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火成岩的年代測定
火成岩的年代測定

  地質時間是指自從地球生成開始直到現在這段時間而言,這段時間極長,年代也非常久遠。絕對時間的測定是指一地質事件究竟在多少年以前發生的,或一個地層是多少年以前造成的,是一萬年還是十億年以前。
  絕對時間的決定有很多老方法,如計算海洋的總含鹽量、計算地球失散的熱量、或計算沈積岩的沈積速率等。用這樣不同的方法可以使早期的科學家們得到不同地球年齡的計算數字,例如十九世紀法國孔德巴芳利用鐵球冷凝速率計算出七萬五千年;1854年賀爾門利用太陽能量的產生速率定出二千萬到四千萬年;英國熱力學的權威克爾文則根據賀爾門的估計定出四千萬年;約里則根據海水中所累積的總鹽量定為一億年(圖1)。現在不值得再來討論這許多不同的計算法和所得的地球年齡數字,因為他們根據的立論是錯誤的,所得的計算數字也比實際的年齡要小得多。此外,也有用冰川作用造成的季候泥來測定絕對時間,以一粗一細的兩薄層季候泥代表一年的沈積,構成一對,就如同樹木的年輪一樣。我們如能計算有多少對季候泥的堆積,就可以算出堆積這許多對季候泥沈積的地點和時代,以第四紀地層為主,可是不能用之測算地球或其岩層的年齡。
 
放射性定年法
  較準確的絕對年齡測定法可以說肇始於1895年法國貝克最早發現含鈾的礦物可以放出神秘的螢光使照相軟片感光,這自動發出的強穿透性之光線就叫做輻射線。其後,居里夫婦經過長期的分析與研究,分離出釙和鐳的新元素。這二種放射性元素所放出的放射線要比貝克所發現的強,因此更能夠作進一步的探討。因此英國的物理學家拉塞福和貝克共同研究而發現了放射性的阿爾伐(α)、貝他(β)和伽馬(γ)粒子(圖2)。
  在1905年拉塞福首先建議可以利用放射性礦物來決定岩石的年齡,第二年他就在實驗室中定了一個含鈾礦物的年齡。同一年美國的化學家鮑爾伍也在耶魯大學做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老。直到1913年索岱把同位素的性質加以闡明和改良放射性定年方法以後,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,而是以數十億年來計算。在地球內部含有許多具有放射性的元素,它並不穩定,可以自動分裂,蛻變成其他較輕的元素,並釋放出熱能,為周圍的岩石所吸收,也因此愈來愈熱。克爾文等人,由於未考慮到這類的放射能在地球內部已維持了數十億年,因此他們所估計的地球年齡也就太年輕了。
  放射性元素蛻變的過程中,老的未變元素名為母元素,蛻變後所變成的新元素名為子元素,兩者互成一對。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少。有些蛻變祇經過一次,就變為穩定的元素。有些蛻變要經過許多次,起先都變為另一種或多種不穩定的放射性元素,最後才變成穩定的元素,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。不同的放射性元素的半衰期皆不相同,有的元素的半衰期是一秒的幾分之幾,有的長達數億年。圖3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;如果再經過另外一個45億年,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經過十四次蛻變後,最後變為穩定的鉛-206,半衰期是4.51×109年。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,就可以算出這礦物生成,亦即其岩石生成的時期或年齡。
  在介紹放射性定年之前,讓我們先瞭解元素的組成和同位素以及同位素的分析方法。
 
元素
  凡不能以化學方法分解為更簡單的物質稱為元素。每一個元素是由電子、質子、中子以不同方式的結合所造成的。世界上原來有108個不同元素,其中92個元素是天然產生的元素,16個元素是人工造成的元素。一個元素的特性是由它原子核中所含質子的數目,這名叫原子序。每一個元素都有一個名稱和一個符號。原子序 1 氫元素, 由一個質子和一個電子所組成。原子序 2 是氦元素,有二個質子(普通另加二個中子)和二個電子所組成(圖4)。每增加一個質子和與其相配的一個電子以達到電荷的平衡就產生一個新的元素。
 
