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指准化石可用来表徵特定的地质时代

指准化石可用来表徵特定的地质时代
指准化石可用来表徵特定的地质时代

在一八○○年代初,拜威廉.史密斯(William Smith)的敏锐观察之赐,经过详细校正的地质时间图表得以初具雏形。史密斯曾参与运河开凿工作。他注意到特定类型的贝壳化石会出现在英格兰各地同样的地层层序中。

这些指准化石(index fossils)可用来表徵特定的地质时代,就如同圆盒帽与喇叭裤等,可成为不同文化年代的指标。因此,空间上不连续的地层,始于英国,再横越英吉利海峡而延伸至法国,得以透过指准化石建立彼此之间的关联。在拼凑地质年代表的早期阶段,业余化石收藏家的贡献居功厥伟。例如出生于英国莱姆里杰斯市(Lyme Regis)的玛丽.安寧(Mary Anning)就是其中一位。这位着名收藏家的故事,也在英文绕口令「She sells seashells(她在海边卖贝壳)」中永远流传。旧有的观念认为,岩层的本质普遍相同,而藉由岩层记录下来的事件,也是放诸四海皆同。但这个观念已不再适用;地球的悠长歷史远比赫顿所能想像的还要复杂。不过经过数十年劳心费力的制图与搜集、分门别类,并统合(lumping)与分割(splitting)生物分类,最终结果显示,全世界各地的沉积层序,彼此有着共通的关联性。

利用指准化石所编制出的,是最为大眾熟知的地质年代表,年代由近至远分别为:新生代(Cenozoic Era),有着各式各样的哺乳动物;中生代(Mesozoic Era),有着可畏的爬虫类;以及古生代(Paleozoic Era),有黝暗的成煤木本沼泽、喘息的肺鱼、疾行的三叶虫。由于各种生命体的化石丰富繁多,因此各个代可以再细分为纪,纪再分为世,世以下再分期。但就在古生代岩石最低的贝壳层之下,寒武纪的地层下方,岩石陷入了沉默;在这里找不到任何化石的踪迹。生命似乎在寒武纪横空出世,而这个恼人的谜团深深困扰着达尔文。没有具相的化石协助维多利亚时代的地质学家划分地质年代,年代最为古老的岩石就成了一团纠结难解的纱线,所以地质学家便将它们全部归入「前寒武纪」。往后尚需一个世纪的时间,地质学家才会体认到,前寒武纪其实充满了生命,而且占据地球歷史近百分之九十的时间。

我将十九世纪后半视为地质学的黑暗时期。

赫顿领时代之先,察见地球生生不息的循环;莱尔以启发性的着作,讲述新的地质学知识能如何「追溯无限久远年代所发生的事件」;达尔文倾注睿智,整合了他对生物与地质的观察。但在这之后,内外多股势力相互作用,拖慢了智识发展的进程。在这些势力当中,有不屈不挠的物理学家,克耳文勋爵威廉.汤姆森(William Thomson, Lord Kelvin, 1824~1907),他在达尔文出版《物种起源》(On the Origin of Species)一书后,旋即对地质学产生了兴趣。身为热力学权威,克耳文勋爵理所当然的攻击赫顿的主张,也就是地球应已存在了无穷长的时间──好比一部永动机般永续运转──这违反了他提出的热力学第二定律。但他格外猛烈抨击达尔文,指称他在《物种起源》第一版对地球最低年龄的估算过于粗略,应非全然是出于科学上的动机。

对遗传的实际机制一无所知的达尔文,不知为何领悟到,物竞天择的演化过程,至少需要数亿年至数十亿年的时间,才能产生他所观察到的生物多样性,包括现存及化石中的生命体。他能凭直觉感知地质时间的宏大,着实令人惊嘆。但儘管有这份才情,他却在《物种起源》中採用了考量欠妥的量化方法。达尔文和赫顿一样,也以侵蚀作用的速率为基准来评估经过的时间。但达尔文大幅低估了英国的河流形塑地貌的力量。他推估在威尔德(Weald)地区的一座山谷,需要约三亿年的时间才能侵蚀成形(此一估值过大,至少是实际值的一百倍)。由于形成谷壁的岩石年代更加久远,但又是该地区年龄最小的岩石群之一,所以达尔文推测地球本身年龄有数十億年以上。今人惊讶的是,他的结论是正确的。虽然《物种起源》立论缜密,堪为科学写作典范,但达尔文在书中推算地球年龄的方式流于天真,轻易遭到推翻。

自一八六○年代初开始,克耳文陆续发表了一系列的论文。在这些论文当中,他根据对地球传导冷却速率及太阳寿命的假设值,辅以当时最先进的物理学知识来估算地球的年龄。在一八六四年与一八九七年之间,他判定的地球年龄由数亿年缩减到只有二千万年。由于克耳文投入地质学的时间日益减少,一些先前受挫的地质学家试图夺回地球年龄问题的主导权。他们进行独立的估算,将所有从寒武纪以至近代已知地层的厚度加总起来,再将总额除以假设的沉积率。用此种方式推算出的地球年龄在数亿年到数十亿年之间,但当中隐含大量的不确定因素,使得推算结果难以取信于世。少数年轻一派有能力理解克耳文推算方式的物理学家,开始质疑他的基本假定──数十年后也的确证明这些假定是错的──但他们还是怯于挑起这位当代领导科学家的怒火。一位勇敢的化学家约翰.乔利(John Joly,后来发明了彩色摄影)指出,可以用海水的钠含量做为地球年龄的参考值或替代值。他的(也是错误的)假设是,随着时间更迭,海水的盐分会日渐增加,因为从陆地岩石溶解出的元素,会透过河川流入大海。乔利根据溶解于河水中的钠含量代表值,估算出地球的年龄为一亿年,为曾在克耳文勋爵面前败下阵来的地质学家扳回一城。

达尔文在晚年称克耳文为他「最痛苦的烦恼」。达尔文于一八八二年辞世,虽然他骨子里相信自己毕生的研究成果一定是正确的,但种种不确定性也萦绕于心,挥之不去。二十世纪的物理学终将反驳克耳文的主张,不过克耳文在当选不列颠科学促进会(British Association for the Advancement of Science)会长时发表的演说,揭示了他的真正意图:「我向来认为,如果生物确实经过演化,物竞天择的假说并未包含演化的真正学理……这个世界是睿智与慈爱的力量所擘划,不容置疑的明证处处可见……训示我们,万物生灵皆仰赖着永生独一的创造者与统治者。」

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  • 地质学家的记时录 2020-04-17
关键字: 地质地球年代时间年龄
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