飞扬的地质年代

宋建潮

霍姆斯天生就是思考地质大问题的大思想家与大哲学家，他的许多想法都超越了时代，并执着如一，即使别人攻击诽谤，也从不动摇。

地质学天生与哲学、物理学捆绑在一起，关于地球的年龄，二百多年来一直是科学上争论不休的问题。虽然古代文明国家的一些教士与哲人提出了某些关于地球历史的见解，但在地质学成为独立的研究领域之前，这个课题并没有进入科学的范畴。在18世纪中叶之前，关于地球的起源与其后的历史，还属于神学关心的一类问题。1650年大主教厄谢尔（A.J.Ussher）宣布：世界是在公元前4004年创造出来的。这种说教在大多数英文的圣经中以旁注的形式出现，严重阻碍了许多早期地质学家的思想，使他们成为神学的偏见的牺牲品。

地质学的兴起

地质学作为一门科学的兴起，一般都会联想到苏格兰赫顿（J.Hutton）的工作，他强调造成地球表面形态缓慢而连续的作用过程的重要性，并在1785年发表的《地球的理论》一书中提出了均变论的概念。这种说法提出之后曾受到官方头领的强烈抨击，但之后越来越多的地质学家慢慢开始接受均变论，并坚信累积厚度达数英里的沉积岩是需要漫长的时期才能形成的。1830年，伟大的地质学家莱伊尔（C.Lyell）发表了他的《地质学原理》第一卷，其中的许多观点都是运用均变论原理来解释的，由此也诞生了地质学上的伟大名言“现在是了解过去的一把钥匙”。

地球明显古老的特点与均变论的原理，受到英国19世纪后半叶最杰出的物理学家汤普森（W.Thomp-son）的意外攻击，他又被人尊称为开尔文勋爵（LordKelvin）。他根据太阳的发光度、地球的冷却史和月亮潮汐对地球转动速度的影响，推断出地球的年龄不可能大于1亿年。汤普森对地质学的介入，在大约长达50年的一段时间内，深深地影响了地质学中关于地球年龄的认识。汤普森的论据似乎不可反驳，而这些论据与均变论不相一致，许多地质学家委曲求全，人为加快地质作用，以便适应只有几千万年的地球历史。正在地质学家对地球的年龄处于彷徨无奈、郁闷枯寂之时，放射性被发现了，由此带来了地质年代学的春天，掀开了新的篇章。

放射性与地质测年

1895年，德国物理学家伦琴（W.Roentgen）发现了轰动世界的X射线，这激励了一直从事紫外线照射铀盐引起发光研究的法国物理学家贝克勒尔（H.Becquerel），他随后发现铀的盐类发射出一种类似X射线的辐射，于是放射性被发现了。在随后的10年里，许多科学家研究放射性，有些甚至付出了生命的代价，由此奠定了现代物理学和地质年代学的基础。

1891年，年轻的玛丽·居里（M.S.Curie，即居里夫人）从她的出生地波兰来到了巴黎索尔邦纳学习，并且与在这里工作的皮埃尔·居里（P.Curie）结了婚。贝克勒尔的发现使居里夫人决定致力于系统地探索元素及其化合物的放射性研究。她注意到天然的铀、钍矿物比纯铀、钍的盐类具有更强的放射性，在分析了取自捷克阿希姆斯塔尔（Joachimsthal）矿山的沥青铀矿矿物后，发现了两种新的元素，她将之命名为钋（polonium）和镭（radium），并根据镭的放射现象创造了“放射性”这个词。由于她终生研究放射性元素，受辐射影响，导致患上了白血病，于1934年去世。

