飛揚(yáng)的地質(zhì)年代

宋建潮

霍姆斯天生就是思考地質(zhì)大問題的大思想家與大哲學(xué)家，他的許多想法都超越了時(shí)代，并執(zhí)著如一，即使別人攻擊誹謗，也從不動(dòng)搖。

地質(zhì)學(xué)天生與哲學(xué)、物理學(xué)捆綁在一起，關(guān)于地球的年齡，二百多年來一直是科學(xué)上爭論不休的問題。雖然古代文明國家的一些教士與哲人提出了某些關(guān)于地球歷史的見解，但在地質(zhì)學(xué)成為獨(dú)立的研究領(lǐng)域之前，這個(gè)課題并沒有進(jìn)入科學(xué)的范疇。在18世紀(jì)中葉之前，關(guān)于地球的起源與其后的歷史，還屬于神學(xué)關(guān)心的一類問題。1650年大主教厄謝爾（A.J.Ussher）宣布：世界是在公元前4004年創(chuàng)造出來的。這種說教在大多數(shù)英文的圣經(jīng)中以旁注的形式出現(xiàn)，嚴(yán)重阻礙了許多早期地質(zhì)學(xué)家的思想，使他們成為神學(xué)的偏見的犧牲品。

地質(zhì)學(xué)的興起

地質(zhì)學(xué)作為一門科學(xué)的興起，一般都會(huì)聯(lián)想到蘇格蘭赫頓（J.Hutton）的工作，他強(qiáng)調(diào)造成地球表面形態(tài)緩慢而連續(xù)的作用過程的重要性，并在1785年發(fā)表的《地球的理論》一書中提出了均變論的概念。這種說法提出之后曾受到官方頭領(lǐng)的強(qiáng)烈抨擊，但之后越來越多的地質(zhì)學(xué)家慢慢開始接受均變論，并堅(jiān)信累積厚度達(dá)數(shù)英里的沉積巖是需要漫長的時(shí)期才能形成的。1830年，偉大的地質(zhì)學(xué)家萊伊爾（C.Lyell）發(fā)表了他的《地質(zhì)學(xué)原理》第一卷，其中的許多觀點(diǎn)都是運(yùn)用均變論原理來解釋的，由此也誕生了地質(zhì)學(xué)上的偉大名言“現(xiàn)在是了解過去的一把鑰匙”。

地球明顯古老的特點(diǎn)與均變論的原理，受到英國19世紀(jì)后半葉最杰出的物理學(xué)家湯普森（W.Thomp-son）的意外攻擊，他又被人尊稱為開爾文勛爵（LordKelvin）。他根據(jù)太陽的發(fā)光度、地球的冷卻史和月亮潮汐對(duì)地球轉(zhuǎn)動(dòng)速度的影響，推斷出地球的年齡不可能大于1億年。湯普森對(duì)地質(zhì)學(xué)的介入，在大約長達(dá)50年的一段時(shí)間內(nèi)，深深地影響了地質(zhì)學(xué)中關(guān)于地球年齡的認(rèn)識(shí)。湯普森的論據(jù)似乎不可反駁，而這些論據(jù)與均變論不相一致，許多地質(zhì)學(xué)家委曲求全，人為加快地質(zhì)作用，以便適應(yīng)只有幾千萬年的地球歷史。正在地質(zhì)學(xué)家對(duì)地球的年齡處于彷徨無奈、郁悶枯寂之時(shí)，放射性被發(fā)現(xiàn)了，由此帶來了地質(zhì)年代學(xué)的春天，掀開了新的篇章。

放射性與地質(zhì)測年

1895年，德國物理學(xué)家倫琴（W.Roentgen）發(fā)現(xiàn)了轟動(dòng)世界的X射線，這激勵(lì)了一直從事紫外線照射鈾鹽引起發(fā)光研究的法國物理學(xué)家貝克勒爾（H.Becquerel），他隨后發(fā)現(xiàn)鈾的鹽類發(fā)射出一種類似X射線的輻射，于是放射性被發(fā)現(xiàn)了。在隨后的10年里，許多科學(xué)家研究放射性，有些甚至付出了生命的代價(jià)，由此奠定了現(xiàn)代物理學(xué)和地質(zhì)年代學(xué)的基礎(chǔ)。

