【科普】岩石为什么有年龄？怎么计算的？

1岩石为什么会有年龄？
因为，岩石并不是本来就有的，而是后来形成的。就像你我是从母亲的肚子经过十月怀胎生出来的一样，岩石也是从地球母亲的怀抱中孕育出来的。
2但是岩石的年龄却各有各的不同。这是为什么呢？
因为，岩石分为三大类。分别为，变质岩、沉积岩、岩浆岩。
先8岩浆岩，因为地球上最先形成的岩浆就是岩浆岩。变质岩和沉积岩都是后期在岩浆岩形成的基础上出现的。
（1）岩浆岩：
顾名思义，就是由岩浆形成的岩石，在地球形成初期，由于万有引力导致大家都紧密结合，从而放射性辐射产生大量的热，地球上为一片岩浆海。岩浆喷发冷却就会形成岩石，就是岩浆岩。到今天，火山喷发和冰岛和阿拉斯加的岩浆溢流还在形成大量的火山岩浆岩，形成壮丽的奇观。而同样在海底，大西洋和太平洋海底中脊上，同样溢流蓬发大量玄武岩，称为MORB（大洋中脊玄武岩），以上皆为喷出岩浆岩。然而同时很多岩浆岩并没有喷发出来，而是直接侵入于地下，这就是侵入岩浆岩。
而所谓岩浆岩的年龄，就是由岩浆变成岩浆岩后，岩浆岩距现在时间。
（2）沉积岩：
沉积岩，你一听它的名字就知道他是沉积形成的，由水流或者风化、水流侵蚀作用会把前期形成的岩浆岩、沉积岩、变质岩粉碎成为碎屑或者砂砾，那么这些东东最后在低洼处或者古海底、古河道底部堆积，然后经过漫长的几十万年，几百万年、几千万年的压实胶结成岩，那么她就是经过胶结而形成的，自他成为石头的那一天开始，到现在的时间，就是它的年龄。
（3）变质岩：
你听一这货的名字，你就知道他是经过改头换面形成的石头。他的原来的岩石有可能是沉积岩，也有可能是岩浆岩，也有可能是已经变质的岩石。那么它怎么形成的呢？
它是经过变质作用形成的，变质作用类型很多，我说一个最常见的，动力变质作用和接触变质作用。接触变质作用，就像热的岩浆岩侵入到冷的岩石里面的时候，在冷的岩石和热的岩浆岩都会发生变质作用，在这个接触带上形成的岩石就可以叫做变质岩，这是变质岩的一种。动力变质作用我就不举了，不太好举例子。
那么变质岩的年龄，就是自从它变质形成称之为变质岩后，到今天的年龄。
这就是为什么岩石有年龄的原因。

对于火成岩，其年龄（绝对年龄）实际指的是其所含矿物中放射性同位素封闭的年龄。也就是说，从此时起，矿物内的放射性同位素和其衰变产物与外界再无交流。
这一计算方法是一个很简单的公式。这个公式之所以简单，是因为Ar是气体，即矿物中所有的Ar都是放射衰变产生的。对于更常用的U-Pb法来说，我们如何确定矿物的Pb都是衰变产生的呢？那就需要选择一种在晶体生长时富集U而排斥Pb的矿物，最常用的即锆石。
锆石还有一个优点，极为稳定，封闭温度很高（900度），这保证了锆石的封闭性好。而U-Pb衰变有两条路径，又自带了对封闭性的检验。这也是为何U-Pb法的数据图和别的方法都不同，是一个个圈而非一条条线。
但是，锆石封闭温度高也导致了一个问题，即锆石在岩浆中也有可能不完全熔化，而是在下一次岩石的形成过程中成为其结晶核。这一过程能重复多次，并形成典型的同心环带。
早期的锆石定年，由于质谱仪的限制，需要将一颗锆石溶于氢氟酸中进行测定，这导致了其测得的是一个平均年龄。现代，随着高分辨离子探针(SIMS)及激光剥蚀等离子体质谱(LA-ICP-MS)方法的应用，科学家们足以区分其每一个环带的年龄。对于火成岩而言，我们大概可以说，其锆石最外层的同位素年龄即岩石生成的绝对年龄。新方法的引入和技术的进步也大大提高了U-Pb法的精度，现在在二叠纪（距今2.5-3.0亿年）研究中甚至可以达到几万年，如我导师的一篇文章中关于二叠纪大灭绝的时间，确定到了“The extinction occurred between 251.941 ± 0.037 and 251.880 ± 0.031 Mya, an interval of 60 ± 48 ka.”这一精度据我所知是目前其他方法都远远达不到的。即使考虑到半衰期对精度的影响，现在在新生代有使用K-Ar/Ar-Ar等方法，人类文明以来有14C方法，更久远的时间基本被锆石的U-Pb年龄所垄断。一说年龄，就令人联想到挑锆石。

