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“自然界以节奏振动，气候的和营养不良的节奏，这些节奏在地层学上的表达范围从地表水的快速振荡（记录在波纹状痕迹中）到那些长期推迟的深层囚禁的泰坦的搅动，这些搅动将地球历史划分为时期和时代。时间的流逝是通过复合节奏的编织来衡量的——白天和黑夜、平静和风暴、夏天和冬天、出生和死亡——这些在人类短暂的生命中都能感受到。但是，地球的历程退回到遥远的地方，与这些较小的周期相比，对于测量时间的深渊来说是无效的，就像昆虫翅膀的拍打对于人类历史来说是无效的一样。因此，我们必须找出那些较长节奏的性质，人类在科学之光的照耀下试图了解地球之前，这些节奏的存在是未知的。其中较大的节奏必须用较小的节奏来衡量，而较小的节奏必须用年来衡量。沉积作用受它们控制，地层序列构成了记录，写在石板上，记录了这些较小和较大的波浪，这些波浪在整个地质时期中脉动。地质时间的测量在地质学和生物学领域之外也具有重要意义。与沉积岩的历史密切相关的是地球作为天文体的年龄和行星系统的演化。我们将从以下页面的讨论中看到，恒星发展的性质和速度也与这个问题有关，甚至与恒星辐射能量来源的基本物理问题有关。因此，地质学家和古生物学家——霍姆斯、舒克特、马修斯、巴雷尔和其他人——最近对宜居地球年龄的重要研究，对于宇宙起源的一般问题具有高度意义。科学的进步经常需要并利用其许多分支的密切合作。事实上，我们可以借助陆地岩石中的化石来研究恒星，并从前寒武纪时代的气候中获取原子结构的知识。我以耶鲁大学约瑟夫·巴雷尔教授关于地质时期持续时间的极其全面和重要的回忆录的介绍性段落开始了这篇论文。在我们对地球年龄概念的增长过程中，他的讨论很可能标志着一个时代，因为其一贯的谨慎性，其将地质时间大大扩展到普遍接受的范围之外，以及其对开尔文和后来的物理学家设定的严格限制的明确反叛。除了少数其他人，如英格兰的亚瑟·霍姆斯，地质学家以前一直犹豫不决，不敢将岩石年龄的放射性证据与地层学记录直接关联。地球历史的时间尺度。在回顾巴雷尔对地质时间的修正中的一些更突出的要点之前，可以给出地球历史的年代顺序表，其中包含了他的最终估计。我从众多来源改编了表格数据。时代和时期的方案遵循传统路线，而不是更符合逻辑的时代安排（基于有机演化）和时期安排（基于现代观点，即主要扰动在标点地质历史中的相对重要性）。应该注意的是，各个山脉系统的诞生通常持续不止一个时期；最后一列中指示的时间是活动最剧烈或抬升最大的时间。第三列和第四列的数字，指的是自相应时期开始以来经过的总时间，取自巴雷尔的回忆录。他指出，指定最小值的列“被认为是更可能的，但最好给出最大值和最小值估计，以防止单列数字传达尚未达到的精确性或确定性的想法。”两列的分歧显示了结果给出的不确定性顺序，通过对所有各种因素的估计可能误差的总和，这些因素参与了相对和绝对年龄的确定。地质历史中的某些点比其他点确定得更准确；寒武纪的开始远非确定，而泥盆纪和石炭纪岩石的年龄相当确定。我添加到表中的前寒武纪时期的数字几乎是假设性的，因为在估计一个划分的实际开始时会产生相当大的不确定性。这些时期某些岩石的年龄是准确已知的；但这些时期内的精确地质位置通常尚未确定。巴雷尔评论道（第 752 页）：“令人惊讶的是，已知最精确的日期远远追溯到前寒武纪时期。来自挪威、德克萨斯州、魁北克省和德属东非的与花岗岩相关的铀矿物给出的年龄约为 1,120,00,00 年。”长期以来，人们一直认为大量的前寒武纪岩石至少代表了与整个后期历史一样长的时间间隔。现在看来，最古老的已知岩石，例如加拿大劳伦特系的片麻岩-片麻岩，存在于大约十五亿年前。“在这些最古老的里程碑之外是原始时代，其地层记录已被来自下方的岩浆吞没和来自上方的反复侵蚀循环所破坏。至于它的长度，除了最古老的已知岩石“标志着以下时代的开始，其中包含证明地球表面存在空气和水的沉积物，就像在后来的时代一样。