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        如何判斷化石有多古老?化石年齡的測定方法有哪些?

        [ 來源:新浪科技 | 作者:新浪科技 | 發布時間:2021-09-06 | 瀏覽:157次 ]

        據國外媒體報道,14700年前,舊石器時代的獵人曾在如今的墨西哥設下陷阱、捕捉猛犸象;5.5億年前,一頭不知名的海洋生物曾在沙地上留下了自己的足跡;16萬年前,神秘的丹尼索瓦人來到了南亞地區;8000萬年前,一頭恐龍產下了一枚蛋,但并未孵化。

        確定這些化石的年齡可以幫助我們判斷其所屬的時期、進行正確的時間排序。假如沒有了這項技能,考古學家和古生物學家都會變得茫然無措。但我們這些普通人要么將這項本領視作理所當然,要么對其一知半解。在本文中,我們將向你介紹一些化石年齡的測定方法。

        如果沒有現代測年技術的加持,地球歷史上的許多重要時刻都將不為人知。當然,科學家可以看出這些猛犸象的骨頭、石灰巖中銘刻的線條、以及奇特的人類下顎骨都非常古老,但如果無法得知它們的準確年齡,這種判斷也就毫無意義了。測不出精確的年齡,科學家就無法將這些化石放在特定的進化或地質學背景下進行考察、或是開展對比分析,其它重現遠古歷史的任務也根本無法完成。

        從認識論角度來看,化石年代的測定同樣具有重要意義?!妒ソ洝返男欧钫邆兒喎Q,地球年齡只有6000歲。而根據現代測年技術,這種言論簡直大錯特錯??梢院敛豢鋸埖卣f,精確的化石年代測定可以讓我們真正認識自身、以及了解自己在宇宙中的位置。

        找到正確的化石

        早從數百年前開始,科學家就在嘗試判定化石年齡了。如今,各種化石測年技術與方法已經相當先進。當然,這并不意味著這個過程輕而易舉、毫無挑戰,并且這些技術依然有進步空間。

        化石測年的第一步是,確保研究對象真的是一塊化石。這話聽著奇怪,但其實不無道理。因為許多被送到科學家那里分析的東西其實并不是化石,只是長得和化石很像而已。

        “這些東西可能只是巖石上的刻痕、石頭上不均勻的侵蝕痕跡、或者巖石上某種‘長相奇特’的礦物質,顯得它仿佛曾經有過生命一樣?!币蛩共剪斂舜髮W地質學家與激光斷代專家邁克爾·梅耶解釋道,“因為許多人并不清楚化石是如何形成的,而且人類總是傾向于‘辨認出’自己認識的形狀,所以總有人以為自己發現的石頭也許是一塊化石?!?

        曾有人給梅耶送去過一些所謂的“足部”和“鴨子”化石,但最終證明,這些只是長相奇特的石塊而已。至于哪些東西可以算作化石,梅耶給出了兩種比較寬泛的定義:化石可以是過去生命留下的任何痕跡,一般是變為石塊的有機質;或者只要是古代生命留下的任何跡象即可。

        加州理工學院人類學家布里吉特·艾利克斯表示,研究人員有時會找錯斷代的對象。例如,考古學家可能想弄清一座古代城市被毀滅的具體時間,于是對遺址中發現的一些燒焦的木炭或骨骼進行了斷代分析,但這些東西并不一定與城市的毀滅直接相關?;蛘哒f,考古學家想測定一塊尼安德特人骨骼的年齡,結果錯拿了附近一頭動物的骨頭,而這頭動物“也許是在多年之后才誤入巖洞、死在了這里的,與尼安德特人沒有一點關系?!卑怂箯娬{,“找到能夠解答你的問題的正確化石”,是一項重大挑戰。

        幸運的是,“幾乎任何東西都可以進行年代測定,但時間、資金、以及發現化石的環境,都是阻礙化石斷代的最大問題?!泵芬赋?,“因為給化石斷代是一項非常繁重的工作?!?

        在原始環境中發現的化石是最容易斷代的,因為化石本身、以及化石周圍的信息量都很充足。相比之下,在其它環境中發現的化石(比如一枚在井下埋藏了85年、但真實年齡足有14萬年的頭骨)則難以進行年代測定、并且成本高昂。至于年代測定是否有上限,如果不考慮時間和資金問題,那么答案就是“沒有”。地球上最古老的巖石可以追溯到37.7億至39.5億年前,而最古老的化石可追溯至約34.2億年前。

        科學家通常會將兩種測年方法結合使用:相對測年法與絕對測年法。相對測年法是指,將化石按“最古老”到“最年輕”的順序排序;而絕對測年法則是指確定某個物體所處的具體年代。

        埋得越深,(也許就)越古老

        相對測年法從18世紀就開始采用了,而且除了鏟子之外,基本不需要用到其它技術。艾利克斯指出,最簡單的測年方法往往是最準確的,最終得出的數據也是最有用的。

        艾利克斯解釋道,相對測年法的邏輯一般是“東西埋得越深,一般就越古老”。梅耶指出,這就是所謂的“層序律”:“比較古老的物質一般都會埋在比較年輕的物質下面,就像一堆臟衣服一樣?!痹缒暌晃幻胁闋査埂とR伊爾的地質學家就將相對測年法發揮到了極致。他通過擁有現存親屬物種的動物在巖石中所占的比例,總結出了一張簡單的年代分布圖,在無法精確測定年代的情況下,判定了不同物種的相對生活時間。在此基礎上,他率先提出了更新世、上新世、中新世、以及漸新世等第一批遠古地質年代的名稱。

