约会
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介绍
动植物死亡后,它们的遗骸有时会以化石的形式保存在地球的岩石记录中。化石可以提供有关动植物过去如何生活的线索——它们长什么样,吃什么,生活在什么样的环境中,以及它们是如何进化和灭绝的。在数亿年的时间里,生物的残骸(以及被称为痕迹化石的足迹、足迹和洞穴)是地球化石记录中留下的大部分线索。
大约300万年前,一种新的线索出现在
为了更好地理解考古学和化石记录中的线索是如何结合在一起来揭示人类进化的故事的,我们需要知道每条线索在地球历史上留下的年龄。由于许多科学家的辛勤工作,有许多技术可以确定一个物体进入地质记录以来的时间。这些技术可以分为两大类:相对测年和绝对测年。本页的第一部分探讨了依赖地质原理的相关年代测定技术。第二节讨论元素的物理和化学性质如何提供更精确的年代。
相对的约会
一些考古和化石遗址不包含任何适合最精确的绝对年代测定方法(稍后讨论)的材料。对于这类遗址,科学家们依靠相对年代测定法来获得在那里发现的物体的大致年龄。相对年代测定是一种确定某物比另一物更老或更年轻的能力。相关的年代测定方法是基于某些地质学的基本原理,这些原理决定着地球表面岩层是如何形成的。
沉积岩是由微小的颗粒组成的,这些颗粒被自然介质(如风和水)运输,在不同的环境下沉积,形成一层又一层。每一层是一个地层,多层叠加在一起称为地层。地层学是对这些地层的研究,以重建古代景观和环境随时间变化的某些方面的顺序。1669年,科学家Nicolaus Steno提出了一套“地层学原理”,这是所有相对年代测定技术的基础。这些原理是确定地层形成顺序的关键。确定这个顺序,以及文物和化石在这个顺序中出现的位置,是相对年代测定的基础。
地层学原理
1.叠加原理:对于沉积岩来说,层序底部的地层更古老,比上面的地层更早沉积。这一序列使科学家能够从最老到最年轻的地层进行标记。在这些地层中发现的化石和人工制品可以被理解为时间上的古老或年轻。
2.原始水平原则沉积岩层最初是水平沉积的——与地面平行。强烈倾斜的岩石并不是这样开始的。它们受到地层最初沉积后发生的地质过程的影响。识别倾斜和折叠的岩石可以帮助科学家理清事件的顺序。
3.横向连续性原则沉积岩层最初在各个方向上都是连续的,但可能会被后来的事件破坏或移位。当河流或小溪侵蚀部分岩层时,就会发生这种情况。这也可能发生在断层发生时,造成岩石单元的位移。沉积层不会无限延伸;界限是由沉积物的数量和类型以及沉积物沉积区域的大小和形状控制的。尽管如此,那些看起来相同但现在被山谷或其他侵蚀特征隔开的岩层可以被认为最初是连续的,因此是相同的年代。
4.横切关系原理:与其他沉积层相交的沉积层比被切割的沉积层年轻。这种观察有助于科学家识别事件序列中的中断,并将这些事件按正确的顺序排列。在下面的图表中,“H”层分为D、E、F和G层,因此是最年轻的。
生物地层学/生物年代学和指标化石
化石被用来确定地质时期及其持续时间。要确定一个新的地质时期,就需要动植物发生重大变化。科学家们所命名的大多数地质时期都是因大规模的灭绝事件或大量物种的更替而结束的。因此,地质时期和较小的地质时间单位通常有一组特征的化石物种。这些化石可以用来比较不同地质单位的年代。为了进一步限制序列的年龄,科学家们依靠索引化石。指数化石是特定的植物或动物,具有特定的地质时间跨度的特征,可以用来确定发现它们的沉积物的年代。指数化石必须有有限的时间范围和广泛的地理分布。沉积物的沉积距离很远,但包含相同的指数化石物种,被解释为代表相同的有限的时间。
