地球的编年史

2006-11-17

托好莱坞的福,至少有一个地质年代的名字妇孺皆知:侏罗纪——虽然有人认为,从其中出现的恐龙来看,这部电影改叫《白垩纪公园》更加合适。对地质或古生物略加注意的人,或许还听说过震旦纪、寒武纪、三叠纪和第四纪等等。乍看上去,这些名字就像那些标记它们的岩石一样稳固。但实际上,地质学也有着自己的流行时尚,人们划分和称呼地球历史的方法,也像发型和时装一样,正随时间悄悄地变化……

  
  岁月之书

  地球有非常漫长的历史,化石是千万甚至几亿年前古代生物的遗迹,这在今天看来是极普通的常识。但它们成为科学常识的时间并不久远。

  世界的古老和大地的沧桑巨变,体现在不少民族的神话传说里,但那只是信仰、原始哲学观念,或者出于对自然灾害的记忆而进行的艺术加工。古埃及僧侣和婆罗门教徒都注意到地下的化石,但可能只用它们来支持世界重复毁灭和创生的教义。中国学者朱熹在12世纪描述了高山上石头里的螺蚌壳,想到它们来自水中,但马上上升到“下者却变而为高,柔者变而变刚”的大道理,从现代科学角度来看,这个“格物”格得很是不到位——中国传统文化向来轻视对自然的观察和实验,沧海桑田的话只在诗文里做得好看。偶尔出一两个沈括和徐霞客,事业也罕有人继承发展,实在是可惜得很。

  在古希腊学者的自然哲学成就中,地质学并不突出,但以其时代而论,也相当不简单了。色诺芬尼认为,在内陆甚至高山上发现海贝壳,是海陆变迁的证据。亚里斯多德说,海陆分布不是永久不变的,陆地和海洋会相互转换,并且这些变化是有规律的。史脱拉波则提出陆地会升起和沉陷,导致海水的涨落与泛滥。随着古希腊文明的中断,这些思想没有继续发展下去。在一千多年里,基督教在西方世界占据统治地位,圣经的宇宙观成为神圣教条。现代科学开始追溯自然历史的过程,为此遭遇了许多阻力。



化石

  1650年,爱尔兰阿玛的大主教厄瑟推测,地球(或者说整个宇宙)的创生年代,是耶稣诞生前4004年。这个并不曾见于希伯来或其它旧典籍的数字,从1701年起被印在教会审定的圣经创世纪第一页边上,几乎被看作与圣经正文一样重要。现代地质学在欧洲诞生的过程中,花了很多力气来跟这个今天看上去滑稽可笑的数字对抗(它后来甚至被推算得精确到几点几分)。至于化石,信奉宗教的学者说它们是石头受天体作用形成,或由地层中的物质偶然凝结而成,或者干脆就是“造物主的戏谑”。到不得不承认化石是生物时,他们又说这是诺亚大洪水毁灭万物的证据。但化石在地下是分层分布的,各层生物有明显差异,这决非一次洪水能够做到。

  17世纪的丹麦科学家斯泰诺,总结了15世纪以来的地质构造思想,提出了一个重要的观点:地层最初沉积下来时都是水平的,如果没有受到剧烈活动影响而改变位置,那么应该是先沉积的、较老的地层在下,后沉积的、较新的地层在上。这看起来实在是简单得不能再简单,用汉朝大臣汲黯抱怨汉武帝用人的话来说,无非就是“如积薪耳,后来者居上”。但这个“地层层序律”在地质学史上有着重要意义,它揭示了地层具有时间先后序次,研究地层就可重建地球的历史,时间和空间在这里统一了。18世纪的英国人赫顿说,“在地球现在的构造中,可以看见旧世界的废墟。”这条“将今论古”的法则于19世纪在英国人莱伊尔的手里发扬光大,他的《地质学原理》使地质学真正成为一门科学。

