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五、地球化学与地球年龄的测定(1)
1869年，俄国门捷列夫发表了第一张比较完整的化学元素周期表，表中列出了地球上常见的63种化学元素。此时22岁的克拉克（Frank Wigglesworth Clarke，1847～1931）已是美国康奈尔大学的化学讲师。1883年，36岁的克拉克调美国地质调查局任总化学师，从而有机会接触来自美国各地的地质样品（包括岩石、土壤、水和空气），加上他很快被推选为国际化学元素委员会的名誉主席，可对世界各地的地质样品以及欧洲其他化学家的分析资料做更为全面的了解，克拉克在地球化学方面的兴趣转化成了不可遏止的研究动力。
1889年，克拉克发表了第一份地壳元素丰度表，该表显示了25种主要化学元素在地壳中的平均含量。到1924年，他和助手华盛顿（Henry Stephens Washington，1867～1934）共同发表了第五份地壳元素丰度表，该表所包含的化学元素已增至50种，其中34种元素给出了丰度的百分比，剩下的元素给出了估计的微量级，后来该表中的数据被各国的地球化学家们引用，简称为克拉克值。
克拉克的地壳概念包括岩石圈、水圈和大气圈三大圈层，其中岩石圈占总质量的93.06%，水圈占6.91%，大气圈占0.03%。大气圈的化学元素以氮N、氧O为主，水圈的化学元素以氢H、氧O为主，其他的化学元素主要分布在地壳岩石圈中。岩石圈以火成岩为主，占95%，另外的全是分布在表层的水成岩，其中页岩占4%，砂岩占0.75%，灰岩占0.25%。火成岩的主要化学成分是硅与镁，水成岩的主要化学成分是硅与铝，一般把底层的硅镁层称为玄武岩层，而把表层的硅铝层称为花岗岩层。
受克拉克理论的影响，前苏联的费斯曼（Александр Евг ень евич Ферсман，1883～1945）于20世纪30年代出版了《地球化学》一书，首次提出根据地壳化学元素普查来寻找新矿床的方法。费斯曼早在20世纪20年代就为前苏联发现了几个大型的磷矿和铜镍矿床，并撰写有《趣味矿物学》《趣味地球化学》等科普读物，长期担任前苏联科学院副院长，获得过列宁勋章与伦敦地质学会奖章。
另两位著名的地球化学家是挪威的戈尔德施密特（Victor Moritz Goldschmidt，1888～1947）与瑞士的尼格利（Paul Niggli，1888～1953）。他们把结晶化学理论运用于地球化学，解释了变质岩的形成过程以及共生矿床的形成原因。中国较早期的地球化学家王嘉荫（1911～1976）不应被遗忘，他1955年任北京大学地质系地球化学教研室主任，在矿物学、岩石学、矿床学、岩相学几个方面也有很深的造诣。上世纪60年代，国际上的绝大多数地质学家都认为花岗岩是由岩浆冷凝时结晶而成的，而王嘉荫则独创花岗岩化一说，认为花岗岩是在长期的物理、化学过程中变质而来的。
在地质学家们用化学的方法对岩层做化学分析的同时，化学本身也在飞速发展。1896年，法国的贝克雷尔（Antoine Henri Becquerel，1852～1908）把一卷未开盒的照相胶片放在实验室的桌上，后来发现每张胶片都已经自动曝光，经多方查找原因，才知是桌上具有荧光能力的铀盐所为。铀盐中的铀元素具有很强的放射性，能轻松穿透照相胶片的包装盒。
这种现象很快引起了居里夫人（Marie Curie，1867～1934）的注意，她发现钍Th也是一种放射性元素。1897年7月，居里夫人又发现钋Po这一新元素，其放射性要比铀大400倍。同年12月，她又发现镭的放射性更强，竟然比铀大900倍。
在这些放射性元素被发现之前，人们还不知道用放射性元素衰变周期的原理来测定地球年龄，《圣经•创世记》里的故事仍然是人们谈论这类话题的主要依据。1654年，有个叫厄舍（James Usher，1580～1656）的神学家断言，地球是上帝在公元前4000年创造的。据另一位希伯来神学家莱特富特（John Lightfoot，1602～1675）考证，公元前4004年9月17日（星期五）上午9时，上帝用大地上的尘土捏出了亚当。直到19世纪末叶，俄国奥斯特洛夫斯基（1904～1936，《钢铁是怎样炼成的》作者）还在书中提到他幼年受到过的这种创世教育。