1891年，年輕的瑪麗·居里（M.S.Curie，即居里夫人）從她的出生地波蘭來到了巴黎索爾邦納學(xué)習(xí)，并且與在這里工作的皮埃爾·居里（P.Curie）結(jié)了婚。貝克勒爾的發(fā)現(xiàn)使居里夫人決定致力于系統(tǒng)地探索元素及其化合物的放射性研究。她注意到天然的鈾、釷礦物比純鈾、釷的鹽類具有更強(qiáng)的放射性，在分析了取自捷克阿希姆斯塔爾（Joachimsthal）礦山的瀝青鈾礦礦物后，發(fā)現(xiàn)了兩種新的元素，她將之命名為釙（polonium）和鐳（radium），并根據(jù)鐳的放射現(xiàn)象創(chuàng)造了“放射性”這個(gè)詞。由于她終生研究放射性元素，受輻射影響，導(dǎo)致患上了白血病，于1934年去世。

1902年，新西蘭物理學(xué)家盧瑟福（E.Ruther-ford）和其搭檔，“同位素”一詞的提出者索迪（F.Soddy）證實(shí)放射性產(chǎn)生于不穩(wěn)定元素衰變?yōu)榉€(wěn)定元素的過程，并注意到氦（He）是鈾（U）的衰變產(chǎn)生的。盧瑟福意識(shí)到可以用He/U比值測定某些天然礦物的年齡，由于He的擴(kuò)散逃逸，測得的He/U比值往往很低并不可靠。1904年，美國化學(xué)家博爾特伍德（B.Boltwood）發(fā)現(xiàn)了多數(shù)老的鈾礦物中U/Ra比值是個(gè)常數(shù)，1905年他又根據(jù)對(duì)瀝青鈾礦的仔細(xì)的化學(xué)分析，推測鉛（Pb）是U衰變的穩(wěn)定的最終產(chǎn)物。1907年，博爾特伍德發(fā)表了根據(jù)U/Pb比值做出的三個(gè)瀝青鈾礦樣品的年齡測定，年齡范圍從4.10億年到22億年，這些年齡都是同位素被發(fā)現(xiàn)以前測定的，而且缺乏具體的地質(zhì)意義，但開啟了使用U-Pb法測量地質(zhì)年代的大門。就在此時(shí)，對(duì)地質(zhì)年代學(xué)做出偉大貢獻(xiàn)，并使其發(fā)展成一門學(xué)科的最為偉大的地質(zhì)學(xué)家之一——霍姆斯（A.Holmes）登場了。

霍姆斯與地質(zhì)年代學(xué)

霍姆斯1890年出生于英國東北部工業(yè)重鎮(zhèn)蓋茨黑德（Gateshead）的一個(gè)謙和、忠誠信奉衛(wèi)理公會(huì)的家庭。他的中學(xué)老師喜歡把他們帶到湯普森那里聽報(bào)告，還讓他們熟悉了瑞士地質(zhì)學(xué)家修斯（E.Suess）所做的地質(zhì)工作及其著述的地質(zhì)學(xué)偉大之作《地球的面貌》（The Face of the Earth），從此霍姆斯對(duì)物理和地質(zhì)產(chǎn)生了興趣。在17歲時(shí)，他考入了倫敦帝國理工學(xué)院（Imperial College）學(xué)習(xí)物理學(xué)，第二年他又學(xué)習(xí)了地質(zhì)學(xué)課程，拒絕了物理導(dǎo)師的建議后，他義不容辭地踏入了地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域。