  就像达?芬奇说过的那样,地球是一本书,这本书早于文字记载,科学的任务就是解读地球自身的历史痕迹。幸运的是这本书大体上编排有序,虽然其中的具体年代还需要细细解读才能探明。

  
  元素时钟

  英国地质学家史密斯在19世纪提出,不但每个地层中含有特定的生物化石,某种化石在地层中的位置也是固定的,就像货物放在货架橱窗里一样。以一种或几种生物化石为标志,就能对地层进行划分,它将们整理得井然有序。不同地方含有同样化石的地层,应当属于同一年代。“生物地层学”由此正式登场,通过研究化石,可以推理远古的地质和环境,当然还有生物本身的状况。但这也将地球历史研究局限在生命诞生之后,而且只能排出地质年代的时间先后,而不能确定具体时间。

  放射性的发现不仅为物理学带来革命,也为地质史研究开辟了新路。1905年英国物理学家卢瑟福首次明确提出,放射性可以作为直接测定地质时间的工具。1907年,美国耶鲁大学的放射化学家波特伍德发表了他根据样本中铀-铅元素比率对云母矿年龄的测量。他的结果比较粗糙,但足以显示放射性测年是可行的,而且令人吃惊的是,这时候人们还不知道同位素,也不晓得放射性元素衰变的速率呢。

  原子核里的质子数目,决定了这个原子核属于哪种元素。有时候,同一种元素的不同原子核里,有着不同数目的中子,由此形成的不同原子称为这种元素的同位素。比如普通氢原子核里只有1个质子,如果再含1个中子,就是氢的同位素氘;含2个中子就是另一种同位素氚。氘、氚结合的核聚变反应,即是氢弹的原理。有一些同位素是不稳定的,它的原子核会自发地失去粒子,变成另一种元素的稳定同位素,此过程称为衰变。每种放射性同位素衰变的速率是固定的,每隔一定的时间就衰变掉一半,这个时间称为该同位素的半衰期,它不受外界因素影响。

  大多数放射性同位素衰变得很快,半衰期只有几年、几天甚至更短。它们显然不能用来测量古老岩石的年龄——如果你用化学实验室的天平去给大象过磅,出了问题的话肯定不是天平本身的错。但也有一些同位素衰变得非常慢,可以当作“地质时钟”来用。比如铀235变成铅207的半衰期是7.04亿年,铀238变成铅206是45亿年,钾40变成氩40是125亿年,铷87到锶87是488亿年。如果要更夸张的,钐147到钕143的半衰期是1060亿年!它们适合测量非常古老的岩石。而半衰期为5730年的碳14,则适用于几万年内的样本,研究人类登场、文明诞生的世代。



岩层

  如果一块岩石里含某种放射性同位素和它的衰变产物,测量一下两者的含量比例,就可以计算出岩石的年龄。这个方法说起来容易,数学公式也简单,但实际操作还是很麻烦的。其精确程度取决于多种因素,缺一不可。比如,有关同位素的衰变速度必须已经精确测定,如果半衰期有误差,测年结果自然就含糊。岩石样本里的同位素含量也必须精确测定,鉴于这些同位素通常含量非常少,对测量技术的要求也非常高。另外,一些外界因素可能导致同位素从岩石里流失,或使岩石遭受“污染”,如果不考虑到这一点,就会得出虚假的年龄。为此必须对样本进行严格筛选,可不是路边拣块石头都能用的。

  由于这些缘故,不同实验室和不同技术得出的测年结果,经常不完全吻合。侏罗纪的年龄变幻无常,就是一个例证。在1987年,人们根据钾-氩同位素方法对海绿石的测量,认为侏罗纪结束于1.31亿年前。但后来发现,氩会从海绿石里散失,使石头“看起来更年轻”。新方法改而测量玄武岩里的钾-氩含量,认为侏罗纪结束于1.455亿年以前。由于方法和技术不断改进,现在有一种说法是,一个测年结果如果提出超过5年,就已经过时、该更新了。科学家们正在建设国际的实验室网络,将同位素测年方法进行标准化,得到更精确、一致的结果。