当科学家们第一次发现著名的阿法南方古猿古人类化石骨架昵称为“露西在埃塞俄比亚,他们最初利用生物地层学的原理估算了她的年龄:将在大范围地层中发现的其他动物化石进行对比。在她的骨骼的同一层中发现了三种灭绝的suid(猪)物种,它们之前在其他地点被确定了年代。他们是Nyanzachoerus kanamensis发生在510万至240万年前;Kolpochoerus出土发生在350万至290万年前;而且Notochoerus euilus发生在380万至180万年前。这三个物种生活的唯一时间间隔是350万到290万年前。利用后来的绝对年代测定技术的进步,我们现在知道露西的骨架大约有318万年的历史——这一结果将她直接置于生物地层学预测的年龄范围内。
古地磁与磁地层学
这种方法包括测量地层中的磁性颗粒,以确定地球磁场的方向。“北”的概念有两种不同的定义。第一个是真正的地理北极,它位于北极。第二种是磁北,它会根据地球磁场的波动而改变位置。因此,在任何给定的时间,指南针可能不会指向地理上的北方;它指向地磁北极所在的地方。目前磁北极的位置在加拿大北部的埃尔斯米尔岛附近。
地球磁场也会发生更大的变化。这些罕见的现象发生得很慢,被称为磁逆转。在磁场逆转期间,地磁北极的位置转移到地球的南半球。如果今天发生磁极逆转,磁极最终会切换到地理南极附近,罗盘将开始指向南方。这样的反转发生得非常频繁,在地质年代测定中非常有用。研究人员已经确定了这些逆转发生的日期。最近一次磁逆转发生在大约78万年前。
科学家能够记录地球磁场随时间的变化。富含铁的磁性矿物在熔融的岩石中自由地“漂浮”,并像指南针一样根据地球磁场调整自己的方向。当熔化的岩石冷却并变成固体时,这些磁性矿物被锁定在岩石层内的位置。这些岩石现在是它们形成时地球磁场方向(极性)的记录。任何含铁的岩层都可以在岩石形成时将其磁性排列的粒子锁定。
科学家可以研究一长串的地层,看看岩石中铁矿物的磁极在整个序列中是如何变化的。这种模式可以与世界范围内完善的极性记录相比较,这是地球磁场大翻转的全部历史。一旦他们确定了他们所拥有的历史的大致部分,科学家就可以确定岩石及其内容物的时间范围。这在地层组中尤其有用。地质学家通常不会在古地磁年代测定中使用单一的地层,因为你需要多个地层来发现地球磁场的前后翻转模式。南非古人类的化石,南方古猿源泉种因为这些化石被发现时嵌入的地层非常接近其中一个磁极反转。
火山灰年代学/ Tephrostratigraphy
火山年代学是通过研究火山喷发层来确定火山爆发和其他事件的年代。火山灰是指火山喷发的产物:熔岩、火山灰、浮石和火山岩碎片。所有这些产品都含有火山玻璃。这种玻璃材料的化学成分对每次喷发都是独一无二的,就像指纹一样。这意味着含有这种玻璃材料的地质层可以与特定时间和地点的特定喷发联系起来。
地层学分析这些化学指纹,并在空间上进行比较。不同地方具有相同指纹的岩石可以追溯到同一次喷发。如果科学家们在山谷的一侧发现了一层具有已知日期的火山灰,并且在山谷的其他地方也发现了一层具有相同化学特征的火山灰,他们就可以假设这两层火山灰是在同一时间形成的。
科学家们也使用前面讨论过的叠加原理来进行这种年代测定。当挖掘一个包含古人类化石或人工制品的遗址时,有时可以在发现这些古代遗骸的上方和下方测定火山灰层的年代(见下面的绝对年代部分)。这种方法允许科学家们确定该地点的年龄范围:它不能小于顶部灰层,也不能大于底部灰层。
绝对的约会
相对年代测定法提供“从老到年轻”的序列或大致的年龄范围。绝对年代测定法是一种以年为单位估计具体年龄的方法。这些年龄估计都有误差范围,这是一种表示估计的精确程度的统计数据。所有的绝对年代测定方法都有误差范围,这些误差范围取决于所使用的方法和与年代测定材料相关的因素。如果到目前为止有适当的资料,绝对测年法是地质测年的首选方法。这些方法适用于某些类型的地质材料,它们可以用来提供化石、考古遗迹或与这些发现相关的地层的直接年龄测量。本节将更详细地探讨其中的一些方法,重点关注那些在人类进化研究中最常用的方法。卡塔尔世界杯B组积分
同位素年龄测定