同位素
  很多的元素都具有若干不同的種類,它們的化學性質和物理性質都相似,但是質量不相同。這些不同的種類就叫做同位素,意思是在元素週期表上是相等的位置。因為每一個不同種類同位素的原子核皆含有相同數目的質子,它們的原子序都相同,所以位置也相同;其所不同的是彼此間的質量,這是因為原子核中所含的中子個數不相同的緣故。原子核中質子的數目和中子的數目的總和就是這個原子的質量數,質子和中子的質量和也叫做這個原子的原子量。譬如氫元素的原子核中只有一個質子而沒有中子,它的質量數是 1,這元素名氕。假如原子核中增加了一個中子,這原子質量數就變成2,這就成了重氫或氘。假如原子核中有二個中子,這原子的質量數就成為3,這元素名叫氚。這三個元素都是氫的同位素(圖5)。它們的原子序相同,但是質量數不等。自然界中大約有六十個元素具有同位素。如鐵的原子核中有26個質子,但是它所含的中子數目有28、30、31和32四種不同種類。所有這些不同的種類就造成四種鐵的同位素,它們的質量數分別為54、56、57和58,由此可以知道每一個不同的同位素都具有不同的質量數。
  很多同位素是不穩定的,這表示原子核中的原子吸引力不足以使質子固結在一起。在這種情形之下,原子核就可以分裂或蛻變,分離電子、質子和其他粒子出來,同時放出能量,這種作用名叫放射性,而不穩定的同位素又名放射性同位素。其他不具放射性的同位素名叫穩定同位素。很多元素都具有放射性或穩定同位素。
  同位素的測定主要是藉質譜儀來偵測。鉛元素在自然界中的同位素有204Pb,206Pb,207Pb,208Pb四種,就可藉質譜儀來分析(圖6)。
 
