地球-我们输不起的实验室 作者:斯蒂芬·施奈德-第3章

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碳为主的有机分子蕴藏着曾用来将CO。转变成植物体的古代太阳能。大多数生物最后都要经历腐烂过程，但这些有机物残余则不然，它们所含的碳分子以化石这种形式被保存下来。

　　这种情形的出现一般要经历一段缺氧的埋藏环境。如有机物先在内陆浅海底部沉积下来，然后遭受密闭、压实作用，并且随着时间的推移，有机物质经过化学变化转化为煤、石油以及甲烷（天然气）。我们今天点燃一块煤，实际上是在还原有机物残余中恐龙时代的CO。和太阳热量。一座煤矿的形成需要数百万年的时间，但人类释放煤中的CO。和其他化学元素则只需数十年的时间。这一人为加速的过程产生了我们今天最大的全球问题，并使气候学家和生态学家均为之忧心忡忡。为了明智地讨论上述问题，科学家们需要掌握确定时间的方法。他们不仅要确定岩石的形成时代（绝对时代），而且要确定一层岩石相对于其上下岩层而言的对比年代（相对年代）。

　　为古老的地球定年龄

　　地球并不是一直被认为有几十亿年的年龄的。早在18世纪，在法国和英格兰，人们就对地球的年龄争论不休。这场争论起先发生在神学家和科学家之间，后来科学家内部也出现了分歧。最早赋予地球绝对年龄的是一些神学家，对他们的结论提出话问会被认为是离经叛道。1645年，爱尔兰阿尔马大主教詹姆斯·厄舍（JamesUssher）引用圣经里列举的资料（实际上他是根据圣经人物的世代关系回溯创世历史），宣称上帝创世事件发生在公元前4004年10月26日上午9点整。到了19世纪早期，大多数地质学家明显地感到大主教的推测不大可能正确，甚至与真实情况相去甚远。

　　18世纪，苏格兰地质学家詹姆斯·赫顿（James　Hutton）以及他的一些同代人相信，塑造地球表面的物理和化学过程清楚地证明地球至少有几千万年的历史。他们的这一估计是根据一种被称为均变论（与突变论相对立）的地质学原理得出来的。均变论认为过去的地质作用实质上与今天正在进行的地质作用相同（这一概念在接下来的几页里将要多次提及）。例如，赫顿提出粘土和粉砂在现代河口的沉积方式是可以被视察到的。通过研究这些新的沉积层如何固结为页岩和粉砂岩，人们就可以推断老沉积层堆积所需的时间。如果假定在过去数百万年间发生相同的地质作用，我们就能够估计类似地层的年代，并得出地球的大致年龄。然而，这种采用岩层作为年代标志的方法所依靠的许多变量过于复杂，以致难以进行准确测量。比如，气候的变化以及陆地升高的差异可以改变剥蚀和沉积的速率。

　　图1．1所示的是根据现代测年技术而建立的一张地质年表序列。应当指出，虽然19世纪的地质学家们并不清楚他们当时研究的岩石的绝对年代，但他们多少知晓某一地层的相对年代。年轻岩石发育在年老地层之上，这一假定在大多数情形下是正确的，但也不尽然。这一假定就是所谓的地层层序律。

　　地质学家们针对不同岩石地层的成分和年龄设计了一套命名体系。这一体系由一系列时间段以及在这些时间段内沉积的岩石的名称所组成。这些时间段仅仅是地质时间的次级单元。过去6亿年的“晚近”时期由古生代（5．7～2．25亿年以前）、中生代（2．25～0．65亿年以前）以及新生代（0．65亿年以前至今）组成。大多数生命是在这一地质时代进化而成的。这些生物的化石残余被广泛地用来确定地层的相对年代，并将地质年代进一步细分为纪（Period）和世（ePoch）。我们已经掌握了生物进化的许多阶段，知道哪些动物和植物在进化过程中先出现，我们也就因此能够根据岩石所携带的化石的类别来确定岩层的相对年代。（化石的价值还体现在：通过在不同地区地层之间进行化石的对比，有可能追踪地球表面大陆漂移的轨迹。我们在下文还将看到，化石也是有用的古气候标志。）19世纪的地质学家们建立起来的地质时间序列主要解决了相对年龄问题，但绝对测年技术在当时仍是一个悬而未决的问题。寻找～种可靠的时钟来重建绝对地质年表，已成为学者们此后致力研究的一个主要目标。

