牛津通识读本：地球 [13]
那些岩石之所以泄露了自身年龄的秘密，要多亏在其晶格中圈闭了铀原子的锆石矿物颗粒，铀原子经过衰变，最终变成了铅。这些颗粒难免会因为再熔化、后期生长，以及宇宙射线损伤而受到影响，但澳大利亚研发的一种名为“高灵敏度高分辨率离子探针”的仪器，可以使用氧离子窄射束来轰击锆石的微小部分，以便对颗粒的不同区域单独进行分析。某些颗粒的中心部分显示其地质年龄高达40.55亿年，使得它们荣膺地球上最古老岩石的称号，并以自身的存在证明了地球形成不到5亿年即出现了大陆这一结论。
一粒沙中见永恒
但仍有诱人的证据表明，还有些历史更为久远的老古董。在澳大利亚西部，珀斯市以北大约800公里的杰克山区有砾岩岩石，这是大约30亿年前的圆形颗粒和小鹅卵石固结在岩石中的混合物。在岩石的颗粒中间有锆石，这一定是更早期的岩石受到侵蚀而析出的。其中一颗测出的地质年龄是44亿年，而对结晶中氧原子的分析表明，当时的地表一定冷得足以让液态水凝结。这一研究表明，有些大陆出现的时间早得远超任何人的想象，它们在地球吸积的数亿年间就已出现；人们原以为当时的地球是个部分熔融、不适于居住的世界，看来这些发现也提出了与之相反的证据。
未来的超大陆
本章大部分篇幅都用来回望昔日的大陆圆舞曲了。但大陆仍在移动，那么在接下来的5000万年、1亿年甚或更远的未来，世界地图将会变成什么样？首先，合乎情理的假设是事物会沿着其当前的方向继续发展。大西洋会继续加宽，太平洋会收缩。曾经封闭特提斯洋的过程也会继续，阿尔卑斯山脉与喜马拉雅山脉之间的危险地带会发生更多的地震和山体抬升。澳大利亚会继续北移，赶上婆罗洲，继而转个圈撞上中国。在更远的未来，某些运动或许会反转。我们知道，大西洋的某个前身曾经开放过也封闭过，那么大西洋的洋壳最终会冷却、收缩，并开始再次下沉，或许会潜没到南北美洲的东岸下面，这些可能都无法避免。随后这些大陆会再度聚成一团。得克萨斯大学阿灵顿分校的克里斯托弗·斯科泰塞[32]预测，2.5亿年后会出现一个全新的超大陆——终极联合古陆，其间可能会有一个内陆海，那一切都将会是曾经不可一世的大西洋留下的遗物。
第六章
火山
永无休止的构造板块运动、山脉的抬升与侵蚀，以及生物体的演化，这些过程都只有在地质学的“深时”跨度上才能够得到充分认识。但某些正在我们这个星球上进行的过程可以在浓缩的刹那间把这一切在我们眼前铺陈开来，在便于人类观察的时间跨度上改变地貌、摧毁生命。那就是火山。把一个活火山地图叠加在世界地图上，可以清楚地看到构造板块的分界线，此二者的联系显而易见。例如，太平洋周围的火山带显然与板块边界相关。但流入这些火山的熔融态岩石是从哪儿来的？火山为何彼此不同：有些火山温和喷发，其熔融岩浆细水长流，而另一些的喷发则是毁灭性的爆炸？还有，某些火山远离任何明显的板块边界，例如夏威夷诸火山就位于太平洋中间，这又是怎么回事？
历史上不乏火山喷发目击者的记录和对这种现象的解释，其中有些是神话，有些是空想，但还有一些却惊人地准确。小普林尼[33]有关公元79年维苏威火山喷发的描述就是一份较为准确的记录。那场火山喷发毁灭了庞贝和赫库兰尼姆两座古城，他的舅舅老普林尼也不幸罹难。但在很长的历史时期中，人们并不了解火山喷发的原因，往往会认为火山喷发是火神或女神，如夏威夷女神佩蕾的杰作。在中世纪的欧洲，人们认为火山是地狱的烟囱。后来，有人提出地球是一颗逐渐冷却的星球，内部还有些残余的星星之火，通过裂隙的体系彼此相连。19世纪，我们如今所知的火山岩被普遍认为来自海洋的覆层，这就是所谓的水成论者，其理论与火成论者截然相反，后者认为这些岩石都是曾经熔融过的。在火成论者的理论发展和普及之后，很多人认为地球内部一定是熔融态的，这种观念直到地震学初露端倪之后才最终被抛弃。谜题之一是火山岩可以有不同的组分；有时甚至从同一个火山喷发出来的火山岩也是如此。查尔斯·达尔文等人首先提出，密度高的矿物结晶析出，沉入岩浆，所以熔融物的组分会发生变化。达尔文对加拉帕戈斯群岛火山岩的观测结果为此说法提供了证据。至于达尔文提出的有关大陆漂移的想法，则直到20世纪中叶阿瑟·霍姆斯提出有关固态地球地幔中存在对流的想法时，才算是朝着科学的真相迈出了坚实的第一步。
岩石是如何熔融的
