，或这个东西什么时候形成的，这是我们最常用的一个问题。什么时候发生的？什么时候形成的？你多大岁数了？当然了我不好问你多大岁数，不太礼貌啊——其实如果抛开这个问题其实也一样，是吧？这个就像你也知道我多大岁数一样，这是第一个。所以年龄的事情，无论是我们去做地质学研究，还是我们在社交，都是我们大概第一想知道的一个信息。

然后我们地质上测量，实际上很多事情，想了解这个事情什么时候发生，为什么发生，这大概是我们同位素地质年代学要做的事情：利用放射性同位素衰变定律，精确测量地质历史过程中发生的地质事件，来了解我们地球的演化历史，大概就是这么简单。

2. 你们是如何通过同位素测定地质历史的准确时间的？

很有意思，如果我们还记得我们高中上过的放射性衰变定律，我记得有一年高考考这个题目，写出放射性衰变定律的衰变公式，这可是获得诺贝尔奖的公式，所以我们是基于一个放射性衰变这样一个基本的物理规律。那么我们有些同位素，有些元素的同位素，它是具有放射性的。它的放射性衰变的速率是恒定的。所以我们测量它现在还剩下多少，我们就反推出经历了多少时间，因为速率是跟时间有关系的。

就说地球历史好了，好不好？所以你知道地球有多老，现在地球年龄是非常精确的。地球是我们太阳系的一个行星，对不对？所以我们太阳系的形成，就是我们这个星球形成的最初始的时间，尘埃吸聚在一起，开始形成了，慢慢长大，形成大的地球。所以一开始年龄是45.67亿年，好记4567，45.67亿年，这就是通过同位素地质年代学精确测定的结果，误差非常小。这是我们整个太阳系，也是我们这些星球的起始年龄。所以如果说我们地质年表的，第一个数字就是45.67亿年，地球的物质从这一刻诞生。

3. 这么精确的时间，是用哪种同位素测的？

铀铅同位素体系。铀，天然铀，主要是铀-238，有铀-235。铀-238是放射性的，铀-235也是放射性的。它就会铀-238放射衰变，成为最后稳定的是铅-206；铀-235最后衰变成稳定的铅-207，这样为两个衰变体系。通过这个衰变体系的精确测量，铀铅这些母子体的同位素比值，就可以算出年龄出来。

我们同位素年代学方法有很多，因为这些放射性母体的半衰期是不一样的。半衰期就是指的放射性的母体，衰变到一半的量的时候，它需要的时间。比如我们刚才说的铀-238衰变成铅-206，它的半衰期45亿年，刚好跟我们地球年龄差不多，对不对？所以它可以测很老的，也可以测很新的。

但是有些同位素半衰期很短，仅有几个百万年它一下子就衰变完了，现在都没有了，我们叫灭绝了，它就不能测很年轻的了。像有些半衰期，像我们的碳-14大家大概知道最多，考古用的，它的半衰期大概只有5700年（这个数字我没记错的话），所以它只能测几万年的，再老的它都衰变完了。

所以说我们要想测什么地质历史年代的话，一定要找到一个合适的体系，同时半衰期还能够让它既有母体、子体都有，这样我们才能测准。它相当于你量一个跑道100米，你不可能拿一个千分尺去量，对不对？一定要拿一个长长的那种米尺来量；但是你要量个很细的东西，你拿着米尺没法量了，所以你要千分尺来量。所以看你量的东西是什么，所以我们同位素年代学也是一样的，看你做什么事情，你要用什么的年代学的方法来做。

4. 你们是如何计算同位素的半衰期的？

首先这是一个物理学的问题。就是一个放射性衰变，放射性母体同位素，它会衰变的话，你可以通过物理测量，让它去衰变来测量。

还有一种更巧妙的办法是我们地质学的。就是说其实我并不知道当初母体有多少，现在是有多少我不晓得。第一，年龄也不知道，第二，当初含量也不知道。它衰变了，但是我们知道子体是谁，所以我们测子体的增量。你放射性母体衰变，衰变是什么东西？衰变成一个子体，是吧？子体同位素。所以我们测母体要测，那是今天剩下来的；但是原来还有多少呢？那一部分变成了子体同位素了。所以用这种巧妙的方法恢复到它母体当初有多少，所以我们不需要知道它当初有多少，我测一下子体就知道了。

一个母体同位素，比如说一个铀-238，它只能衰变成一个铅-206，它不可能衰变2个出来，它经过8个α衰变，对吧？所以我们测试今天有多少增加的铅-206，就可以知道当初它母体有多少，我们能分得出来。