　　开尔文勋爵的测年方法

　　在詹姆斯·厄舍宣布地球年龄200年之后，开尔文（Kelvin）勋爵试图利用科学的手段和推理来求出地球的年龄。

　　作为维多利亚时代格拉斯哥大学的自然哲学教授，开尔文是当时最具影响的理论物理学家。他采用当时已知的热力学原理来计算地球的年龄。根据对来自地球内部的熔岩流的观察以及以往对深部矿床的开采经验，开尔文知道地球的内部比地表要热得多。因此，他期望通过观察地表和地内的温度差别（即所谓地温梯度）来推测地球的形成年龄。他假定地球的初始状态是一个温度约为3850“C的熔融体。因此，他的计算结论是约需1亿年的时间才能使地球达到现在的地温梯度值。这一时间即被他视为地球的年龄。

　　开尔文的上述估算结果在其支持者——理论物理学家和反对者——地貌学家（研究地表形态的地质学家）之间掀起了一场大争吵。地貌学家们在应用均变论原理计算某些地质特征的形成时间时，发现地球表面的某些特征所反映的地球年龄远远不止1亿年。但是，这些地貌学家在当时又无法令人信服地证实他们所观察到的地质现象代表了更老的地球年龄，其观点也当然地遭到了许多物理学家的反对。在地球年龄这一问题上，物理学家们在当时提出的新认识实际上增加了科学家们对地球绝对年龄认识的不确定性。但这种局面只持续了数十年。

　　有时候，一些新的科学见解或发现会导致一种修正的范例以及一些看起来是矛盾的理论和观察结果之间的调和。地球年龄之争就是这样一种情形：在19世纪与20世纪之交，放射性的发现使得地球年龄这一问题再一次成为讨论热点。开尔文勋爵当初是不知道地核放射性作用所产生的那部分热量的，如果在他的计算中考虑到放射性产生的这部分热量，那么计算结果就会与地质学家们的最佳估计更为接近。后者是将均变论原理应用到地表形态的演化研究并进而推测地球的年龄的。放射性也为地质学家们进行地球绝对年龄的测定提供了一种独立的基准。放射性测年

　　一个放射性原子会随时间发生衰变。放射性原子的衰变速率被认为是一个常量（除非原子是以接近光速的速度发生运动），它实际上不受压力、温度等的影响，也不会因为由放射性原子构成的化合物（如岩石、水或空气）发生物理变化而发生改变。一个放射性元素的衰变速率是以其半衰期来表示的，即初始原子数的一半通过自然放射出质量和能量而衰变成其他（子）元素和粒子所需要的时间。如果我们知道子元素形成的恒定速率，那么，求得原始元素与子元素的比值，我们就能推算一块岩石的年龄。这一知识使得科学家们能够计算包含原始放射性元素的矿物的形成年龄。以岩石中的放射性衰变为向导，地质学家和地球化学家们能够确定岩石的绝对年龄，因而也能确定地球各种地层的绝对年龄。有了这一放射性测年技术，人们也就找到了一种用于计算地球年龄的可靠时钟。

　　用于岩石测年的有几种元素，其中包括衰变成铅（Ph）同位素的铀（U）同位素（半衰期在7～45亿年之间）、衰变成锯（Sr）的铆（Rb）同位素（半衰期为500亿年）以及衰变成氨（Ar）的钾（K）同位素（半衰期为13亿年）。