為何引起放射反應
  雖然原子具有質子(帶正電)、中子(不帶電)和電子(帶負電),由於電荷達到平衡而呈電中性,然而原子核本身由於是由質子和中子組成,因此帶正電。帶正電的粒子,原本是互相排斥分離,非得靠中子居中緩衝,才能撮合在一起。因此,相對而言,中子無論是太多或太少,都將引起原子不穩定產生分裂。我們知道,要有非常大的能量才能使原子核中的粒子緊密在一起。因此當核分裂時,必將釋放出大量的能。原子彈和核能發電廠就是典型的例子。
  我們也知道重的原子,其原子核是不穩定的,例如鈾-238,釷-234,鐳-226。不穩定的核子將以α粒子的型式拋出中子和質子。α粒子具有二個質子和二個中子,也就是說其質量數是4,而原子序是2。因此每當一個放射性的原子釋放出一個α粒子,其質量數減4,原子序減2。
  例如23892U→23490Th+42He(α粒子)
  釷本身亦具有放射性,將立即產生蛻變,它將釋放出β粒子。為什麼它不釋放出α粒子呢?有些原子之所以不穩定,不僅僅由於重的核子,也是由於對目前所擁有的質子數而言是具有太多的中子。過多的中子均轉變成質子而釋放出電子,這將增加了原子核中質子的個數。也就是說,當原子核的中子轉變成質子時,原子量是不變的,但原子序則加一。那釷-234 之蛻變反應式為:
  23490Th→23491Pa+0-1β
  鏷本身也是具有放射性,將立即產生蛻變。這一系列的反應將持續到產生穩定的鉛(206Pb)。在整個的反應系列中,不時有高能量的α粒子或β粒子釋出,同時也以電磁波的方式放射出來能,稱為伽傌(γ)射線。瞭解放射反應以後,讓我們來看看如何利用放射性元素來定年:
(1)鉀-氬法定年
  最早用來定年的放射性元素雖然是鈾元素,但是無論是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。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39K、40K和41K三個同位素,只有鉀-40具有放射性,而且有兩種蛻變方式:一是鉀-40經過放出β粒子而變為鈣-40,這在定年上沒有多大用處,因為鈣-40約占了全鈣量的97%,而鈣是在岩石中極多又是極普遍的元素,因此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,雖然只有百分之十一的鉀-40可以採取這種蛻變方式,但這是最有用的母子對定年元素,半衰期是13億年(圖8)。
  4019K+0-1β→4018Ar
  4019K→4020Ca+0-1β
  鉀-氬法定年最大的困難在於經由放射性蛻變所產生氬-40氣體的逃逸。當一個欲定年的岩石或礦物,曾經受過變質作用的話,那礦物的結晶格子可能遭受過擾動,而礦物中所堆存的氬-40也受到加熱過,因此部分或所有的氣體將逃脫束縛。如果所有的氣體都逃散的話,這個計時鐘將從能夠將氬氣束縛得住的時刻再重新開始計時。在這種情況之下,由定年分析所獲得的結果,將是代表變質作用的時代。如果僅有部分的氬-40逃逸的話,那所求得的年齡將介於岩石最初形成與發生變質作用之間的時代。
  熱作用對於不同的礦物有不同的影響。黑雲母在高於300℃環境下所有的氬-40將逃光,而角閃石則要高於500℃的情況下才會發生。因此火成岩的岩石或分離所得的礦物從事於鉀-氬法定年時,即使是受到極輕微的變質程度也都得特別小心謹慎,以免誤入陷阱。
  有關於臺灣火山岩的鉀-氬法定年分析工作,目前所獲得的資料,比其他放射性定年法來得完整。
(2)銣-鍶法定年
  銣-87和鍶-87是另一對用來定年的母子元素,其半衰期4.7×1010年:
  8737Rb→8738Sr+0-1β
  銣的化學性質和鉀很相近,所以大部分含鉀的礦物,如雲母、鉀長石、輝石、角閃石都可以含有銣和鍶。鍶有(84Sr,86Sr,87Sr,88Sr)四種同位素,其中部分的鍶-87來自於銣-87蛻變產生。因此在利用銣-鍶法定年分析前必須明瞭這些礦物中其原始鍶-87的含量。
  當一岩石生成時,它將含有銣-87,鍶-87和鍶-86就如同含有銣和鍶的其他同位素一樣。當這岩石保持在一個封閉系統,再也沒有其他的物質進出的話,那銣-87將逐漸遞減,鍶-87則逐漸增加,而鍶-86非為放射性核種永遠保持定值。由分析銣-87和鍶-87的變化情形,配合半衰期常數,就可求得岩石或礦物生成之年齡。
  一般銣-鍶法定年最常用的就是等年線法(圖9),它的優點為可去除礦物或岩石生成時原先已存在之Sr-87所引起的誤差。
  臺灣目前銣-鍶法定年可在中央研究院地球科學研究所或國立成功大學地球科學系利用質譜儀進行分析。以銣-鍶法定臺灣東部外海綠島的黑雲母角閃安山岩中長石和黑雲母的礦物年齡,計有四個測值,分別為九百四十萬年、二百九十萬年、二百三十萬年及一百一十萬年。小蘭嶼黑雲母角閃安山岩的年齡較年輕,約一百萬年。這些年齡與鉀-氬法所測得的結果頗為一致。此外,銣-鍶法定年亦可應用於變質岩區岩漿活動熱事件或變質作用之研究。臺灣中央山脈變質岩區之宜蘭縣南澳鄉源頭山片麻岩體出露之花崗岩與片麻岩,於北京中國科學院地質研究所從事銣-鍶法定年結果,示之於圖9。推測中生代白堊紀為臺灣中央山脈極重要的熱事件時期(南澳運動),造成了花崗岩的侵入與區域的變質作用。
(3)核飛跡法定年
  核飛跡法是一種最新的放射性定年技術,它是利用一般鈾元素所含的鈾-238 自動核分裂來分析。核分裂也是放射性蛻變的一種,大的重的原子核如鈾-238 可以自動分裂成兩個大小幾乎相等的,以極快速度分離的原子核。當這些核分裂的碎塊飛馳而過,其四周的材料,將受到放射性傷害,因此將留下殘跡尾巴,就如同夏夜流星。在含有鈾的物體,核傷害殘留尾巴的個數,將隨時間或鈾含量的增加而呈穩定增加。通常這些核傷害的殘留尾巴太小,無法用一般的顯微鏡來辨識。如果用化學藥劑腐蝕處理放大,就可利用一般的光學顯微鏡來觀察。在處理方面首先把含鈾的礦物平鋪於可塑性的樹脂上,壓平硬化後拋光。在浸入適當的藥劑中腐蝕處理。腐蝕的藥劑得視所使用的樹脂材料,一般為硝酸或氫氧化鈉。當表面的樹脂,遭到核分裂的碎塊飛馳而過而留下放射性傷害殘跡,將要比鄰近物質容易腐蝕,而留下一個個小穴或小錐的形狀。這些腐蝕的小穴就叫做核飛跡(圖10)。它可在目鏡有網格的顯微鏡下計數。只要我們知道核分裂的半衰期和該礦物的鈾含量,那核飛跡的數目就可以計算出這個礦物的生成年齡。
(4)碳-14法定年
  碳-14(C-14)法定年被廣泛地應用到考古方面,但也可有限地應用到地質方面。放射性同位素C-14 是由大氣中的氮經由高能的宇宙線撞擊而持續產生(圖11)。
  10n+147N→146C+11P
  中子 + 氮 → 碳-14 + 質子
  放射性的碳元素再與氧元素化合而成為二氧化碳或一氧化碳。這樣所產生的二氧化碳很快地就混入了大氣圈中。在一個短時間內,大氣中C-14的產量是相當一致。它與由C-14蛻變產生氦-14之速率達到平衡,也就是說大氣中C-12與C-14的比值大致為一常數。
  活的植物或動物一直持續吸收大氣中的碳,也因此活的生物體中,一直保持與大氣相同的C-12與C-14的比值。當生物體死亡後,碳的交換也就停止了。這時在遺體內就不再有C-14的生成,而C-14的濃度將以C-14半衰期5730年的速率遞減。因此一個含碳標本,例如碳化木或動物骨骼,就可以利用C-12與C-14的比來計算它的年齡。
  由於C-14的半衰期較短,因此C-14定年只能用於三萬五千年以內的標本。一般歷經七個半衰期的標本,其所殘留C-14的總量已微乎其微,以致無法準確測量。
  C-14定年在應用上也有些困擾必須克服,首先就是大氣中C-14的比值隨著時間而有所改變(圖12)。自從工業革命以來,人類對能源的需求日益增加,因此有大量不含C-14的所謂「死碳」 ,如煤、石油的燃燒而加入了大氣中。另一方面宇宙線總強度的改變也引起C-14產生速率改變。所以在定年之前,我們必須能夠定出大氣中C-12與C-14比值隨時間變化的情形。幸虧這些資料,可以從樹木的年輪獲得。經由樹木年輪的推算,大致可追溯至七千年前。若經由季候泥推算則可回溯至一萬年前。對於年齡超過一萬年的標本定年,由於缺乏可靠的大氣C-14變化資料,因此存在相當的不準度。
  火成岩定年方面利用C-14定年,限制頗多,除了C-14半衰期短外,含碳標本的獲得也相當困難。目前實際應用的例子有我國東北長白山全新世火山活動的調查。歷史上長白山有多次的火山噴發活動,文獻上可考的有西元1597、1668與1702年三次噴發記載,但多為噴氣或雨灰。中外學者多次前往長白山聯合考察,發現火山灰下的碳化木(圖13),有的經過C-14年齡測定為距今1120±90年。
 
