第3章地球的起源和历史

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前两章的内容涵盖了几十亿光年的广大区域，其中包含着如海滩沙粒般无数颗恒星。在第2章结束的时候，我们将镜头推向了一个星系——银河系。在本章中，我们将缩小到更小的范围，亦即一颗恒星和它的行星。在这个极小的范围里，我们把自己的恒星设想为“太阳”——它似乎是我们宇宙的主宰者。因此，许多人间宗教把太阳视为至高无上的神灵也就不足为奇了。但是，地球是我们生活的地方，许多宗教认为地球是母亲和养育者，希腊人称她为“盖娅”。

我们的地球与太阳系中的其他行星、卫星一样，都是太阳诞生之际的副产品。在恒星形成的过程中，尽管引力并不是唯一活跃的作用力，却在总体上支配着整个过程。20世纪60年代以来，通过人造卫星，我们间接地游历了太阳系的许多地方，使我们对于太阳系形成过程的理解发生了彻底的变革。

太阳系

太阳系中的行星，也包括我们的地球，都是在距今大约45.6亿年前与太阳同时诞生的。它们的年龄大致是整个宇宙年龄的1/3。对太阳的成分和运动，以及太阳系中的行星、卫星和陨石，再加上新近观察到的邻近恒星的行星的研究，使我们对太阳系的形成的解释有了极大的信心。但是，在一些细节方面仍有许多不明确之处。

年表3.1 地球、生物圈和“盖娅”的尺度：45亿年

太阳包含了太阳系中大约99.9%的物质。如今引起我们注意的是余下的0.1%，因为正是从这些微小的残余物中诞生了包括我们地球在内的所有行星。我们已经知道，随着物质云的收缩，引力会使它们旋转、变平，变成圆盘状。太阳星云，亦即形成我们太阳系的气体和尘59埃也不例外。太阳的形成经历了大约10万年，巨大的引力把太阳星云内的绝大部分物质拉到了中心。但是由于离心力的作用，一些尘埃和气体在一定的距离上环绕太阳运行，就像大型气态行星如土星、木星、天王星和海王星的行星环一样。我们之所以能够知道这些，完全有赖于天文学家于20世纪90年代末在银河系恒星周围首次设法观察到了新形成的类似圆盘。太阳星云几乎全由氢元素和氦元素组成（约占其质量的98%），剩余的一小部分为其他元素。

随着太阳的燃烧，太阳星云的内圈要比外圈更热。这些热量使较不稳定的物质（气体）远离内部区域。但在更远的区域，大概从即将形成的木星轨道开始，寒冷的温度使这些气体凝结为液体或固体。因此，在内层轨道上多为岩石物质，而大多数的不稳定物质则堆积在远离太阳的外圈。这就合理地解释了为何太阳系内侧的行星多为岩石，而外侧行星（自木星以外）大多是由氢和氦这些在地球上以气态形式存在的物质所组成的。同时，这也是外侧行星体积相对较大的原因：木星的质量是地球的300多倍（尽管它的体积只是太阳的1/1000），土星的质量几乎是地球的100倍。（冥王星由于远远小于我们的月球，已经不再算作真正的行星，而被视为现存最大的小行星。）水（冰）是所有简单化合物中最为普通的，由两种最活跃的元素氢和氧构成。因此，远处那些由固态水组成的行星，必定比水以气态存在且很容易被驱散的行星体积要大得多。外侧行星的巨大质量也使它能更方便地“捕获”类似氢和氧那种即便在极端低温下仍保持气态的物质。时至今日，太阳系内的行星已被分为两大类：内圈是体积较小、由岩石构成的行星，密度超过3克/立方厘米，而外圈是体积巨大的行星，其密度略低，小于2克/立方厘米。

尽管不同轨道上的温度和物质各不相同，但每条轨道上的物质微粒都会相互碰撞，或者因引力而结合在一起。有时，它们由静电力黏合在一起——这种力能使一根摩擦过的琥珀棒吸起许多纸屑。天文学家称之为吸积（accretion）机制，由德国哲学家康德于1755年首先猜测到，在这种温和的碰撞中形成了相对较软的小岩石块。这些小岩石块就像滚雪球一般，逐渐变成如同陨石一样的物质，然后变成小行星。小行星像碰碰车一样无序运行，经常相互碰撞。随着它们慢慢变大，碰撞也开始变得更为激烈。在10万年中，曾经存在过许多较小的小行星，其中最大的直径可达10千米。如像哈雷彗星这样的彗星，很可能就是太阳系早期历史阶段的残余，因而它们有助于我们想象早期小行星的样子。然而，残留至今的彗星，部分受到正在形成中的超级行星木星引力的影响，不是在更加靠近中心的轨道，就是在更加偏远的轨道上运行。因此，它们避免了与其他行星结合在一起。几十亿颗彗星仍在以海王星为界的外侧行星之外的所谓的奥尔特云（Oort cloud）中沿着各自的轨道运行，与地球的距离是太阳至地球距离的35倍多。这类天体通常很小，但也有些相对较大，如喀戎彗星（Chiron），其直径约为200千米。

