地球的年齡如何測定？
陽澄湖大閘蟹如何鑒定真?zhèn)危?/p>
這雖然是兩個(gè)毫不相關(guān)的問題，但他們卻可以使用共同的工具：同位素。
那么，什么是同位素？同位素又如何測定地球的年齡，如何鑒定大閘蟹產(chǎn)地呢？就讓小編來告訴你吧~
我們知道，物質(zhì)是由原子組成，而原子又是由核外電子和原子核組成，原子核由質(zhì)子和中子組成。
具有一定質(zhì)子數(shù)和一定中子數(shù)的原子即被稱為一種核素，而具有一定質(zhì)子數(shù)的原子被稱為一種元素。
即同一種元素的原子均具有相同的質(zhì)子數(shù)，而同一種核素則具有相同的質(zhì)子數(shù)和相同的中子數(shù)。
而所謂同位素，就是具有相同質(zhì)子數(shù)與不同中子數(shù)的核素。它們具有相同的質(zhì)子數(shù)，所以在元素周期表中，它們占據(jù)相同的位置，故稱為同位素。
我們通常在元素符號左上角加上相對原子量來表示不同的同位素，如：氧-18。不同的元素可以有一個(gè)或多個(gè)同位素，如鈣，在自然界中有六個(gè)穩(wěn)定的同位素：鈣-40、鈣-42、鈣-43、鈣-44、鈣-46、鈣-48。
由于中性原子的化學(xué)性質(zhì)主要是由核外電子決定，而核外電子數(shù)等于原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)，所以同一元素的不同同位素具有十分相似的化學(xué)性質(zhì)。
然而，由于原子核質(zhì)量的差異，在一些物理化學(xué)過程中，又常常表現(xiàn)出細(xì)微的差異。由于這種差異而導(dǎo)致的物理、化學(xué)過程前后的同位素組成產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為同位素分餾。
這種既相似又具有微小差異的特性正是同位素的魅力所在。
根據(jù)同位素放射性質(zhì)的不同，我們將同位素體系分為放射性同位素和穩(wěn)定同位素。
放射性同位素體系由放射性同位素和放射性衰變產(chǎn)生的放射性成因同位素組成。
而穩(wěn)定同位素則是指既不具有放射性又不是由其他具有放射性的同位素衰變生成的同位素。
當(dāng)然，這一劃分并不絕對，對于所研究的時(shí)間尺度來說，放射性半衰期很長或衰變母體的半衰期很短的同位素也被認(rèn)為是穩(wěn)定同位素。
[知識(shí)鏈接：放射性衰變與半衰期]
有些核素的原子核并不穩(wěn)定，會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌怂?，并發(fā)出射線，這一過程被稱為放射性衰變，可以發(fā)生衰變的核素稱其具有放射性。衰變前的核素稱為母體，衰變生成的核素稱為子體。對于特定的衰變反應(yīng)，任意數(shù)量的母體衰變至其含量僅剩一半時(shí)所需的時(shí)間是恒定的，這一時(shí)間稱為半衰期。
對于放射性同位素體系，在地球化學(xué)中的應(yīng)用主要是定年。而對于穩(wěn)定同位素，應(yīng)用則主要為測溫、示源、示蹤。
（一）放射性同位素的應(yīng)用：定年
所謂定年，就是利用放射性同位素衰變的性質(zhì)，測定體系不與外界發(fā)生同位素交換后的年齡。
就像可以通過判斷發(fā)量估算博士生的年級一樣。如果假定讀博之前的發(fā)量為固定值，隨著讀博時(shí)間的增加，發(fā)量以一個(gè)固定的速率減小，就可以通過目前的發(fā)量與初始發(fā)量的比值來推測讀博的時(shí)間。（X）
對于同位素定年也是相似的，體系不與外界發(fā)生同位素交換時(shí)可以看作“入學(xué)“，而同位素母體隨著時(shí)間逐漸衰變減少，就像頭發(fā)一樣。那么我們只要測定樣品中剩余母體的含量（當(dāng)前發(fā)量），并通過一些方式估計(jì)出初始母體的含量（初始發(fā)量），由于同位素衰變的半衰期（發(fā)量減少速率）是已知的，那么我們就可以得到所測樣品不與外界發(fā)生交換多少年了，從而得到了樣品的”年齡”。
比如我們熟悉的碳-14定年，就是測定體系不與外界發(fā)生碳同位素的交換后的年齡。