放射性定年的應用
  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,不能決定未變質以前岩石的生成時代。
  大部分可用來做放射性定年的礦物都是岩漿作用所造成的礦物,沈積岩中就缺少可用的礦物,因為其沈積物有不同的來源,放射性定年只能測定這些沈積礦物造成的年代,不能測定這些沈積物的沈積年代。有時海中形成的沈積岩中含有海綠石,它含有鉀,也可以用來定年。但是先要確定這海綠石是原生而非次生的,即和其圍岩是同時沈積而非後來變成的。
  沈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推定這沈積岩的年代。如果成層的火山岩流或火山灰和含有化石的沈積岩相間成層,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沈積岩的年齡,同時也可以校對由化石所定地質時代的可靠性。如果火成岩侵入沈積岩層中,則可以利用概括方法來測定沈積岩層的大致時代。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,例如有一個沈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,那麼這個沈積岩層的時代或年齡就可以概括於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,因為這樣會影響母和子元素的相對含量,使測算所得的年齡不準確。因此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有變化,這樣測出來的放射性年代只能代表地殼變動或火成岩活動的時代,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法最普遍和重要,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輕如幾萬年的岩石,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,所以在造山帶太老的岩石不適用這一種定年法。如果可能的話,最可靠的放射性定年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,彼此可以互相校對,也就容易得到較準確的判斷。
 

