地球上面的石头到底有多少（能揭示地球形成后5亿年奥秘的石头）

早在2013年2月10日，《科学技术日报》就刊登了一篇题为“揭示地球前5亿年的奥秘，率先测量了43亿年前的结壳锆石”的新闻。据报道，中国大型科学仪器共建中心和北京离子探针中心与美国学者合作，使用自己的世界级先进仪器——高灵敏度、高分辨率二次离子探针质谱仪，测量了世界上迄今为止发现的第三种粒子，也是地球上唯一一种保存有增生地壳的锆石（地壳增生是指通过地质作用将幔源岩浆添加到地壳中，导致地壳体积和面积增加。增加的部分是增生地壳），其年龄超过43亿年。它发现了一把金钥匙，揭示了地球形成后5亿年的奥秘。

众所周知，地质年代的确定是一项重要而复杂的研究任务。准确测定地质体的年代是区域地质学、地球化学、矿床学和大地构造学研究中不可或缺的内容。对研究地球历史演化规律和确定区域找矿方向具有重要的理论和现实意义。目前，地质体测年主要采用钾氩（K-Ar）法、氩同位素法、铀铅（U-Pb）法、铷锶（RB-SR）法、钐钕（SM-nd）法等。每种方法都有其自身的适用性和局限性，并不是万能的。

锆石定年是同位素年化学中最重要、应用最广泛的方法。它为地质演化提供了时间坐标。锆石及其U-Pb定年是绝对地质定年的里程碑。所谓绝对地质年龄，就是根据放射性同位素测年的方法，直接计算地层的形成年龄，主要是火成岩，然后比较化石地层，在地质年龄表上标出绝对时间。这是一颗耀眼的新星，尽管同位素地质年代学的发展还很年轻，“锆石铀铅”这个词已经成为几乎每个现代地质学家都必须谈论的话题。

锆石是什么材料？为什么锆石可以用来确定地球的确切年龄？我们如何知道它所保存的地球历史的信息？现在让我们来见见这位耀眼的新星--

锆石，又称锆石英，在日本被称为“风信子石”。它是十二月的诞生石之一（那个月还有绿松石和青金石），象征着成功。其英文名称“zicon”可能源于阿拉伯语“zarkun”，原意为“朱砂和银朱砂”；另一个来自古波斯语“Zargun”，意思是“金黄色”。

1783年，官方首次使用“zicon”来描述斯里兰卡的绿色锆石晶体。

早在希腊，这种美丽的宝石就受到人们的喜爱。据传说，锆石是犹太主教胸前佩戴的12种宝石之一。当时叫“茶心”。据说锆石的别名“风信子”来自“夏新思”。应注意，“锆石”是指天然锆石，而不是合成立方氧化锆。所谓的人造立方氧化锆，也被称为“CZ钻石”或“CZ”，最初由苏联人合成，并于20世纪70年代作为假冒钻石成功推向市场。因此，它也被称为“苏联钻石”。由于添加了多种生色元素，呈现出各种颜色。这个名字现在已经废除了。

真正的锆石是锆的硅酸盐化合物，矿物符号为ZC，化学成分为Zr[SiO4]。根据结晶程度可分为高、中、低三种类型。其中，中型和高型为晶态，低型接近非晶态。锆石颜色多样，无解理。一般情况下，在受损或开裂处可以看到壳状断裂。其莫氏硬度为7.5～8，显著比为4.4～4.8。它有玻璃到钻石的光泽，从透明到半透明，并且可以承受高温。1450℃的高温可以将部分中粒锆石还原为高型锆石。锆石耐酸。除锆石粉外，它不与酸或其他化学试剂反应。

同位素测年的基础是放射性衰变定律。通过测量母体及其子体的同位素含量，可以使用衰变定律计算样本形成以来的时间。放射性元素只有在岩石系统中稳定存在时才能测年。锆石只是具有非常稳定的性质，可以在岩石系统中长期稳定存在。

锆石的主要成分是硅酸锆，化学分子式为zr[sio4]。由于四价锆离子（zr4 ）的非活性化学性质以及锆石本身牢固稳定的网络晶体结构，锆石的性能非常稳定。

“生存就是胜利”。锆石的莫氏硬度为7.5～8。在地壳运动期间，它与其他矿物发生剧烈碰撞，基本上击败了所有常见矿物。即使莫氏硬度为7且因其硬度而分布最大的石英也被锆石击败。因此，锆石可以相对完整地保存在地壳中。

此外，锆石具有稳定的化学性质，很难与环境中的物质发生反应。因此，其晶格结构的完整性得以保留，并最终成为脆弱的U-Pb衰变系统的成功守护者，使其在时间的变化中存活了很长时间，从而成为跨越数百万年的“石头计时器”。

