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飞扬的地质年代
时间:2014-10-27  作者:  来源:宋建潮              【复制地址】【打印】【关闭】

地质学天生与哲学、物理学捆绑在一起,关于地球的年龄,二百多年来一直是科学上争论不休的问题。虽然古代文明国家的一些教士与哲人提出了某些关于地球历史的见解,但在地质学成为独立的研究领域之前,这个课题并没有进入科学的范畴。在十八世纪中叶之前,关于地球的起源与其后的历史,还属于神学关心的一类问题。1650年大主教Ussher宣布:世界是在公元前4004年创造出来的。这种说教在大多数英文的圣经中以旁注的形式出现,严重阻碍了许多早期地质学家的思想,他们成为神学的偏见的牺牲品(G.福尔,同位素地质学原理)。

地质学作为一门科学的兴起,一般都会联想到苏格兰的James Hutton的工作,他强调造成地球表面形态缓慢而连续的作用过程的重要性,并在1785年发表的《地球的理论》一书中提出了均变论的概念。这种说法自提出之日就受到了官方头领的强烈抨击,但时间煮雨,往事随风,越来越多的地质学家慢慢开始接受均变论的原理,并坚信累积厚度达数英里的沉积岩是需要漫长的时期才能形成的。1830年,伟大的硕士研究生Charles Lyell发表了他的《地质学原理》第一卷,其中的许多观点都是运用均变论原理来解释的,由此也诞生了地质学上的伟大名言“现在是了解过去的一把钥匙”。

地球的明显的古老的特点与均变论的原理,受到英国十九世纪后半叶最杰出的物理学家Willian Thompson的意外攻击,他又被人尊称为Lord KelvinKelvin对地质学的介入,在大约50年长的一段时间内,深深地影响了地质学中关于地球年龄的见解。根据太阳的发光度,地球的冷却史和月亮潮汐对地球转动速度的影响,他推断地球的年龄不可能大于100MaKelvin的论据似乎不可反驳,而这些论据与均变论不相一致,许多地质学家委曲求全,把地质作用人为加快,以便适应只有几千万年的地球历史。正在地质学家对地球的年龄处于彷徨无奈、郁闷枯寂之时,放射性被发现了,由此带来了地质年代学的春天,掀开了新的篇章。

1895年,德国物理学家Wilhelm Roentgen发现了轰动公众与整个科学界的X射线,这激励了一直在做用紫外线照射铀的盐类引起发光的法国物理学家Henri Becquerel,他发现铀的盐类发射出一种很像X射线的辐射线,于是放射性被发现了。在随后的蔚为壮观的10年里,放射性被许多科学家研究,有些甚至付出了生命,由此奠定了现代物理学和地质年代学的基础。1891年年轻貌美的玛丽·斯克洛多夫斯卡·居里(Marie Sklodowska Curie)从她的出生地波兰来到了巴黎索尔邦纳学习,并且与在这里工作的一身才气的刚开始对放射性缺乏兴趣的Pierre Curie结了婚。Becquerel的发现使Marie Curie决定将她的博士论文致力于系统地探索是否别的元素及其化合物也发射类似的辐射线。她注意到天然的铀、钍矿物比纯铀、钍的盐类具有更强的放射性,在分析了取自捷克Joachimsthal矿山的沥青铀矿矿物后,发现了两种新的元素,她将之命名为钋(polonium)和镭(radium),并根据镭的发射现象创造了“放射性”这个词。由于她终生研究放射性元素发射的辐射线的影响,引起了白血病,1934年离开了人间。