* 圖說:
				圖1.近代學者對於地球年齡之估算。斷線代表推算趨勢。
* 圖說: 圖1.近代學者對於地球年齡之估算。斷線代表推算趨勢。
* 圖說:
				圖2.拉塞福發現了放射性的α、β和γ粒子。
* 圖說: 圖2.拉塞福發現了放射性的α、β和γ粒子。
* 圖說:
				圖3.放射性鈾-238母元素與子元素鉛-206隨著時間(半衰期)之消長情形
* 圖說: 圖3.放射性鈾-238母元素與子元素鉛-206隨著時間(半衰期)之消長情形
* 圖說:
				圖4.氫原子是由一個質子和一個電子所組成;氦原子由兩個中子和兩個質子組成一個原子核,在外面的軌域上再有兩個電子以達電荷的平衡;餘類推。
* 圖說: 圖4.氫原子是由一個質子和一個電子所組成;氦原子由兩個中子和兩個質子組成一個原子核,在外面的軌域上再有兩個電子以達電荷的平衡;餘類推。
* 圖說:
				圖5.氫元素的三個同位素,三者的差別在其原子核中所含中子的數目,分別為 0、1和 2。這三個同位素有相同的原子序,但具有不同的質量數。
* 圖說: 圖5.氫元素的三個同位素,三者的差別在其原子核中所含中子的數目,分別為 0、1和 2。這三個同位素有相同的原子序,但具有不同的質量數。
* 圖說:
				圖6.利用質譜儀偵測鉛同位素
* 圖說: 圖6.利用質譜儀偵測鉛同位素
* 圖說:
				圖7.鈾-238 蛻變為釷-234 並釋放出一個α粒子
* 圖說: 圖7.鈾-238 蛻變為釷-234 並釋放出一個α粒子
*
				火成岩的年代測定
* 火成岩的年代測定
* 圖說:
				圖8.鉀-40蛻變曲線與鉀-氬法定年實驗室設備
* 圖說: 圖8.鉀-40蛻變曲線與鉀-氬法定年實驗室設備
* 圖說:
				圖9.銣-鍶法定年等年線與臺灣中央山脈南澳花崗岩、片麻岩之銣-鍶法定年結果示意圖。
* 圖說: 圖9.銣-鍶法定年等年線與臺灣中央山脈南澳花崗岩、片麻岩之銣-鍶法定年結果示意圖。
* 圖說:
				圖10.(a)含鈾礦物所受核分裂放射性傷害殘跡(b)經藥劑腐蝕凸顯放射性傷害殘跡(c)磷灰石之核飛跡實況
* 圖說: 圖10.(a)含鈾礦物所受核分裂放射性傷害殘跡(b)經藥劑腐蝕凸顯放射性傷害殘跡(c)磷灰石之核飛跡實況
* 圖說:
				圖11.碳-14之生成與蛻變曲線
* 圖說: 圖11.碳-14之生成與蛻變曲線
* 圖說:
				圖12.由樹木年輪推斷自然界中碳-12與碳-14比值,隨時間變化所引起碳-14定年年齡的誤差。
* 圖說: 圖12.由樹木年輪推斷自然界中碳-12與碳-14比值,隨時間變化所引起碳-14定年年齡的誤差。
* 圖說:
				圖13.我國東北長白山地火山灰中之碳化木,經C-14定年測定年齡距今1120±90年。
* 圖說: 圖13.我國東北長白山地火山灰中之碳化木,經C-14定年測定年齡距今1120±90年。
 
 
 
 
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