地壳、海洋和大气层在太古宙开始时已经达到了稳定的状态。”表中最后一个条目，即地球起源的条目肯定是假设性的，但作为一个独立的确定，它与地质证据并不冲突，因此很有意义。杰弗里斯将其作为行星系统年龄的粗略理论值给出，它是根据潮汐演化理论，从当前轨道要素的考虑中推导出来的。节奏和地质时间的测量。巴雷尔教授的讨论主要分析了地质证据，特别考虑了“复合节奏的基本因素”的影响。正是对这些漫长历史的活动以及海中溶质的积累、节奏——所有地质过程中严格统一性的脉动偏差——的认识，使他得出了与通常结果大相径庭的结论。钱伯林、霍姆斯、舒克特和其他少数人也认识到，遥远过去的平均侵蚀率、沉积率和地壳运动率不可能与近期和现在的速率密切等同。我们现在生活在大陆抬升的时代，所有过程都明显加速。钱伯林写道：6 “由于相对较高的梯度，弹性物质从斜坡上的冲刷及其在盆地中的沉积，以及盐分向海洋的转移，今天比平均时间更快。我们似乎正处于或接近于溶液和降解过程极度强化的极端之一。因此，无论是基于降解和弹性沉积的结论，还是基于溶剂作用和海中溶质积累的结论，目前的速率都是高速率。”巴雷尔承认目前的高侵蚀和沉积速率及其不规则的节奏性质，以及由此产生的沉积记录中断，得出结论认为，对现有地层证据的合理解释要求的时间长度可能是严格的均变论处理所需的时间长度的十倍或十五倍。复合节奏的假设被巴雷尔应用于地质活动的各个阶段。一些振荡非常短且不确定，另一些则很长，并且更可靠地记录在岩石中。各种脉动的效果的复合和平衡导致地质事件的最终流动中出现渐强和渐弱。几十年、几世纪和几千年的急剧振荡可以归类为太阳气候节奏；漫长、缓慢和巨大的运动是构造气候变化。大约四千万年的周期似乎标志着终止时期的地壳和气候扰动；如果接受对较大划分的拟议划界，则可能存在两亿年的周期分隔时代。目前的巨大大陆抬升与元古代相匹配，表明所有地质时期中最深远的节奏。巴雷尔教授甚至将这种节奏学说推向了宇宙起源的极限，他赞同这样一种论点，即“可见宇宙明显的衰退必定是无限时间中哲学上必要的反复宇宙循环的一个阶段，否则衰退将在之前的永恒中完成”（第 904 页）。在巴雷尔的工作之前，测量时间的主要地质方法是基于：（a）侵蚀和沉积，（b）化学剥蚀和海中的钠，（c）地壳的热梯度。他仔细检查了这些方法的基本假设，这些方法通常给出的时间估计值远小于沉积序列中的节奏考虑和基于放射性过程的测量值给出的时间估计值。因此，他的处理观点是严格地质学的，但包括对放射性提供的证据的全面回顾，主要来自霍姆斯的出版物以及博尔特伍德和斯特拉特的实验工作。因此，新的地质时间尺度是通过两条证据的结合构建的：时期第一，沉积物的厚度和特征给出了几个时期长度的地层学比率。比率受到相当大的不确定性；然而，当在了解所涉及的变量的情况下得出时，它们可以衡量相对持续时间。第二，放射性矿物中氦和铅的量给出了年龄的最小值和最大值测量值。由于氦的损失或原始铅的存在，以及含有矿物的岩石的地层位置在大多数情况下也不为人所知，因此这些年龄存在一定的不确定性。然而，放射性矿物给出了绝对年龄的度量，这些度量具有正确的数量级和正确的顺序，如地质数据所示。这两条证据的调整构成了以年为单位表示的地质时间尺度的基础。结果可与空间中恒星距离的首次粗略测量相媲美。研究的进展将不断改进测定结果并导致更高的精度；目前重要的结论是，自寒武纪开始以来，时间比地质学家普遍接受的时间长十到十五倍。放射性和岩石的年龄。测量包含放射性矿物的岩石年龄的方法已广为人知，因此此处无需过多解释。从放射性在钍或铀矿物中达到平衡时起，最终产物以均匀的速度在其内部积累。除非矿物受到通过溶剂的影响，否则这些产物不会从致密的结晶岩石中去除，溶剂肯定会通过矿物本身的蚀变来记录其影响。一个铀原子（原子量 238）最终将产生八个氦原子（原子量 4）和一个同位素铅原子（原子量 206）作为稳定产物。