地球的年龄与演化历史
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地球的年龄与演化历史第一节人类的计时历史
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地球的年龄与演化历史圭表是中国人最早创制出的利用阳光下影子移动的规律，
测定二十四节气和回归年长度的天文仪器。
一、日影测时话圭表
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地球的年龄与演化历史日晷是在圭表的基础上发展起来的一种计时器，
能够更准确地测定不同时刻的时间。
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地球的年龄与演化历史
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地球的年龄与演化历史
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地球的年龄与演化历史兽耳八卦铜壶滴漏
(清乾隆 )
用日影测时受气象限制，很不方便。于是人们发明了漏沙计时的,沙钟,,
燃香计时的,火钟,,
滴水计时的,水钟,。
2.,沙钟,,,火钟,,,水钟,
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地球的年龄与演化历史铜壶滴漏中国古代以漏壶为计时工具，开始时使用单只漏壶，后来出现多壶组成的复式壶。本件是现存最早的复式漏壶。
元 计时仪器元延祐三年（公元 1316年）造，整件由日壶、月壶、星壶、受水壶组成。日壶高 75.5厘米、口径 68.2厘米、底径 60厘米，月壶高 58.5厘米、口径 54.5厘术、底径 53厘米，星壶高 55.4厘米、
口径 44厘米、底径 39厘米，受水壶高 75厘米、口径 32厘米、底径 31厘米。四壶自上而下依次安放，通高 264.4厘米。日壶的水以恒定的流量滴入下层的月壶，月壶之水滴入星壶，星壶之水滴入受水壶。受水壶壶盖正中立一铜表尺，上有时辰刻度。铜尺前放一木制浮箭，木箭下端是一块木板，叫浮舟。受水壶中的水随时间的推移而逐渐增加，浮舟托起木箭缓缓上升。将木箭的顶端与铜表尺上的刻度对照，就可知道当时的时间。
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地球的年龄与演化历史沙漏，据,隋志,记载：,漏刻之制，盖始于黄帝。,足见其出现之早。
沙漏又称,沙钟,,是我国古代一种计量时间的仪器。沙漏的制造原理与漏刻大体相同，它是根据流沙从一个容器漏到另一个容器的数量来计量时间。这种采用流沙代替水的方法，是因为我国北方冬天空气寒冷，水容易结冰的缘故。
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地球的年龄与演化历史
3,最早的机械计时仪 — 水运仪象台
“水运仪象台,是最早采用齿轮的机械计时仪，被已故著名科学史专家李约瑟誉为,现代天文钟的鼻祖,。
宋元佑三年（公元 1088年）在著名科学家苏颂的倡议和领导下，一座杰出的天文记时仪器 ── 水运仪象台，在当时的京城开封制成。水运仪象台的构思广泛吸收了以前各家仪器的优点，尤其是吸取了北宋初年天文学家张思训所改进的自动报时装置的长处；在机械结构方面，采用了民间使用的水车、
筒车、桔槔、凸轮和天平秤杆等机械原理，把观测、
演示和报时设备集中起来，组成了一个整体，成为一部自动化的天文台。
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地球的年龄与演化历史大笨钟
伽利略 1582年最早发现单摆的等时性。
1656－ 1657年，荷兰人惠更斯最早把摆引入机械钟，发明了摆钟。
1673年，惠更斯发明了便于携带的钟表。
位于泰晤士河畔，是伦敦标志
4,摆钟
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地球的年龄与演化历史黑漆彩绘楼阁群仙祝寿钟 清乾隆
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地球的年龄与演化历史铜镀金孔雀开屏人打钟铜镀金滚钟
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地球的年龄与演化历史铜镀金牧羊风景羊驮钟铜镀金葡萄架人举表
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地球的年龄与演化历史中国古钟表铜镀金山羊驮乐表
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地球的年龄与演化历史
5,石英钟 -电子钟
机械钟怕震，一次小地震就可能使它停摆或产生较大的误差，而且它的精度不能再提高了。
20世纪 30年代石英钟问世了，它一昼夜误差只有万分之一秒，充当了天文钟的角色。
电子钟：当前十 普及，无处不在的计时工具
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地球的年龄与演化历史
2009-7-31 20/90
地球的年龄与演化历史
6,原子钟
1946年美国物理学家利比首创了原子钟的原理。 1949
年世界上第一台原子钟在美国诞生，其精度是 300年中的误差不到 1秒。
目前最精确的铯钟每隔 6000万年产生 1秒钟误差，
美国国家标准与技术研究所（ NIST） 最新研制的汞原子钟在 四亿 年里走时偏差不超过 1秒 (精度为 10-15
秒 )。
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地球的年龄与演化历史
7,光子钟
日本研究人员近日展示的一种捕获中性原子的方法可能开启了计时方法的新纪元。这个小组相信，
这种将锶原子捕获进一个光格子，利用这些锶原子制成的光子钟的精确度可达 10-18秒。
2009-7-31 22/90
地球的年龄与演化历史树轮
8,能自报年龄的树轮
2009-7-31 23/90
地球的年龄与演化历史树轮
2009-7-31 24/90
地球的年龄与演化历史第二节关于地球的年龄的估计我们居住的地球年龄有多大了？
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地球的年龄与演化历史
从人类的老祖先起，人们就一直在苦苦思索着这个问题。
玛雅人把公元前 3114年 8月 13日奉为,创世日,；
犹太教说,创世,是在公元前 3760年；
英国圣公会的一个大主教推算,创世,时间是公元前 4004年 10月里的一个星期日；
希腊正教会的神学家把,创世日,提前到公元前 5508年。
著名的科学家牛顿则根据,圣经,推算地球有 6000多岁。
而我们民族的想象更大胆，在古老的神话故事,盘古开天地,中传说，宇宙初始犹如一个大鸡蛋，盘古在黑暗混沌的蛋中睡了
18000年，一觉醒来，用斧劈开天地，又过了 18000年，天地形成。
即便如此，离地球的实际年龄 46亿年仍是差之甚远。
一、关于地球的种种估计
2009-7-31 26/90
地球的年龄与演化历史
人们是用什么科学方法推算地球年龄的呢？那就是天然计时器。
最早尝试用科学方法探究地球年龄的是英国物理学家哈雷。他提出，研究大洋盐度的起源，可能提供解决地球年龄问题的依据。他认为海中的盐来自大陆的河流，便用每年全球河流带入海中的盐分的数量，去除海中盐分的总量，算出现在海水盐分总量共积累了多少年，就是地球的年龄。结果得数是 1亿年。
地质学家乔利用海洋里钠的聚积速率，计算出海洋的年龄为 8—9千万年。
2009-7-31 27/90
地球的年龄与演化历史为什么与地球实际年龄相差 45亿年呢？
一是没考虑到地球的形成远在海洋出现之前；
二是河流带入海洋的盐分并非年年相等；
三是海洋中盐分也常被海水冲上岸。种种因素都造成这种计时器失真。
四是，还有沉积作用，不断地从海洋中离去盐分 !!
