深 時
地球的一生廣博而深邃,其時間尺度大到超出人類的想像。幾個世紀以來,通過研究岩石和化石,我們得以拼湊出地球數百萬年的歷史和發展進程。長期以來,人類一直試圖通過觀察地貌來了解世界,直到近幾百年,我們纔了解地球表面被多次塑造和重新排列的神奇方式,以及這種方式是如何塑造芸芸眾生的。
從熔融的內部到堅硬的外殼,整個地球都是由岩石構成的。通過研究岩石和化石(地質學和古生物學),人類對地球的形成和發展有了深入的了解。盡管我們已經掌握了這些信息,但要理解地史,即深時(deep time),依舊很難,因為它遠遠超出了人類的經驗範疇。
地質學家研究地層組成、年齡和分布,從而闡明諸如板塊構造、氣候變化、生命起源及進化的過程。地質學的原理看似簡單,實則繁復,因為在深時裡,堅硬的岩石可以像水一樣流動,也可以像紙一樣皺縮。新岩石的形成伴隨著舊岩石被吞噬的過程。與此同時,化石的分布是不均勻的,這不僅體現在化石所處的空間位置上,還體現在化石所代表的特定時間段上。此外,有骨骼的動物比沒有骨骼的動物更容易形成化石。大約300 年前,人類開始認真思考這些謎題。在更早的時候,人類就嘗試著解讀世界,比如將山頂上的貝殼解釋為古代洪水留下的證據,以及用神話來解釋在草原絲綢之路上的沙漠中發現的恐龍骨骼。
地質年代
地質年代是用於描述地球 46 億年生命中事件發生的時間,它被分割成極為精細的尺度,從宙、代到紀,再到期。其中大部分是由歐洲地質學家命名的,並根據他們在地層中觀察到的明顯變化來定義,比如從石灰岩到砂岩的突然轉變,或者化石新種的出現。隨著我們對地質過程的深入了解,有關這些時間尺度的細節不斷完善,年代也越來越精確。
科學家使用的現代時標被稱為年代地層表(chronostratigraphic chart),它綜合了多種來源的信息,包括岩石和化石中素的年代測定。盡管科技日新月異,地質年代背後的一個關鍵原則仍是對生物的化石研究,以及它們是如何在深時出現、發生變化和消失的。
地層裡的故事
關於岩石的早記錄來自古希臘和古羅馬,那時的人研究了石頭、金屬和礦物,並認識到地球隨著時間的推移發生了巨大變化。大 1000 年,波斯和中國的學者通過地層的成分來推測地貌的形成過程。11 世紀的自然科學家伊本·西拿(Ibn Sīnā)是伊斯蘭世界偉大的學者之一,他認識到岩石的沉積和山谷的形成需要無比漫長的時間。在中國,瀋括也注意到了沉積和侵蝕的過程,貝類化石更是表明中國內陸的部分地區曾經是海洋。
詹姆斯·赫頓(James Hutton)是西方地質科學領域的主要人物,被稱為“現代地質學之父”。與先前的偉大學者一樣,赫頓也觀察到了侵蝕和沉積現像,並意識到岩石當時的狀態揭示了其形成過程。他還提出了關於深時的新觀點,並認識到地層可以抬升、傾斜和折疊,從而形成山脈、山谷以及復雜的地貌。人們對地質過程的認識也由此進入了新階段。
層層疊疊的岩石
地球上的岩石類型主要有火成岩(岩漿岩)、沉積岩和變質岩三種。火成岩來自地表以下,要麼由噴出地表的岩漿冷凝而成,要麼由侵入地殼的岩漿凝固而成。沉積岩則積聚在地球表面,由被侵蝕的岩石和礦物的碎片、生物化石或化學沉澱物(如碳酸鹽)組成。變質岩一開始是火成岩或沉積岩,在壓縮或加熱等作用下發生了變化。當岩石直接接觸到熾熱的岩漿或者像油灰那樣被折疊、壓制和擠壓時,它就會變質。變質通常意味著岩石化學成分的改變,礦物在重新排列時會形成新的紋理和圖案。
地質學中重要的原理與了解地層所處的地質年代密切相關。沉積岩一層一層地疊在一起,就像一層又一層的蛋糕。古老的地層在底部,越往上,地層越年輕。地層中的化石展示了生物的演變歷程,而隻存在於特定時期的指準化石(index fossils)可以用來確定地層的年代。然而,在漫長的歲月裡,地層可能會傾斜或折疊,並將較老的地層推到較新的地層上面,沿著蘇格蘭西北海岸分布的莫因衝斷帶就是一個典型例子。地層也會被雨雪衝走,在岩石記錄中留下缺口。火山活動會將岩漿閃電般注入已經存在的地層。地表的裂縫、斷層線和板塊構造會使地層相互移動,形成復雜且混亂的模式。解釋這些模式是一項復雜而艱巨的工程,隻有將它們置於地球漫長的一生中,我們纔能真正理解它們。
躁動的板塊
大陸漂移是板塊構造機制的一部分,而板塊運動是塑造地球的基本過程之一。地球表面雖然看起來是一個固體塗層,但實際上是由岩石板塊組成的。地球上大約有 8 個主要板塊和幾十個較小板塊,它們會隨著地球熔融內核的沸騰和攪動而不停地移動。地球內核的熱量產生了對流,使這些板塊在數百萬年的時間裡分分合合。由於厚度不同,板塊之間會相互滑動或者向上折疊和擠壓,從而形成山脈。在板塊交彙和分離的地方,如環太平洋火山地震帶,火山和地震會頻繁發生。
許多較大的板塊都包含一個古老的核心,後者被稱為克拉通。克拉通是地殼中古老的部分,其中一些形成於 40 億年前,即地球誕生後不久。通過研究克拉通,地質學家已經能夠拼湊出地球的形成過程。在過去的 35 億年裡,尤其是在復雜生命出現之後,大陸板塊的移動對生物進化過程產生了巨大影響,其中包括創造了新的棲息地,形成了海洋又使其消失,改變了氣候,以及使生物相互隔離了數百萬年。