如果可以测量这些物质的量并将其与同种材料中铀的量进行比较，则可以获得测量矿物年龄以及与其相关的岩层年龄的数据。如果矿物包含百分比 Pb 的放射性起源的累积铅，以及百分比 U 的铀，则矿物的年龄由下式给出：铅年龄 = — X 7,500 百万年 U + 0.575 Ph 该公式中的数值基于霍尔特伍德教授未发表的讨论，他认为镭和铀的半值期在 2% 以内是已知的。衰变速率显然不受化学结合或物理状态性质的影响。实验室实验复制了地球外壳中存在的条件。液态空气到 2,500° C 的温度，以及高达每平方英寸 160 吨的压力，已被发现不会影响镭产物的分解速率。极有可能但尚未实际证明铀也同样不受影响。因此，无论铀是以元素形式还是以盐的形式结合，无论它们是固态、液态还是气态，铀原子都会以均匀的速度分解。没有任何已知事物支持这样一种假设，即不稳定原子的稳定性会因老化过程而发生变化。铀是否会受到温度和压力范围的影响（这些范围不会影响其不太稳定的衍生物）可以通过地质证据进行测试，并且在一定程度上已经过测试。来自同一已确定的地层位置，但在不同地点，因此在数百万年内处于截然不同的物理条件下的铀矿物，对于岩层的年龄产生了协调一致的结果。另一个有价值的测试是正确的顺序——始终可靠的分析工作表明，岩层越老，铅和氦的比率就越高。贝克尔认为他发现这种情况存在不一致之处，因此倾向于不相信整个放射性方法；但巴雷尔对相同数据的批判性检查表明，所采用的地层位置和放射性分析的使用中的错误完全解释了所谓的差异。因此，所有证据的总结清楚地表明，放射性元素的性质为确定地球古代历史中的主要事件提供了一种非凡且可靠的方法。地球的热量损失。在早期关于地质时期的推测历史中，那些没有受到对创世纪第一章的传统解释过多束缚的学生，感觉没有必要限制地球的年龄。“没有开始的痕迹，没有结束的前景”经常被引用自赫顿。为了根据均变论原则沉积已知的沉积物，莱尔看到了数亿年的必要性；达尔文认为，物种的转变和动物生命的高度发展需要类似的时间流逝。亥姆霍兹在 1856 年提出太阳能收缩理论时指出，太阳的过去历史将仅限于大约两千万年。几年后，开尔文勋爵从地球内部热流的角度研究了这个问题，获得了类似的数值结果。开尔文入侵了地质学领域（因此地质学家习惯于这样说），希望改革其推测，使其符合能量守恒和退化的原则。他强大的声望和他无可挑剔的数学使生物学家和地层学家 alike 保持沉默，并且在几十年里，他和同时代的物理学家只允许宜居地球过去持续存在一千万或两千万年。观察结果表明，至少在地球表面附近，岩石的温度平均每下降 100 英尺升高约 1' C。这当然表明地球正在失去热量，并且假设整个地球的原始温度等于熔岩的温度，傅里叶热传导理论允许计算宜居地表温度的总持续时间。这种推理自然假设唯一的来源是原始高温，并且地球仅仅是从其熔融的开始冷却下来的。因此，在过去的某个时候，地表对于生命来说太热了，而在未来，一切都取决于观测到的温度梯度，它会太冷。根据物理理论，这就是问题的全部及其解决方案，并且最近令人印象深刻的冰河时代一度被认为是即将到来的、不可避免的和永恒的寒冷的证据。物理论证被普遍采用，并且人们试图将地质记录压缩到一个狭窄的时间间隔内；然而，许多地质学家不会接受这一说法。例如，在 1892 年，阿奇博尔德·盖基爵士 8 反驳说，以下有些预言性的陈述：“就我个人而言，我几乎毫不怀疑物理论证中一定存在一些缺陷，尽管我（我不假装能够说出在哪里可以找到它。在我看来，似乎已经做出了一些假设，或者遗漏了一些考虑因素，这些因素最终将被视为无效结论，并且在适当考虑后，将为地质记录的任何合理解释留出足够的时间。”作为对不可抗拒的物理学和他们自己对地质时期持续时间的感受之间的某种妥协，地质学家普遍接受了一亿年的值，并且不坚持确定性，作为最古老的已知沉积岩的年龄。