2009-7-31 28/90
地球的年龄与演化历史
人们又在海洋中找到另一种计时器 ——海洋沉积物。
据估计，每 3000～ 10000年，可以造成 1米厚的沉积岩。由此推算，地球年龄约在 3—10亿年。
在 1893年里德根据沉积速率的研究，计算出从寒武纪开始以来经历了 6亿年。
古德蔡尔德根据同样的方法计算得出 7亿年。
这种方法也忽略了在有这种沉积作用之前地球早已形成。所以，结果还是不正确。
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地球的年龄与演化历史
1854年，德国科学家赫尔姆霍茨根据他对 太阳能量的估算,认为地球的年龄可能为 2200万年，不超过 2500万年。
1862年，英国著名物理学家汤姆生说，地球从早期炽热状态中冷却到如今的状态，需要 2000万至
4000万年。
克尔文假定 地球最初曾经熔融,估计需要 2-4亿年才会冷却到现存这样低的地表热流。
这些数字远远小于地球的实际年龄，但作为早期尝试还是有益的。
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地球的年龄与演化历史二、放射性的发现
贝克勒尔 (Becquerel)于 1899年在植物园深处的一个小棚里发现了铀矿物能发肘出一种奇特的射线，使照片底板产生模糊。
几年以后，许多先驱学者，其中带头的是 P．居里 (P
Curie)、和居里夫人 (Marie Curie),E．卢瑟福 (E
Ruthefford)和 w,索弟 (W Soddy)等人发现了这一奇特现象的本质。
R J 斯特拉特 (后来的雷利 )发现，所有岩石都有放射性特征，并向皇家学会作了,关于在地壳中镭的分布和关于地球内部热量,的演讲。
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地球的年龄与演化历史
新西兰的物理学家 E Rutherford为放射性计时技术的发展起了主要的作用。他第一个提出了一个大胆的假说：
某些放射性元素在单位时间里蜕变的放射性原子的数量是一个不变的常数，因此它是一种潜在的计时钟。
根据这一假说，如果有 100亿个镭原于的话,1622年以后就只剩下了一半,3244年以后只剩下了四分之一。以此类推，每过 1622年，镭原子的量就损耗了一半。镭的蜕变是遵循指数法则进行的。镭、铀或所有其它放射性元秦的数量就是以这种简单的方式减少的，因此对减少的数量进行测定就是测定时间，就是一个计时钟 !
2009-7-31 32/90
地球的年龄与演化历史 地球年龄估计
放射性同位素的发现宣告了所有老的地球年龄估计的终结。 1904年卢瑟福建议根据放射性矿物里的氦的积聚速率来计算岩石的年龄。博尔特伍德和雷利采纳了这个建议，并且博尔特伍德在指出铅是铀的衰变的最终产物之后，建立了 U-Pb法。
1931年，霍姆斯根据相关研究，已能得出以下结论：地球的年龄超过 1460Ma，或许不少于
1600Ma，而大概比 30亿年要少得多。
2009-7-31 33/90
地球的年龄与演化历史
几经波折，人们终于找到一种稳定可靠的天然计时器 ——地球内放射性元素和它蜕变生成的同位素。放射性元素裂变时，不受外界条件变化的影响。如原子量为 238的放射性元素 —铀 (238U)，每经 45亿年左右的裂变，就会变掉原来质量的一半，蜕变成铅和氦。科学家根据岩石中现存的铀量和铅量，算出岩石的年龄。
地壳是岩石组成的，于是又可得知地壳的年龄，大约是 30多亿年，加上地壳形成前地球所经历的一段熔融状态时期，地球的年龄约 46亿岁。
2009-7-31 34/90
地球的年龄与演化历史第三节同位素地质年代学基本原理
2009-7-31 35/90
地球的年龄与演化历史
同位素
稳定同位素
放射性同位素
同位素衰变一、几个基本概念
2009-7-31 36/90
地球的年龄与演化历史二,放射性衰变
isotope radioactive decay
放射性同位素经过自然衰变,转变为其它元素的同位素,结果母核素不断减少,而子核素不断增加,从而改变着母核素和子核素的成分,它是放射性原子核的一种特性,不受外界物理化学条件的影响。
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地球的年龄与演化历史
1,α-衰变 (ALPHA DECAY),
放射性母核放出 α粒子。
由于式可见，新核的同位素原子序数比母核少 2
，质量数少 4。自然界的重同位素如 235U,238U
,232Th等都以 α-衰变为主。
EHeNdSm 421 4 3601 4 762
例如：
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地球的年龄与演化历史 同位素衰变形式
2,β-衰变 (Beta Decay)，也称负电子衰变：
即放射性母核中的 1个中了分裂为一个中子分裂为
1个质子和 1个电子 (即 β-粒子 )，同时放出反中微子
γ,衰变的结果是，核内减少一个中子，增加 1个质子，新核素的质量数不变，核电荷数加 1，变成周期表右侧相邻的新元素。如：
E8738β8737 γβSrRb
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地球的年龄与演化历史 同位素衰变形式
3,电子捕获,是母核自发地从核外电子壳层捕获一个电子 (e)，与质子结合变成中子，质子数减少
1个，通式为：
E1 YeX AZAZ
这是 β-的逆向变化。由于电子捕获过程通常是在 K
层上吸取一个电子，因此也称为 K层电子捕获。衰变的产物为质量数不变，质子数 (核电荷数 )减 1，变成周期表上左邻的新元素。如：
E40184019 AreK
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地球的年龄与演化历史三,放射性衰变定律我们把正在衰变的核素称为母核 (体 )，衰变的产物称为子核 (体 )
自然界的放射性同位素虽然衰变的方式和产物不同，但都服从一个 放射性衰变定律,即 在一个封闭的系统内，单位时间内放射性母核衰变为子核的原子数与母核原子数成正比，即：
NtN
△ N∝ N?△ t
