牛津通识读本：地球 [4]
首次基于地质学估计地球年龄的认真尝试是1860年由约翰·菲利普斯所为。他估计了当前的沉积速率和所有已知地层的累积厚度，估算出地球的年龄将近9600万年。威廉·汤普森——后来的开尔文勋爵——继承了这一观点，基于地球从起初的熔融态炙热球体冷却所需的时间，做出了估计。值得一提的是，他起初估算出的地球年龄也是非常接近的数字，即9800万年，不过后来他进一步推敲，将其缩短至4000万年。但均变论者和查尔斯·达尔文认为他们估算的年代还是太近，基于达尔文提出的自然选择演化论，物种的起源需要更长的时间。
20世纪初，人们认识到额外的热量或许来自地球内部的放射现象。因此，基于开尔文的构想，地史学得以拓展。然而，最终促使我们如今对地球年龄进行日益精确估计的，还是对放射现象的理解。很多元素都以不同的形态或同位素的形式存在，其中一些具有放射性。每一种放射性同位素都有其独特的半衰期，在此期间，该种元素任意给定样品的同位素均可衰变一半。就这种同位素本身而言，这没有什么用处，除非我们知道衰变开始时的准确原子数量。但通过测量不同的同位素的衰变速率及其产物，就有可能得到异常精确的年代。20世纪早期，欧内斯特·卢瑟福[15]宣布，某种名为沥青铀矿的放射性矿物，其一份特定样品的地质年龄有7亿年之久，比当时很多人认为的地球年龄要长得多。此言一发即引起了巨大轰动。后来，剑桥大学物理学家R.J.斯特拉特[16]通过累计钍元素衰变所产生的氦气证明，一份来自锡兰（今斯里兰卡）的矿物样品的地质年龄已逾24亿年。
在放射性测定地质年代方面，铀是一种很有用的元素。铀在自然界有两种同位素——它们是同一元素的不同形式，差别仅在于中子的数量，因而原子量也有差别。铀238经由不同的中间产物最终衰变成铅206，其半衰期为45.1亿年，而铀235衰变成铅207，其寿命不过7.13亿年。对从岩石中提取的这四种同位素进行比率分析，加之以衰变过程中产生的氦气累计，就可以给出相当准确的年代。1913年，阿瑟·霍姆斯[17]使用这一方法，首次准确估计了过去6亿年间各个地质时期的持续年代。
放射性测定地质年代技术的成功在相当程度上得益于质谱仪的效力，这种仪器实际上可以将单个原子按重量排序，因而使用非常少量的样品即可给出痕量组分的同位素比率。但其准确性取决于有关半衰期的假设、同位素的初始丰富度，以及衰变产物随后可能发生的逸出。铀同位素的半衰期令其很适合用于测定地球上最古老的岩石。碳14的半衰期仅为5730年。在大气层中，碳14由于宇宙射线的作用而不断得到补给。一旦碳元素被植物吸收，植物死亡后，同位素不会再得到补给，从那一刻起，碳14的衰变就开始了。因此，用它来测量诸如考古遗址的树木年龄等再合适不过了。然而事实上，大气层中的碳14含量是随着宇宙射线的活动而变化的。正因为已知树木的年轮就可以独立计算出年代，我们才知道可以用碳14作为测定工具，并对长达2000年的碳定年予以校正。
地质柱状剖面
仔细观察某个崖面上的一段沉积岩，能看出它包含若干层。有时，与洪水和干旱相对应的年层是肉眼可见的。更多时候，地层代表成千上万甚至数亿年间偶然发生的灾难性事件，或者缓慢而稳定的沉淀，紧随其后发生的环境变化会导致岩石层略有不同。如果古岩石片段纵深很长，像美国亚利桑那州的大峡谷那样，则表示有数亿年的沉积。人类天生喜爱分门别类，多层沉积岩显然很能迎合这一癖好。但在观察一个体量狭窄的平层崖面时，人们很容易忘记这些岩层在全世界范围内并不是连续的。整个地球从来没有被类似沉积岩那样的单一海洋浅覆层覆盖过！正如现今地球上有河流、湖泊，还有海洋、沙漠、森林和草原，远古时期也一样，那时地球上也存在着一系列壮观的沉积环境。
地质年代的主要分期
19世纪初，英国土木工程师威廉·史密斯首先了解到这一点。他当时在为英国的新运河网勘探地形，发现国内各地的岩石有时会包含相似的化石。在某些情况下，岩石的类型相同，而有时只是化石相似。史密斯以此为依据，为不同地方的岩石建立关联，并设计出一个全面的序列。最终，他发表了世界上第一张地质图。20世纪人们又测定出很多地质年代，加之不同大陆间的岩石被关联起来，就能够发布一个单一岩层序列，用来代表整个世界范围内的各个地质时期了。我们如今所知的地质柱状剖面是多种技能相结合的产物，推敲经年，并经国际协作，达成了一致意见。
地质年代的主要分期
图5 地质年代的主要分期（不按比例）。所列年代（位于右侧，以距今百万年为单位）是2000年国际地层委员会表决通过的
灭绝、非均变，以及大灾难