  
  地球纪元

  中国历史上有许多朝代,每一朝代有不同君王统治。从汉朝开始,君王又各有年号,一个年号沿用一两年到几十年不等。对地质年代的划分,大体上也是这样从粗到细(当然有的皇帝特别喜欢改元,甚至一年改两次,比如公元696年是武则天治下的“万岁登封”元年和“万岁通天”元年。这种极端情况就不要追究了,本来就只是粗略的类比嘛)。我们很难将人类史上的某个事件精确定位到某天的几点几分,出于类似的道理,对地质年代也不用指望能精确到年——对大多数时期的界定,能够做到误差在几万年之内,就很不容易。

  地质年代最大的单位称为“宙”,往下依次分为代、纪、世。它们对应的地层或地质纪录则称为宇、界、系、统。比如一种在中国辽西发现的长翅膀的恐龙,生活在“显生宙-中生代-白垩纪-早白垩世”,它所在地层属于“显生宇-中生界-白垩系-下白垩统”——描述时间的时候,用“早、中、晚”;而描述空间(地层顺序)的时候,就用“下、中、上”。时间再往下还可细分到期、时,对应地层称为阶、时带,这些就相当专业了,非专业读者很少会接触到。



寒武纪

  显生宙的名字指“看得见生物的年代”,它开始于5.42亿年前的寒武纪,直到现在。为了解释显生宙与此前年代的区分,必须先重点介绍一下寒武纪。

寒武纪生物大爆炸

  在有了寒武纪这个名称后,更深、更早的那些地层,就被自然地称为“前寒武纪”地层。它并不是一个纪,而是指寒武纪以前的所有时代。在20世纪,人们习惯用“隐生宙”(生命隐藏的年代)来称呼这个时期,但现在已很少用,而仍将从地球诞生到寒武纪开始前(也就是显生宙开始前)的漫长岁月称为前寒武纪。除了它的末期——埃迪卡拉纪,前寒武纪的大多数年代里可研究的东西太少,也谈不上什么代表性的地层,所以虽然也分为太古宙和元古宙两个宙,但两者的界限——距今25亿年——纯属人为划定,下分的代和纪如成铁纪、造山纪、覆冰纪之类也是理想化的设定,并非根据实在的地质记录而定义。太古宙的开始年代也没有划定。有人建议把太古宙之前地球上没有生命、如冥府般不可测的时期称为冥古宙,但国际地层委员会(ICS)发布的2004年版地质年代表里并没有正式采纳这个词。

  另外,原先在元古宙末期、寒武纪开始之前,还定义过一个“震旦纪”,它开始于约8亿年前,是生命发展承前启后的重要时期,名字源自古印度人对中国的称呼“日出之地”。但目前在国际上也不采用了,新的地质年代表中,震旦纪原来指代的时期基本上由覆冰纪和埃迪卡拉纪代替。



二叠纪

  显生宙分为古生代、中生代和新生代,其下又细分为多个纪。最常与那些稀奇古怪的灭绝生物联系起来的,就是这些纪的名字。而从这些名字里可以清楚地看到,英国是早年地质学的中心,特别是古生代:奥陶纪和志留纪的名字都来自寒武区古代威尔士民族的名字,泥盆纪的英文名直译过来就是“德文纪”,代表地层发现于英国德文郡。石炭纪源自英国的一套煤炭地层。二叠纪的直译是“彼尔姆纪”,地层发现于俄罗斯乌拉尔山的彼尔姆城,二叠纪是中国按地层特点所作的意译。在古生代,蕨类植物、鱼、两栖动物繁盛起来。随后是巨大爬行动物华丽登场的恐龙时代——中生代,它包括三叠纪、侏罗纪和白垩纪。三叠纪得名于德国西南部的三套地层,侏罗纪得名于瑞士和德国交界处的侏罗山,白垩纪则得名于英吉利海峡上由白垩土形成的白色断壁。