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地球的年龄与演化历史放射性衰变定律此式说明，放射性同位素原子核的总核数随着时间的减少服从于指数定律。这是放射性衰变基本定律，也是同位素地质年代学的基本公式。
N=N0e-λt
2009-7-31 44/90
地球的年龄与演化历史放射性同位素（ N）随时间衰减，
子核（ D）随时间增长的理论曲线
Dr0
N0
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地球的年龄与演化历史
Flash
2009-7-31 46/90
地球的年龄与演化历史
U-
Pb
放射性计时器的原理
2009-7-31 47/90
地球的年龄与演化历史放射性衰变定律半衰期 (Half-life),
母核衰变为其原核数的一半所经历的时间
，用 T1/2表示。
由 N/N0=e-λt → 1/2=e-λT1/2
两边取对数：
-ln2 =-λT1/2
T1/2 ≈ 0.693/λ （ 5）
2009-7-31 48/90
地球的年龄与演化历史四,放射性同位素年龄测定
Dr = N eλt –N=N(eλt -1) (7)
假设：以 Dr表示由经过 t(T0→T) 母核主成的子核数，则：
Dr=N0-N （ 6）
把 N0=N eλt 代入上式由（ 7）式可知，放射性成因子体的原子是现在放射性母体的原子数和时间的函数
2009-7-31 49/90
地球的年龄与演化历史经整理得：
Dr/N是现存放射成因子核和母核的原子数比值。 Λ
是放射性同位素的衰变常数。
（ 7）或（ 8）式是同位素年龄测定的基本公式，不同的同位素年龄测定方法都是以此为计算公式的。
( 8 ) )
N
Dr
l n ( 1
λ
1
t
2009-7-31 50/90
地球的年龄与演化历史实际上现在测定的子体不一定都是放射性成因
，在地质体（如岩石、矿物）形成时就已经存在。设现在测定的子体总数为 D，地质体形成时的子体数为 D0，则：
D=D0+Dr
D= D0+N(eλt -1) （ 9）
即：
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地球的年龄与演化历史相应 的（ 8）式改写为
( 1 0 ) )
N
D-Dl n ( 1
λ
1t 0
2009-7-31 54/90
地球的年龄与演化历史
(四 )地球上最古老岩石
1973年在格陵兰发现 38亿年的古老岩石。
1983年在澳大利亚找到几粒年龄为 41-42亿年的矿物颗粒。
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地球的年龄与演化历史中国鞍山白家坟发现有 38亿年的岩石。
中国迁西太平寨发现有 38~37亿年的岩石。
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地球的年龄与演化历史 地球年龄的估计
产地 方法 矿物 年龄 ( G a )
苏联科拉半岛 K - A r 黑云母 3,4 6
苏联乌克兰 K - A r 黑云母 3,0 5
3,0 7 ± 0,0 6
3,4 4 ± 0,3 0
南非德兰士瓦 Rb- S r 全岩 3,2 ± 0,0 7
刚果 Rb- S r 微斜长石 3,5 2 ± 0,1 8
美国明尼苏达州 U- P b 锆石 ≥ 3,3
美国蒙大拿州 U- P b 锆石 ≥ 3,1
大于 30 亿年的矿物和全岩年龄斯威士兰 Rb- S r 全岩
2009-7-31 57/90
地球的年龄与演化历史华北克拉通上已发现了大量的 >3.0Ga的岩石，目前报到的最老的岩体是白家坟奥长花岗岩岩体 (3.8Ga)
2009-7-31 58/90
地球的年龄与演化历史
2009-7-31 59/90
地球的年龄与演化历史第四节 地球的年龄
—陨石的年龄测定结果
2009-7-31 60/90
地球的年龄与演化历史
1,石陨石的 K-Ar法测年结果
(据安德斯,1963)
2009-7-31 61/90
地球的年龄与演化历史
2,铅同位素测年结果当前采用的值：
(206Pb/204Pb)0=9.307； (207Pb/204Pb)0=10.294； (208Pb/204Pb)0=29.476
作 者 t 0 ( G a ) a 0 b 0
帕特森，蒂尔顿和英厄姆 ( 1 9 5 5 ) 4,5 9,4 6 1 0,2 9
帕特森 ( 1 9 5 6 ) 4,5 5 ± 0,0 7 9,5 0 2 0,3 6
奥斯蒂克、拉塞尔和雷诺兹 ( 1 9 6 3 ) 4,5 3 ± 0,0 3 9,5 6 1 0,4 2
奥斯蒂克和施泰格尔 ( 1 9 6 5 ) 4,7 5 ± 0,0 5 9,5 4 1 0,2 7
乌尔里克 ( 1 9 6 7 ) 4,5 3 ± 0,0 4 9,5 6 1 0,4 2
综合陨石铅和地球铅的数据所估计的地球的年龄
T0-地球的年龄； a0=(206Pb/204Pb)0； b0=(207Pb/204Pb)0
2009-7-31 62/90
地球的年龄与演化历史陨石 Pb-Pb等时线年龄
2009-7-31 63/90
地球的年龄与演化历史
3,陨石的 Rb-Sr年龄球粒陨石 无球粒陨石 石陨石 作者
4.8± 0.4 舒马赫,1956
4.7 赫左格和潘松,1956
1.6± 0.44 韦伯斯特等,1957
4.3-4.7 加斯特,1962
4.46± 0.35 默西和康普斯顿,1965
3.7± 0.2 康普斯顿等,1965
4.52± 0.12 潘松等,1965
4.45± 0.03 希尔兹等,1966
3.8± 0.1 伯内特和瓦塞比格,1967
4.25-4.76 伯内特和瓦塞比格,1967
4.7± 0.1 博加德等,1967
4.38-4.70 岛和本田,1967
陨石的 R b-Sr 年龄 (Ga )
2009-7-31 64/90
地球的年龄与演化历史陨石 Rb-Sr等时线年龄
2009-7-31 65/90
地球的年龄与演化历史
4,陨石 Sm-Nd等时线年龄
2009-7-31 66/90
地球的年龄与演化历史 地质应用
Juvinas玄武质无球粒陨石全岩及由其分离出的单矿物的 Sm-Nd等时线
2009-7-31 67/90
地球的年龄与演化历史 地球的年龄扣除了铁陨石的普通铅
2009-7-31 68/90
地球的年龄与演化历史知道，地球人都知道 !!!