因为铅同位素有4个同位素：铅-204、铅-206、铅-207、铅-208。铅-204是不变的，是个常数，它没有改变过；但是铅-206、铅-207刚才说的，是铀-238、铀-235形成的（一部分不是全部的）；铅-208是钍-232衰变形成的。所以它们是在变的，根据你的母体多少，根据有多少时间，是吧？它是在变的。

刚形成时候又有母体又有子体，然后这个子体是当时跟它没关系的，现在就有了；然后经过好多年之后，一部分母体形成了子体，对不对？但其中有一个铅-204是不变的，因为没有任何一个东西可以衰变形成铅-204。通过测铅-204，就把其他的算出来了，我们可以把它折算、繁衍出来，通过一组样品可以把它解方程解出来。

5. 您还有什么有趣的地质发现可以给大家分享？

地质历史事件很多了。因为我今天晚上在跟很多院士们一起交流的时候，他们虽然不是地球科学的，他们对气候环境变化可有兴趣了。因为我们一下飞机觉得，天哪，南京好暖啊，今天17度，今天是四九，怎么那么暖和？全球在变暖是吧？

全球变暖，全球现在是特别暖的时候吗？其实不是！全球现在地质历史上是非常冷的时候。那我们怎么知道全球地质历史上，这个地球到底是什么时候冷、什么时候热呢？我们需要时间。所以你做地质研究工作，如果没有时间，你啥都没说清楚，一定要知道什么时候发生的。

比如说，我们在七亿年的时候，地球特别特别冷，是一个非常极端的，全球大概是个冰球！这是地质历史上唯一已知的一次，全球是冰球。除此之外，我们地球表面的温度从来没有低于0度（没有全球结冰），也没有高于100度（如果全部汽化水都蒸发掉了）。所以我们一直保持在水的液态水的温度范围之内，有高有低。

什么是高、什么是低呢？现代其实是全球最冷的时期之一！为什么呢？现在两极有冰。在地球历史中，很长一段时间里两极是没冰的，偶尔会单极（就一个极有冰），两极有冰的时间是很少有的。所以我们现在觉得特别暖和，是指的相对于大概几十年之前在变暖，但其实总体来说地球现在还是比较冷的。所以我们要精确地测定地质历史的过去发生的事情，才能了解现代，预测未来。

所以我们讲地球冷和热：现在大家都觉得冬天变暖了是吧？是指的跟我们过去100年或几十年比，确实比过去变暖了。但是在地质历史过程中，我不是说吗？地球在很长一段时间是两极没有冰的！我们现在说暖了，北极冰开始化了，它还有冰，两极有很大的冰盖。我们测定我刚才说7亿年之前——那就要同位素来定出来这个时间——所以在地质历史上有一段时间，我们地质上术语叫“成冰系”，就是这段时间地球是个大冰球，从7.17亿年差不多到6.7亿年左右，这段时间，这段时间是地球大冰球最冷的，是非常独特的一个阶段。

我们现在不是说全球变暖了吗？实际上是从工业革命以来是吧？也就是大概200年左右开始变暖了。那地质历史上，其实跟现在也差不多冷的时候，它自己也会变暖，没有人它也会变暖，没有人的大量排放它也会变暖。那么为什么会这样子？它什么时候发生的？发生的速率有多快是吧？跟现在有什么可比性？这个也需要我们精确地进行测量，来了解这个过程。

6. 同位素年代学的研究，与我们的生活有怎样的关联？

应该现在来说，大家对全球气候变化特别特别关注，这是一个跟我们生活密切关系有关系的一件事情了。所以刚才我们谈到了，现代我们感受到的气候，还有一个我们研究过去曾经的气候。所以我们在地质学里面，就是说我们常常“将今论古”，还有另外就是“从古来再论今，预测未来”，这是两种思维的方式。

所以你现在叫我回答还有哪些更重要事情，那地球科学学科非常多，刚才只谈到——其实我并不是做全球变化的——其实我想告诉你的是，地质学如果没有地质年代学，它就没有时间坐标。地质学说到根本到根上就这么几件事情：一个是时间，一个是空间（空间当然是三维，是吧？），还有物质组成（这个物质包括化学的、物理的等等，物性、化学性质、化学组成）。所以大概就是了解时间、空间、物质及其的变化规律。