在太阳形成之后大约10万年，新形成的太阳向内侧轨道喷射残留的气体和尘埃，被称为金牛座T型星风（T Tauri wind）。这种现象通常与年轻的恒星有关。也许，金牛座T型星风还将小行星表面年轻的大气一扫而光，这些大气最终形成了地球。留在内层轨道上的是一些固态小行星，它们的体积较大，故而没有受到太阳风的影响。渐渐地，在所有轨道上，最大的小行星将其他略小一些的物体吸入它们的引力网，直到它们引力所及的范围内所有物质都被吸收干净。这样，也许在太阳形成后100万年中，出现了差不多30颗体积与月球或火星相近的原行星；每一颗原行星都占据着一条特定的轨道，在最初的太阳圆盘的平面上做圆周运行。亿万年之后，最终形成了我们今天所看到的行星系统。

近日行星（水星、金星、地球、火星和小行星）主要由硅酸盐（硅和氧的化合物）、金属和被引力所固定的气体构成。例如地球，它由氧（近50%）和少量的铁（19%）、硅（14%）、镁（12.5%），以及其他多种化学元素组成的。在火星和木星之间的那些小行星，可能是受邻近木星强大引力的影响而“失败”的岩石行星的残留物。最大的行星木星形成的速度比较快，大约比地球早诞生5000万年，甚至更早。[1]庞大的体积足以使它的内部开始产生核反应。木星几乎就是一颗小恒星，但还是属于行星。如果木星再大那么一点儿，那么太阳系将会有两颗恒星，太阳系的结构和历史也将会改变。行星的运行将不那么稳定，而且在任何一颗行星上都不可能出现生命。

在所有大型行星（特别是土星）周围，存在着圆盘状的物体，这表明它们都十分巨大，能够形成自己的星云，就像刚刚诞生的恒星一样。事实上，木星的星云和太阳的星云非常相似，因此内层的卫星木卫一和木卫二是岩石，而外层卫星却更接近于气体，这很可能是因为该行星在早期将气态元素排斥到外层去了。

我们的太阳系在宇宙中是独一无二的呢，还是十分普通的呢？直到最近，哪怕是离我们最近的恒星，天文学家仍然没有直接观测其周围行星的手段。种种迹象表明，太阳系可能是与众不同的，甚至是唯一的。然而，1995年，天文学家通过精确测量恒星运行中微小的摇摆，找到了一颗围绕另一颗恒星旋转的行星。在接下来的6年中，又发现了将近70颗行星。1998年5月，哈勃太空望远镜似乎拍摄到了第一张行星照片。这颗行星非常巨大——体积为木星的3倍——似乎是被金牛星座的双子星抛射出来的。[2]天文学家们还拍摄到了类似形成期太阳系的圆盘状吸积。这些证据表明，太阳系可能是极其普通的，尽管它们相互之间的实际构造可能相去甚远。如果真像最近的证据所表明的那样，只要有10%的恒星有行星围绕，那么，仅在银河系内部就会有数十亿个类似太阳系的恒星系。这意味着我们生存其间的这个天文龛，在宇宙范围内虽然与众不同，但并非绝无仅有。仅在银河系内，理论上存在生命的行星系统就可能数以百万计。这是否意味着生命在宇宙中是很普通的呢？我们将在第4章讨论这个问题，我们还将考察生命本身是如何在地球上出现的。

