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指準化石可用來表徵特定的地質時代

指準化石可用來表徵特定的地質時代
指準化石可用來表徵特定的地質時代

在一八○○年代初,拜威廉.史密斯(William Smith)的敏銳觀察之賜,經過詳細校正的地質時間圖表得以初具雛形。史密斯曾參與運河開鑿工作。他注意到特定類型的貝殼化石會出現在英格蘭各地同樣的地層層序中。

這些指準化石(index fossils)可用來表徵特定的地質時代,就如同圓盒帽與喇叭褲等,可成為不同文化年代的指標。因此,空間上不連續的地層,始於英國,再橫越英吉利海峽而延伸至法國,得以透過指準化石建立彼此之間的關聯。在拼湊地質年代表的早期階段,業餘化石收藏家的貢獻居功厥偉。例如出生於英國萊姆里傑斯市(Lyme Regis)的瑪麗.安寧(Mary Anning)就是其中一位。這位著名收藏家的故事,也在英文繞口令「She sells seashells(她在海邊賣貝殼)」中永遠流傳。舊有的觀念認為,岩層的本質普遍相同,而藉由岩層記錄下來的事件,也是放諸四海皆同。但這個觀念已不再適用;地球的悠長歷史遠比赫頓所能想像的還要複雜。不過經過數十年勞心費力的製圖與蒐集、分門別類,並統合(lumping)與分割(splitting)生物分類,最終結果顯示,全世界各地的沉積層序,彼此有著共通的關聯性。

利用指準化石所編制出的,是最為大眾熟知的地質年代表,年代由近至遠分別為:新生代(Cenozoic Era),有著各式各樣的哺乳動物;中生代(Mesozoic Era),有著可畏的爬蟲類;以及古生代(Paleozoic Era),有黝暗的成煤木本沼澤、喘息的肺魚、疾行的三葉蟲。由於各種生命體的化石豐富繁多,因此各個代可以再細分為紀,紀再分為世,世以下再分期。但就在古生代岩石最低的貝殼層之下,寒武紀的地層下方,岩石陷入了沉默;在這裡找不到任何化石的蹤跡。生命似乎在寒武紀橫空出世,而這個惱人的謎團深深困擾著達爾文。沒有具相的化石協助維多利亞時代的地質學家劃分地質年代,年代最為古老的岩石就成了一團糾結難解的紗線,所以地質學家便將它們全部歸入「前寒武紀」。往後尚需一個世紀的時間,地質學家才會體認到,前寒武紀其實充滿了生命,而且占據地球歷史近百分之九十的時間。

我將十九世紀後半視為地質學的黑暗時期。

赫頓領時代之先,察見地球生生不息的循環;萊爾以啟發性的著作,講述新的地質學知識能如何「追溯無限久遠年代所發生的事件」;達爾文傾注睿智,整合了他對生物與地質的觀察。但在這之後,內外多股勢力相互作用,拖慢了智識發展的進程。在這些勢力當中,有不屈不撓的物理學家,克耳文勳爵威廉.湯姆森(William Thomson, Lord Kelvin, 1824~1907),他在達爾文出版《物種起源》(On the Origin of Species)一書後,旋即對地質學產生了興趣。身為熱力學權威,克耳文勳爵理所當然的攻擊赫頓的主張,也就是地球應已存在了無窮長的時間──好比一部永動機般永續運轉──這違反了他提出的熱力學第二定律。但他格外猛烈抨擊達爾文,指稱他在《物種起源》第一版對地球最低年齡的估算過於粗略,應非全然是出於科學上的動機。

對遺傳的實際機制一無所知的達爾文,不知為何領悟到,物競天擇的演化過程,至少需要數億年至數十億年的時間,才能產生他所觀察到的生物多樣性,包括現存及化石中的生命體。他能憑直覺感知地質時間的宏大,著實令人驚嘆。但儘管有這份才情,他卻在《物種起源》中採用了考量欠妥的量化方法。達爾文和赫頓一樣,也以侵蝕作用的速率為基準來評估經過的時間。但達爾文大幅低估了英國的河流形塑地貌的力量。他推估在威爾德(Weald)地區的一座山谷,需要約三億年的時間才能侵蝕成形(此一估值過大,至少是實際值的一百倍)。由於形成谷壁的岩石年代更加久遠,但又是該地區年齡最小的岩石群之一,所以達爾文推測地球本身年齡有數十億年以上。今人驚訝的是,他的結論是正確的。雖然《物種起源》立論縝密,堪為科學寫作典範,但達爾文在書中推算地球年齡的方式流於天真,輕易遭到推翻。

自一八六○年代初開始,克耳文陸續發表了一系列的論文。在這些論文當中,他根據對地球傳導冷卻速率及太陽壽命的假設值,輔以當時最先進的物理學知識來估算地球的年齡。在一八六四年與一八九七年之間,他判定的地球年齡由數億年縮減到只有二千萬年。由於克耳文投入地質學的時間日益減少,一些先前受挫的地質學家試圖奪回地球年齡問題的主導權。他們進行獨立的估算,將所有從寒武紀以至近代已知地層的厚度加總起來,再將總額除以假設的沉積率。用此種方式推算出的地球年齡在數億年到數十億年之間,但當中隱含大量的不確定因素,使得推算結果難以取信於世。少數年輕一派有能力理解克耳文推算方式的物理學家,開始質疑他的基本假定──數十年後也的確證明這些假定是錯的──但他們還是怯於挑起這位當代領導科學家的怒火。一位勇敢的化學家約翰.喬利(John Joly,後來發明了彩色攝影)指出,可以用海水的鈉含量做為地球年齡的參考值或替代值。他的(也是錯誤的)假設是,隨著時間更迭,海水的鹽分會日漸增加,因為從陸地岩石溶解出的元素,會透過河川流入大海。喬利根據溶解於河水中的鈉含量代表值,估算出地球的年齡為一億年,為曾在克耳文勳爵面前敗下陣來的地質學家扳回一城。

達爾文在晚年稱克耳文為他「最痛苦的煩惱」。達爾文於一八八二年辭世,雖然他骨子裡相信自己畢生的研究成果一定是正確的,但種種不確定性也縈繞於心,揮之不去。二十世紀的物理學終將反駁克耳文的主張,不過克耳文在當選不列顛科學促進會(British Association for the Advancement of Science)會長時發表的演說,揭示了他的真正意圖:「我向來認為,如果生物確實經過演化,物競天擇的假說並未包含演化的真正學理……這個世界是睿智與慈愛的力量所擘劃,不容置疑的明證處處可見……訓示我們,萬物生靈皆仰賴著永生獨一的創造者與統治者。」

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  • 地質學家的記時錄 2020-04-17
關鍵字: 地質地球年代時間年齡
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