那么具体到比如说，我们是做古代的气候环境，还是说我们能源资源的形成？现在你知道大家都发现，我们新的能源很重要，传统的化石能源在不断的消耗，也在抱怨是不是化石能源消耗太多了，产生太多的二氧化碳，需要一些清洁的能源。清洁能源哪里来？这是我们要面对的问题。大家其实常常想到就是我们的科学研究，比如地质学也好，或者其他学科也好，跟我们公众民众的民生生活息息相关。比如说，我们一个手机，这里有多少金属，其实这都是资源在里面的体现。

那么我想其实这个是在应用层面上的。还有更多的我想举例子，就是说在达到这个应用层面之前，我们需要很多基础理论的研究。如果没有很多基础的研究，你咋知道它可以被利用？所以简单的说，我们以资源来说，我们人类的进步，经过大概这么几个跟资源有关系的时代：

• 第一个，人类最初的时候，原始时代是“石器时代”，用石头来做我们的工具。
• 然后进入到“铁器时代”，我们挖掘出很多铁，当然包括我们一些青铜器等等，青铜器、铁器，这都是还比较原始的。
• 后来，现在我们用的是一个新的一些战略性金属，即是跟新能源有关系。比如说，锂！三十年前谁知道锂有什么用啊？可是现在人人都知道锂来做锂电池。锂电池是不是我们的能源的一个终结目标？显然不是，我们还要发展其他的能源，比如说现在做氢能等等，大家现在在探索。

所以我想，我们经历过很多跟资源，我们的每一次资源利用的进步或者更替，都代表人类文明的一个大的进步。这就是我们地质学，要把基础研究走在人类文明发展的前面。所以我们地质学里面还有一个矿床学，就是做矿床的；还有做石油地质，做石油的形成，石油在哪里形成，在哪里储存，怎么开采等等，这都是应用的。

7. 天文地质的研究中也有使用到同位素，它能给我们带来哪些信息？

其实月球它也是个星球。我们人类站在地球上去研究地球，人类仰起头来看到天空上，有这么多星球，其实也想知道其他星球是什么样的，所以这就是我们人类的好奇心、求知欲。说古代人不是嫦娥奔月吗？还有月亮女神，其实对我们头顶上离我们最近的一个星球的好奇心所驱动的。

现在我们用科学的方法一样，我们也想知道月球什么时候形成的。很遗憾的是，我们到现在——月球，月球是我们现在知道月球是当年，很早以前一个跟火星差不多大小，跟原来地球撞击以后，大撞击形成了月球——但这一撞什么时候撞的，到现在还没搞清楚。刚才我已经说了我们的太阳系、我们地球形成的时间，非常的精确。可是我们不知道这一撞是什么时候发生的，这一撞诞生的月球，我们到现在还没有搞清楚，有点遗憾。所以如果公众特别年轻一代有兴趣的话，我们现在不断地，把这个事情搞得比过去清楚一点，但是还没有特别特别清楚——找到撞击那一刻产生的东西，可是现在我们不知道是什么东西，这个是比较遗憾的事情。

我们知道太阳系刚刚形成时候的东西保存下来是什么，但我们不晓得当年那两个星球一撞，产生的东西保存在哪里，我们正在努力的探索这件事情。我们大概知道45亿年左右——刚才已经说了，我们太阳系是45.67亿年——月球大概在45亿年左右一撞形成了。可是大概是大概，科学要精确准确，对不对？那么我们对月球同样的，月球它整个从形成到发展到演化，到今天这个样子，经历了这么长时间，每个阶段它都发生了什么事情？就像了解我们地球一样，我们也希望知道，所以这也是我们人类好奇心的驱动去研究它，一样的事情。

现在我们大概知道火星也差不多，因为有些火星的陨石样品的研究，它跟我们早期的太阳系星球形成的历史差不太多，火星跟地球差不多时间形成的。总体来说，太阳系在形成之后很短的时间，几个百万年差不多就形成了这个星球。但是我们真正获得样品研究的，主要还是来自于月球，极少量的火星，然后我们大量的陨石（天上掉下来）是来自于我们内外太阳系之间有个小行星带。所以那些小行星带的东西都很古老，差不多在45亿年以上的，非常古老的。所以我们还没有办法获得更远的星球的样品。

8. 如果能找到更多地外的样品，你们会进行怎样的研究？

我们正在努力做这些事情。比如说那些很多陨石掉下来，我们想知道这块陨石从哪掉下来的，它跟哪个小行星是能够相关的，都在做这些工作。

这个不是天文学，这是我们叫“天体化学”或者“陨石学”，这是属于我们地球科学的范畴。我们以前学习叫“数理化天地生”，这属于地学的，不属于天文学。我们需要很多其他信息。但即便是测量也不简单，说起来原理简单，因为诺贝尔奖一百年前，一条定律就发现了，这是个物理学的定律。但是真正把这件事情能够用好，能够做好，其实不是件很容易的事情。所以专门有个分支学科。