锆石晶格中的四价锆离子通常可以被四价铀离子和四价钍离子所取代。所谓同构置换，是指当一种物质结晶时，其晶体结构中本应被某些离子或原子占据的某些位置被其他性质相似的离子或原子所取代，双方共同结晶成均匀的混合晶体，简称混合晶体。然而，这种取代不会导致键合和晶体结构的质的变化。例如，在镁橄榄石Mg2[SiO4]晶格中，一些二价镁离子可以在介质中被二价铁离子取代，结晶成镁橄榄石（Mg，Fe）2[SiO4]2。

让我们回顾一下锆石晶体。地壳中的铀非常稀有。由于其大半径和高价，在大多数晶体系统中不受欢迎。然而，四价锆离子的键性质相同，价格相同，离子半径差别不大。因此，锆石晶格中的四价锆离子通常可以被四价铀离子取代。此外，铀放射性子强的价格与锆离子的价格不同，因此在晶格形成初期，它很难进入锆石晶体。因此，保存在锆石晶体中的铅离子是铀进入锆石晶体后通过辐射形成的。这使得锆石富含铀（U）和钍（th），而初始铅（PB）含量非常低，这有助于人们根据元素的衰变来确定年龄。

岩石圈分为火成岩、沉积岩和变质岩。所有留在岩石圈中的地球活动事件信息都保留在这三种岩石类型中。

从成因矿物学的角度来看，锆石形成于花岗岩等火成岩中。有时，可以从手掌大小的花岗岩样本中挑选出数千颗锆石。根据岩石演化的一般规律，火成岩形成后，经过风化、搬运和堆积形成沉积岩。由于锆石性质稳定，在火成母岩风化和磨损后，它可以继续在沉积物中保存完好，从而被大陆边缘碎屑沉积岩成功继承。

“二次放大”后，也称为再生生长，是指在石英、长石、方解石、锆石和生物碎屑等矿物碎屑周围沉淀和生长相同矿物晶体的现象。使用性质稳定的锆石来获得沉积岩的年龄并不是一个大问题。

随后，沉积埋藏岩进入变质阶段。锆石稳定的化学性质使其即使在高温高压变质带也不能完全屈服于环境；相反，它还可以借此机会接受广泛存在的流体中的变质热液，以完成自身的二次放大。因此，用锆石来确定变质岩的年龄基本上没有问题。

地球上绝大多数的地质信息最终将基于特定的岩石进行存储。这样，如果我们知道与地质事件相关的岩石中锆石的年龄，我们就可以准确、明确地解释许多地质事件。

锆石U-Pb定年方法包括高灵敏度和高分辨率离子探针质谱仪（shrimp）、激光烧蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）、同位素稀释热电离质谱仪（ID TIMS），也称为溶液法或稀释法，以及热离子质谱仪分步蒸发沉积法

Shrimp法

Shrimp是一种高灵敏度、高分辨率的离子探针。shrimp法最大的技术优势是锆石、独居石、闪石、磷酸钇和磷灰石的显微原位测年。无需对矿物样品进行化学处理，即可直接测定矿物不同部分的微区原位测年。这种方法通常用于确定200万年前形成的锆石的年龄。此外，shrimp法还可用于硫、铅、钛、铪和镁同位素以及稀土元素含量的测定。

1980年，澳大利亚国立大学开发并建造了第一个shrimp，并对澳大利亚一个处方铅矿的硫和铅同位素进行了分析，获得了准确的结果，这标志着shrimp新技术的诞生。第一代虾主要用于20世纪80年代，表明地球上最古老的地壳物质形成于4.1亿至4.2亿年，早于之前的3.8亿年。2001年，这一年龄提高到4.4亿岁。可以说，shrimp方法的成功极大地促进了地学的发展。

LA-ICP-MS法

LA-ICP-MS法是一种新开发和建立的测年方法。这是一种利用等离子体质谱仪（ICPMS）进行铀钍铅（U-Th-Pb）同位素分析和最终定年的方法。

LA-ICP-MS法具有原位、廉价、准确、快速的优点，可在5-6分钟内测定大多数矿物样品的地质年龄；但其数据准确性相对较低。更重要的是，它不能准确地测定铅，因此不可能按照传统的方法对测得的铅同位素进行校正。LA-ICP-MS法用于测定第三纪锆石的年龄（6500万～180万年前），其总体精度与shrimp法相当。

ID tims方法

ID-tims法具有较高的分析精度，但需要高标准的超洁净实验室和繁琐的化学处理工艺。这种方法不能用于矿物样品的微观分析，并且在不同地质时期存在锆石混合的风险。此外，约会需要很长时间，而且代价很高。

后记

展望未来，放射性同位素衰变史和地球事件史之间的融合催生了一部宏大的时代纪事。因此，在地质学学生阅读地质年表的喧闹声中，我们似乎听到同位素的时钟滴答作响，每一个锆石晶面上的射线像指针一样划过，给我们留下了几亿年来凝固的美好回味。

寒武纪开始于约5.42亿年前，结束于4.98亿年前；

奥陶纪开始于约5亿年前，结束于约4.4亿年前；

志留纪开始于约4.38亿年前，结束于约4.13亿年前