2009-7-31 69/90
地球的年龄与演化历史第五节 地球的演化历史
2009-7-31 70/90
地球的年龄与演化历史一、相对地质年代的确定
（一） 相对年代（ relative age）
即把各个地质历史时期形成的岩石以及包含在岩石中的生物组合，按先后顺序确定下来，展示出岩石的新老关系。因此，相对年代只能说明各地质事件发生的早晚，而没有绝对的数量关系。
确定相对年代，主要是根据岩层的叠复原理、
生物群的演化规律和地质体（岩层、岩体、岩脉等）之间的切割关系这三个主要方面进行的。
2009-7-31 71/90
地球的年龄与演化历史叠复原理（ law of superposition）
沉积岩的原始沉积总是一层一层的叠置起来，表现了下老上新的关系。遗憾的是，各地区的地层并非都是完整无缺，有的地区因地壳下降而接受沉积，
另一些地区又因地壳上升而遭受剥蚀。在这种各地不统一的情况下，要建立大区域的或全球性的统一地层系统，就必须把各地零星的地层加以综合研究对比，最后综合出一个标准的地层顺序（或地层剖面），这种方法叫地层学法。它主要是研究岩石的性质。
2009-7-31 72/90
地球的年龄与演化历史生物群的演化规律
（ law of faunal succession）
除了利用岩性和岩层之间的叠复关系来解决岩层的相对新老外，
人们发现保存在岩层中的生物化石群也有一种明确的可以确定的顺序。而且处在下部地层中的生物化石，有的在上部地层中也存在，有的则绝灭了但又出现一些新的种属。这充分说明，
生物在演化发展过程中具有阶段性。而且在某一阶段中绝灭了的生物种属，不会在新的阶段中重新出现，这就是生物进化的不可逆性。因此，愈老的地层中所含的生物化石愈原始，愈低级；愈新的地层中所含生物化石愈先进，愈高级。这就是划分地层相对年代的生物群演化规律。这种方法叫古生物学法。
2009-7-31 73/90
地球的年龄与演化历史
这里特别要指出的是，生物的存在与发展总是要适应随时间而变化的环境，所以在不同时代的地层中，往往有不同种属的生物化石。有趣的是，有些生物垂直分布很狭小（生存时间短），但水平分布却很广（分布面积大，数量多），这种生物化石对划分、对比地层的相对年代最有意义，称为标准化石（ index
fossil）。所以不论岩石的性质是否相同，相差地区何等遥远，只要所含的标准化石或化石群相同，它们的地质年代就是相同或大体相同的。
2009-7-31 74/90
地球的年龄与演化历史
2009-7-31 75/90
地球的年龄与演化历史
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地球的年龄与演化历史
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地球的年龄与演化历史
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地球的年龄与演化历史
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地球的年龄与演化历史
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地球的年龄与演化历史
2009-7-31 81/90
地球的年龄与演化历史
2009-7-31 82/90
地球的年龄与演化历史
2009-7-31 83/90
地球的年龄与演化历史地质体之间的切割关系
（ law of dissection）
由于地壳运动、岩浆作用、沉积作用、剥蚀作用的发生，常常会出现地质体（岩层、岩体、岩脉）之间的彼此穿切现象。显然，被切割的岩层比切割的岩层老；被侵入的岩体比侵入的岩层或岩脉老。利用这种关系来确定岩层的相对地质年代，就叫构造地质学法
2009-7-31 84/90
地球的年龄与演化历史
2009-7-31 85/90
地球的年龄与演化历史二、绝对年龄的测定
同位素年代学地质年代表
2009-7-31 86/90
地球的年龄与演化历史三、地质年代表编年单位编年首先确定年代的单位，然后编制出年代表地质年代单位 （年代）地层单位宙 eon 宇 eontherm
代 era 界 erratum
纪 period 系 system
世 epoch 统 series
(期 ) （阶）
有了划分相对年代，绝对年龄的原则，就可以按年代的顺序把地质历史进行系统性编年。
2009-7-31 87/90
地球的年龄与演化历史
―宙”是最大一级的地质年代单位，它往往反映了全球性的无机界与生物界的重大演化阶段，整个地质历史从老到新被分为冥古宙、太古宙、元古宙和显生宙 4个宙，每个宙的演化时间均在 5亿年以上。 (实际工作中常划分为两大阶段即前寒武纪与显生宙 )
―代”是仅次于“宙”的地质年代单位，它往往反映了全球性的无机界与生物界的明显演化阶段。每个代的演化时间均在 5000 万年以上。
– 地球的历史可以分成太古代、元古代、古生代、中生代和新生代这五个代，五个代中可分成许多,纪,,
而纪又可分成许多,世,。
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地球的年龄与演化历史
―纪”是次于“代”的地质年代单位，它往往反映了全球性的生物界的明显变化及区域性的无机界演化阶段。
每个纪的演化时间在 200 万年以上。
,世”是次于“纪”的地质年代单位，它往往反映了生物界中“科”“属”的一定变化。每个纪一般分为早、
中、晚 3 个世或早、晚 2 个世。但在第三纪与第四纪中，
世的名称比较特殊。
与上述各级地质年代单位相对应的年代地层单位为：宇、
界、系、统，它们是在各级地质年代单位的时间内所形成的地层。两者的级别对应关系为：
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地球的年龄与演化历史年代单位 年代地层单位宙 eon 宇 eontherm
代 era 界 erratum
纪 period 系 system
世 epoch 统 series
(期 ) （阶）
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地球的年龄与演化历史
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地球的年龄与演化历史第一节人类的计时历史
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地球的年龄与演化历史圭表是中国人最早创制出的利用阳光下影子移动的规律，
测定二十四节气和回归年长度的天文仪器。
一、日影测时话圭表
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地球的年龄与演化历史日晷是在圭表的基础上发展起来的一种计时器，
能够更准确地测定不同时刻的时间。
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地球的年龄与演化历史
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地球的年龄与演化历史