而这个学科是我们地质学最初的发展，是以观察为主的，是观察科学，是吧？看看它的形状面貌和基本的一些成分什么的，但是其实不太够定量化的。而年代学是第一个，让地质学走向非常定量化的东西。你知道以前我们都不晓得地球是多老的，你知道吗？神学的时候说只有4000多年，后来好不容易说可能有几亿年，还挺老的。所以自从有了同位素地质年代学之后——同位素地质年代学是1913年这个学科诞生的——第一次真正把地球的年龄测得准确可靠，是20世纪50年代的事情！发展了好几十年，才终于把地球和太阳系的时间确定下来。当然那时候精度测量的误差大了一点，但是基本上是靠谱了。后来也经过若干年的努力，让我们越来越精确，越来越准确。但是差不多测到45亿年，是1956年的事情，是不容易的，经历过几十年的努力。

9. 对月壤的研究，给我们带来了哪些有意思的发现？

月球跟地球不太一样。刚才说了很多相似的事情，也是差不多45亿年，年龄稍微年轻一点点，但是也就这么老了。然后也经历过形成、发展、演化。但是月球现在很多状况跟地球不一样：

• 第一个，当然月球上没有人，我们有人，这是最大的不同。一个星球有生命，不要说是人了，哪怕是有生命，哪怕是那种微生物都是了不起的一件事情，所以月球上没有。
• 月球上现在是这么一个情况：没有大气，是真空，高真空；是没有磁场，你知道我们地球有磁场，对不对？没有磁场。
• 然后关键是，月表没有液态水。水超级重要！一个星球是否可能有生命，首先它要有水。这个星球表面没有水的地方是没有生命的。所以水是生命之源，。

所以我们不是要去火星上找生命什么的吗，火星上曾经有水，没有水是不行的。所以月球没有水，今天基本上是一个我们地质学意义上已经死亡的星球——没有内动力了。它星球很小，但什么时候死亡了，这事还没有完全搞明白。

当时我们测嫦娥5号时候，是认为嫦娥5号采样点是月球大概最年轻的火山活动的地方，也就是说它发生完之后就没什么火山活动了，因为火山活动是一个星球有没有内动力的表现。汤加火山爆发，还记得吗？其实只是中等水平的火山，但是已经席卷了半个地球了。月球没有这么大规模的火山，基本上没有了。但是后来发现还可能还有一点点这个事情没完全搞明白。

然后一个星球有没有内动力，一个是有没有火山活动，岩浆作用是吧？还有有没有自身的内源的地震？我们地球有很多地震，表明地球内部在运动，要不然它怎么地震？月球好像月震有一点，但特别小，你到底是哪发生的现在不是很清楚，因为你要去了解月震的话，你要放月震仪，就像我们了解地震要放地震仪一样。之前在西藏也地震了是吧？现在快得很马上就知道在哪发生的，震中在什么地方，离地表多少公里，然后这个级别是多少，完了测量出来，但在月球上当年阿波罗放了几个，放了三个月震仪坏了一个，还有两个也工作的不好，所以我们对月球这个月震的事情了解的很少，但是最重要的就是真空无磁场，没有液态水，这个星球跟我们星球不一样，然后我们现在人想上去是吧，你上去你得需要在那里想呆得住，你得要有水，所以在月球上寻找水资源是特别重要的一件事情，没有水你待不下来的。

以后我们要在那些海洋还要去做月球科研基地，科研站的话，不能就地解决水的问题，在地球上带太多的水的可能性还是比较小。

所以找水资源成为我们未来，包括我们中国，包括美国，还有其他国家探测月球一个现在最重要的科学目标就是月球哪有水，但它的水不是我们液态的水，可能是因为月球你知道它温度变化非常大，昼夜相差白天一百几十度，晚上零下一百几十度。可能有的水都是在一些永久阴影区，照不到太阳就变成水冰什么，但现在这都是推测的，还没有被证实，所以需要我们去探测。

真正找到可利用的水，这可不是一件简单的事情，但我们下面的嫦娥的一些探测，我们6号之后，7号、8号，它的目的主要就是找水。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：李献华

审核：李金华 中国科学院地质与地球物理研究所 研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司