显然，地质柱状剖面中的某些变化更加剧烈，人们根据这一便利，将地质历史划分为不同的代、纪和世。有时，岩石性质会发生突然而显著的变化，跨越了某一地质历史界限，这表明环境出现了重大变化。有时会发生所谓的非均变，是由诸如海平面变化等原因导致的沉积作用中断，因而要么沉积作用终止，要么岩层在柱状剖面延续之前便被侵蚀殆尽。化石所记录的动物区系的重大变化也是这类突变的标志，很多物种灭绝了，新的物种开始出现。
地质记录中出现的几次间隔突出显示了其间发生的严重的大规模物种灭绝。寒武纪末期和二叠纪末期都以海洋无脊椎动物中将近50%的科类物种和高达95%的个体物种的灭绝为标志。在标记了三叠纪后期和泥盆纪后期的物种灭绝期间，分别有大约30%和略低于26%的科类物种消失了，但是，距今最近也最著名的大规模消亡则发生在6500万年前的白垩纪末期。所谓的K/T界线[18]之所以举世皆知，不仅因为在此期间最后一批恐龙灭绝，还因为它为该物种灭绝的原因提供了充分证据。
来自太空的威胁
沃尔特[19]和路易斯·阿尔瓦雷茨[20]首先提出，恐龙灭绝可能是天体碰撞的结果，此提法起初并没有多少科学依据。但是，他们随即发现，在地质柱状剖面中的那一个时间点上，沉积物窄带中富含铱，这是某些类型的陨石中富含的元素。但没有发现那一时期的撞击坑的迹象。再后来，证据开始出现，不是来自陆地，而是在墨西哥尤卡坦半岛离岸很近的海中，这一掩在海下的撞击坑直径达200公里。在广阔得多的区域还发现了碎片的证据。如果像科学家们计算的那样，这一地点标记了直径或达16公里的小行星或彗星撞击地球的位置，其结果的确会是毁灭性的。除了撞击本身的影响及其所导致的海啸，如此众多的岩石也将会蒸发并散布在地球的大气层中。起初，气候会无比炎热，辐射热会引发地面上的森林火灾。灰尘会在大气层中停留数年之久，遮天蔽日，造成环球严冬，导致食用植物和浮游生物大量死亡。撞击地点的海床含有富硫酸盐矿物的岩石，这些物质会蒸发，并导致致命的酸雨，从大气层中冲刷而下。如果发生了这样的灾难还有任何生物幸存下来，才真是令人称奇。
来自内部的威胁
我们曾一度很难理解物种大规模灭绝究竟是如何发生的，而如今出现了很多彼此对立的理论，又让人不知道该信哪个好了。这些理论多涉及剧烈的气候变化，有些由宇宙撞击或海平面、洋流和温室气体的变化所引发，还有些是由诸如漂移或重大的火山活动等地球内部的原因所导致的。的确，我们所知的大多数物种大灭绝似乎至少都与溢流玄武岩大喷发大致同时发生。在白垩纪末期，正是这些大喷发在印度西部产生了德干地盾。甚至还有一种观点认为，小行星的一次大撞击引起了在地球另一侧聚焦的冲击波，从而引起了大喷发。但是时间和方位看来并不足以支持那种解释。无论是何原因，生命和地球的历史总是不时被一些灾难性事件打断。
混乱占了上风
我们都记得过去十年左右所经历的极端气候事件，像是最寒冷的冬天、洪水、暴风雨，或是干旱等等。若把时间推回到一个世纪之前，恐怕只有那些更大的事件才会令人印象深刻。专家在规划水灾的海岸维护与河流防线时，经常会使用“百年不遇”的概念；这些防线的设计要经得起百年一遇的洪水才行，它们很可能比十年一遇的洪水要严重得多。但如果把考察的时间延展到1000年或100万年，总还会有更大、更严重的事件。据某些理论家所言，从水灾、暴风雨和干旱到地震、火山喷发和小行星撞击皆是如此。在地质历史的尺度上，我们可要小心点儿才是！
更加深邃的时间
书本中经常列出的地质时期表只会回溯到大约6亿年前寒武纪开始的时间，而忽略了我们这个星球40亿年的历史。正如美国加州大学的比尔·舍普夫[21]教授所说，大多数前寒武纪岩石的问题，在于它们无法鉴定——乱七八糟，没有任何方法可以识别。地球内部持续的构造再处理，以及地表风化和侵蚀的不断打击，意味着好不容易幸存下来的大多数前寒武纪岩石都有着严重的折痕和变形。不过，在大多数晴朗之夜，人们都可以看见有40多亿年历史的岩石——得要举头望明月，而不是低头看地球。月球是个冰冷死寂的世界，没有火山和地震、水或气候来改换新颜。它的表面覆盖着陨石坑，但其中大多数都是在月球形成的早期发生的，当时太阳系里还充满着飞散的碎片。
至于在地球上幸存下来的前寒武纪岩石，它们诉说着一个古老而迷人的故事。它们并不像达尔文猜想的那样全无生命的痕迹。的确，在前寒武纪末期，从大约6.5亿年前到5.44亿年前，曾经出现了各种怪异的化石，特别是在澳大利亚南部、纳米比亚和俄罗斯等地。在那以前似乎有过一个特别严酷的冰河作用时期。有人使用了“雪球地球”这种说法，表示环球的海洋在当时有可能全部冻结。对生命而言，那必定是一个重大的挫折，并且没有多少证据能够证明在此之前出现过多细胞生命形式。但大量证据表明那时已经出现了微生物——细菌、蓝藻细菌和丝状藻类。澳大利亚和南非有距今大约35亿年的丝状微化