        艾利克斯指出,在同一環境中發現多件物品時,也可以采用相對測年法。例如,如果發現了一枚標有日期的硬幣,就可以用其判斷周圍物品或化石的年代。又例如,假如在一枚猛犸象頭骨近旁發現了一具人類骸骨,就說明二者同屬于冰河時代晚期。

        但相對測年法存在一大缺陷:研究對象可能會受到污染。艾利克斯指出,負責任的科學家“會假定這些物品之前被移動過,也清楚自己研究的不是一塊無人碰過的蛋糕,最底層的物質一定最古老?!苯Y冰、解凍、昆蟲行為、人類活動……這些都會對考古遺跡的完整性造成影響??茖W家需要時刻留意這些“宏觀污染”的痕跡,然后交給地質考古學家進行分析,因為后者的專長便是識別這一類污染問題。

        化學鐘

        采用絕對測年法,科學家可以精確判斷化石的年份、或是大致的年份范圍。梅耶解釋道,絕對測年法“利用化學或物理原理推斷出化石的確切年代,可以將誤差控制在一定范圍內”。這種方法又叫“精密測年法”,以放射性物質衰變為基礎。放射性元素的衰變是可以預測、有章可循的,相當于為我們提供了一臺精確、可靠的時鐘。

        目前最佳的精密測年法為放射性碳測年法。用艾利克斯的話來說,這項技術“使考古學界發生了革命性的變化”。任何由生物遺留下來的物質都可以用該技術斷代,包括骨骼、牙齒、樹葉、樹皮等等。

        碳測年法的原理是,將樣本中放射性碳與普通碳的占比進行比較。放射性碳不夠穩定,隨著時間的流逝,其能量也會不斷流失,最終衰變成氮元素?!胺派湫蕴嫉乃プ兯俣仁强梢灶A測的,”艾利克斯指出,“生物一旦死亡,體內的放射性碳(特別是同位素碳14)就會開始衰變,半衰期為5730年。也就是說,每過5730年,有機樣本中遺留的碳14的量就會減少一半。該方法的問題在于,這些有機化石的年齡不得超過6萬年,才能精確測定其所處年代,因為如果樣本過于古老,尚未衰變的放射性碳便已所剩無幾,很容易受到環境的影響?!?

        對于碳測年法而言,污染也是一大問題?;泻苋菀渍慈九c之無關的其它有機質,導致測出的年齡比其實際年齡要短。艾利克斯指出,這種情況即使在實驗室中也會出現。不過近幾年來,科學家發明了一些新方法,比如清潔化石、提取其中的膠原質等等,可以有效避免這種情況的發生。

        對于年齡超過6萬年的化石,科學家可以通過測定化石周圍的無機沉積物或礦物質的年齡,間接推斷出化石的年代。例如,光釋光(OSL)測年法可以測出土壤中特定礦物質最后一次暴露在陽光下的時間,從而為某件物品被埋入地下的時間提供一個大致范圍。在使用光釋光測年法時,必須將樣本避光保存,否則就會失效。熱釋光測年法則可以測定出某物最后一次被加熱的時間,“比如某件石制工具何時被加熱過、或被火燒過?!倍櫹禍y年法和電子自旋共振測年法可以測定同位素的衰變情況,可以確定化石的絕對年代。

        馬克斯·普朗克人類歷史科學研究所的考古學家艾莉諾·賽利指出,人們對精密測年法有一種誤解,認為這項工作“一般都是在實驗室中進行的”。但實際上,為了弄清化石的年齡,科學家“還需要了解考古遺跡的形成過程、沉積物是否換過位置、是否保留了原始狀態”。這個問題與使用相對測年法時的污染問題很類似,在考古遺址被發掘前的成千上萬年間,沉積物的位置可能會有所變動,水流可能將化石或古器物沖到其它地方、與最初的埋藏點相距甚遠?!叭绻偷綄嶒炇业臉颖静缓?,無論測年法有多么精確,結果都不可能理想?!?

        精密測年法的確強大,但正所謂能力越大、責任越大。賽利指出,科學家必須弄清自己的測年對象究竟為何物,并且盡量多使用幾種測年方法。

        “我們之前發現了一個深不可測的巖洞,里面滿是骨骼化石?!辟惱硎?,“通過對外層物質進行放射碳年代測定,我們了解到,這些化石全都是在一次洪水中被沖進這個巖洞中的。但我們相信,這些骨骼的真實年齡其實要古老得多?!蹦壳?,該團隊正在利用鈾系測年法和電子自旋共振測年法解決這一問題。

        “如果這些骨骼樣本的測年結果相差很大,就說明這些化石分屬不同年代,只不過被一次大規模洪水一起沖到了這里?!辟惱忉尩?,“但即使測得的結果相差不大,這些化石形成的年代仍有可能遠遠早于在巖洞中沉積下來的年代?!?

        科學家應盡量使用多種測年技術,給測得的化石年齡增加一重佐證。

        到目前為止,這些技術還僅被用于測定地球上發現的化石年齡。不過,考慮到人類正在計劃前往火星收集樣本,形勢也可能有所變化。因此,這些測年技術除了幫助我們了解自己的過去之外,有朝一日或許還能告訴我們,火星上是否曾經(或者何時)有過生命。

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