  在距今6550万年前,恐龙灭亡了,原先在它们的阴影下苟且偷生的哺乳动物在新生代兴盛起来,成为地球新的统治者。新生代原本分为第三纪和第四纪,在新的年代表中变成了古近纪和新近纪。下分7个世,从最早的古新世到最近的更新世和全新世,总之是一个比一个“新”就对了。
  

  时空道标:金钉子

  地质纪年的名字和分类方法经常改变,不同年代的时间界限也飘忽不定。这有的是因为年代的重新定义,有的是因为测年方法不同,还有的是因为世界不同地方的研究者以不同的岩石作为同一年代的界标,导致具体时间界限存在争议。为了解决这个问题,地质学家们使用“金钉子”来作为公认的固定界标。

  金钉子的典故出自美国铁路史。1869年5月10日,在现今犹他州的北部,联合太平洋铁路和中央太平洋铁路交汇,连接成第一条横跨美洲大陆的铁路。为了永久纪念这一成就,在两条铁路最后的接合处,钉上了一根特制的金钉子。

  被借用到地质学中的金钉子,正式名称叫“全球层型剖面和层型点位”。这个拗口的名字表示,有资格被称为金钉子的地方,是标志地质年代分界线的代表地点。这里的岩石和化石,记录了某个具有全球意义的重大地质事件。金钉子由国际地层委员会提名,国际地质科学联合会(IUGS)审核批准。金钉子一旦钉下,这个地点就成为某一地质时代分界点的唯一道标,即使对这里的岩石年龄测算结果发生改变,它的地位也不会发生变化。

  例如,晚寒武世与中寒武世分界的金钉子,钉在中国湖南省湘西花垣县排碧乡。这个地层质量很高,有着丰富的三叶虫等生物化石,从而击败了哈萨克斯坦的候选地点,于2002年成为全球第一颗寒武纪地层的金钉子。晚寒武世与中寒武世分界的金钉子,钉在中国湖南省湘西花垣县排碧乡。这个地层质量很高,有着丰富的三叶虫等生物化石,从而击败了哈萨克斯坦的候选地点,于2002年成为全球第一颗寒武纪地层的金钉子。晚寒武世与中寒武世分界的时间,就由这个地层的测年结果来决定。而晚寒武世地层也根据湖南省的古称“芙蓉国”,而被正式改称为“芙蓉统”。

  第一颗金钉子出现在1972年,设于捷克的一个小镇附近,这里发现了非常好的笔石化石。这是一种已经灭绝的水生无脊椎动物,它的出现标志着志留纪和泥盆纪的分界,由于其化石就像笔在石头上写字的痕迹,因此称为笔石。但金钉子系统发展缓慢,在发布1989年版的地质年代表时,从寒武纪到现在的91个重要的地质年代分界点,钉上了金钉子的不到15个。



长兴金钉子

  从1999年起,国际地质科学联合会加强了这方面工作,全球的金钉子竞争也激烈起来。有时候决定金钉子落点的不仅仅是科学,比如在讨论二叠纪到三叠纪分界的金钉子应该钉在何处时,喀什米尔和伊朗也有地质记录上合格的地点,但这些地方太难到达了,不利于科学研究,于是中国浙江省长兴煤山地质剖面胜出。获得一个金钉子是很光荣的事,现在人们自然不会照原始字面意义去钉上一根斤把重的黄金铆钉,但新的纪念方式也许更加费钱——为了庆祝二叠纪-三叠纪金钉子申报成功,科学家立起了一座6米高的纪念碑。中国的金钉子还有两颗,一颗二叠纪的在广西,一颗奥陶纪的在浙江常山。此外还有几个有潜力的地点正在申报。

  现在全球的金钉子已经超过50颗。科学家希望,到2008年,过去6亿年来的重要地质分界都能钉上金钉子。越是古老的年代,金钉子候选地点就越难找——越古老的石头越稀有,那时候也不会有什么大化石。如前所述,前寒武纪时期的多数年代界限是人为划定的,并没有地质根据,也就谈不上钉子。2004年,在澳大利亚钉下了前寒武纪的第一颗金钉子,它标志着6亿年前覆盖地球的冰河年代的结束,以及埃迪卡拉纪的开始。这就是标准放宽的结果——对于埃迪卡拉纪的地质和生物事件,并没有全球普遍存在的记录。