早期地球：熔融及冷却

吸积是一个无序和剧烈的过程，小行星的体积越大、引力越强，便越是如此。在每一条轨道上，小行星之间的碰撞产生了巨大的热量和能量。许多行星奇特的倾斜和自旋告诉我们，在某个阶段这些行星就像台球一样遭到某种类型的另外一个大型天体的撞击，这便证明了这些过程是多么剧烈。只要观察一下月球表面就可以看到关于这些过程的证据。由于月球没有大气层，其表面未被腐蚀，因此保留了早期历史的痕迹。在月球表面，深深地烙下了数百万颗流星撞击的痕迹，在晴朗的夜晚，甚至可以用肉眼看到。在地球的早期，大约也经历了10亿年这样剧烈的撞击过程，直到地球将自己轨道中的其他物质全部清除干净。地球早期“冥古代”的暴烈情形说明了那一时期（参见附录一，表A1）保留下来的证据为何如此之少的原因。大约10亿年后，撞击不再那么频繁。当然，有些小行星一直存在到今天。因此，撞击仍会发生，有些甚至在地球历史上扮演了重要角色。但是这样的撞击比起冥古代时代要少得多了。

早期地球没有多少大气层。在没有达到一定体积之前，地球引力不足以阻止气体被驱逐到太空中去，而太阳风早已把大部分的气态物质从太阳系的内层轨道上吹走了。所以，我们必须将早期地球想象为岩石、金属以及被吸引住的气体的混合体，不断受更小的行星的撞击，没有多少大气层。早期地球对于人类而言实在是个地狱般的地方。

随着地球达到它应有的体积，热量开始增高，一方面是因为与其他小行星的撞击，另一方面是因为随着体积的增大其内部压力也在增大。此外，早期太阳系中存在着大量放射性物质，它们在太阳诞生前不久的超新星爆炸中形成。早期地球的热量大部分留存到了今天，不过，随着时间的流逝，大量热量从地核深处渗出地表。随着地球温度的升高，地球内部熔化。在熔融的内部，不同的元素由于密度不同，在一个被称为分异（differentiation）的过程中被分离开。在太阳系形成4000万年后，大部分偏重的金属元素，比如铁和镍，像炽热的淤泥一般陷入地心，这样就形成了一个以铁元素为主的地核。这个金属的地核使地球产生特有的磁场。在我们这个行星的历史上，磁场起到至关重要的作用：它可以使来自太空的高能粒子偏转方向，以确保最终产生生命的精密化学反应顺利进行。

较重的物质渐渐沉入地心，而轻一些的硅化物则浮出表面，这个过程就好似在今天炼钢炉内发生的情况一样。密度较高的硅化物形成了地核与地壳之间大约厚达3000千米的地幔。在彗星的撞击下，地球表面伤痕累累，温度升高，使得最轻的硅化物浮到了地表，在这里它们要比地球内部的物质冷却得更快。这些被称为花岗岩的较轻物质，形成了大约35千米厚的大陆地壳。相对整个地球而言，这层地壳就像蛋壳一样薄。海底地壳（大部分由火山岩构成）更薄，大约只有7千米厚。从地表到地球核心的距离大约为6400千米。这样，即便是大陆地壳也仅仅是其到核心距离的1/200。大部分早期的大陆地壳保存至今。最古老的大陆地壳在加拿大、澳大利亚、南非和格陵兰的部分地区还可以找到，距今大约有38亿年的历史。

最轻的物质，包括氢气与氦气，从地球内部冒向表面。因此我们可以认为早期地球的表面是一片火山岩的大地。我们通过分析火山口生成的气体混合物，可以精确地判断是哪些气体冒到了地表。它们包括氢、氦、甲烷、水蒸气、氮、氨气和硫化氢。其他物质，包括大量的水蒸气，是彗星撞击所带来的。大部分的氢和氦逃逸了，但当地球完全形成时，它还是大到足以用引力场保留住剩余的气体，从而形成地球第一个稳定的大气层。大部分甲烷和硫化氢转化成了二氧化碳（CO2），二氧化碳很快就在当时的大气层中占据了优势。在一个充满二氧化碳的大气层里，天空看上去是红色的，而不是我们今天所看到的蓝色。然而，随着地球的冷却，集聚在大气中的水蒸气转化为一场持续几百万年的滂沱大雨。大雨造就了最早的海洋。最早的海洋在35亿年前形成，因为我们知道那时已经有活的有机体存在；它们的出现说明地球表面温度已经降到了100℃以下。海洋溶解了大气中的二氧化碳，人们所看到的天空渐渐变成了蓝色。