1902年，新西兰物理学家卢瑟福（E.Ruther-ford）和其搭档，“同位素”一词的提出者索迪（F.Soddy）证实放射性产生于不稳定元素衰变为稳定元素的过程，并注意到氦（He）是铀（U）的衰变产生的。卢瑟福意识到可以用He/U比值测定某些天然矿物的年龄，由于He的扩散逃逸，测得的He/U比值往往很低并不可靠。1904年，美国化学家博尔特伍德（B.Boltwood）发现了多数老的铀矿物中U/Ra比值是个常数，1905年他又根据对沥青铀矿的仔细的化学分析，推测铅（Pb）是U衰变的稳定的最终产物。1907年，博尔特伍德发表了根据U/Pb比值做出的三个沥青铀矿样品的年龄测定，年龄范围从4.10亿年到22亿年，这些年龄都是同位素被发现以前测定的，而且缺乏具体的地质意义，但开启了使用U-Pb法测量地质年代的大门。就在此时，对地质年代学做出伟大贡献，并使其发展成一门学科的最为伟大的地质学家之一——霍姆斯（A.Holmes）登场了。

霍姆斯与地质年代学

霍姆斯1890年出生于英国东北部工业重镇盖茨黑德（Gateshead）的一个谦和、忠诚信奉卫理公会的家庭。他的中学老师喜欢把他们带到汤普森那里听报告，还让他们熟悉了瑞士地质学家修斯（E.Suess）所做的地质工作及其著述的地质学伟大之作《地球的面貌》（The Face of the Earth），从此霍姆斯对物理和地质产生了兴趣。在17岁时，他考入了伦敦帝国理工学院（Imperial College）学习物理学，第二年他又学习了地质学课程，拒绝了物理导师的建议后，他义不容辞地踏入了地质学领域。

由于当时卢瑟福的He/U比值法测定的矿物年龄都为最小年龄，霍姆斯决定寻找一种更好的稳定的测年方法。受博尔特伍德提出的Pb是U的最终衰变产物的肩示，开始尝试用U-Pb法进行测年，并测定出某泥盆纪岩石的年龄为3.7亿年。那时他只有21岁，在以后的岁月中他最喜欢不断给地质年代表增加更为精确的时间尺度，因此他也被称为“地质年代表之父”，今天所使用的地质年代表正是霍姆斯及其后来地质工作者不断努力的结果。1913年，他出版了《地球的年龄》（The Age of the Earth）一书，推断地球的年龄为16亿年，那时他只有23岁，却成为世界范围内地质年代学领域的权威。当然反对的声音也很强烈，许多地质学家坚信地球年龄不超过1亿年的观点，16亿年对他们来说是个难以想象、过于漫长的时间。后来1913年也被认为是地质年代学的开端，2013年迎来了该学科的百岁寿辰，地球科学领域的《元素》（Element）杂志曾专刊对地质年代学的历史与发展进行了详细介绍。

在伦敦时，霍姆斯只能以每年60英镑的奖学金勉强维持生计，为了摆脱经济困境，他谋求到了一份到非洲莫桑比克寻找矿产的上作。在半年多的时间里，几乎一无所获，更不幸的是，他还染上了疟疾，关于他死亡的通知已经通过电报送到了他英国的家中。上帝和他开了一个玩笑后，把他从鬼门关拽了回来，他立即搭乘船只返回了英国，开始给像杜托特（A.L.Du Toit）这样的地质学家写信，想获得用于测年的矿物。“我搞地质的两大志向：一是细化地质年代表，二是发现世界范围内前寒武纪岩石的相关性”，这位在莫桑比克被地质弄得差点儿丢掉小命的年轻人发出了这样的人生感慨。依靠这种执着的信念，霍姆斯作为帝国理工学院的一面旗帜，几乎单枪匹马撑起了尚处于婴幼儿期的地质年代学这门学科。

