宇宙、地球和生命的进化:时间的1000个-第7章

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石物质，当氧化态的镍和铁被还原成金属时，由于系统里失去了氧，密度就增大了；当铁完全被还原时，行星密度将增高很多。进一步还原时，硅酸盐分解成元素硅并与金属铁结合成为硅铁；当硅酸盐被还原时，密度增大得更快了；当原始行星里硅总量的40％被还原时，相当于20％的硅参与形成硅铁。　

第31节：二、太阳系形成（9）


　　有了上面这些理论的支持，就可以细致地描述行星形成的过程。原始母星尘由于引力作用下落到生长中的行星核上时，主要以热能形式释放出引力势能。对地球来说，在吸积期间耗散的引力势能将越来越大。所以在行星吸积的早期阶段里涉及的能量很小，吸积相当缓慢。温度当然是低的，并被挥发物的汽化潜热所缓冲。挥发物主要是在星尘碰撞行星核表面时所排放出的水和甲烷。在这个阶段里，形成了一种冷的、氧化了的原始物质的核。当核的质量增大时，星尘下落的能量变得足以在碰撞时引起高温，使氧化的铁被碳所还原从而形成金属铁。伴随发生的是排放气体形成原始大气，主要是一氧化碳和氢。随着进一步生长，温度和还原的强度都增加了，在高温还原条件下比较容易挥发的金属（如钠、钾、铷、铅、锌、汞、铟和铊）挥发进入原始大气。　

　　根据上面描述的过程来看，地球是〃从里到外〃发育的。有一个含有某些挥发物的冷而氧化了的地核，越靠近地表面渐渐地越被还原，含的金属越多。这是一种引力尚不稳定的状态。在靠近地表面发生熔融时，金属分离形成团块，沉入下面，而且在地球内部流动进入地核。因此，地核形成过程是：不稳定的引力能的释放产生热，使地幔的有效〃黏滞性〃指数随温度升高而下降，从而相应地加快了各种纯粹金属（例如铁）的分离和进入地核的速度。结果是地球平均温度迅速升高到将近2000℃，使得各处都出现部分熔融和硅酸盐，它们从地幔外层汽化进入大气，在原来是冷的地核里氧化的铁和挥发物在非平衡条件下渗入地下，以后被铁下沉所驱动的对流作用搞得均匀了。这个过程的最终结果是产生一个大质量的、热的原始大气层，它的质量相当于地球质量的四分之一，主要由一氧化碳、氢气和已挥发的硅酸盐所组成。　

　　直到吸积结束后，这种大气在漫长的时间内从地球那里逸散一空。现在的大气和水圈（包括岩石里捕获了的挥发物），主要成分是水、二氧化碳和氮气，这些都是在以后阶段里从地球内部排放出来的。　

第32节：一、地球演义（1）


　　第三章　地球演义

　　一、地球演义　

　　地球的形成就像一部长篇历史小说，我们不妨称这部小说为《地球演义》。一部宏大的长篇小说需要分卷立册，卷、册之内又分章、回，使人读起来章回有序，前后衔接。同样，一部史书，也都要分朝划代，人们读后，人事清楚，前后贯通。那么，漫长的地质历史是不是也要分一分〃章回〃，划一划〃朝代〃呢？当然需要。可是，古时候人们的地质知识有限，只知道从山里挖出一些矿石和煤炭来冶铜炼铁，至于这些东西是何时形成的则很少去考虑。有时候人们在石头或煤层中发现一些古生物的化石，却也只能做一些猜测。什么地质历史，那时很少有人去注意和研究它。　