1902年,新西兰好青年Ernest Rutherford和其搭档“同位素”一词的提出者Frederiek Soddy证实放射性产生于不稳定元素衰变为稳定元素过程,并注意到HeU的女儿。Rutherford意识到可以用He/U测定某些天然矿物的年龄,由于He的扩散逃逸,测得的He/U比值往往很低并不可靠。1904年美国化学家Bertland Boltwood报道了多数老的铀矿物中U/Ra比值是个常数,1905年他又根据对沥青铀矿的仔细的化学分析,推测PbU衰变的稳定的最终产物。1907年,Boltwood发表了根据U/Pb比值做出的三个沥青铀矿样品的年龄测定,年龄范围从410Ma2200Ma,这些年龄都是同位素被发现以前测定的,而且缺乏具体的地质意义,但开启了使用U-Pb法测量地质年代的大门。就在此时,对地质年代学做出伟大贡献,并使其发展为一门学科的历史上最为伟大的地质学家之一的Arthur Holmes粉墨登场了,下面我们对Holmes的人生历程进行回顾。


年轻时与年老时的Arthur Holmes(来自网络)

Holmes1890年出生于莱茵河畔,英国东北部工业重镇Gateshead的一个谦和、忠诚信奉卫理公会的家庭。在中学期间,他认识了对他人生影响至深的老师McIntoshMcIntosh喜欢把他的学生带到Lord Kelvin那里听报告讲座,还让他们熟悉了瑞士地质学家Edward Suess所做的地质工作及其著述的地质学伟大之作《The Face of the Earth》,从此Holmes就对物理和地质很感兴趣。在17岁,他考入了伦敦the Royal College of Science(后来更名为Imperial College)学习物理学,第二年他又学习了地质学课程,拒绝了物理导师的建议后,他义不容辞踏入了地质学的大河。

由于当时RutherfordHe/U法测定的矿物年龄都为最小年龄,Holmes决定寻找一种更好的稳定的测年方法。受Bertland Boltwood提出的PbU的最终衰变产物的启示,开始尝试用U-Pb法进行测年,并测定某泥盆纪岩石的年龄为370Ma。那时他只有21岁,在以后的岁月中他最喜欢不断给地质年代表增加更为精确的时间尺度,因此他也被称为“地质年代表之父”,我们今天所使用的地质年代表正是Holmes及其后来地质工作者不断努力的结果。1913年,他出版了《The Age of the Earth》,推断地球的年龄为1600Ma,那时他只有23岁,却成为世界范围内地质年代学领域的权威。当然反对的声音也很强烈,许多地质学家坚信地球年龄不超过100Ma的论断,1600Ma是个难以想象,过于漫长的时间。1913年也被认为是地质年代学的开端,2013年迎来了她的百岁寿辰,Element杂志专刊对地质年代学的历史与发展进行了介绍。

在伦敦Holmes只能以每年60英镑的奖学金勉强维持生计,为了摆脱经济困境,他谋求到了一份到非洲莫桑比克寻找矿产的工作。在半年多的时间里,几乎一无所获,更不幸地是,他还染上了疟疾,关于他死亡的通知已经通过电报拍到了英国他的家中。上帝和他开了一个玩笑后,把他从鬼门关拽了回来,他匆匆如丧家之犬立即搭乘船只返回了英国,开始给像du ToitSedholm这样的地质学家写信,想获得用于测年的矿物。“我搞地质的两大志向:一是细化地质年代表,二是发现世界范围内前寒武纪岩石的相关性”,这位在莫桑比克被地质化了的差点丢掉小命的年轻人发出了这样的人生感慨。

作为帝国理工学院的一面旗帜,Holmes几乎单枪匹马撑起了尚处于婴幼儿期的地质年代学这门学科。但是随着1913同位素被Joseph Thomson发现,惊喜的同时也带来了困难,因为这意味着分析程序复杂,分析时间加长。幸亏他还有个不错的战友Bob Lawson与他共分忧愁,同享物理与音乐带来的快乐,这种并肩作战持续了近30年。

一战来临了,他的生活再次陷入困境,已经担负不起高昂的研究费用。为了让贤惠的妻子和年轻的儿子过上好点的生活,他再次背井离乡,去了缅甸的一家石油公司担任首席地质学家,但事实证明这又是一个错误的决定,没有多久,公司破产了,已经不能担负雇员的工资。两年后,他衣衫褴褛、神情落寞地回到了英国,而打击更大的是,他年轻的儿子也因患了痢疾不幸死掉了。他已经到了穷困潦倒,举步维艰的地步了,他找不到一份合适的工作,最好被迫无奈之下,他开了一家专卖远东首饰的小饰品店,但他从未丢失原先的梦想。1924年,好运来临了!首先老婆大人又给他生了另一个儿子,再是Durham University新成立了地质系,邀请他去当系主任。

