北京猿人为何“变老”了？

最近，《自然》杂志以封面文章的形式刊登了中美学者对周口店第一地点，即著名的“北京猿人”遗址年代的最新测量结果，给出该遗址第7～10层的年代为距今77万±8万年。而20世纪我国的学者曾测定该遗址第10层的年代约为46万～50万年，这一结果已被写进教科书中。北京猿人生活的年代为什么一下子被提前了约30万年?我们又应怎样看待给出新的年龄值的测年方法——石英样品的铝铍埋藏年龄测年法呢?

　　提到测年方法，碳14测年法一般被广大读者所熟悉。其实，碳14方法只能测定距今5万年以内的样品的年代，因此对于建立人类诞生和进化的时间框架贡献有限。目前，测量古人类遗址的绝对年代，主要应用钾氩测年、裂变径迹测年、古地磁测年、不平衡铀系测年、电子自旋共振测年以及此次测量北京猿人年代所使用的铝铍埋藏年龄测年等几种方法，本文将分别予以介绍。需要指出的是，我们不能笼统地说哪种测年方法好或差，每种方法有其适用的测年对象、测年范围和可靠性，而且测年误差的大小也因为测年对象和测量年代范围的不同而变化，需要具体分析。

　　

　　钾氩测年方法

　　

　　这是一种精确度非常高的测年方法。它以各种火山岩，特别是火山岩石中的含钾矿物作为测年对象，测量它们的形成年代。自然界的钾(K)元素有3种同位素，其中的40K是天然的放射性同位索，半衰期约为12.8亿年，它以一定的比例衰变为氩(Ar)同位素<sup>40Ar。火山喷发物冷却后，其中含钾矿物中的钾将不断衰变而导致40Ar原子的积累，时间愈久，积累愈多。如果这种放射成因的氩能被保留在矿物中不丢失，那么通过测量矿物中40Ar与40K的比值，就能计算出矿物的形成年龄，即火山喷发的年代。虽然矿物中保存的放射成因的40Ar是极微量的，但由于近代原子核技术与质谱技术的发展，使得钾氩测年的精密度和准确度均极高，而且能验证被测样品中放射成因氩的保存情况。对于200万年左右的样品，测年误差仅为2万～3万年。科学家曾用钾氩法测定了导致庞贝古城毁灭的维苏威火山的喷发年代为公元72年，与维苏威火山的真实喷发年代公元79年相差仅7年。

　　东非是人类祖先的故乡，这里发现了整个人类进化阶段各时期的遗址与化石。非常幸运的是，东非地层中堆积了很多的火山灰层，它们往往与人化石层和埋藏有石器的文化地层相互叠压交替。因此东非火山灰层的钾氩年龄已构建了人类进化过程的完整而可信的年代框架。还需要指出，钾氩测年也为建立下面要介绍的古地磁测年方法提供了年代刻度。

　　

　　裂变径迹测年方法

　　

　　裂变径迹方法适用于测量含铀(U)矿物最后一次受加热历史以来的年代。铀的主要天然同位素238U能自发地裂变为两碎片，裂变时两碎片高速相背而行，并导致其路程两旁矿物晶格受损伤，从而留下径迹，称为裂变径迹。这种径迹经化学试剂蚀刻变粗后，可以用显微镜观察。受热的矿物冷却后，其中的径迹密度将随时间不断增加。如果测量了矿物中的径迹密度和铀含量，就能计算得到相应矿物最后一次受热以来的年代。如果被测量的矿物选自火山灰中，那么测量的就是某次火山喷发的年代。

　　由于裂变过程的随机性，一般情况下裂变径迹年龄比钾氩年龄的误差大。在凝灰岩等火山喷发物中经常能同时找到可用钾氩方法和裂变径迹方法测年的矿物，即对同一个地层可以用两种独立的方法测年，测年结果之间的互校可提高测年的可信度。例如曾测量了位于东非大峡谷著名的奥杜威古人类遗址下部凝灰岩层的钾氩年龄为179万±3万年，其裂变径迹年龄为203万±28万年；又如在肯尼亚的库彼福拉遗址，直接覆盖一块能人头骨的凝灰岩的钾氩年龄为188万±2万年，而裂变径迹年龄为187万±4万年。两遗址的钾氩年龄与裂变径迹年龄符合都很良好，当然后者的误差要大些。

　　

　　古地磁测年方法

　　

