地球-我们输不起的实验室 作者:斯蒂芬·施奈德-第4节

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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，在诸如南美和非洲这两个现在远隔重洋的大陆之间，存在着相似的二叠纪冰川作用遗迹，这导致一些学者怀疑它们曾连在一起构成一超级大陆（名曰冈瓦纳古陆）的一部分，它们当时位于南极附近并发生冰川作用。

　　冰川作用的遗迹包括拖曳着巨大砾石的冰川在岩石表面蚀刻的相似的槽沟形式。根据这些槽沟，科学家们能够确定古冰川的运动方向。

　　持怀疑态度者对这些证据不屑一顾并嘲笑大陆漂移这一理论。美国哲学学会理事长在20世纪20年代曾宣称大陆漂移理论是“十足糟透了的胡说八道”。直到二战结束以后大陆漂移理论仍未获应有的承认。事实上，人们还需要两项革命性的进展才能使魏格纳的观点变得可信：证实大陆曾经移动（而且今天仍在移动）的直接物理证据以及对这种移动的解释。

　　20世纪50年代，伴随着全球洋中脊体系的发现，大陆移动的物理证据也开始出现。全球洋中脊体系由基本上环绕地球的长约65000千米的海底山脉组成。沿着这一山链的中央部位存在一条窄而深的裂谷。热的岩浆沿着这一裂谷上涌，在岩浆凝固的同时，它们向两侧扩张形成新的地壳物质。这一过程被称为海底扩张，到了20世纪60年代时它已被古地磁方法证实。随着新的岩石的形成，它们被永久磁化，其磁场则沿着形成时地磁场所指的方向排列。当地磁场发生倒转时，在洋中脊两侧的海底均可见到平行对称的反向磁异常条带。如果已知发生这些磁极倒转的大致年代，则通过测量裂谷与反向磁异常条带之间的距离就可以确定海底扩张的速率。

　　当一艘考察船拖着磁力仪在海底“裂带”上方的海区来回穿梭时，磁力仪会获得这些裂谷的有关古地磁证据，并进而确定其极性。20世纪60年代晚期，作为深海钻探计划的一部分，“格洛玛·挑战者”（Glomar　Challenger）号考察船从大西洋洋中脊直接获得了岩芯，从而为科学家们提供了直接的证据。如同所预测的那样，裂谷处的海底被证实是最年轻的。沿中轴往两侧，海底的年龄逐渐变老。由于海底的地壳不断被埋葬和再循环，因此，相对于大陆来说，洋底的年龄较为年轻。洋底的平均年龄大约为1亿年，而测年所得最老的大陆岩石的年龄为近40亿年。

　　当新的海底形成时，老海底发生什么变化？海底的更新又是如何影响了大陆？使魏格纳的理论变得可信的第二个革命性的进展——板块构造学来自于试图回答上述及其他问题所进行的科学探索。

　　有必要将支持大陆漂移的观察到的事实与试图解释这些事实的假说区分开来。生物进化也有类似的情况。如前所述，数以百万计的化石碎片以及其他更新的证据支持了生物进化这一事实，但达尔文（Darwin）用来解释进化机制的经典理论——自然选择，在今天仍是一个令科学家们争吵不休的话题（神创论者当然也要对这一理论提出挑战）。当然，解释这些现象的理论的不完善并不能否定支持这些现象的大量的证据的存在。

　　类似地，且不管已被普遍相信的板块构造学本身的正确程度有多大，大陆漂移的证据是随处可见的，并为所有有远见的地质学家和地球物理学家所接受。

　　已故加拿大物理学家威尔逊（J．T．Wilson）1965年提出了漂移板块的观点。根据板块构造学理论，地壳可划分为一些巨大的块体（板块），在来自地球内部的热量的驱动下，这些板块在柔韧的地慢上漂移。这些由大陆地壳和海底地壳组成的板块，方圆可达数千千米，厚可至130千米。当板块在水平方向相互离开时，在板块之间会形成一些裂谷（洋中脊），从而为新海底的上涌打开通道。如果这样的裂谷出现在大陆上（非洲的阿法尔裂谷就是一例），大陆就开始分裂。当板块发生碰撞时，它们或者是发生弯曲形成山脉，或者是一个板块潜没（下冲）到另一板块之下，二者必居其一。后一过程就形成了太平洋地区火山活动频繁的“火环带”。热量和压力使部分潜没物质发生熔融，这部分熔融物质最终将沿裂谷上涌形成新的地壳。当两个大陆板块发生碰