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地球的年龄与演化历史兽耳八卦铜壶滴漏
(清乾隆 )
用日影测时受气象限制，很不方便。于是人们发明了漏沙计时的,沙钟,,
燃香计时的,火钟,,
滴水计时的,水钟,。
2.,沙钟,,,火钟,,,水钟,
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地球的年龄与演化历史铜壶滴漏中国古代以漏壶为计时工具，开始时使用单只漏壶，后来出现多壶组成的复式壶。本件是现存最早的复式漏壶。
元 计时仪器元延祐三年（公元 1316年）造，整件由日壶、月壶、星壶、受水壶组成。日壶高 75.5厘米、口径 68.2厘米、底径 60厘米，月壶高 58.5厘米、口径 54.5厘术、底径 53厘米，星壶高 55.4厘米、
口径 44厘米、底径 39厘米，受水壶高 75厘米、口径 32厘米、底径 31厘米。四壶自上而下依次安放，通高 264.4厘米。日壶的水以恒定的流量滴入下层的月壶，月壶之水滴入星壶，星壶之水滴入受水壶。受水壶壶盖正中立一铜表尺，上有时辰刻度。铜尺前放一木制浮箭，木箭下端是一块木板，叫浮舟。受水壶中的水随时间的推移而逐渐增加，浮舟托起木箭缓缓上升。将木箭的顶端与铜表尺上的刻度对照，就可知道当时的时间。
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地球的年龄与演化历史沙漏，据,隋志,记载：,漏刻之制，盖始于黄帝。,足见其出现之早。
沙漏又称,沙钟,,是我国古代一种计量时间的仪器。沙漏的制造原理与漏刻大体相同，它是根据流沙从一个容器漏到另一个容器的数量来计量时间。这种采用流沙代替水的方法，是因为我国北方冬天空气寒冷，水容易结冰的缘故。
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地球的年龄与演化历史
3,最早的机械计时仪 — 水运仪象台
“水运仪象台,是最早采用齿轮的机械计时仪，被已故著名科学史专家李约瑟誉为,现代天文钟的鼻祖,。
宋元佑三年（公元 1088年）在著名科学家苏颂的倡议和领导下，一座杰出的天文记时仪器 ── 水运仪象台，在当时的京城开封制成。水运仪象台的构思广泛吸收了以前各家仪器的优点，尤其是吸取了北宋初年天文学家张思训所改进的自动报时装置的长处；在机械结构方面，采用了民间使用的水车、
筒车、桔槔、凸轮和天平秤杆等机械原理，把观测、
演示和报时设备集中起来，组成了一个整体，成为一部自动化的天文台。
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地球的年龄与演化历史大笨钟
伽利略 1582年最早发现单摆的等时性。
1656－ 1657年，荷兰人惠更斯最早把摆引入机械钟，发明了摆钟。
1673年，惠更斯发明了便于携带的钟表。
位于泰晤士河畔，是伦敦标志
4,摆钟
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地球的年龄与演化历史黑漆彩绘楼阁群仙祝寿钟 清乾隆
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地球的年龄与演化历史铜镀金孔雀开屏人打钟铜镀金滚钟
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地球的年龄与演化历史铜镀金牧羊风景羊驮钟铜镀金葡萄架人举表
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地球的年龄与演化历史中国古钟表铜镀金山羊驮乐表
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地球的年龄与演化历史
5,石英钟 -电子钟
机械钟怕震，一次小地震就可能使它停摆或产生较大的误差，而且它的精度不能再提高了。
20世纪 30年代石英钟问世了，它一昼夜误差只有万分之一秒，充当了天文钟的角色。
电子钟：当前十 普及，无处不在的计时工具
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地球的年龄与演化历史
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地球的年龄与演化历史
6,原子钟
1946年美国物理学家利比首创了原子钟的原理。 1949
年世界上第一台原子钟在美国诞生，其精度是 300年中的误差不到 1秒。
目前最精确的铯钟每隔 6000万年产生 1秒钟误差，
美国国家标准与技术研究所（ NIST） 最新研制的汞原子钟在 四亿 年里走时偏差不超过 1秒 (精度为 10-15
秒 )。
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地球的年龄与演化历史
7,光子钟
日本研究人员近日展示的一种捕获中性原子的方法可能开启了计时方法的新纪元。这个小组相信，
这种将锶原子捕获进一个光格子，利用这些锶原子制成的光子钟的精确度可达 10-18秒。
2009-7-31 22/90
地球的年龄与演化历史树轮
8,能自报年龄的树轮
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地球的年龄与演化历史树轮
2009-7-31 24/90
地球的年龄与演化历史第二节关于地球的年龄的估计我们居住的地球年龄有多大了？
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地球的年龄与演化历史
从人类的老祖先起，人们就一直在苦苦思索着这个问题。
玛雅人把公元前 3114年 8月 13日奉为,创世日,；
犹太教说,创世,是在公元前 3760年；
英国圣公会的一个大主教推算,创世,时间是公元前 4004年 10月里的一个星期日；
希腊正教会的神学家把,创世日,提前到公元前 5508年。
著名的科学家牛顿则根据,圣经,推算地球有 6000多岁。
而我们民族的想象更大胆，在古老的神话故事,盘古开天地,中传说，宇宙初始犹如一个大鸡蛋，盘古在黑暗混沌的蛋中睡了
18000年，一觉醒来，用斧劈开天地，又过了 18000年，天地形成。
即便如此，离地球的实际年龄 46亿年仍是差之甚远。
一、关于地球的种种估计
2009-7-31 26/90
地球的年龄与演化历史
人们是用什么科学方法推算地球年龄的呢？那就是天然计时器。
最早尝试用科学方法探究地球年龄的是英国物理学家哈雷。他提出，研究大洋盐度的起源，可能提供解决地球年龄问题的依据。他认为海中的盐来自大陆的河流，便用每年全球河流带入海中的盐分的数量，去除海中盐分的总量，算出现在海水盐分总量共积累了多少年，就是地球的年龄。结果得数是 1亿年。
地质学家乔利用海洋里钠的聚积速率，计算出海洋的年龄为 8—9千万年。
2009-7-31 27/90
地球的年龄与演化历史为什么与地球实际年龄相差 45亿年呢？
一是没考虑到地球的形成远在海洋出现之前；
二是河流带入海洋的盐分并非年年相等；
三是海洋中盐分也常被海水冲上岸。种种因素都造成这种计时器失真。
四是，还有沉积作用，不断地从海洋中离去盐分 !!