由于宇宙射線的作用，在大氣中會(huì)發(fā)生核反應(yīng)生成碳-14，通常認(rèn)為這一速率大致不變；同時(shí)碳-14發(fā)生衰變，那么大氣中的碳-14就會(huì)在生成和衰變中達(dá)到一定的穩(wěn)態(tài)，最終大氣中碳-14含量基本不變。木材砍伐并制成棺木后，其中的碳將不再與大氣發(fā)生交換，此后碳-14發(fā)生衰變，以一定的速率減少。我們通過測量棺木中的碳-14含量，將其與大氣中的碳-14含量對比，又已知衰變速率，就可以知道棺木是什么年代的產(chǎn)物了。
對于其他的放射性同位素定年方式，原理也比較相似，只不過要根據(jù)不同的時(shí)間尺度選擇不同的同位素體系。
如果選用的半衰期過短，那么樣品中的母體含量就會(huì)很少，于是甚至測量不出來；如果選用的半衰期過長，那么母體含量幾乎沒有變化，也不能定出年齡。
例如地球的年齡就要通過U-Pb體系來確定。
對于同位素定年，其中比較關(guān)鍵的一點(diǎn)是對于初始含量估計(jì)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下我們并不知道放射性母體的初始含量，所以我們需要通過很多其他的方式來假定母體的含量或通過公式的轉(zhuǎn)換，將初始母體的含量變成其他可以確定的量。其中比較常用的有模式年齡法、等時(shí)線法等。
等時(shí)線法
（二）穩(wěn)定同位素的應(yīng)用：測溫、示源、示蹤
對于穩(wěn)定同位素的應(yīng)用，則主要是利用了同一元素的同位素的性質(zhì)既具有相似性又具有差異性的特點(diǎn)。就像W.M.White在其所編教材Geochemistry中所言，Thus is it that one group of isotope geochemists make their living by measuring isotope fractionations while the other group makes their living by ignoring them!（一群同位素地球化學(xué)家靠著測量同位素的分餾而生存，而另一群則靠的是忽略同位素的分餾）
我們先從測溫說起。在某一地質(zhì)過程中，如果兩相之間同位素交換達(dá)到平衡（例如海水中緩慢沉淀碳酸鈣），而平衡分餾系數(shù)是溫度的函數(shù)，所以只需要測定兩相之間的同位素比值差異就可以求得平衡時(shí)的溫度。
[知識(shí)鏈接：平衡分餾系數(shù)]
兩相間的同位素比值之商稱為同位素分餾系數(shù)，而兩相之間的達(dá)到同位素交換平衡時(shí)，對于同一溫度，這一分餾系數(shù)是一個(gè)常數(shù)，稱為平衡分餾系數(shù)。
例如，在古氣候研究中，通常會(huì)出現(xiàn)海洋沉積物的氧-18同位素對時(shí)間的圖，這種圖其實(shí)就是海水溫度對時(shí)間的圖。因?yàn)橐话愣?，我們常常假設(shè)認(rèn)為海水的氧同位素比值氧-18/氧-16為定值，且沉積物與沉積時(shí)的海水達(dá)到了氧同位素平衡。所以沉積物中的氧同位素比值的變化就可以表示溫度的變化。
該圖是Paleocene以來海洋沉積物中O同位素隨時(shí)間變化和C同位素隨時(shí)間變化的圖，意在討論全球氣候變化與當(dāng)時(shí)全球C循環(huán)、C同位素變化之間的關(guān)系。
要想準(zhǔn)確定出溫度，會(huì)期望該同位素體系容易發(fā)生很大的分餾，這樣會(huì)方便對分餾的測量，定出的溫度也會(huì)更準(zhǔn)。所以，同位素測溫就是利用了同位素化學(xué)性質(zhì)有細(xì)小差異的特點(diǎn)，而示源，則更多地利用了化學(xué)性質(zhì)相似的特點(diǎn)。
所謂示源，就是通過某一特征指標(biāo)來指示樣品的來源。我們期望這一指標(biāo)在不同的源區(qū)具有很大差異的同時(shí)，在遷移過程中最好還能保持不變。例如，我們可以通過一位同學(xué)的口音來判斷他的家鄉(xiāng)在哪里。如果他的發(fā)音兒化音較重，則可能來自北方，如果平、翹舌不分，則多數(shù)來自南方，這就是示源。我們選取的指標(biāo)是口音，因?yàn)橐环矫娌煌赜蚩谝舨煌?，另一方面“鄉(xiāng)音未改鬢毛衰”。
