陨石：制胜关键！太阳系简史揭示铅同位素之谜

接下来要登场的人物就是克莱尔·C.帕特森了（图4-3）。豪特曼斯提出可以通过铁陨石来测定铅同位素的初始总含量。在第5章我们会讲到陨石来自小行星，它们从太阳系诞生至今变化甚微，因此应该可以借由它们了解太阳系最初的组成。帕特森继承了豪特曼斯的观点，他测出了迪亚布洛峡谷陨石的一块样本中铅同位素的含量，这块陨石是在大约60000年前坠落到美国亚利桑那州的。该样本中的铀含量很少，因此从该陨石的母体小行星形成至今，它的铅的同位素含量几乎是恒定不变的。帕特森假设这些铅的同位素的含量和初始含量一样，就此计算出该小行星的年龄，并于1953年发表了他的研究成果：该小行星的年龄为45.5亿年。不久以后，豪特曼斯得出了相似的测量结果，并总结出了几乎一模一样的结论。

图4-3　克莱尔·C.帕特森勋章。该勋章每年由美国地球化学学会授予在同行评议期刊上发表的环境地球化学领域的最新重大创新突破（图片来源：the Geochemical Society）

一个关键的问题应运而生：地球和该小行星最开始的铅同位素比值一样吗？为了找出问题的答案，帕特森检测了位于太平洋海底深海沉积物的铅含量，他认为该沉积物中所有铅同位素的相对含量大体上接近地表含量。他发现，海底沉积物的结果与5块不同陨石的结果落在同一条等时线上。这表示构成地球和这些陨石所来自的小行星的原始成分包含相同的铅同位素。这条等时线显示地球的年龄为45.5亿年，这也是地球的真实年龄。

帕特森之后，其他科学家又陆续改良了放射性同位素计年法。他们对从月球、火星、小行星以及地球上采集的大量岩石样本进行了年龄测定，发现地球各洲都存在年龄超过35亿年的岩石。其中年代最为久远的地球岩石样本来自澳大利亚西部沉积岩中的锆石晶体，年龄介于35亿～44亿年。这些晶体是地球上最古老的岩石遗迹，详情见第11章。而月球岩石的年龄则为32亿～40亿年，最久远的形成于44.5亿年前。其中，年代最古老的样本是陨石，大多数陨石的形成时间为44亿～46亿年前。(www.xing528.com)

测出太阳系中不同天体样本的年龄参差不齐并不奇怪。行星、卫星和小行星的成长需要时间，而且许多天体在形成后还会进一步演化。有了放射性同位素计年法，我们不仅可以知道太阳系形成的时间，还可以得到太阳系早期发生事件的详细时间轴。

即使有些放射性同位素的寿命非常短暂且已经从地球上消失，它们的衰变产物仍可以为我们的探索工作提供重要线索。这些物质出现在陨石中，说明形成太阳系的原始物质中包括一些半衰期小于1亿年的放射性同位素。最可信的一个解释是，它们是太阳系形成不久前附近某个超新星爆炸的产物。比如镁-26是铝-26发生衰变后的产物，后者的半衰期为700000年。在不同陨石的含镁矿物中所找到的镁-26的含量各不相同，这有力说明了陨石来自形成年代不同的小行星。

现在我们已经知道，太阳系中最早存在的固态物形成于距今45.66亿年前，而绝大部分陨石所属小行星的形成年代比它晚了数百万年，不同小行星的形成时间又各不相同。火星同样形成于太阳系早期，可以确定的是它应形成于太阳系诞生后2000万年内，而且极有可能比这更早。地球的形成时间显著晚于它们，而月球则最早形成于太阳系诞生6000万年后。

显然，放射性同位素计年法在测定太阳系及太阳系天体的年代方面具有无可比拟的作用。但更幸运的是，我们还有另外一种独立的方法可以测定恒星包括太阳的年龄，从而检验这些数据的准确性。