　　1．地球断代　

　　在人类开矿山、挖煤炭、修铁路的过程中，一些地质勘察队和地形测量队等深入到深山老林里勘测。18世纪初，英国一位名叫史密斯的年轻人在测量队里当〃标杆工〃，他每天扛着标杆在山上跑来跑去。这类工作确实单调无趣，可史密斯却是一个很有心的人，一有空闲就琢磨山上各种各样的石头。不久，史密斯担任了开挖运河的测量工作，使他有机会在新开运河的两岸清楚地看到了上下相叠的地层，它们的颜色、厚度和成分大不相同。他联想到仓库里在存放货物时，先搬进来的货物总是放在下面，而后搬进来的必须垒在上面。同样的道理，这些地层在形成过程中，底层的肯定先形成，年代要久远，而上层的必然后形成，年代要近。这就是后来地质学称为的〃地层层序规律〃。史密斯又根据自己的观察提出了一个很重要的推论：在下边古老的地层中，只能找到比较低等的古代生物化石，而上部较新的地层里，则含有比较高等的古代生物化石，并且每一地层都有它特有的化石。大多数情况下，依据这些化石就能够确定不同地点的地层是不是在同期形成的。史密斯的这个发现便是地质学所称的〃化石层序律〃。1799年，30岁的史密斯完成了世界上第一张最有系统的地层表…英国沉积地层表。　

　　2．地球断代表　

　　只用史密斯的方法去给复杂而漫长的地史分朝划代，研究早已逝去的〃亘古世界〃，显然是不够的。于是又有地质学家指出：今天是了解过去的钥匙。如果概括为四个字的话，就叫〃将今论古〃。也就是说，从今天的已知去推论古代的未知。举例来说，在今日的大海里生存着一些海生动物，而且每种海生动物对生活环境的要求，例如水深、温度和光线等，是各不相同的。如果我们在太行山的某一地层内找到了与现代类同的海生生物化石，毫无疑问就可以断定，在那久远的过去，这里必定是一片汪洋大海，并可以推断出当时海洋的一些基本情况。　

　　另外，随着古生物学的发展，人们认识到地质历史的动植物不仅是由低级向高级逐渐演化的，而且这一过程既有阶段同时又是不可逆的。一定种属的生物群总是埋藏在一定时代的地层里。换句话说就是，在相同地质年代的地层中，必定保存有相同或近似种属的古生物化石。这样就有可能依据古生物化石来确定地层的相对地质年代，并相互对比了。　

　　除此之外，地质学家又依据岩层的上下接触关系和构造变动等地质现象，把地质历史分成了几个大的阶段。从地质年代上讲，叫作〃代〃，而在这个〃代〃的时期所形成的各种地层，综合起来叫〃界〃。一个代又分成几个较小的阶段，称作〃纪〃（如你看过一部著名的影片《侏罗纪公园》，那么这个〃侏罗纪〃就是这样的一个纪，在那个纪里，恐龙的种族空前繁盛）。同样，在一个〃纪〃的时期内所形成的地层称为〃系〃，纪（系）又细分为〃世〃等等。　

第33节：一、地球演义（2）


　　在如何划分地质阶段和各个阶段的命名方面，起初地质学家们根据自己在某一个地区的研究起了许多各不相同的名称，直到1881年，各国地质学会在波伦亚举行第二次国际地质学会议时，才正式通过了目前通用的地层表的蓝本。以后又经过不断的修改和补充，才形成了我们今天通常使用的地质年代表。　