　　地球的磁场好似由沿地轴方向的一根“磁棒”所产生的，现今全球各地地表的地磁场方向都是指北的。但是在地球历史上地磁场的方向曾经经历过多次180度的反转，其周期大致为i00万年。距今78万年以来的绝大部分时间内，地磁场是指北的，这段时段称为布容正极性期；78万～250万年间地磁场绝大部分时间指南，称为松山反极性期；再往前，248万～340万年地磁场又指北，称高斯正极性期。但是，在每段极性期间也曾发生过若干次延续时间从几万年至20万年不等的短期极性反转事件，称为地磁极性亚期或极性事件。例如在布容正极性期间，距今10.4万～11.7万年曾发生短时期的地磁极性反转，称为布拉克负极性亚期；在松山反极性期间的90万～105万年和178万～200万年间地磁场却是正向的，分别称为贾拉米洛和奥杜威极性亚期。极性亚期也属于全球同步的事件。

　　古地磁研究者主要通过对长期连续堆积的各玄武岩层的剩余磁性和钾氩年龄的系列测量，建立了地磁极性年表。所谓剩余磁性是指岩浆冷却形成的玄武岩的磁化特性，它记录了冷却当时当地地磁场的方向和强度。岩石的剩余磁性是可以测量的。不仅玄武岩有剩余磁性，沉积地层如海洋沉积物和黄土堆积也有剩余磁性，它记录了沉积时沉积地点古地磁场的方向和强度。

　　如果在某个地点很长时间内不间断地进行沉积，那么系统地测量该沉积剖面从上到下各层位剩磁的正负方向，就可以建立起该剖面的磁性地层。将剖面的磁性地层与地磁极性年表作对比，就可以判断该剖面各层位的年代范围。例如，周口店第一地点的地层从上往下可划分为17层。测量表明，采自第13层以上(含13层)共18个样品中，除第7层1个样品例外，其他样品的剩磁都是正向的：而14～17层9个样品的剩磁却都是负向的。_由此推断，布容与松山极性期的转换可能发生在第13与第14层之间，高于14层的地层都是在距今78万年以后堆积的，而低于第13层的层位的堆积都早于78万年。

　　与钾氩和裂变径迹等测年方法相比，古地磁测年有以下特点：首先，它不能测量单个样品的年代，而是给一个连续沉积的地层剖面赋予年代标尺；其次，很多情况下，它给出的是一个年代范围，而不是确切的年代值。在我国，几乎所有早、中期古人类遗址都缺乏同时代的火山喷发物，无法进行钾氩测年，它们的年代都是用古地磁方法测定的。

　　

　　不平衡铀系测年方法

　　

　　不平衡铀系测年方法是根据铀衰变系中核素间放射性平衡的破坏和重建进行测年的，可以测量海洋珊瑚、古人类遗址中的动物化石和碳酸盐岩沉积物等样品的形成年代。比较铀(U)、钍(Th)和镤(Pa)元素的化学性质我们知道，6价的铀离子可溶于水而随之流动，而在地表环境中钍和镤不能形成能溶于水的化合物，因此在刚石化的动物化石和刚沉积的碳酸盐中只可能有铀的进入而不可能含钍和镤。但随着时间的推移，在化石和碳酸盐沉积物中，铀不断地衰变成40Th和231pa。测量230Th、和231pa与它们母体核素238U和235U之间的放射性活度比或原子数比，就可以计算化石的石化年龄和碳酸盐沉积物的形成年龄。再根据测年样品与古人类化石间的地层关系推测古人类化石的年代。当然，为了保证测年数据可靠，需要检验样品形成后未发生铀及其子体的次生迁移。

　　现在普遍使用质谱仪来测量原子数之比，提高了测年的精确度，最大可测年代延伸达60万年。我国多数35万～4万年间的古人类遗址的测年使用了铀系方法。

　　

　　电子自旋共振(ESR)测年

　　

　　ESR测年的样品对象与铀系测年方法相同，也是采集古人类遗址中的动物牙珐琅化石和碳酸盐岩沉积物。这些样品形成后受本身所含和周围环境中放射性物质辐照的影响，样品中的晶格缺陷将俘获电子而形成顺磁中心。时间愈久，样品中的顺磁中心数愈多。通过测量样品中顺磁中心的数量和样品所受的辐照强度，就可以计算样品形成以来的年龄。但是，样品所受的辐照很大部分来自样品本身所含的铀，经常不能确定铀进入样品的规律，需要对此作某种假设。不同的假设会给出不同的ESR年龄。比如，“北京猿人”遗址3个层位的ESR年龄是在“铀匀速进入样品”的假设下计算得到的，它们代表相应地层真实年代的最大极限值。ESR测年还有其他一些不确定因素，因此误差较大，ESR测年方法还不是十分成熟。