地表的液态水对我们而言具有十分重要的意义，这意味着地球的温度已经适宜于构成最早生命形式的复杂而脆弱的分子的出现。地球温度对于生命为何如此仁慈？原因至今不明。也许在所有恒星系中都存在这样一个有限地带——与恒星保持一定距离，而不至于使水沸腾，却又比较接近恒星而获得热量，使生命得以出现。然而我们知道大气并不是按照简单、可预测的规则进化的。早期金星的大气层可能和地球相同，但是厚厚的云层和更多的太阳辐射形成了温室效应，最终使金星表面温度达到了水的沸点。金星因此成为不毛之地。火星由于体积较小、引力较弱，所以尽管过去可能拥有稠密的大气层，如今却也几乎消失殆尽。也许就是因为各种环境条件的罕见结合才使得地球适合生命生长，这说明尽管宇宙有数十亿颗行星，也只有极少的一部分有可能存在生命。[3]就像我们将要在第5章中看到的那样，生命一旦形成，它们便把地球当成自己的家，改造大气和地表，使之更适宜于生命的存在。

早期地球大气中的许多成分（包括其中大部分的水），以及形成生命最初形式的有机化学物质，可能是地球历史上第一个10亿年中彗星撞击所带来的。[4]这种持续撞击也可以解释月球形成的过程，月球可能形成于太阳系诞生之后5000万到1亿年之间。对于月球岩石的研究表明，月球的密度要比地球小一些，铁的含量也少得多。这种差异可以解释为地球在“分异”过程完成之后，曾遭到一颗火星般大小的原行星的撞击。撞击对富含铁质的地核影响不大，却从早期地球的地幔和地壳中掘出了部分物质。这些碎片像土星圆环一样围绕着地球运行，逐渐增长，最终合并成一个整体，形成月球。

因此，在太阳系形成10亿年后，地球有了一个温度极高的铁的地核、高温半液态的地幔，还有薄而坚硬的地壳和广阔的海洋，以及主要由氮气、二氧化碳、水蒸气所构成的大气层，还形成了自己的卫星月球。对我们来说，这里是一个炎热的、危险的和令人讨厌的地方，淹没在持续的酸雨中，周期性地被彗星或小行星撞击所形成的火山熔岩所覆盖。但是地球拥有促使最早期的生命形式进化和繁荣的一切因素。最重要的是，地球拥有液态水，因为它的位置距离太阳不远不近，既避免了水沸腾而变为蒸汽，又可以确保水不会凝结成冰。

早期地球的证据

我们怎么知道这么多关于早期地球的知识？当然，在我的叙述中包含有一些思辨的因素，但那也是以大量可靠的材料为基础的。有两类材料极为重要，需要更加详细的探讨。

我们只能钻入地球很浅一层，要研究地球深处，就必须使用间接的方法。很幸运，探测地球内部的各种方法作为地震研究的副产品而获得进展。地质学家用测震仪这种测量剧烈震动所引起地球突然震动的仪器来研究地震。在地表不同位置摆放测震仪，就可以精确地描绘这些震动，指出震源、震级和类型。当然，也可以描述这些震动波是如何在地球内部传播的。这些研究证明，在不同类型的物质中，传播方式是不同的；由此，可以描绘地球是由哪些地层所组成的。（参见图3.1）

更为令人注目的是，我们能够确定过去数百万年甚至数十亿年前的事件发生的准确时间。事实上，为在遥远的过去所发生的事件——包括早期地球历史中的事件——提供确切的时间，是当代最激动人心的创世神话之一（参见附录一）。

图3.1 地球内部的结构

我们还没有能力深深穿透到地球内部，但可以利用震波，即地震产生的震动，来断定那里有什么。有三种震波：主波、次波和表面波。每一种波都有不同的移动速度，在通过不同物质时受到的影响也不同。所以，通过分析不同震波到达地表的速度，可以知道大量有关地球内部结构的情况。该图显示测震仪所记录的图表上方的那次地震。改编自切萨雷·埃米利亚尼：《科学指南：通过事实、数字和公式探索宇宙物理世界》第2版（纽约：约翰·威利出版社，1995年），第174页；亦改编自阿瑟·斯特拉赫勒（Arthur N. Strahler）：《地球科学》第2版（纽约：哈珀和罗出版社，1971年），第397页，图23.22；第395页，图23.17