　　在同位素测年的早期阶段（1900～1939年），简陋的分析方法和有关原子核作用认识上的局限阻碍了科学家的实验工作。尽管如此，通过测量含铀矿物中的U／Ph比值以及多种岩石和矿物中He氦）／U比值，科学家们还是能够进行粗略的年龄估计。

　　由于Rb和K有较长的半衰期，Rb／Sr和K／Ar测年技术分别是最可靠的测年技术之一，其测定的年龄范围几乎包括了整个地球的约45亿年的历史。但是，如果要测定比较新的地质事件的年龄（比如过去几千年前某一事件的年龄），则需要采用一些半衰期短得多的放射性元素。

　　放射性碳测年

　　1947年，美国化学家威利亚德·利比（Williard　Libby）发现了一种重要的测年手段，它使得气候学家、海洋学家、地质学家以及考古学家能够准确地重建气候变化、地质事件、动物进化以及文明演化的历史。利比及其同事们找到了一种估算在过去4万年以内死亡的植物和动物遗骸的年龄的方法，这些遗骸包括树木及其他残留体（如泥炭层）、海洋及淡水贝壳，以及溶解有碳的海水和地下水。

　　碳元素在大气圈一水圈一生物圈中极为丰富，它有三种天然同位素，“C是其中的一种。与“C和‘’C这两种碳的稳定同位素木同，“C是不稳定的，但相当连续的宇宙射线的照射会将大气圈中氮分子转化为“C，从而使“C不断得到补充。（太阳活动的变化会引起“C产量的变化，但这些不会对碳测年方法构成大的阻碍。）大气中的碳（包括“C）通过光合作用转化为有机碳化合物。

　　当植物活着时，其组织中的’‘C会保持着一种相对的平衡，这是因为它们不断通过光合作用从大气中补充“C供给量。动物总是吃活着的或刚死不久的植物（或食草动物），它们也保持着一种与大气圈密切平衡的“C水平。但是，当动物或植物死亡之后，由于没有新的“C的补充，它们组织中的放射性“C就发生衰减。

　　与所有放射性元素一样，“C也有其半衰期——约5750年。也就是说一定量的’‘C原子要经过5750年才能使其一半原子发生放射性衰变。由于这一衰变速率不受外界条件的影响，一个样品中“C的消失速率与’‘C进入该样品的时间之间存在一种绝对的关系。因此，通过测量一个样品中’‘C的相对含量，科学家能够确定该样品的年龄。气候学家们利用“C测年技术以及记录含化石地层的传统方法来建立气候变化年表。通过利用’‘C测年技术确定冰块覆盖下的树木标本的年龄，我们可以建立大陆冰川扩展的年代表。对沼泽中的泥炭样品和湖岸中的浮水的测年同样也可获得冰川作用的时间表。对深海各种浮游动物沉积物中“C含量的测定，能够确定适于各种动物繁殖的海洋环境之变更的时代。通过这种方法我们能够推测海水温度及相关的气候条件。运用利比的测年方法，气候学家们得以获得一张过去4万年来的全球气候图。对取自山洞聚居者的炉边的木炭所进行的放射性碳测年工作，则有助于人类学家获得有关人类历史及其与气候波动的关系的大致认识。

　　氧气的起源

　　矿物燃料在地下的形成在研究生命对大气的影响中至关重要，这不仅是因为21世纪人类正面临着由于矿物燃料的燃烧而带来的全球变热的环境风险，而且还因为这种形成过程也是氧气形成过程的一部分。

　　大约在10亿年或20亿年的时间里，海洋中的藻类一直在产生氧气。但是由于氧气极为活跃，而且在远古海洋中存在大量的还原矿物（例如，铁遇到氧气就很容易被氧化），因此，生物产生的大部分氧气在进入大气圈之前就已耗尽。当然，氧气在大气圈中也是极为活跃的。基于这一原因，大多数地球化学家相信，在地球生命历史的前半段，大气圈中氧气的含量只有今天含量的极小一部分。即使进化过程在这一厌氧微生物时代“发明”了更复杂的形式，如果这些生命想在陆地或空气中生存的话，它们不仅将缺乏呼吸所需的氧气，而且来自太阳的未经过滤的紫外线也会在这些生命有可能进化到更高级的形式之前将其扼杀。地球化学家们曾经指出，20亿年前，当海洋中的大多数还原矿物都被氧化之后，大气中的氧气含量才开始显著增加。这也为当时一些刚刚进化到要靠氧气来驱动其代谢机制的生命形式打开了其生存所需的生态空间。