为了确定化石或人工制品的绝对年龄,科学家可以使用一种自然“时钟”作为确定其形成日期的基础。时钟以固定的速率记录时间。放射性物质也以固定的速率衰变,可以在实验室中测量。地质学家通常使用基于某些元素(如铀、钾和碳)的自然放射性衰变的放射性测年方法作为确定古代事件年代的可靠方法。
原子由三个基本组成单元组成:质子、中子和电子。质子和中子构成了原子的大部分质量(在原子核中发现),电子绕原子核运行。
在地球上发现的大多数同位素都是稳定的,这意味着它们的质子和中子的组成不受时间或环境条件的影响而改变。然而,有些同位素的原子核不稳定,具有放射性。放射性衰变使一种元素的不稳定同位素变成稳定同位素。不稳定的同位素通过改变质子、中子或两者数量的辐射自发地释放能量。衰变的原子核称为父同位素,衰变的产物称为子同位素。
放射性测年需要测量放射性样品中父同位素和子同位素的比例。这些样品必须是有机物(如木头、骨头和贝壳)或含有放射性同位素的某些矿物和地质材料。已经测量了许多放射性同位素的衰变速率;热量、压力、重力和其他变量都不能改变衰变的速率。
放射性衰变是以半衰期来衡量的。半衰期是母同位素的一半衰变为子同位素所需要的时间。当母同位素和子同位素的数量相等时,就发生了一个半衰期。如果同位素的半衰期已知,就可以测量父同位素和子同位素的数量,并计算出放射性衰变开始以来的时间。由于元素的半衰期长度不同,不同的同位素对不同的年龄范围有用
放射性碳(碳-14)定年
碳有三种同位素:碳12 (12C),碳13 (13C)和碳14 (14C)。12C和13C是稳定的同位素,不能作为放射性测年的随时间变化指标。14而C是不稳定的。放射性碳测年法的半衰期为5730年,是应用最广泛的放射性测年技术之一。14当宇宙辐射轰击产生中子与氮原子相互作用时,从原子核中弹射出一个质子,产生一个有8个中子的碳原子(14C)。14然后C被吸收到一些二氧化碳分子(CO2)在空中。在光合作用过程中,植物吸收CO2用它来构建他们的组织。14C通过植物传递给吃植物的动物(和人类)。当生物体死亡时,它停止吸收14C,体内的14C浓度通过放射性衰变开始下降。知道了14C的半衰期,死亡植物或动物组织的年龄可以通过测量样本中14C的残留量来计算。关键的是,要使用这种年代测定方法,样品必须是有机的——它必须含有碳,并且曾经有过生命。因为14C的半衰期很短(以地质标准衡量),这种方法适用的年龄范围在50到5万年之间。超过五万年的历史,数量14样品中剩下的C会太小,无法精确测量。幸运的是,科学家们有一些方法可以对超过放射性碳年代测定的年龄限制的材料进行年代测定。
40钾-40氩约会
钾氩(40K -40基于“增大化现实”技术)约会1是一种放射性测年方法,它依赖于钾的不稳定同位素放射性衰变为氩的稳定同位素。钾是许多矿物中常见的元素。它也是某些类型火山物质的主要成分。在这些材料中,40K衰变成40Ar(一种气体),当材料冷却时,它被困在矿物晶体中。子同位素40然后Ar开始积累。矿物样品中两种同位素的比值被用来计算矿物开始捕获的时间40这个过程的半衰期是13亿年,比衰变的时间长得多14C.正因为如此,这种方法适用的年龄范围也更长,介于10万年到地球年龄(46亿年以上)之间。
人类进化研究中绝对年代的一次重要革命是引入了卡塔尔世界杯B组积分
在一起,40K -40基于“增大化现实”技术,40基于“增大化现实”技术,39Ar是测定东非人类起源的化石和考古遗址年代的非常有用的方法,因为该地区的火山活动已经持续了数百万年。火山物质在整个景观中广泛存在,这使得使用这些方法来确定该地区许多重要的古人类遗址的年代成为可能。
140K -40氩年代测定需要将样品分成两个单独的K和Ar测量。这一过程导致了测量中相当大的误差范围。更新40K -40Ar测年法的发展就是为了减少这种误差。这个更新的方法,40基于“增大化现实”技术,39氩年代测定,只需要一个样品,并使用氩同位素的单一测量。前面提到的步骤已经完成,但是引入了一个附加的过程,它依赖于核反应堆的中子辐照来转换39K(稳定)成39基于“增大化现实”技术(不稳定)。一种已知年龄的标准参考物质与未知样品同时照射,使得用一次氩同位素测量就可以计算40K /40Ar比值,得到年龄。