Arthur Holmes当年工作的楼,现在装饰一新(现在此上学的李扬提供)


Durham University 的以Arthur Holmes命名的地质系楼-Arthur Holmes Building

2010修建,照片来自杜伦大学网站)


美丽恬静的杜伦大学校园1DurhamUniversity)(现在此上学的李扬提供)


美丽恬静的杜伦大学校园2DurhamUniversity)(现在此上学的李扬提供)

   1922年从缅甸回到英国后,Holmes发现有关地球年龄的争论平息了,即使那些最为固执的保守派也接受了他测出的地球年龄,但另一个争论又出现了:大陆漂移。当时在欧洲只有一小部分地质学家认为这种理论是正确的,但更多的地质学家不相信,因为缺乏有效的动力学机制。  Holmes再次站在了时代的前列,长袖舞冬风,自这种理论提出之日起,他就是坚决的支持者与捍卫者。多年来在放射性、地质年代、岩石成因等方面的工作让他对地球内部作用过程有了更为深入的理解,并且首次提出了地幔对流理论,用以解释陆块裂解、海底形成、地壳重熔与大陆漂移。但这种认识在随后的30余年中被忽视,Holmes不为所动,固执己见,并将这种理论源源不断灌输给他的学生。


Holmes当年提出的地幔对流模型(来自网络)

HolmesDurham University呆了19年,在这个过程中,他慢慢成长为全英为数不多的具有深邃宏观思维的地质学家。1932年,在持续寻找简单测年技术的同时,他提出了针对岩石成因的初始值(initial ratios),这个思想奠定了今天同位素地球化学的基础。

1938Holmes的第一任妻子因病去世,1939年他娶了第二任妻子,也是一名地质学家,在困苦中他又寻找到了幸福。二战期间,他写出了享誉世界的经典地质教科书《Principles of  Physical Geology》,并且影响了一代代的地质人士,足可以与Charles Lyell的《Principles  of Geology》和Edward Suess的《The Face of the Earth》相媲美,但直到1944年,这本书才出版。离开Durham University后,Holmes去了Edinburgh University,在那里他被任命为“皇家教授”(regius professor),虽然身体每况愈下,但他还是完成了对他而言最重要的一些工作,包括地球年龄、地质年代表、前寒武纪、非洲地质,看来在莫桑比克的工作为他深深打上了烙印。


Holmes的前后两任妻子(照片均来自网络)

Holmes天生就是思考地质大问题的大思想家与大哲学家,他的许多想法都超越了时代,并执着如一,即使别人攻击诽谤,也从不动摇。Holmes是幸运的,他看到了板块构造的霞光,1963年海底扩张理论被提出,1965年,在Holmes与世长辞前几个月,《Principles of Physical Geology》第二版出版了,荒废达30年的地幔对流理论在板块构造理论体系下有了用武之地,不再是痴人说梦。今天Holmes被认为是二十世纪最伟大的地质学家之一。多年以后,Cherry Lewis这位做过几年小本生意但对岩石和化石感兴趣的女士决定将她的余生投身于地质学,当了解了Holmes的工作后,她开始了对他的研究,并在2000年写就出版了有关Holmes的第一本传记《The dating GameOne Man’s Search for the Age of the Earth》。


Principles和“Dating”的封面(照片均来自网络)

质谱计的发明、同位素分馏的发现、测年方法的拓展、测试技术的提升等使地质年代学站在了时代的高峰,呼风唤雨,蓬勃发展,打开每一个地质杂志,都几乎能寻觅到地质年代学的身影。中国已经拥有了世界上最好的仪器设备,所测试数据的精准度不容置疑,但如何整融这些数据,并纳入宏观与微观思维体系,使之有充分的地质意义,则需中国的地质工作者不懈努力。



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