而同位素示源的原理也與之相似。例如，不同地方的水土中Sr同位素組成都略有差異，同時(shí)Sr同位素在風(fēng)化、生物過程中一般不發(fā)生顯著的分餾，這樣Sr同位素就可以用來示蹤源區(qū)。
一項(xiàng)正在進(jìn)行的研究表明，不同水體中的Sr同位素組成具有一定差異，而水體中生長的螃蟹的殼中的Sr同位素組成與水體中的比較接近，且同一螃蟹不同部位的Sr同位素組成也比較一致。所以Sr同位素具有指示大閘蟹產(chǎn)地的潛力。而中國科大金屬穩(wěn)定同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室（www.metalisotopes.cn）也正嘗試開發(fā)一種利用Sr同位素鑒定大閘蟹產(chǎn)地的方法。
而所謂示蹤，就是利用不同過程中同位素分餾的特征不同的性質(zhì)，來推測樣品所經(jīng)歷的過程。因?yàn)椴煌^程所導(dǎo)致的同位素分餾特征具有差異，通過測量這些差異，就可以反過來制約形成、遷移過程中所經(jīng)歷的地質(zhì)過程。例如，可以通過研究水稻土中的Fe同位素，來推測水稻土中Fe元素的遷移規(guī)律，為農(nóng)業(yè)活動(dòng)提供一些指導(dǎo)。
水稻土剖面
當(dāng)然，上述僅是一個(gè)十分粗淺且不完整的概括和分類，同位素手段在地球化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，更為系統(tǒng)和全面的介紹還要閱讀相關(guān)書籍。
（三）同位素地球化學(xué)的研究方向
既然同位素具有這么多神奇的應(yīng)用，那么要怎樣進(jìn)行同位素地球化學(xué)的研究呢？
對于這個(gè)問題，每個(gè)人都有自己的理解。這里僅根據(jù)金屬穩(wěn)定同位素領(lǐng)域（既Cu、V、Zn、Ba、Si、Cd等金屬元素的穩(wěn)定同位素體系）為例，對這個(gè)問題進(jìn)行一些簡單的說明。
要想研究金屬穩(wěn)定同位素，首先需要建立高精度的分析方法，能將自然界中的各種樣品的同位素組成給測準(zhǔn)。
一方面，金屬穩(wěn)定同位素體系的相對質(zhì)量差異較小，自然界中的分餾相對也較小，甚至小于化學(xué)提純過程中造成的分餾。
另一方面，很多金屬元素在自然界含量很少，甚至是ppm級，化學(xué)流程中容易被污染。所以金屬穩(wěn)定同位素的分析并不容易，在全世界僅有少數(shù)幾家實(shí)驗(yàn)室能完成樣品的測量。
因此，分析方法的開發(fā)也一直是同位素地球化學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。
其次，要厘清自然界各種過程中的分餾機(jī)理，如吸附、擴(kuò)散、結(jié)晶、沉淀、熔融等。這需要弄清楚不同的同位素體系是否發(fā)生分餾、發(fā)生多少分餾、為什么會(huì)分餾。
同等重要還有同位素應(yīng)用方向的發(fā)掘。要根據(jù)不同同位素體系的各自特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際的地球科學(xué)問題，將同位素的工具應(yīng)用到地球化學(xué)中的各個(gè)領(lǐng)域。
Ca同位素圖源于作者
海洋沉積物中O同位素和C同位素隨時(shí)間變化圖源于W.M.White同位素地球化學(xué)課本Isotope Geochemistry
水稻土剖面源于金屬穩(wěn)定同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室
金屬穩(wěn)定同位樹圖源于宮迎增 中國科大博士研究生
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撰稿：肖子聰
美編：李瑩
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