了解火山的关键在于了解岩石是如何熔融的。首先，岩石不必完全熔融，因而虽说熔融的岩石造就了熔融态的岩浆流体，大部分地幔仍保持固态。这意味着这种熔融物的组分不一定与大部分地幔的组分相同。只要表层岩的矿物颗粒相交的角度——所谓二面角——足够大，岩石就像多孔的海绵一样，熔融物也就会被挤出去。计算结果显示出它如何流动聚集，并以类似波的形式相当迅速地上升，在表面生成熔岩；一般来说，当熔岩达到一定数量，火山就会喷发。
熔融并不一定需要温度上升，它也有可能是压力下降的结果。因此，炙热的固态地幔物质组成的地幔柱在其上升过程中，所承受的压力下降，就会开始熔融。在地幔柱的例子中，这种情况在地下极深处即可发生。夏威夷喷发的玄武岩中氦同位素的比率表明，其生成于地下150公里左右。那里的地幔主要由富含矿物橄榄石的橄榄岩组成。与它相比，喷发而出的岩浆含有较少的镁和较多的铝。据估计，仅需4%的岩石熔融，便可产生夏威夷的玄武岩。
在洋中脊系统之下，熔融发生的位置要浅得多。这里几乎没有地幔岩石圈，炙热的软流层靠近表面。这里较低的压力可导致更大比例的岩石熔融，或达20%-25%，从而以适当的速率提供岩浆来维持海底扩张，并生成7公里厚的洋壳。大部分洋脊喷发都无人察觉，因为它们发生在2000多米深的水下，迅速熄灭，形成枕状熔岩。但地震学研究表明，在部分洋脊，特别是在太平洋和印度洋，洋底数公里之下存在岩浆房，不过也有证据表明大西洋中脊下也有岩浆房存在。在那里，地幔柱与洋脊系统叠合，冰岛即是一例；那里产生的岩浆更多，洋壳也更厚，乃至升出海面形成了冰岛。
夏威夷
夏威夷大岛不仅居民热情好客，那里的火山也一样十分友善。希洛镇附近有一座4000米高的冒纳罗亚（Mauna Loa）火山，但若说镇子背后这座火山有可能爆发，其威胁可能还不如远处的地震引发的海啸。希洛镇的北面和西面坐落着夏威夷群岛的其他岛屿和天皇海山链，描摹出太平洋板块横越其下地幔柱热点的漫漫征途。夏威夷大岛的南方是罗希海底山，这是夏威夷火山中最新的一个。迄今为止，它还没有露出太平洋水面，但已经在洋底建起了一座玄武岩高山，不久以后几乎一定会变成岛屿浮出水面。夏威夷的熔岩流动性很强，可以覆盖大片区域，而不太可能形成非常陡峭的斜坡。这样的火山有时也被称为盾状火山，可以大范围溢流玄武岩。某个特定的岩浆流往往会生成一个环绕岩流的隧道，外壳虽然凝固，内部仍然继续流淌着岩浆。岩浆断流之后，排干了的隧道便保持着中空状态。
最后一座停止喷发的大火山——冒纳凯阿火山（Mauna Kea）是地球上晴天最多的地方之一，也是一个国际天文观测台的所在地。我到那里游历的一天晚上，通过望远镜看到了位于冒纳罗亚火山侧面的普奥火山口的一次剧烈喷发。第二天，我乘坐直升机低空飞越了刚刚喷发出来的熔岩流。打开舱门，能够感受到炙热岩浆的辐射热，有好几处仍在流淌着熔岩，空气中有一丝硫磺的气味。但一切看来都很安全，甚至在火山口上方盘旋也是如此，不过要避开烟气与蒸汽的热柱。附近的基劳亚破火山口现今有过多次火山喷发，但那里竟然还有一个观测台和观景台。每隔几个星期，游客就能目睹一次新的喷发，起先往往能看到一片火幕，伴随着许多沿着裂缝排列的灼热岩浆喷泉。火中并无一物燃烧，但通过灼热奔流的熔岩释放的火山气导致白热的蒸汽喷射到数十米甚至数百米的空中。火山喷发可能只持续几个小时。尽管有高空喷射，但由于熔岩的高度流动性，火山的喷发并不是特别容易爆炸。附近火山观测台的火山学家们可以穿着热防护服接近熔岩，甚至火山口。他们很可能已经通过灵敏的测震仪网络以及测量岩浆上升流所带来的地心引力变化，探测到火山口的岩浆上升。有时，他们还能够从火山口直接采集未经污染的火山气样本并测量熔岩的温度。火山喷发的温度大约是1150℃。
普林尼式火山喷发
火山喷发的性质取决于岩浆的黏性及其所含的溶解气体和水的容量。在喷发早期，地下水全部会被飞速闪蒸成为水蒸气。随着压力的释放，气体从溶液中挥发出来，迅速扩张，有时甚至会爆炸。四下流淌的玄武岩中所含的气体适量，就能产生夏威夷的火喷涌现象。如果气体含量更大，会携带着细碎的火山灰和火山渣等固态物质。当岩浆仍含有大量气体时，初期的喷发会更加剧烈。如果它有时间在相对较窄的岩浆房沉积下来，表现就会温和得多。有时，气体和火山灰高高升入空中，导致火山灰在空中大面积扩散。公元79年，人们目睹的维苏威火山喷发即是如此；这种现象被称为普林尼式火山喷发，得名于普林尼对其舅舅遇难情景的描述。
图17 以形状（不按比例尺）划分的主要