再说变质岩，关键仍然是锆石U-Pb年龄。上图是公众舆论中最常见的锆石照片，是澳大利亚采到的地球上历史最悠久的矿物，其年龄是44亿年。之所以强调是矿物，是因为地球上至今未发现44亿年的岩石保存。这枚锆石是从变质岩中采集的，能很明显能看到同心圈构造，显示了多期的形成过程，但同样明显证据的是其外围深蓝色部分中的圆形物质，这是石英包裹体。
通过SIMS技术，科学家们获得了其核心最古老的年龄是44亿年。而最年轻的年龄呢？34亿年！毫不意外，这个数据得自于最外层的10~20nm，可以看出，最外层的锆石不但有包裹体，而且晶体形状近于它形，和内部自形的锆石区分明显。因此，这就被认为这块锆石最后一次升温时间的年龄，换而言之，这片变质岩形成的年龄。
在这个有趣的答案中， 这位测量地球年龄的科学家，他便是用锆石U-Pb法测定了陨石的年龄，以推测太阳系和地球的年龄。为何不选用地球上的岩石？因为当时的地球被认为是处处岩浆，根本没有稳定的岩石，更别说在今天被发现了。他测得的年龄是45亿年，而上文最古老的锆石年龄是多少，44亿年！这不但进一步佐证了45亿年年龄的可靠，也说明当时的地球至少冷却到了能形成锆石的温度，环境或许没有前人设想得这么恶劣。
最后说的是沉积岩，总的来说，绝对年龄的王道还是锆石U-Pb年龄。可是沉积岩哪来火成岩才有的原生锆石？同学们，还记得沉积岩分类中有一些诡异的分类，如沉火山碎屑岩和火山碎屑沉积岩这些东西吗？没错，火山爆发时，其组分有可能会被沉积到地层中，这就是对沉积岩来说万分宝贵的绝对年龄资料。在野外工作时，看到火山灰层（凝灰岩）更是有错杀没放过。前文中提到的精确的二叠纪定年，就是通过火山灰中的锆石得到的。
除了火山灰夹层外，其他沉积岩的绝对年龄理论上可以用原生矿物如海绿石等得到。但这一技术据我所知还不成熟，虽然有一些数据发表。此外，对碎屑岩可以用碎屑锆石年龄，也就是测量碎屑岩中一部分碎屑的绝对年龄。这有两个作用，一是判断碎屑岩的物源区，二是碎屑岩的年龄必然不老于最年轻的碎屑年龄，也就是给其年龄掐定了一个上限。
以上是绝对年龄，而日常地质工作中更常用的是相对年龄。现有的国际地质年代也是基于相对年龄而非绝对年龄建立的，这一体系从居维叶、莱尔开始奠基，到现在已经非常成熟，这也是为何国际地质年代表的绝对年龄时常更新，但几乎不影响地质工作者的日常使用。因为我们只需要知道二叠纪大灭绝发生在古生代二叠纪乐平世长兴期与中生代三叠纪早三叠世印度期之间就行了，具体是那一年并不那么重要。
三大岩的绝对年龄基于火成岩的同位素年龄，而其相对年龄则都基于沉积岩的化石年龄。这部分并非本答案重点，用最简单的话来说：沉积岩的年龄得自于化石层序律，而火成岩和变质岩的相对年龄可以通过其与沉积岩的各种关系判断（沉积岩占地表的70%以上）。

PS:（以上论述来自知乎问答，内容中有部分网络连接未能加入，导致部分内容有一定的缺失。）

如果觉得本文还不错，请点击微信右上角弹出菜单，选择“发送给朋友”或者分享到朋友圈

关注方法一：打开微信—添加公众号—查找“矿业在线”关注本平台

关注方法二：打开微信—添加朋友—扫一扫二维码添加关注