由于當(dāng)時(shí)盧瑟福的He/U比值法測定的礦物年齡都為最小年齡，霍姆斯決定尋找一種更好的穩(wěn)定的測年方法。受博爾特伍德提出的Pb是U的最終衰變產(chǎn)物的肩示，開始嘗試用U-Pb法進(jìn)行測年，并測定出某泥盆紀(jì)巖石的年齡為3.7億年。那時(shí)他只有21歲，在以后的歲月中他最喜歡不斷給地質(zhì)年代表增加更為精確的時(shí)間尺度，因此他也被稱為“地質(zhì)年代表之父”，今天所使用的地質(zhì)年代表正是霍姆斯及其后來地質(zhì)工作者不斷努力的結(jié)果。1913年，他出版了《地球的年齡》（The Age of the Earth）一書，推斷地球的年齡為16億年，那時(shí)他只有23歲，卻成為世界范圍內(nèi)地質(zhì)年代學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威。當(dāng)然反對(duì)的聲音也很強(qiáng)烈，許多地質(zhì)學(xué)家堅(jiān)信地球年齡不超過1億年的觀點(diǎn)，16億年對(duì)他們來說是個(gè)難以想象、過于漫長的時(shí)間。后來1913年也被認(rèn)為是地質(zhì)年代學(xué)的開端，2013年迎來了該學(xué)科的百歲壽辰，地球科學(xué)領(lǐng)域的《元素》（Element）雜志曾專刊對(duì)地質(zhì)年代學(xué)的歷史與發(fā)展進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

在倫敦時(shí)，霍姆斯只能以每年60英鎊的獎(jiǎng)學(xué)金勉強(qiáng)維持生計(jì)，為了擺脫經(jīng)濟(jì)困境，他謀求到了一份到非洲莫桑比克尋找礦產(chǎn)的上作。在半年多的時(shí)間里，幾乎一無所獲，更不幸的是，他還染上了瘧疾，關(guān)于他死亡的通知已經(jīng)通過電報(bào)送到了他英國的家中。上帝和他開了一個(gè)玩笑后，把他從鬼門關(guān)拽了回來，他立即搭乘船只返回了英國，開始給像杜托特（A.L.Du Toit）這樣的地質(zhì)學(xué)家寫信，想獲得用于測年的礦物?！拔腋愕刭|(zhì)的兩大志向：一是細(xì)化地質(zhì)年代表，二是發(fā)現(xiàn)世界范圍內(nèi)前寒武紀(jì)巖石的相關(guān)性”，這位在莫桑比克被地質(zhì)弄得差點(diǎn)兒丟掉小命的年輕人發(fā)出了這樣的人生感慨。依靠這種執(zhí)著的信念，霍姆斯作為帝國理工學(xué)院的一面旗幟，幾乎單槍匹馬撐起了尚處于嬰幼兒期的地質(zhì)年代學(xué)這門學(xué)科。

第一次世界大戰(zhàn)來臨了，霍姆斯的生活再次陷入困境，已經(jīng)擔(dān)負(fù)不起高昂的研究費(fèi)用。為了讓賢惠的妻子和年輕的兒子過上好點(diǎn)的生活，他再次背井離鄉(xiāng)，去了緬甸的一家石油公司擔(dān)任首席地質(zhì)學(xué)家，但事實(shí)證叫這又是一個(gè)錯(cuò)誤的決定，沒有多久，公司破產(chǎn)了，已經(jīng)不能擔(dān)負(fù)雇員的工資。兩年后，他衣衫襤褸、神情落寞地回到了英國，而打擊更大的是，他年輕的兒子也因患了痢疾去世了。他窮困潦倒、舉步維艱，而且找不到一份合適的工作，被迫無奈之下，他開了一家專賣遠(yuǎn)東首飾的小飾品店，但他從未丟失成為偉大地質(zhì)學(xué)家的夢想。1924年，時(shí)來運(yùn)轉(zhuǎn)，首先妻子又為他生了一個(gè)兒子，再是杜倫大學(xué)（DurhamUniversity）新成立了地質(zhì)系，邀請(qǐng)他去當(dāng)系主任。