以前，要推算遥远的时间，只能手头有什么办法就用什么办法。[5]家谱曾经是确定过去年代的一种最重要的方法。在17世纪的欧洲，神学家利用《旧约全书》中的家谱计算上帝何时创造了世界。18世纪末，地理学家学会了通过研究在不同地层发现的化石和岩石的类型，来确定远古时代重大地理事件的相对年代。虽然相对年代无法告诉我们某一动物生存的准确时间，也无法说明某块岩石形成的准确时间，但它却能表明事物出现的先后顺序。利用特定的化石精确地测定其相对年龄，古生物学家对此已十分在行。专家手上的某种特殊类型的三叶虫或者被称为笔石的古生物所留下的奇特的锯齿状痕迹，可以证明来自世界不同地方的岩石是否大致处于同一时代。这些技术被用来绘制最初的地理时间表，使我们知道各种岩层和不同生物出现的大致顺序（参见附录一，表A1）。到了19世纪，即使是这种粗陋的技术，也表明地球的历史已远远超过了6000年。尽管如此，绝大多数科学家仍坚信地球存在的时间最多不超过几亿年。

相对断代法越来越精确，而且仍是判断岩石年代的有力手段。但20世纪出现的同位素年龄测定法，则堪称断代技术中最重要的革命。在很多情况下，这些技术能使我们以惊人的精确度断定某一特定物体形成的确切年代。因此，利用这种方法，我们也可以测定许多在人类诞生前所存在事物的绝对和相对年代。关于同位素年龄测定法，在附录一中有详尽的说明。

在建构有关地球形成的现代故事中所使用的年代，主要是通过对至今仍在太阳系中漂移的物质所做的分析得来的。地球表面的物质，甚至地球深处的物质，彼此循环非常频繁，根本不能告诉我们地球形成最初阶段的情况。地球上最古老的、能够确定年代的岩石（来自格陵兰岛）年龄大约在38亿年，这是地球形成大约8亿年之后。想知道地球和太阳系是何时形成的，我们必须利用那些从太阳系最初形成至今没有丝毫改变的物质。陨石（特别是那些被称为球粒状陨石类型的陨石）十分适合我们的研究，因为它们似乎含有太阳星云的残骸，而太阳系正是诞生于这片星云之中，而且它们形成后基本没有发生改变。同位素年龄测定法通常测得陨石形成的年代大致是45.6亿年前，这并不令人惊奇。最古老的月球岩石形成于相同的年代。这些年代值非常接近，并且太阳系里找不到比这个年代更古老的物质，这说明太阳系本身也是于45.6亿年前形成的。

现代地质学的起源

今天的地球有着蔚蓝的天空、富氧的大气层、高山、大陆和海洋，它是怎样从酷热的早期地球发展而来的呢？

20世纪60年代以前，地理学和地质学早已是非常成熟的研究领域，积累了大量关于地形和海洋构造方式的坚实证据。但它们缺乏一个核心的、系统的理论来解释地球如何从早期恶劣的环境转变为今天这个样子的。60年代末，随着板块构造论的出现并被大众所广泛接受，地球科学获得了如同天文学中大爆炸理论那样强有力的核心观念或范式。从此，我们第一次有可能连贯而科学地讲述有关地球历史的故事。

近代地质学传统发源于欧洲，因此受到了上帝创世神话的巨大影响。但是，正如我们所看到的，地球是上帝于6000年前创造的这一信仰早在17世纪便受到了动摇。丹麦科学家尼古拉斯·斯泰诺（Nicholas Steno）首先指出，化石是曾经在地球上生活过的生物遗留下来的。他同时认为，山川是在一段漫长的时期里，由类似火山活动的地质过程堆积而成的。这些观点意义重大。例如，这说明了在阿尔卑斯山高处所发现的鱼化石是上古时期鱼的遗迹。对于这样的事实，若摒弃奇迹的解释，只能假设阿尔卑斯山是从水底抬升起来的。而且，想要将这个过程浓缩在6000年内，而不考虑在这期间是否发生过一系列巨大的灾难，则是非常困难的。实际上，确有一些地质学家以《圣经》中的大洪水为模式，论证地球在历史上发生了许多巨大的灾难。至少在某些范围内，这样的学说便将《圣经》的编年史一直捍卫到了19世纪。

但是地质学家则变得越来越怀疑了。在18世纪，一些地质学家开始对不同的岩层进行系统勘察。19世纪的地质学家查尔斯·赖尔（Charles Lyell）首先清晰地阐述了日后被称为均变论（uniformitarianism）的原理。斯泰诺早就提出过这一原理，认为地球并非经历了一系列巨大的灾难而形成的，而是在漫长的时期中形成的。其中包括抬高现有陆地高度的火山活动（volcanic activity），以及将物质从高地缓慢冲刷到洼地，最终流入海洋的侵蚀活动。赖尔认为，一种运动造就了山脉，另一种运动则倾向于将山脉削平，现今地球上绝大多数的地貌都可以解释为这两种运动相互对立的结果。在一本奠基性的论著《地质学原理》（1830年）中，赖尔将这一理论的言外之意讲得很清楚：地球已经存在了数百万年而非几千年。