1904年，物理学家卢瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）首先提出，用含铀矿物中放射性产物氦He可以测定矿石年龄。1911年，瑞利男爵（Baron Rayleigh，1842～1919，原名J.W. Strutt）把他学生霍姆斯（Authur Holmes，1890～1965）的一篇文章交到了英国皇家学会，论文的题目是《岩矿中铅与铀的组合及其在地质年代测定中的应用》。此后，地质学家通过研究矿石中原生铅、放射成因（放射性元素铀、钍等衰变而形成的）铅及其同位素的比例，来推算地层的年龄。
二战结束之后，地质学家通过对地层中铅的同位素206Pb/238U、207Pb/235U、208Pb/232Th、206Pb/207Pb的比值来测定最古老岩石的年龄，先后确定的岩石年龄从14.6亿年、16亿年、35.8亿年、37.8亿年、38.2亿年、34.5亿年、36.2亿年一直到41亿年不等，到20世纪80年代，测得最古老的陨石年龄为47亿年。依据岩石年龄与地球年龄相关的思路，地质学界最后把地球年龄确定在45亿年上下。
这个年龄说明了什么问题呢？难道真是太阳在45亿年前把地球甩出来的？上卷我们已经否定了这样的猜测，明确指出地球的天文年龄同地球的雹式起源有关。
按照上卷第八章的螺旋轨道理论，构成地球的物质都来自于46亿年前的太阳冷分子云层，而2.15光年高空的冷分子星际云又都是那时的太阳风等离子体冷却之后形成的，这些太阳风等离子气体在离开太阳时就包含了大量铀U、钍Th等放射性元素的原子核，也正是太阳上的耀斑大爆发，才使这些放射性元素的原子核得以在核聚变条件下形成。一旦它们离开了太阳耀斑的高温、高压条件，就开始不断放出a粒子（氦核）流与b射线（电子流），这种放射性衰变过程不因这些重原子核冷却成为分子气体、液体、结晶体、雪片、雪球、彗星冰壳、行星岩石而停止。
由于那些半衰期特别短的放射性元素早在45亿年的螺旋轨道期间完成了衰变，故现在地层中很难再找到这些元素。而钍Th的半衰期长达139亿年，它通过五次a衰变与四次b衰变后，就会部分地转化成稳定的铅元素。铀U的半衰期是45亿年，与地球的地质年龄相当。这就是说，地球形成之初全部物质总量中的x吨铀，经过45亿年的衰变，现在只剩x吨铀了，另外的x吨铀已通过多次a与b衰变，成了铅或铅的同位素。因此，现在的铅锌矿床中，总是共生有铀U、钍Th等放射性元素。
1889年，克拉克发表了第一份地壳元素丰度表，该表显示了25种主要化学元素在地壳中的平均含量。到1924年，他和助手华盛顿（Henry Stephens Washington，1867～1934）共同发表了第五份地壳元素丰度表，该表所包含的化学元素已增至50种，其中34种元素给出了丰度的百分比，剩下的元素给出了估计的微量级，后来该表中的数据被各国的地球化学家们引用，简称为克拉克值。
克拉克的地壳概念包括岩石圈、水圈和大气圈三大圈层，其中岩石圈占总质量的93.06%，水圈占6.91%，大气圈占0.03%。大气圈的化学元素以氮N、氧O为主，水圈的化学元素以氢H、氧O为主，其他的化学元素主要分布在地壳岩石圈中。岩石圈以火成岩为主，占95%，另外的全是分布在表层的水成岩，其中页岩占4%，砂岩占0.75%，灰岩占0.25%。火成岩的主要化学成分是硅与镁，水成岩的主要化学成分是硅与铝，一般把底层的硅镁层称为玄武岩层，而把表层的硅铝层称为花岗岩层。
受克拉克理论的影响，前苏联的费斯曼（Александр Евг ень евич Ферсман，1883～1945）于20世纪30年代出版了《地球化学》一书，首次提出根据地壳化学元素普查来寻找新矿床的方法。费斯曼早在20世纪20年代就为前苏联发现了几个大型的磷矿和铜镍矿床，并撰写有《趣味矿物学》《趣味地球化学》等科普读物，长期担任前苏联科学院副院长，获得过列宁勋章与伦敦地质学会奖章。