第一次世界大战来临了，霍姆斯的生活再次陷入困境，已经担负不起高昂的研究费用。为了让贤惠的妻子和年轻的儿子过上好点的生活，他再次背井离乡，去了缅甸的一家石油公司担任首席地质学家，但事实证叫这又是一个错误的决定，没有多久，公司破产了，已经不能担负雇员的工资。两年后，他衣衫褴褛、神情落寞地回到了英国，而打击更大的是，他年轻的儿子也因患了痢疾去世了。他穷困潦倒、举步维艰，而且找不到一份合适的工作，被迫无奈之下，他开了一家专卖远东首饰的小饰品店，但他从未丢失成为伟大地质学家的梦想。1924年，时来运转，首先妻子又为他生了一个儿子，再是杜伦大学（DurhamUniversity）新成立了地质系，邀请他去当系主任。

地幔对流理论的提出

1922年从缅甸回到英国后，霍姆斯发现有关地球年龄的争论平息了，即使那些最为固执的保守派也接受了他测出的地球年龄，但另一个争论又出现了：大陆漂移。当时在欧洲只有一小部分地质学家认为这种理论是正确的，但更多的地质学家不相信，因为缺乏有效的动力学机制。霍姆斯再次站在了时代的前列，长袖舞冬风，自大陆漂移理论提出之日起，他就是坚定的支持者与捍卫者。多年来在放射性、地质年代、岩石成因等方面的工作使他对地球内部作用过程有了更为深入的理解，并且首次提出了地幔对流理论，用以解释陆块裂解、海底形成、地壳重熔与大陆漂移。但这种认识在随后的30余年中被忽视，霍姆斯不为所动，固执己见，并将这种理论灌输给他的学生。

霍姆斯在杜伦大学呆了19年，在这个过程中，他慢慢成长为全英国为数不多的具有深邃宏观思维的地质学家。1932年，在持续寻找简单测年技术的同时，他提出了针对岩石成因的初始值概念（initial ratios），这个思想奠定了今天同位素地球化学的基础。

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，也是一名地质学家，在困苦中他又寻找到了幸福。第二次世界大战期间，他写出了享誉世界的经典地质学教科书《普通地质学原理》（Principles of Physical Geology），并且影响了一代代的地质学人，足可以与莱伊尔的《地质学原理》和修斯的《地球的面貌》相媲美，但直到1944年，这本书才出版。

离开杜伦大学后，霍姆斯去了爱丁堡大学（Edinburgh University），在那里他被任命为“皇家教授”（regius professor），虽然身体每况愈下，但他还是完成了对他而言最重要的一些工作，包括地球年龄测定、地质年代表、前寒武纪地质学、非洲地质学，看来在莫桑比克的工作为他深深地打上了地质岁月的烙印。

霍姆斯天生就是思考地质大问题的思想家与哲学家，他的许多想法都超越了时代，并执着如一，即使遭到攻击诽谤，也从不动摇。霍姆斯是幸运的，他看到了板块构造的霞光，1963年海底扩张理论被提出，1965年，在霍姆斯与世长辞前几个月，他的《普通地质学原理》第二版出版了，荒废达30年的地幔对流理论在板块构造理论体系下有了用武之地。

今天霍姆斯被认为是20世纪最伟大的地质学家之一。多年以后，刘易斯（C.Lewis）这位做过几年小本生意但对岩石和化石感兴趣的女士决定将她的余生投身于地质学，当了解了霍姆斯的工作后，她开始了对他的研究，并在2000年撰写出版了有关霍姆斯的第一本传记《霍姆斯传记》（The dating Game：OneMan's Search for the Age of the Earth）。

质谱仪的发明、同位素分馏的发现、测年方法的拓展、测试技术的提升等使地质年代学走在了时代的前沿，蓬勃发展。打开每一本地质杂志，几乎都能寻觅到地质年代学的身影。中国已经拥有了世界上最好的仪器设备，所测试数据的精准度不容置疑，但如何融汇这些数据，并纳入宏观与微观思维体系，使之有充分的地质意义，则需要中国的地质工作者不懈的努力。

关键词：放射性 地球年龄 地质年代学 地幔对流 地质学