到了19世纪晚期，人们普遍认为地球已经存在了至少2000万年甚至1亿年。这些数据是威廉·汤普森［William Thompson，即开尔文勋爵士（Lord Kelvin）］推算出来的。他设想地球和太阳曾经是熔融的球体，温度极高，随后慢慢冷却。照此而言，地球历史的决定性因素乃是延续数百万年的冷却过程。随着地球的冷却，经过火山活动和侵蚀活动，便出现了如今沧海桑田的构造。直到20世纪初发现了射线活动，居里夫人发现放射性物质能够产生热量，人们才认识到太阳和地球自身就拥有热量源。这意味着地球的冷却速度远比开尔文勋爵所估计的要慢，而且其年龄要比他所推算出的传统说法要古老得多。

魏格纳和现代板块构造论

与此同时，17世纪一次离奇的观察，促使思想家们开始用一种完全不同的方法来描绘地球的历史。欧洲人开始航行美洲和太平洋后，制作出了第一批现代意义上的世界地图。1620年，英国哲学家弗朗西斯·培根指出，从这些地图上很容易看到，各个大陆就好像一幅拼图玩具的碎块。其中非洲西海岸与南美洲东海岸是如此吻合，实在让人感到吃惊。只需发挥那么一点点的想象，我们就可以假定在某一时期所有的大陆原为一个整体。那么，怎样解释这一不同寻常之处呢？

大陆是漂移开来的。德国地质学家魏格纳（Wegener）于1915年撰写了《大陆和海洋的起源》一书，为这一观念提供了充分的科学基础。魏格纳依据大量证据证明，所有的大陆曾经是聚合在一起的。他指出，如果用大陆架来替代各大陆的海岸线，那么大陆之间的吻合程度更令人激动不已。此外，他还指出，许多现代的地质特征，在一块大陆与另一块大陆之间具有连续性。例如，他描述了一系列岩石结构，它们被称为冈底瓦纳大陆序列（Gondwana sequence），它们显然全部是由冰山活动造成的。这一序列首先从北非延伸出来，经过西非，到达南美，又经南极洲，最后进入澳大利亚。魏格纳论证道，正是这些地区在漂移过南极的时候形成了这些地质特征。换句话说，各个大陆并非一直位于它们现在的位置，而是在地球表面“漂移”着。因此，魏格纳的理论被称为大陆漂移说。

魏格纳的证据给人留下了深刻的印象，但是他无法解释诸如非洲、亚洲或者美洲这样的大陆板块是如何在地表移动的。因此，很有影响力的美国石油地质学家协会于1928年正式拒绝魏格纳的理论。在此后的40年中，大多数地质学家把这一理论看作是一个有趣的假设，他们为魏格纳发现的异常情况寻找比较常规的解释。大陆为什么能在地球表面移动？它们又是如何移动的？直到第二次世界大战之后才可能对此进行解释。一旦有了合理的解释，魏格纳的思想即重新赢得了大家的尊敬。实际上，只是略加补充了一些现代成果，它们现在就已成为当代地质学的核心理论——板块构造论。

现代板块构造论起源于第二次世界大战期间发展起来的技术。新的战争形式推动了探测潜艇的声呐技术的发展。运用声呐技术可使海底勘测比过去任何时候都更为彻底。当海洋学家开始仔细勘查海底时，一些奇怪的地貌出现了。其中之一便是有一条海底山脉，穿越大西洋中央，也穿越了其他海洋。海岭中央是火山链，喷涌而出的熔岩堆积在两旁的海床上。

研究海岭附近海床的磁场，揭示出了更加奇异的现象。靠近海岭的岩石一般都有正常的磁性取向，而较远地带的极性则往往与如今地球的磁场相反，它们的北极正是地球的南极，反之亦然。在更远的地带极性又一次颠倒了过来，如此形成了一系列极性交替的地带。地质学家终于认识到，地球的极性似乎每隔几十万年就会改变一次，这说明不同地带是在不同时期产生的。此外，更精确的断代技术被运用于海底勘测，显然最年轻的海底接近于大洋中央海岭，越往边缘年龄越为古老。距离中央海岭最远的那些区域就是最古老的海底。它们的年龄最多只有2亿年——这比距今大约40亿年最古老的地壳要年轻得多。