　　

　　石英的铝铍埋藏年龄测量

　　

　　石英的铝铍埋藏年龄测量是新发展起来的测年技术。铝(A1)和铍(Be)是指26A1和10Be两个放射性核素，其半衰期分别为72万年和136万年。因为它们的半衰期远低于地球的年龄，它们不是天然的放射性核素。到达地面的宇宙射线轰击地表石英砂(二氧化硅)中的氧和硅原子，通过核反应生成26A1和10Be，因此它们被称为宇宙成因放射性核素。而且暴露在地表的石英砂中26A1和10Be的生成率有固定的比例关系，平均每生成6.8个26A1原子，才生成1个10Be原子。因此，一定时期内暴露地表的石英砂的26A1／10Be原子数之比也约为6.8。如果某种动力(例如水流或人为因素)将久经暴露的石英砂搬运进岩洞的深处，而厚实的山体完全阻挡住宇宙射线的继续轰击，那么石英砂中的26A1和10Be原子数将因衰变而减少。因为26A1的半衰期短，衰变比10Be快，26A1／26Be比值将不断降低。根据其降低的程度便可以计算石英砂的埋藏年龄。

　　当然，要求26A1／10Be比值给出石英砂真实的埋藏年龄，一个重要的假设前提是，要求石英砂早先曾被深埋至少600万年以上，然后完全暴露于地表，而暴露的时间足够长(累积足够量的26A1和10Be原子供可靠测量)，但又不应过长(可不考虑暴露期间26A1和10Be的衰变)。可惜，石英砂样品不一定能满足这样的埋藏一暴露历史。

　　

　　北京猿人年代测量之比较

　　

　　周口店第一地点是一个极为重要的古人类遗址，自1929年裴文中在这里发现第一个人头盖骨以来，一直受到全世界的关注。这里已发现了属于41个个体的直立人化石，包括6件较完整的头盖骨和13件下额骨，上万件石器和大量哺乳动物化石。现被称为猿人洞的第一地点的地层，根据各层位的岩性、生物和气候标志，从上往下被划分为13层(后来在猿人洞的底部往下钻孔又分辨确定了第14～17层)。多数的人化石，包括4件头盖骨，发现于8～9层，在上部第3层也发现1件头盖骨。在第4层和第10层中可见含炭屑的灰烬层，系北京猿人用火的遗迹。

　　通过对比20世纪和本世纪多种方法测定相应层位的结果，科学家们发现，本世纪的测定结果明显老于上世纪的测量结果。例如上世纪的古地磁测年将最下部第13层的年代定为晚于78万年，裂变径迹方法给出第10层的年代为46.2万±4.5万年；而本世纪所采用的铝铍埋藏测年方法将第7～10层定为77万±万8万年。

　　虽然新的方法让北京猿人变老了，但笔者认为，目前石英砂的铝镀埋藏年龄的可信度还值得探讨，因为正如前面所提到，测年结果依赖于石英砂的埋藏一暴露历史，而这段历史是难以了解的。例如，如果测年用石英砂在最近一次暴露地表前曾经经历过暴露一埋藏历史，样品中残存有10Be，那么样品在埋藏进猿人洞时，其26A1／10Be比值就可能小于6.8，这类样品的铝铍埋藏年龄将老于实际的埋藏年龄；再说，即使石英砂暴露前的埋藏史很久，其中的26A1和10Be原子都已衰变消失，但如果暴露地表的时间较长，比如说20万年，那么暴露过程中26A1和10e的衰变不能忽略，石英砂再埋藏时的初始26A1／10Be比值偏离6.8，而为6.51，那么目前测得的77万年的年龄值，就偏老约10万年。

　　总之，新测量的“北京猿人”的石英铝铍埋藏年龄是很有参考价值的，但关于周口店遗址的真实年代依然是一个有争议、需继续研究的课题。学术争论是正常的情况，有争论，科学才能不断地发展。

　　

　　[责任编辑　庞云]</sup>