另两位著名的地球化学家是挪威的戈尔德施密特（Victor Moritz Goldschmidt，1888～1947）与瑞士的尼格利（Paul Niggli，1888～1953）。他们把结晶化学理论运用于地球化学，解释了变质岩的形成过程以及共生矿床的形成原因。中国较早期的地球化学家王嘉荫（1911～1976）不应被遗忘，他1955年任北京大学地质系地球化学教研室主任，在矿物学、岩石学、矿床学、岩相学几个方面也有很深的造诣。上世纪60年代，国际上的绝大多数地质学家都认为花岗岩是由岩浆冷凝时结晶而成的，而王嘉荫则独创花岗岩化一说，认为花岗岩是在长期的物理、化学过程中变质而来的。
在地质学家们用化学的方法对岩层做化学分析的同时，化学本身也在飞速发展。1896年，法国的贝克雷尔（Antoine Henri Becquerel，1852～1908）把一卷未开盒的照相胶片放在实验室的桌上，后来发现每张胶片都已经自动曝光，经多方查找原因，才知是桌上具有荧光能力的铀盐所为。铀盐中的铀元素具有很强的放射性，能轻松穿透照相胶片的包装盒。
这种现象很快引起了居里夫人（Marie Curie，1867～1934）的注意，她发现钍Th也是一种放射性元素。1897年7月，居里夫人又发现钋Po这一新元素，其放射性要比铀大400倍。同年12月，她又发现镭的放射性更强，竟然比铀大900倍。
在这些放射性元素被发现之前，人们还不知道用放射性元素衰变周期的原理来测定地球年龄，《圣经•创世记》里的故事仍然是人们谈论这类话题的主要依据。1654年，有个叫厄舍（James Usher，1580～1656）的神学家断言，地球是上帝在公元前4000年创造的。据另一位希伯来神学家莱特富特（John Lightfoot，1602～1675）考证，公元前4004年9月17日（星期五）上午9时，上帝用大地上的尘土捏出了亚当。直到19世纪末叶，俄国奥斯特洛夫斯基（1904～1936，《钢铁是怎样炼成的》作者）还在书中提到他幼年受到过的这种创世教育。
1904年，物理学家卢瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）首先提出，用含铀矿物中放射性产物氦He可以测定矿石年龄。1911年，瑞利男爵（Baron Rayleigh，1842～1919，原名J.W. Strutt）把他学生霍姆斯（Authur Holmes，1890～1965）的一篇文章交到了英国皇家学会，论文的题目是《岩矿中铅与铀的组合及其在地质年代测定中的应用》。此后，地质学家通过研究矿石中原生铅、放射成因（放射性元素铀、钍等衰变而形成的）铅及其同位素的比例，来推算地层的年龄。
二战结束之后，地质学家通过对地层中铅的同位素206Pb/238U、207Pb/235U、208Pb/232Th、206Pb/207Pb的比值来测定最古老岩石的年龄，先后确定的岩石年龄从14.6亿年、16亿年、35.8亿年、37.8亿年、38.2亿年、34.5亿年、36.2亿年一直到41亿年不等，到20世纪80年代，测得最古老的陨石年龄为47亿年。依据岩石年龄与地球年龄相关的思路，地质学界最后把地球年龄确定在45亿年上下。
这个年龄说明了什么问题呢？难道真是太阳在45亿年前把地球甩出来的？上卷我们已经否定了这样的猜测，明确指出地球的天文年龄同地球的雹式起源有关。
按照上卷第八章的螺旋轨道理论，构成地球的物质都来自于46亿年前的太阳冷分子云层，而2.15光年高空的冷分子星际云又都是那时的太阳风等离子体冷却之后形成的，这些太阳风等离子气体在离开太阳时就包含了大量铀U、钍Th等放射性元素的原子核，也正是太阳上的耀斑大爆发，才使这些放射性元素的原子核得以在核聚变条件下形成。一旦它们离开了太阳耀斑的高温、高压条件，就开始不断放出a粒子（氦核）流与b射线（电子流），这种放射性衰变过程不因这些重原子核冷却成为分子气体、液体、结晶体、雪片、雪球、彗星冰壳、行星岩石而停止。
由于那些半衰期特别短的放射性元素早在45亿年的螺旋轨道期间完成了衰变，故现在地层中很难再找到这些元素。而钍Th的半衰期长达139亿年，它通过五次a衰变与四次b衰变后，就会部分地转化成稳定的铅元素。铀U的半衰期是45亿年，与地球的地质年龄相当。这就是说，地球形成之初全部物质总量中的x吨铀，经过45亿年的衰变，现在只剩x吨铀了，另外的x吨铀已通过多次a与b衰变，成了铅或铅的同位素。因此，现在的铅锌矿床中，总是共生有铀U、钍Th等放射性元素。