哈克尔教授 9 指出，开尔文也曾一度对真实情况有所了解；他认识到，虽然地球肯定在失去热量，但“有可能这种热量损失不会导致冷却，而只会导致势能的耗尽，在这种情况下，势能几乎不可能是构成地壳一部分的物质之间的化学亲和力。”然而，开尔文认为这“极不可能”，并继续假设原始热量是唯一需要考虑的能量形式。开尔文对势能和化学亲和力的猜测是一个有趣的预言；因为，正如我们现在所知，解决困境的方法是不到二十年前发现的陆地岩石中的放射性，这提供了巨大的热能储存。事实上，这一发现不仅仅是一个解决方案；地表岩石中镭的百分比比刚好抵消观测到的热量损失多一百倍。这种情况的解释一定是放射性矿物仅限于地表地层，否则地球将以“地质速度”升温。“因此，放射性层的最可能深度可能为 30 英里，”霍姆斯在考虑了其他值后得出结论（第 135 页），“在这种情况下，基底温度约为 750° C，这将更符合火山活动的要求。”这个近似结果与观测到的温度梯度无关，仅涉及陆地岩石的特征，“因为毫无疑问，镭和钍含量随着深度的增加而降低，原因与岩石类型随深度变化的原因相同。*** 岩石的酸度或二氧化硅百分比与其镭含量之间存在粗略的比例关系。碱性较强的岩石镭含量要低得多，并且正如预期的那样，钍含量也较低。现在我们有充分的理由假设地球地壳中较深层的岩石是碱性和超碱性成分，并且在 30 英里地壳带以下，它们完全是超碱性的，可能在成分上类似于石陨石的物质。***在石质带内，向下延伸数百英里，是地球的重核，可能是金属成分，如铁陨石。如果我们从后者来判断，这个核心完全不含镭。”10 由于无法准确了解地球地壳中放射性元素的含量和分布，因此不再有任何坚实的基础可以根据地球的温度梯度来计算年龄。观测到的热量损失并不能表明以前的热条件。地球可能会变得更热；它可能会比在放射热平衡状态下冷却得更快；或者它可能处于热平衡状态（根据霍姆斯的说法，这是最可能的情况），获得与损失的热量一样多的热量，并最终仅随着放射性元素的缓慢衰变而冷却。因此，我们似乎有理由相信地球居民的未来将大大延长。在地质时期的陆地气候中，我们认识不到明显的长期变化迹象。大气温度当然几乎完全取决于太阳的辐射。然而，正如我们将在以下段落中观察到的，当以十亿年的基线来判断时，太阳能的长期进展显然非常小，以至于我们可以认为辐射基本上是恒定的。因此，更有可能的是，地球生命的终结是灾难性的，无论是地球的还是宇宙的，而不是气候衰老。可以肯定的是，有强有力的证据表明，我们现在生活在更新世冰川快速脉动的间冰期，我们确实可以合理地预期冰盖的另一次推进将在不久的将来（地质学意义上）发生；但在过去，也曾发生过同样广泛的冰侵，随后是数百万年未知的宜人气候。过去，地形和气象条件的波动深刻而缓慢地影响了有机生存的条件；但在元古代之后，植物和动物的生命从未完全中断，并且就目前所见或明智的预测而言，未来，对于类似的生命来说，前景仍然是同样有利的。放射性和太阳辐射。镭的发现将宜居地球年龄的问题从其自身内部冷却的角度从热梯度设定的狭窄限制中解救出来。但放射性不足以解释地质时期太阳的辐射。我们承认地球生命背后没有其他强大的能源，除了太阳辐射；我们已经看到，在以所需的速度供应辐射能量方面，亥姆霍兹收缩是天文学家现在明确认识到的唯一非常强大的恒星能量来源，仅足以维持数百万年。因此，地质时间尺度再次受到物理理论的困扰。然而，这种情况并没有继续转移对岩石证词的信心，因为，记住热梯度的情况，我们期待暂时无视物质的特性来解释这种假定的差异。很容易证明，已知放射性元素的正常分解可能完全足以在太阳（如地球地壳上）中解释太阳辐射的持续时间；但在太阳的情况下，这种装置在数量上非常不足。如果太阳完全由铀组成，并与其衰变产物处于平衡状态，则已知放射性产生的热量将不到实际输出的三分之一。“放射热现象的重要性在冷却进展到更高级阶段时才被感受到，地球就是一个例证，此时热量损失与原子衰变释放的热量相平衡。” Jeans 认为，即使是所有已知的物质电特性、放射性。（续第 42 页）。