地幔對(duì)流理論的提出

1922年從緬甸回到英國后，霍姆斯發(fā)現(xiàn)有關(guān)地球年齡的爭論平息了，即使那些最為固執(zhí)的保守派也接受了他測出的地球年齡，但另一個(gè)爭論又出現(xiàn)了：大陸漂移。當(dāng)時(shí)在歐洲只有一小部分地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為這種理論是正確的，但更多的地質(zhì)學(xué)家不相信，因?yàn)槿狈τ行У膭?dòng)力學(xué)機(jī)制?；裟匪乖俅握驹诹藭r(shí)代的前列，長袖舞冬風(fēng)，自大陸漂移理論提出之日起，他就是堅(jiān)定的支持者與捍衛(wèi)者。多年來在放射性、地質(zhì)年代、巖石成因等方面的工作使他對(duì)地球內(nèi)部作用過程有了更為深入的理解，并且首次提出了地幔對(duì)流理論，用以解釋陸塊裂解、海底形成、地殼重熔與大陸漂移。但這種認(rèn)識(shí)在隨后的30余年中被忽視，霍姆斯不為所動(dòng)，固執(zhí)己見，并將這種理論灌輸給他的學(xué)生。

霍姆斯在杜倫大學(xué)呆了19年，在這個(gè)過程中，他慢慢成長為全英國為數(shù)不多的具有深邃宏觀思維的地質(zhì)學(xué)家。1932年，在持續(xù)尋找簡單測年技術(shù)的同時(shí)，他提出了針對(duì)巖石成因的初始值概念（initial ratios），這個(gè)思想奠定了今天同位素地球化學(xué)的基礎(chǔ)。

1938年，霍姆斯的第一任妻子因病去世，1939年他娶了第二任妻子，也是一名地質(zhì)學(xué)家，在困苦中他又尋找到了幸福。第二次世界大戰(zhàn)期間，他寫出了享譽(yù)世界的經(jīng)典地質(zhì)學(xué)教科書《普通地質(zhì)學(xué)原理》（Principles of Physical Geology），并且影響了一代代的地質(zhì)學(xué)人，足可以與萊伊爾的《地質(zhì)學(xué)原理》和修斯的《地球的面貌》相媲美，但直到1944年，這本書才出版。

離開杜倫大學(xué)后，霍姆斯去了愛丁堡大學(xué)（Edinburgh University），在那里他被任命為“皇家教授”（regius professor），雖然身體每況愈下，但他還是完成了對(duì)他而言最重要的一些工作，包括地球年齡測定、地質(zhì)年代表、前寒武紀(jì)地質(zhì)學(xué)、非洲地質(zhì)學(xué)，看來在莫桑比克的工作為他深深地打上了地質(zhì)歲月的烙印。

霍姆斯天生就是思考地質(zhì)大問題的思想家與哲學(xué)家，他的許多想法都超越了時(shí)代，并執(zhí)著如一，即使遭到攻擊誹謗，也從不動(dòng)搖?；裟匪故切疫\(yùn)的，他看到了板塊構(gòu)造的霞光，1963年海底擴(kuò)張理論被提出，1965年，在霍姆斯與世長辭前幾個(gè)月，他的《普通地質(zhì)學(xué)原理》第二版出版了，荒廢達(dá)30年的地幔對(duì)流理論在板塊構(gòu)造理論體系下有了用武之地。

今天霍姆斯被認(rèn)為是20世紀(jì)最偉大的地質(zhì)學(xué)家之一。多年以后，劉易斯（C.Lewis）這位做過幾年小本生意但對(duì)巖石和化石感興趣的女士決定將她的余生投身于地質(zhì)學(xué)，當(dāng)了解了霍姆斯的工作后，她開始了對(duì)他的研究，并在2000年撰寫出版了有關(guān)霍姆斯的第一本傳記《霍姆斯傳記》（The dating Game：OneMan's Search for the Age of the Earth）。

質(zhì)譜儀的發(fā)明、同位素分餾的發(fā)現(xiàn)、測年方法的拓展、測試技術(shù)的提升等使地質(zhì)年代學(xué)走在了時(shí)代的前沿，蓬勃發(fā)展。打開每一本地質(zhì)雜志，幾乎都能尋覓到地質(zhì)年代學(xué)的身影。中國已經(jīng)擁有了世界上最好的儀器設(shè)備，所測試數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度不容置疑，但如何融匯這些數(shù)據(jù)，并納入宏觀與微觀思維體系，使之有充分的地質(zhì)意義，則需要中國的地質(zhì)工作者不懈的努力。

關(guān)鍵詞：放射性 地球年齡 地質(zhì)年代學(xué) 地幔對(duì)流 地質(zhì)學(xué)