2009-7-31 28/90
地球的年龄与演化历史
人们又在海洋中找到另一种计时器 ——海洋沉积物。
据估计，每 3000～ 10000年，可以造成 1米厚的沉积岩。由此推算，地球年龄约在 3—10亿年。
在 1893年里德根据沉积速率的研究，计算出从寒武纪开始以来经历了 6亿年。
古德蔡尔德根据同样的方法计算得出 7亿年。
这种方法也忽略了在有这种沉积作用之前地球早已形成。所以，结果还是不正确。
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地球的年龄与演化历史
1854年，德国科学家赫尔姆霍茨根据他对 太阳能量的估算,认为地球的年龄可能为 2200万年，不超过 2500万年。
1862年，英国著名物理学家汤姆生说，地球从早期炽热状态中冷却到如今的状态，需要 2000万至
4000万年。
克尔文假定 地球最初曾经熔融,估计需要 2-4亿年才会冷却到现存这样低的地表热流。
这些数字远远小于地球的实际年龄，但作为早期尝试还是有益的。
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地球的年龄与演化历史二、放射性的发现
贝克勒尔 (Becquerel)于 1899年在植物园深处的一个小棚里发现了铀矿物能发肘出一种奇特的射线，使照片底板产生模糊。
几年以后，许多先驱学者，其中带头的是 P．居里 (P
Curie)、和居里夫人 (Marie Curie),E．卢瑟福 (E
Ruthefford)和 w,索弟 (W Soddy)等人发现了这一奇特现象的本质。
R J 斯特拉特 (后来的雷利 )发现，所有岩石都有放射性特征，并向皇家学会作了,关于在地壳中镭的分布和关于地球内部热量,的演讲。
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地球的年龄与演化历史
新西兰的物理学家 E Rutherford为放射性计时技术的发展起了主要的作用。他第一个提出了一个大胆的假说：
某些放射性元素在单位时间里蜕变的放射性原子的数量是一个不变的常数，因此它是一种潜在的计时钟。
根据这一假说，如果有 100亿个镭原于的话,1622年以后就只剩下了一半,3244年以后只剩下了四分之一。以此类推，每过 1622年，镭原子的量就损耗了一半。镭的蜕变是遵循指数法则进行的。镭、铀或所有其它放射性元秦的数量就是以这种简单的方式减少的，因此对减少的数量进行测定就是测定时间，就是一个计时钟 !
2009-7-31 32/90
地球的年龄与演化历史 地球年龄估计
放射性同位素的发现宣告了所有老的地球年龄估计的终结。 1904年卢瑟福建议根据放射性矿物里的氦的积聚速率来计算岩石的年龄。博尔特伍德和雷利采纳了这个建议，并且博尔特伍德在指出铅是铀的衰变的最终产物之后，建立了 U-Pb法。
1931年，霍姆斯根据相关研究，已能得出以下结论：地球的年龄超过 1460Ma，或许不少于
1600Ma，而大概比 30亿年要少得多。
2009-7-31 33/90
地球的年龄与演化历史
几经波折，人们终于找到一种稳定可靠的天然计时器 ——地球内放射性元素和它蜕变生成的同位素。放射性元素裂变时，不受外界条件变化的影响。如原子量为 238的放射性元素 —铀 (238U)，每经 45亿年左右的裂变，就会变掉原来质量的一半，蜕变成铅和氦。科学家根据岩石中现存的铀量和铅量，算出岩石的年龄。
地壳是岩石组成的，于是又可得知地壳的年龄，大约是 30多亿年，加上地壳形成前地球所经历的一段熔融状态时期，地球的年龄约 46亿岁。
2009-7-31 34/90
地球的年龄与演化历史第三节同位素地质年代学基本原理
2009-7-31 35/90
地球的年龄与演化历史
同位素
稳定同位素
放射性同位素
同位素衰变一、几个基本概念
2009-7-31 36/90
地球的年龄与演化历史二,放射性衰变
isotope radioactive decay
放射性同位素经过自然衰变,转变为其它元素的同位素,结果母核素不断减少,而子核素不断增加,从而改变着母核素和子核素的成分,它是放射性原子核的一种特性,不受外界物理化学条件的影响。
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地球的年龄与演化历史
1,α-衰变 (ALPHA DECAY),
放射性母核放出 α粒子。
由于式可见，新核的同位素原子序数比母核少 2
，质量数少 4。自然界的重同位素如 235U,238U
,232Th等都以 α-衰变为主。
EHeNdSm 421 4 3601 4 762
例如：
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地球的年龄与演化历史 同位素衰变形式
2,β-衰变 (Beta Decay)，也称负电子衰变：
即放射性母核中的 1个中了分裂为一个中子分裂为
1个质子和 1个电子 (即 β-粒子 )，同时放出反中微子
γ,衰变的结果是，核内减少一个中子，增加 1个质子，新核素的质量数不变，核电荷数加 1，变成周期表右侧相邻的新元素。如：
E8738β8737 γβSrRb
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地球的年龄与演化历史 同位素衰变形式
3,电子捕获,是母核自发地从核外电子壳层捕获一个电子 (e)，与质子结合变成中子，质子数减少
1个，通式为：
E1 YeX AZAZ
这是 β-的逆向变化。由于电子捕获过程通常是在 K
层上吸取一个电子，因此也称为 K层电子捕获。衰变的产物为质量数不变，质子数 (核电荷数 )减 1，变成周期表上左邻的新元素。如：
E40184019 AreK
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地球的年龄与演化历史三,放射性衰变定律我们把正在衰变的核素称为母核 (体 )，衰变的产物称为子核 (体 )
自然界的放射性同位素虽然衰变的方式和产物不同，但都服从一个 放射性衰变定律,即 在一个封闭的系统内，单位时间内放射性母核衰变为子核的原子数与母核原子数成正比，即：
NtN
△ N∝ N?△ t
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地球的年龄与演化历史放射性衰变定律此式说明，放射性同位素原子核的总核数随着时间的减少服从于指数定律。这是放射性衰变基本定律，也是同位素地质年代学的基本公式。
N=N0e-λt
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地球的年龄与演化历史放射性同位素（ N）随时间衰减，