20世纪60年代，以美国地质学家哈利·海斯（Harry Hess）的工作为出发点，这些奇异现象开始得到连贯有理的解释。从各个大洋系统的裂缝中不断渗出的熔岩一直在形成着新的海底。这些区域被称为扩展边缘（spreading margin）。新的海洋地壳形成之后，它耸立成玄武岩山脊，就像一个楔子那样，将原先存在的海底顶开。结果，有些海洋，例如大西洋，在逐渐地扩张。卫星观测显示，大西洋正以每年3厘米的速度扩张，与我们手指甲的生长速度大致相同。这说明大西洋形成于大约1.5亿年前，从那时起，今天属于北美洲的部分区域开始脱离今天欧亚大陆的西端。

这些证据并不表示地球在膨胀，因为地质学家发现在南美洲西海岸等地区，海底正在被吸入地球内部。那些地区被称为缩减边缘（subduction margin）。在那里，由于板块间的碰撞，海底地壳受其他地区海底的挤压而插入大陆地壳之下。构成海洋地壳的玄武岩，主要是由火山爆发而生成，比构成大陆地壳的花岗岩更重。因此，当海洋地壳与大陆地壳碰撞时，较轻的大陆地壳往往叠在海洋地壳之上。海洋地壳伸入大陆地壳之下，最终钻入了地球内部。（这一持续循环的过程说明海洋地壳比大陆地壳年轻得多。）下沉的海洋地壳与它上面的大陆板块和下面的物质挤压摩擦，产生巨大的热量和压力。在南美洲，这些热量与海洋和大陆的地壳活动所构成的一系列火山运动，最终造就了安第斯山脉。

在某些被称为碰撞边缘（collision margin）的特定区域内，大陆地壳挤压在了一起。最惊人的例子位于印度北部，在那里，印度次大陆板块被推向亚洲板块，两大板块受到挤压而形成了巨大的山系（即喜马拉雅山脉）。最后，还有一些地区，例如加利福尼亚的圣安德列斯山脉，那里的板块似乎是在相互滑动。大多数板块运动都会造成地震，由于板块与其下面物质之间的摩擦力，使得板块运动不可能是平静的：通常在压力积累了较长时间之后会突然发生滑脱。因此，从理论上说，那些地震活动最为剧烈的地区正是各大构造板块的边缘。

通过对不同地壳相接触区域的详细测绘，显示了地球的最表层（岩石圈）是由一些坚硬板块构成的，就像破碎的鸡蛋壳。总共有八块大板块和七块小板块，还包括一些更小的物质裂块。这些板块在大约100—200千米厚的柔软岩流圈（asthenosphere）之上移动。板块受到岩流圈内部运动以及物质由地球深处板块之间断裂处（有时甚至是板块内部）涌出的压力推动，就像一锅正在慢慢炖煮的汤，表面浮着一层渣沫。由于柔软、炎热而又有延展性的物质不断从下方涌出，坚硬的板块因此而弯曲、开裂和移动。换句话说，正是地球内部的热量，为板块的移动提供了所需的能量。热量产生于地球内部的放射性物质，而这些物质又形成于太阳系诞生之前的超新星大爆炸。这就是魏格纳未能发现的地质原动力：他无法预见到的是46亿年前超新星爆炸所残余的能量推动着各大陆在地球上四处漂移。这就让我们再一次回到了引力，因为正是引力构成并摧毁了那颗在那次超新星爆炸中死亡的恒星。

板块构造理论为地质学的各个方面提供了统一的思想。它能解释造山运动、火山运动，也能解释魏格纳等地质学家所观测到的许多地质学异常情况。而且它表明，构建地表的历史在理论上是可行的，也可以展示不同历史时期地球表面的不同面貌。同时，更精确的测绘技术，例如全球定位系统（GPS），使我们能够准确测量各构造板块之间的移动。

地球和大气层的简史

板块构造理论以及我们关于地球形成的知识，意味着如今我们能够拥有一部合理而连贯的地球史。

地球历史上的冥古宙从45.6亿年前地球形成之际开始，延续了6亿年左右。[6]在这个时期，地表温度很高、火山活动频繁，极不稳定，同时它还不得不忍受彗星以及其他当时还幸存的小行星的持续撞击。