　　地球断代表　

　　太古代（距今36亿年～20亿年）＇细菌出现＇　

　　元古代（距今20亿年～6亿年）　

　　早元古代（距今20亿年～17亿年）　

　　长城纪（距今17亿年～14亿年）　

　　蓟县纪（距今14亿年～10亿年）　

　　青白口纪（距今10亿年～7亿年）　

　　震旦纪（距今7亿年～6亿年）＇无脊椎动物出现＇　

　　古生代（距今6亿年～2。25亿年）　

　　寒武纪（距今6亿年～5亿年）　

　　奥陶纪（距今5亿年～4。4亿年）　

　　志留纪（距今4。4亿年～4亿年）　

　　泥盆纪（距今4亿年～3。5亿年）＇鱼类出现＇　

　　石炭纪（距今3。5亿年～2。7亿年）　

　　二迭纪（距今2。7亿年～2。25亿年）　

　　中生代（距今2。25亿年～7000万年）　

　　三迭纪（距今2。25亿年～1。8亿年）＇爬行动物出现＇　

　　侏罗纪（距今1。8亿年～1。35亿年）＇恐龙繁盛＇　

　　白垩纪（距今1。35亿年～7000万年）　

　　新生代（7000万年前～今）　

　　早第三纪（距今7000万年～300万年）＇哺乳动物出现＇　

　　晚第三纪（距今300万年～200万年）　

　　第四纪（200万年前～今）＇人类出现＇　

　　3．地球时钟　

　　人们在没有找到一个可靠的方法去测定地球和地层的年龄以前，只知道下部的地层老，上部的地层新。就像只知道我国历史上汉朝比唐朝早，而唐朝又比宋朝早一样，到底它们距今多少年仍然是个谜。好在人类的社会历史一般都有文字记载，所以过去朝代的年代，翻开史书一查便知。而地球和地壳以及构成地壳的地层，它们是什么时候形成的呢？换句话说，它们有多大〃岁数〃？这成了地质学上一个令人头疼的问题，因为并没有谁会在遥远的古代用文字为我们记录地层的年代。长期以来，人们一直没有找到一个满意的办法来解决它。　

　　在1715年，有人假设原来的海水不是咸的，现在海洋中的盐是江河从陆地上带去的，那么，用全世界河流每年注入海洋的盐量去除现在海洋的总盐量，不就是海洋的年龄吗？但这个办法既不科学，也不可靠。后来又有人根据沉积岩层以及河流一年一度的洪水淤积下来的土层层数去推算地球年龄，结果误差太大，均以失败告终。　

第34节：一、地球演义（3）


　　能否找到一批准确记录地层的〃时钟〃呢？科学家长期以来像大海捞针一样，毫无结果。直到1896年法国物理学家贝克勒尔发现了铀元素具有放射性的性质，这个问题才开始有可能解决。两年之后，法籍波兰物理学家居里夫人从矿渣中提炼出了天然的放射性元素镭。人们逐渐知道了放射性元素有一个特殊的脾性…它一生从不间断地把自己的原子一个接一个地转变为另外稳定的新元素，这种现象叫作衰变。这种衰变是非常准确和可靠的，比如制造原子弹的铀，每经过22。5亿年便有恰好四分之一的铀变成了铅。再比如大气中由于宇宙射线产生的放射性碳，它在生物身体内的含量是一定的。当动物死后，它在转变为氮的过程中，经过5730年会毫厘不差地失去放射性碳原含量的一半。这样，如果科学家用精密仪器测出岩石或某种化石中含有的放射性元素的残留量以及所含的稳定元素含量，就很容易计算出这块岩石或者化石的年龄。　

　　放射性元素的衰变成了天然记录地球历史的〃时钟〃。使用上面的估计方法，科学家才能知道断代表里那些纪元距今多少年。如果没有这个〃时钟〃，如何确定数十亿年内某个时期的具体年代是一项可怕的工作。　

　　既然有了〃时钟〃，那么地球有多大岁数呢？关于地球的年龄有两种：若从构成地球的物质开始凝聚至现在来计算，叫作地球的天文年龄；如果从原始地壳出现，并开始了侵蚀、沉积和构造变动等地质作用至今来计算，叫作地球的地质年龄。　

　　近些年来，人们测得〃天外来客〃…落到地球上的陨石（俗称流星）…年龄为45亿～47亿岁。人类登上月球之后，又测得了月球的年龄是46亿岁。现在一般认为太阳系行星大致是同时形成的。由此推断，地球的地质年龄也有46亿岁上下。如果计算地球的天文年龄，就是用地球的地质年龄加上地壳形成之前构成地球的物质开始凝聚的那段时间，那么现在人们只能粗略估计地球的天文年龄大约为五六十亿岁。　

　　几十亿岁的时间有多长呢？有位学者打了一个比喻：在一块古老的陆地上耸立着一块巨大的岩石，它有100千米高，100千米宽，如果每隔1000年便有一只小鸟飞来在这块岩石上刮磨它的尖嘴，那么待到整块岩石被小鸟啄磨蚀尽时，这几十亿年的时间才算刚刚度过。　