  还有一些科学家提出,应容许使用太阳系其它星球上的地质特征来作为远古时代的金钉子,使地质学家和行星科学家能使用共同的语言。比如,月亮诞生于45亿年前地球和另一颗行星的大碰撞,这次事件的遗迹或许可以成为一个好钉子,用它标志冥古宙的开始,并协调地球和月球的地质纪年。

  
  消失的第四纪

  2004年版的地质年代表,可谓是集多门学科之大成,结合了同位素测年、数学分析、天文轨道调谐等多种方法,建立起来的迄今最准确的地球编年史。但它也让一些科学家不满意,特别是“第四纪科学家”。因为他们发现,他们用来标志自身的“第四纪”这个词从表中悄悄地消失了,第四纪所处年代变成了新近纪的一部分。这种近乎秘密处决的做法,让第四纪科学家们非常火大。

  第四纪的名字是一个古老地质纪年法的残余物。莱伊尔曾将地球历史大致分为第一纪、第二纪和第三纪,后来又有人添上了第四纪。随着研究发展,第一纪和第二纪分得越来越详细,因而升为古生代和中生代,原来的名字不用了。第三纪和第四纪又坚持了很长时间,据认为第三纪约开始于2300万年前,第四纪开始于200万年前,具体时间有争议。

  第四纪科学家说,这是地球气候异常剧烈变动的一个时期,也是人类进化发生的时期,有着非常特殊的意义。在这期间,地球气候曾经发生过很多次的冷暖回旋,寒冷的冰期和相对温暖的间冰期(即两次冰期之间的时期,这样的定义实在省事得很)交替出现。冰川反复扩张又退却,在极盛期曾盖住地球30%的表面。因此,第四纪也称为第四纪冰川期。我们通常说到的“冰河时代”,就是指这个时期。一些人认为,在第四纪,气候系统变得更加敏感,地球轨道形状、地轴方向和倾斜角周期性变化导致阳光照射发生变化时,气候比远古年代更容易发生剧变。



冰川

  由于第四纪是离我们最近的时期,现在可以找到许多当时的气候记录,包括沉积物、黄土、冰川等等。但由于冰川活动频繁,很多记录被打乱了,难以整合成清楚有序的数据,这使第四纪的地位受到怀疑。一些科学家认为,没有充足证据认为第四纪可以作为一个独立的纪存在。2004年版地质年代表的作者之一、挪威奥斯陆大学的奥斯陆大学的Felix Gradstein就持类似的观点——对于第四纪科学家们的愤怒,他只是承认新年代表对这个问题处理方式不够好。

  第四纪科学家觉得自己的领地被侵犯了,认为抛弃一个使用了150年的术语是不实际、不合理的。反对者则指责他们不该死抱着传统不放。但这一放确乎很危险:全世界至少有7个学术团体和4份学术杂志的名字里有“第四纪”这个词,数以千计的科学家从事这方面的研究(中国在此领域也颇有心得)。如果第四纪被废弃,消失的将不是一个词,而是这个研究领域和群体的独特地位。忽然间跟一大堆其他人被统称作“新近纪科学家”,在他们难以接受。

  为此,2004年版年代表发布后不久,国际地层委员会就成立了一个专门小组,与国际第四纪研究联合会协调此事。2005年6月,他们投票决定,以某种形式保留第四纪这个年代,其开始时间定为260万年前。但这“某种形式”究竟是什么呢?是把第四纪完整地保留下来,还是降级成为一个世,再或者从正式年代表中去除、但作为一种非正式的东西存在?没有一个答案会让所有人满意,也许这个问题拖到下一版本的年表编订完成时仍不能解决……
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