大约38亿年前，地质学家称之为太古宙的时期开始了，我们知道，此时大陆已在地球表面形成，因为一些古老的地壳保存至今。这时海洋也可能已经存在。当时的地球大气层主要由二氧化碳、氮气和主要由彗星带来的硫化氢组成。几乎没有氧气，因为氧非常容易与其他元素发生反应而形成化合物。大陆地壳的最初位置可能已经移动，我们无法确定构造板块的运作方式是否与今天完全相同。由于大气层和充足的水，侵蚀过程与地表变化或许和今天同样迅速。快速的侵蚀和彗星的持续撞击，解释了早期地表面貌曾多次改变却几乎没留下什么痕迹的原因。关于地球最早时期的历史，我们的知识仍是十分粗浅的。

大陆地壳最早的碎片可能形成了存在时间非常短暂的微大陆。它们被一片有着许多小火山岛和地下火山的海洋所包围。大约30亿年前，这些微大陆的一部分已经融合成了较大的板块，因为在大陆的核心，包括非洲、北美洲以及澳大利亚的一部分地区，至今还能找到如此古老的板块。不过我们能够准确重现其组合方式的，只有最近5亿年内地球表面的板块。

当代地质学描绘了一幅在过去几亿年里构造运动渐趋复杂的图景。

这些运动的发现，很大程度上得益于对那些已知年龄的现代岩石磁性取向的研究。由此可以大致估计这些岩石在最初形成时的位置。这样的研究表明，似乎存在一个分裂与聚合的简单模式。大约2.5亿年前，大多数的大陆板块聚合成一块被魏格纳命名为“泛古陆”的超级大陆。它被名为“泛古洋”的浩瀚大海所围绕。大约2亿年前，泛古陆分裂为两大块陆地。北面是劳亚古大陆（Laurasia），包括今天亚洲、欧洲和北美洲的大部分地区；南面为冈底瓦纳大陆（Gondwanaland），包括今天南美洲、南极洲、非洲、澳大利亚和印度的大部分地区。随后，劳亚古大陆和冈底瓦纳大陆各自开始分裂。而现在，我们则可能正处于一个大陆再次聚集的阶段：非洲和印度渐渐向北移动，往欧亚大陆靠拢。最新发现的证据证明，在泛古陆存在之前大约5亿年，地球上曾有一块更为古老的罗迪尼亚（Rodinia）超级大陆。[7]到目前为止，这是现代板块构造过程中我们所能追溯的历史最为久远的大陆（参见地图3.1）。

这是当代创世神话中至关重要的一段历史。因为，正如我们将在第5章看到的，在地球历史上的不同时期，正是由于大陆和海洋的构造形式刚好如此，生命形式才得以演化，大气层和气候才得以运转，这是至关重要的。通过这样或那样的方式，地球的历史塑造了生物体的进化。在接下来的两章里，我们将要探究生物体是如何使不断变化的地球成为它们的生存之所，以及在被薄薄的生物圈所覆盖后，地球自身又是如何变化的。

本章小结

太阳和太阳系是在大约45.6亿年前一片云状物质的引力坍缩过程中形成的。太阳形成于这片云的中央，并吸收了它的绝大部分物质。而散落在太阳以外的物质，围绕着新出生的太阳，在一个扁盘状的平面运行。在轨道内，由于碰撞和万有引力的作用，物质聚结成块状，最后每条轨道只留存了唯一的一颗行星体。由于太阳风将不稳定的物质驱出了太阳系的中心区域，近日行星就倾向于岩态，而远日行星则多呈气态。

地图3.1 地球的变化：5.4亿年间的板块运动

引自切萨雷·埃米利亚尼：《科学指南：通过事实、数字和公式探索宇宙物理世界》第2版（纽约：约翰·威利出版社，1995年），第82页；引自埃米利亚尼：《物理科学词典：术语、公式和材料》（牛津：牛津大学出版社，1987年），第48页，牛津大学出版社惠允使用

早期地球在形成后不久即呈熔融状，质量较重的物质沉到核心，而轻一些的物质浮到地表。大约40亿年前，地球的内部结构已经与今天相似。然而，地球表面及大气层却经历了一个极其漫长的变化过程，才成为我们今天所看到的模样。自从20世纪60年代板块构造学说出现之后，我们这才明确认识到大陆板块在地表缓慢移动，逐渐改变着大陆和海洋的构造。

第3章 地球的起源和历史

第3章地球的起源和历史