　　拯救臭氧层

　　对于那些试图在地表或大气中生存的生命形式来说，大气圈中氧气的存在还有另外一个非常有益的作用：过滤对生命有害的紫外线辐射。紫外线可以破坏许多分子，比如DNA。禁止生产臭名昭著的含氟氯烃（CFC）也是基于这一原因，因为氟氯烃促进了平流层中的臭氧层耗损。

　　在紫外线的照射下，由二个氧原子组成的氧气分子Oz，被分解成相当不稳定的单分子O（它可以重新组合为O。）以及非常特殊的由三个氧原子组成的臭氧分子O。。臭氧分子能吸收太阳辐射中的大多数紫外线。只有大气中存在充足的O。，才能产生维持陆地上的生命（植物或动物）所需的O。。生命从原核生物（无核的单细胞生物）到真核生物（有核的单细胞）再到多细胞生物的快速进化大致发生在过去10亿年间（又称为大气的氧气和臭氧时代），看来确实不是偶然的巧合。

　　火山气候和漂移的大陆

　　我们不应得出这样一种印象，即地球大气圈在向氧气阶段的过渡以及CO。的消耗过程中，地球经历的是一种均稳的或均一地变化着的气候（见图1．1）。在生命从单细胞细菌或藻类向霸王龙进化的巨变阶段，气候以及大气成分均不是稳定的。大陆发生漂移和碰撞，引起山脉隆起并风化，导致火山喷发，上述效应作用在洋中脊，形成海底。由于海底的物质密度要大于大陆，因此当海洋板块与大陆板块发生碰撞时，海底下沉（潜没）到大陆板块之下。一个“声名狼藉”的潜没带就是太平洋中的“火环带”，它是漂移的大陆板块之间的交界，交界处板块之间的滑动和挤压导致了该地区（神户、安克雷奇、旧金山、洛杉矶、库页岛、墨西哥城）火山和地震的高发生率。在大陆底下被挤压进入岩石圈的物质并不见得就此永远从大气层中消失。回想一下部分潜没物质的组成：它们是一些遭受风化的岩石，这些岩石中的矿物与从大气和海洋系统中带来的碳结合在一起（这种结合有时被生命进化过程所调节）并以沉积物的形式埋藏下来。反过来，发生在“静止地球”顶部的异常缓慢的作用，使得这些物质实际上通过持续的活火山喷发或偶尔的火山爆发而被再循环至大气圈和海洋。这一再循环过程耗时可达数亿年。再循环物质的火山喷气作用，即所谓的沉积循环，对于C（）z　的消耗及气候的稳定有着更深入的关系。

　　漂移

　　尽管大陆漂移理论仍存在许多悬而未决的模糊之处。20世纪60年代，当这一概念的基本原理被地质学家和地球物理学家们所普遍接受时，它也就成为引发地球科学革命的一个新的范例。这一科学设想由德国气象学家和地球物理学家阿尔弗莱德·魏格纳（Alfred　Wegener）在20世纪20代首先提出的。

　　在魏格纳之前的数个世纪，大陆漂移就曾是一种普遍流传而多少令人感到怪诞的观点。面对绘制好的大西洋两岸的大陆地图，地理学家fIJ注意到如果将某些大陆（如南美和非洲）移到一起，则可以看到这些大陆之间存在着非常好的锯齿状吻合关系。在整个19世纪，地质学家们在不同大陆的相对应地区发现了类似的岩层和矿物层（地层）、化石以及一些其他可以对比的特征。例如，在诸如南美和非洲