第35节：二、生命之前（1）


　　二、生命之前　

　　地球最初也是由大大小小的太阳星云团聚集而成的，构成地球的所有质量在距今约47亿年前才基本确定了下来。那个时候地球还只是很多小行星的集合体，它们组成一个环状围绕太阳运行。这时的地球严格地说还不能称为地球，因为它还没有一个确定的核心（地核），所以称它为原地球。　

　　原地球在万有引力收缩条件下不断变热，当原地球内部温度达到足以使铁、镍这样带磁性的元素熔融的时候，这些小行星互相靠近的速度就加快了。因为小行星绕行太阳的速度有快有慢，所以它们最终能结合在一起，包围在同一个核心周围，而不是两个或更多。这些集中的物质很快就聚集在地心附近，形成地核。　

　　原始地核形成是地球历史最重要的事件之一。形成地核之后，整个地球是一个熔融状态的大液态球，要经过将近30亿年的时光变迁，这个大球才慢慢冷却。冷却先是从外部开始的。和炼钢厂刚刚出炉的液态钢水一样，首先冷却的是最靠外部的一层薄薄的壳，就像钢水表面快速凝结的一层钢壳一样，地球表面首先形成的就是薄薄的地壳。这层地壳保护了内部熔融状态的核心，所以内部的冷却开始变慢了，直到今天，地球的内部仍然是熔融的液体状态。　

　　跟月球和类地行星一样，原始地壳也经过了大量陨石的撞击和普通火山作用的改造阶段。那时候的地壳就像现在的月球和火星表面一样，也曾经布满大大小小的环形山和撞击地貌，但唯一不同的是地球表面开始有了两样关键的东西：大气和水。　

　　初始大气和水的来源有两个：一个是火山作用产生的，另一个是陨石带来的。无论是如何来的，大气和水的出现使地球马上处于一个非常特殊的地位，那就是这两样东西有很大可能带来一个奇迹…生命。　

　　1．50亿年前…原地球时代　

　　在地核形成以后，地壳还没硬结之前的地球还是一个混乱的世界，构成地球的各种物质元素仍处在分离过程中。地球如同一个出生不久的婴儿，还没有任何记忆力。一个气态和液态的地球还不能以任何方式给现在的我们留下任何资料和可供推论的痕迹。对那时候地球的情况，我们现在知道得很少。这个大约50亿年前地球发展的阶段（又称地球发展的天文阶段），仅仅是地球历史的〃序章〃，甚至还不是地球历史的开头。　

　　我们只能用现有的知识来推断当时的情况，根据我们现在地球的状态，我们可以想象当年地球的运动和现在相比改变得应该不太多。现在的地球正在侧着身子一刻不停地围着太阳绕圈子（天文学称为公转，公转一圈是地球上的一年），所以童年的地球也一定在侧着身子一刻不停地围着太阳绕圈子，而且现在的地球还同时由西向东进行自身旋转（天文学称为自转，自转一圈是地球上的一天）。我们没有理由认为地球在当年的某个时刻是向着相反方向由东向西转，所以童年的地球也一定是由西向东自转着。　

　　但是，那时候的地球自转速度比现在快得多。那么它到底有多快呢？　我们知道，宇宙间任何两个天体之间都由于万有引力的作用而互相吸引，地球和太阳之间、地球和月球之间都有一个相互吸引的力。太阳虽然比月球大得多，但月球距地球比太阳距地球近好多。因此，月球对地球的影响更大一些。我们知道，月球也在围绕着地球转动。所以任何时候，地球总有一面向着月球，而有一面背对着月球。别小看这点差异，月球对地球正面和背面的物质，特别是海水的引力是不同的，这种差别形成了引潮力。所以，地球上的海水随着地球自转出现了海面昼夜周期性的涨落现象，这就是潮汐的来源。如果你生活在海边，你会知道每到一定时刻，例如黄