子核（ D）随时间增长的理论曲线
Dr0
N0
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地球的年龄与演化历史
Flash
2009-7-31 46/90
地球的年龄与演化历史
U-
Pb
放射性计时器的原理
2009-7-31 47/90
地球的年龄与演化历史放射性衰变定律半衰期 (Half-life),
母核衰变为其原核数的一半所经历的时间
，用 T1/2表示。
由 N/N0=e-λt → 1/2=e-λT1/2
两边取对数：
-ln2 =-λT1/2
T1/2 ≈ 0.693/λ （ 5）
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地球的年龄与演化历史四,放射性同位素年龄测定
Dr = N eλt –N=N(eλt -1) (7)
假设：以 Dr表示由经过 t(T0→T) 母核主成的子核数，则：
Dr=N0-N （ 6）
把 N0=N eλt 代入上式由（ 7）式可知，放射性成因子体的原子是现在放射性母体的原子数和时间的函数
2009-7-31 49/90
地球的年龄与演化历史经整理得：
Dr/N是现存放射成因子核和母核的原子数比值。 Λ
是放射性同位素的衰变常数。
（ 7）或（ 8）式是同位素年龄测定的基本公式，不同的同位素年龄测定方法都是以此为计算公式的。
( 8 ) )
N
Dr
l n ( 1
λ
1
t
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地球的年龄与演化历史实际上现在测定的子体不一定都是放射性成因
，在地质体（如岩石、矿物）形成时就已经存在。设现在测定的子体总数为 D，地质体形成时的子体数为 D0，则：
D=D0+Dr
D= D0+N(eλt -1) （ 9）
即：
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地球的年龄与演化历史相应 的（ 8）式改写为
( 1 0 ) )
N
D-Dl n ( 1
λ
1t 0
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地球的年龄与演化历史
(四 )地球上最古老岩石
1973年在格陵兰发现 38亿年的古老岩石。
1983年在澳大利亚找到几粒年龄为 41-42亿年的矿物颗粒。
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地球的年龄与演化历史中国鞍山白家坟发现有 38亿年的岩石。
中国迁西太平寨发现有 38~37亿年的岩石。
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地球的年龄与演化历史 地球年龄的估计
产地 方法 矿物 年龄 ( G a )
苏联科拉半岛 K - A r 黑云母 3,4 6
苏联乌克兰 K - A r 黑云母 3,0 5
3,0 7 ± 0,0 6
3,4 4 ± 0,3 0
南非德兰士瓦 Rb- S r 全岩 3,2 ± 0,0 7
刚果 Rb- S r 微斜长石 3,5 2 ± 0,1 8
美国明尼苏达州 U- P b 锆石 ≥ 3,3
美国蒙大拿州 U- P b 锆石 ≥ 3,1
大于 30 亿年的矿物和全岩年龄斯威士兰 Rb- S r 全岩
2009-7-31 57/90
地球的年龄与演化历史华北克拉通上已发现了大量的 >3.0Ga的岩石，目前报到的最老的岩体是白家坟奥长花岗岩岩体 (3.8Ga)
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地球的年龄与演化历史
2009-7-31 59/90
地球的年龄与演化历史第四节 地球的年龄
—陨石的年龄测定结果
2009-7-31 60/90
地球的年龄与演化历史
1,石陨石的 K-Ar法测年结果
(据安德斯,1963)
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地球的年龄与演化历史
2,铅同位素测年结果当前采用的值：
(206Pb/204Pb)0=9.307； (207Pb/204Pb)0=10.294； (208Pb/204Pb)0=29.476
作 者 t 0 ( G a ) a 0 b 0
帕特森，蒂尔顿和英厄姆 ( 1 9 5 5 ) 4,5 9,4 6 1 0,2 9
帕特森 ( 1 9 5 6 ) 4,5 5 ± 0,0 7 9,5 0 2 0,3 6
奥斯蒂克、拉塞尔和雷诺兹 ( 1 9 6 3 ) 4,5 3 ± 0,0 3 9,5 6 1 0,4 2
奥斯蒂克和施泰格尔 ( 1 9 6 5 ) 4,7 5 ± 0,0 5 9,5 4 1 0,2 7
乌尔里克 ( 1 9 6 7 ) 4,5 3 ± 0,0 4 9,5 6 1 0,4 2
综合陨石铅和地球铅的数据所估计的地球的年龄
T0-地球的年龄； a0=(206Pb/204Pb)0； b0=(207Pb/204Pb)0
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地球的年龄与演化历史陨石 Pb-Pb等时线年龄
2009-7-31 63/90
地球的年龄与演化历史
3,陨石的 Rb-Sr年龄球粒陨石 无球粒陨石 石陨石 作者
4.8± 0.4 舒马赫,1956
4.7 赫左格和潘松,1956
1.6± 0.44 韦伯斯特等,1957
4.3-4.7 加斯特,1962
4.46± 0.35 默西和康普斯顿,1965
3.7± 0.2 康普斯顿等,1965
4.52± 0.12 潘松等,1965
4.45± 0.03 希尔兹等,1966
3.8± 0.1 伯内特和瓦塞比格,1967
4.25-4.76 伯内特和瓦塞比格,1967
4.7± 0.1 博加德等,1967
4.38-4.70 岛和本田,1967
陨石的 R b-Sr 年龄 (Ga )
2009-7-31 64/90
地球的年龄与演化历史陨石 Rb-Sr等时线年龄
2009-7-31 65/90
地球的年龄与演化历史
4,陨石 Sm-Nd等时线年龄
2009-7-31 66/90
地球的年龄与演化历史 地质应用
Juvinas玄武质无球粒陨石全岩及由其分离出的单矿物的 Sm-Nd等时线
2009-7-31 67/90
地球的年龄与演化历史 地球的年龄扣除了铁陨石的普通铅
2009-7-31 68/90
地球的年龄与演化历史知道，地球人都知道 !!!