铀系测年
这种方法是使用多种不同的不稳定铀同位素通过不同的化学途径衰变为稳定的铅同位素的方法家族中的一种。与人类进化研究最相关的是始于铀-238 (2卡塔尔世界杯B组积分38U)的衰变途径,它衰变为铅-206 (206Pb)。与许多其他放射性元素不同,由于铀的原子量很大,它需要经过多个步骤才能衰变成铅。206Pb是衰变过程的最后一步,因为它是稳定的。这种多重衰变过程意味着铀系的半衰期很长,这使得科学家可以确定非常古老的材料的年代,例如加拿大阿卡斯塔片麻岩(世界上已知的最古老的岩石),使用铀铅定年法估计它有40.3亿年的历史。
铀铅定年与其他放射性测定方法相似,因为最终产物(206Pb)是稳定的。然而,达到稳定最终产物的中间衰变步骤对年代测定也很有用。本系列中的方法计算年龄不同于其他放射性方法,因为它们的子同位素是不稳定的。该系列中最常用的是234u -230(铀-钍)路径。钍不溶于水,所以由流动的水形成的地质物质(如洞穴)通常不含任何钍。相比之下,铀是水溶性的,会被吸收到地质材料中。随着时间的推移,不稳定的234U衰减到230;这个过程的半衰期为24.5万年。然而,230号也具有放射性(半衰期75000年),所以它不是无限积累,而是开始衰变。最终,这些同位素的衰变和积累达到了平衡,从而可以计算样品的日期。 Uranium series dating is especially useful in regions that are not volcanically active such as South Africa and western Europe. It is also particularly useful in cave sites, because uranium is frequently introduced into caves through slow-flowing water.
Non-Radiometric约会
有许多绝对年代测定方法依赖于放射性衰变以外的某些过程。有许多天然的“钟”,它们有不同程度的可靠性和用途。下面的部分将介绍一些在人类进化研究中最常用的技术。卡塔尔世界杯B组积分
俘获电子测年
捕获电子定年法测量物体接受的辐射量(阳光、热量等)。这些方法只适用于晶体材料,这意味着它们具有晶格状的原子排列。所有的晶体结构都有缺陷,这是由于结构中缺少原子或杂质的存在造成的。当暴露在环境辐射下时,结构中的电子会吸收能量,与原子核分离,并被“困”在这些晶格缺陷中,并开始积累。
当材料受到阳光或其他高热照射时,被捕获的电子就会被释放出来。如果材料被埋没,它就会开始积累被捕获的电子。随后,科学家们可以在实验室中将这种材料暴露在热或光下,再次释放被捕获的电子。这种释放并没有表明材料是何时形成的,而是向研究人员展示了材料最后一次暴露在热或光下经过了多长时间。这种方法对于确定诸如埋藏物品、烧制陶器或热处理石器等事件的年代非常有用。能够区分一种材料(例如,岩石)何时形成,何时改变和埋藏(作为石器热处理后)是至关重要的。
主要有两种俘获电子测年方法,讨论如下:
1.热释光(TL)
热释光被用来确定结晶矿物过去最后一次加热事件的时间。这种方法对暴露在大量阳光下的陶瓷(陶器)和沉积物很有用。由于来自环境的辐射不断地轰击矿物,受电的电子开始被困在晶格的缺陷中。
如上所述,需要输入诸如热或光之类的能量来释放这些被困电子。被捕获电子的积累以一个可测量的速率发生,该速率与样品直接环境所接收到的辐射成正比。当样品再次加热时,由于电子逃逸,捕获的能量以光(发光)的形式释放出来。