2009-7-31 69/90
地球的年龄与演化历史第五节 地球的演化历史
2009-7-31 70/90
地球的年龄与演化历史一、相对地质年代的确定
（一） 相对年代（ relative age）
即把各个地质历史时期形成的岩石以及包含在岩石中的生物组合，按先后顺序确定下来，展示出岩石的新老关系。因此，相对年代只能说明各地质事件发生的早晚，而没有绝对的数量关系。
确定相对年代，主要是根据岩层的叠复原理、
生物群的演化规律和地质体（岩层、岩体、岩脉等）之间的切割关系这三个主要方面进行的。
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地球的年龄与演化历史叠复原理（ law of superposition）
沉积岩的原始沉积总是一层一层的叠置起来，表现了下老上新的关系。遗憾的是，各地区的地层并非都是完整无缺，有的地区因地壳下降而接受沉积，
另一些地区又因地壳上升而遭受剥蚀。在这种各地不统一的情况下，要建立大区域的或全球性的统一地层系统，就必须把各地零星的地层加以综合研究对比，最后综合出一个标准的地层顺序（或地层剖面），这种方法叫地层学法。它主要是研究岩石的性质。
2009-7-31 72/90
地球的年龄与演化历史生物群的演化规律
（ law of faunal succession）
除了利用岩性和岩层之间的叠复关系来解决岩层的相对新老外，
人们发现保存在岩层中的生物化石群也有一种明确的可以确定的顺序。而且处在下部地层中的生物化石，有的在上部地层中也存在，有的则绝灭了但又出现一些新的种属。这充分说明，
生物在演化发展过程中具有阶段性。而且在某一阶段中绝灭了的生物种属，不会在新的阶段中重新出现，这就是生物进化的不可逆性。因此，愈老的地层中所含的生物化石愈原始，愈低级；愈新的地层中所含生物化石愈先进，愈高级。这就是划分地层相对年代的生物群演化规律。这种方法叫古生物学法。
2009-7-31 73/90
地球的年龄与演化历史
这里特别要指出的是，生物的存在与发展总是要适应随时间而变化的环境，所以在不同时代的地层中，往往有不同种属的生物化石。有趣的是，有些生物垂直分布很狭小（生存时间短），但水平分布却很广（分布面积大，数量多），这种生物化石对划分、对比地层的相对年代最有意义，称为标准化石（ index
fossil）。所以不论岩石的性质是否相同，相差地区何等遥远，只要所含的标准化石或化石群相同，它们的地质年代就是相同或大体相同的。
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地球的年龄与演化历史
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地球的年龄与演化历史
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地球的年龄与演化历史
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地球的年龄与演化历史
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地球的年龄与演化历史
2009-7-31 79/90
地球的年龄与演化历史
2009-7-31 80/90
地球的年龄与演化历史
2009-7-31 81/90
地球的年龄与演化历史
2009-7-31 82/90
地球的年龄与演化历史
2009-7-31 83/90
地球的年龄与演化历史地质体之间的切割关系
（ law of dissection）
由于地壳运动、岩浆作用、沉积作用、剥蚀作用的发生，常常会出现地质体（岩层、岩体、岩脉）之间的彼此穿切现象。显然，被切割的岩层比切割的岩层老；被侵入的岩体比侵入的岩层或岩脉老。利用这种关系来确定岩层的相对地质年代，就叫构造地质学法
2009-7-31 84/90
地球的年龄与演化历史
2009-7-31 85/90
地球的年龄与演化历史二、绝对年龄的测定
同位素年代学地质年代表
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地球的年龄与演化历史三、地质年代表编年单位编年首先确定年代的单位，然后编制出年代表地质年代单位 （年代）地层单位宙 eon 宇 eontherm
代 era 界 erratum
纪 period 系 system
世 epoch 统 series
(期 ) （阶）
有了划分相对年代，绝对年龄的原则，就可以按年代的顺序把地质历史进行系统性编年。
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地球的年龄与演化历史
―宙”是最大一级的地质年代单位，它往往反映了全球性的无机界与生物界的重大演化阶段，整个地质历史从老到新被分为冥古宙、太古宙、元古宙和显生宙 4个宙，每个宙的演化时间均在 5亿年以上。 (实际工作中常划分为两大阶段即前寒武纪与显生宙 )
―代”是仅次于“宙”的地质年代单位，它往往反映了全球性的无机界与生物界的明显演化阶段。每个代的演化时间均在 5000 万年以上。
– 地球的历史可以分成太古代、元古代、古生代、中生代和新生代这五个代，五个代中可分成许多,纪,,
而纪又可分成许多,世,。
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地球的年龄与演化历史
―纪”是次于“代”的地质年代单位，它往往反映了全球性的生物界的明显变化及区域性的无机界演化阶段。
每个纪的演化时间在 200 万年以上。
,世”是次于“纪”的地质年代单位，它往往反映了生物界中“科”“属”的一定变化。每个纪一般分为早、
中、晚 3 个世或早、晚 2 个世。但在第三纪与第四纪中，
世的名称比较特殊。
与上述各级地质年代单位相对应的年代地层单位为：宇、
界、系、统，它们是在各级地质年代单位的时间内所形成的地层。两者的级别对应关系为：
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地球的年龄与演化历史年代单位 年代地层单位宙 eon 宇 eontherm
代 era 界 erratum
纪 period 系 system
世 epoch 统 series
(期 ) （阶）
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地球的年龄与演化历史