产生的光量可以在实验室环境中测量。由于这种被捕获电子的积累始于晶体结构的形成,热释光可以确定晶体材料形成的时间或材料最后一次暴露在光下的时间。对于陶瓷来说,这要么是它们被烧制的那一刻,要么是陶瓷被埋在地下时最后一次暴露在阳光下的时间,这可以通过电子阱的吹扫程度来区分。
2.光刺激发光(OSL)
光激发发光检测沉积物最后暴露在比热释光定年所需的低水平光下的时间。沉积物中的某些矿物(如石英)以辐射的形式以一个已知的恒定速率储存能量。当这些矿物质在地下时,来自放射性元素的电子被困在它们晶体结构的缺陷中。如果矿物暴露在足够高的辐射水平下(如阳光),这种暴露会引起矿物晶格的振动。来自放射性元素的一部分被捕获的电子被释放出来,释放出的能量被测量出来,并用于计算矿物最后一次暴露在该水平阳光下的日期(即埋葬的大致日期)。
与人类进化研究相关的其他方法卡塔尔世界杯B组积分
裂变径迹测年
裂变径迹测年与铀铅测年的原理相同,但测量的“子”产物不是一种元素,而是晶体内部所造成的损伤。因为铀是一种如此不稳定的元素,原子核能够自发裂变,这意味着强行将原子核分裂成两个质量相似的碎片。这个事件是如此强大,它可以在铀被困的晶体中留下破坏的“痕迹”。科学家可以将这种晶体浸入酸中,使这些轨迹在显微镜下可见。他们计算的轨迹数量可以与样品本身的铀含量进行比较,从而计算出晶体的年龄。这种方法通常应用于轨迹显示良好的岩石,如锆石。
电子自旋共振(ESR)
这项技术是在20世纪70年代引入的,用于测定最近形成的材料,这些材料不能用放射性碳法测定年代。可应用于牙釉质、牙壳等有机材料。这使得这项技术非常有用,因为在化石记录中,牙齿是骨骼中最常见的部分。
牙釉质主要由矿物羟基磷灰石组成,具有非激发态和激发态两种能量状态。自然地质辐射可以在这些状态之间转移电子。被困在两种状态下的电子的比例与辐射的持续时间(即被埋的时间)成正比,这反过来又给出了牙齿的准确年龄。
氨基酸外消旋
该方法在20世纪80年代中期被引入,并在整个90年代被改进,试图扩大生物材料使用的年代测定方法的种类。氨基酸可以以两种不同的镜像形式存在(L型和D型),可以用偏振光进行区分。生物只有l型氨基酸。当生物体死亡时,氨基酸可以在L型和d型之间翻转(“外消旋化”);L型以稳定的速度转变为D型,直到L型和D型数量相等。有机样品中这两种物质的比例可以用来估计死亡后经过的时间。
黑曜石水化
黑曜石是一种火山玻璃,古今人类都用它来制造高质量、锋利的石器和武器。黑曜石经历一个被称为矿物水化的过程:当破碎时,材料开始以相对规律的速率从空气或环境中吸收水分。这种吸收在黑曜石表面形成一层。该层的厚度可以测量,并与自黑曜石断裂以来所经过的时间相关联。考古学家可以用这种方法确定石器制造的年代。
总结
年代测定法是研究历史的基石,也是多种科学(如地质学、化学、物理学和统计学)如何协同工作的好例子。发展和完善年代测定方法一直是人类进化研究的重要组成部分,并为我们过去的时间轴提供了许多见解。卡塔尔世界杯B组积分从我们最古老的近亲到我们自己物种的历史创新,年代测定方法帮助科学家们了解与人类进化相关的地点和事件。以下是本网站所涵盖的部分活动。
如果您想了解更多,我们建议您访问以下两个网站:
1.《利用地质方法测定岩石和化石的年代》的文章在《自然》优秀的在线文章系列中自然教育知识项目。
2.加州大学伯克利分校古生物博物馆了解深度时间在线资源.这是一个信息之旅,让学生获得对地质时间的基本理解,地球历史上事件的证据,相对和绝对年代测定技术,以及地质时间刻度的意义。
本页上的文字和插图主要由Kim Foecke开发,由Kevin Takashita-Bynum贡献,由Rick Potts, Briana Pobiner和Jennifer Clark编辑。我们要感谢几位教育工作者(尼基·钱伯斯、约翰·米德、韦斯·麦考伊和马克·特里)和人类起源大厅的志愿者(本·戈顿、Jurate Landwehr、卡罗尔·施伦普、戴夫·劳斯曼),他们也提供了评论和建议。