前言
深度時間
地球的壽命,是在一個龐大到讓人難以理解的時間尺度上衡量的。幾世紀以來對岩石與化石的研究,讓我們拼湊出幾十億年來地球歷史與發展的故事。長久以來,人類一直試圖藉由研究地理景觀的方式來瞭解這個世界,但直到近幾百年間,我們才瞭解到,地球表面曾經多次被創造與重新排列,以及這些情況如何形塑地球的生命軌跡。
地球由岩石構成,從她熔化的心臟到堅硬的表皮都是岩石。對岩石與化石的研究(地質學與古生物學),讓人類對地球的形成、發展與古老有了前所未有的瞭解。然而,儘管我們已經蒐集到一些資訊,理解地質時間(也稱為深度時間)並非易事,因為它遠遠超出人類經歷的範疇。
地質學家研究岩石的組成、年齡與分布。這些研究闡明了板塊構造、氣候變化,以及生命和演化的起源等過程。地質學原理貌似簡單,卻也複雜得令人摸不透。在深度時間之中,固體岩石可以像水一樣流動,也可以像紙張一樣弄皺。新岩石形成之際,其他岩石又被吞噬。同時,化石的分布並不均勻,這不僅體現在它們的分布範圍,也體現在它們所代表的特定時間區段上。有骨架的動物比沒骨架的動物更容易形成化石。大約在三百年前,人類開始認真地解開這些難題,但是人類試圖理解這個世界的時間其實更長,不論是將山頂上謎樣的貝殼當作古代洪水的證據,或是用神話來解釋出土於蒙古絲路沙漠的恐龍骨骼,都是人類試圖理解世界的方式。
地質年代表
地質年代表被用來標記地球四十六億年壽命中事件發生的時間。它被分成愈來愈細的時間尺度,從元或宙到代,再到紀與期。這些名稱大多由歐洲地質學家命名,根據他們在岩層中看到的明顯變化來定義,例如從石灰岩突然變成砂岩,或是出現了較古老岩層中看不到的新類型化石。隨著我們對地質過程愈來愈瞭解,這些時間區段的細節愈來愈清楚,時期也愈來愈精確。
科學家使用的現代時間尺度稱為地質年代表,它結合了多種來源的資訊,包括岩石與化石中放射性元素的年代。然而,儘管技術上已有長足的進展,地質年代表的一個關鍵原則仍然是化石生物的研究,以及這些生物在深度時間中出現、改變與消失的情形。
岩石的故事
關於岩石的最早論述紀錄來自古希臘與古羅馬時期,作者們研究了石頭、金屬與礦物,承認地球隨著時間推移而產生了很大的變化。大約在公元一千年,波斯與中國的思想家利用岩石的構成成分來推論景觀形成的方式。伊本.西納(Ibn Sina,981–1037)是伊斯蘭世界最傑出的一位博學家,他意識到岩石形成與山谷穿鑿需要驚人的時間尺度。中國的沈括(1031–95)同樣觀察到侵蝕與沉積的過程,也認為貝類化石顯示中國內陸的部分地區一定曾經被海水淹沒。
詹姆斯.赫頓(James Hutton, 1726–97)是西方地質科學的重要人物,經常被稱為地質學之父。關於侵蝕與沉積,他的觀察與在他之前的偉大思想家一樣,意識到現在的這些過程揭露了過去岩石形成的方式。赫頓提出關於深度時間的新觀點,並認定岩石可以被抬升、傾斜與折疊,進而形成山脈、山谷與令人費解的構造。這是現代認識地質過程的開端。
由許多層次構成
地球上有三種主要的岩石類型:火成岩、沉積岩與變質岩。火成岩來自地球表面以下,要麼在火山爆發時以熔岩的形式噴發出來,要麼在地表下由岩漿凝固而成。沉積岩聚積在地球表面,由被侵蝕的岩石與礦物、化石生物或化學沉澱物(如碳酸鹽)的碎片所組成。變質岩一開始的時候是火成岩或沉積岩,因為壓縮或加熱而改變。岩石可以在直接接觸岩漿高熱時發生質變,也可以像黏土一樣被折疊、擠壓。這往往會改變岩石的化學性質,隨著礦物重新排列而創造出新的岩理與花紋。
地質學最重要的原則,和瞭解它們的漫漫歲月有非常密切的關係。岩石層層層相疊,就像一層層的蛋糕;最古老的岩層在底部,愈往表面年紀愈輕。岩層裡的化石顯示了生物隨著時間產生的變化,而指標化石(只存在於特定時間區段的物種)可以用來確定岩石的年代。然而,在深度時間中,岩層可能因為傾斜或折疊,將較老的岩層推到較年輕岩層的上方。蘇格蘭西北海岸的莫恩逆斷層(Moine Thrust)就是個例子。地層也可能受到雨水的沖刷和冰河的侵蝕,造成岩石紀錄的缺口。火山活動像閃電一樣,將岩漿射穿現有岩層。地球表面的裂縫、斷層線與板塊運動讓岩層相互移動,形成複雜且混亂的紋理。解釋這些紋理是很有挑戰性的,而且只有在考慮到地球壽命的廣度時,才可能理解之。
躁動的板塊
大陸漂移是板塊運動機制的一部分,板塊運動是塑造地球的一個最基本過程。雖然地球表面看起來像固體外層,它實際上是由多個岩石板塊組成。地球大約有八個主要板塊與幾十個較小的板塊,由於地球熔化的核心沸騰,在板塊下方翻騰不已,讓這些板塊持續不斷地移動。這種熱能產生了對流,而對流會帶著板塊移動,在數十億年的時間裡讓它們互相磨碾,又把它們拉開。板塊會按厚度相互滑動或向上折疊擠壓、形成山脈。在板塊相遇與分離之處,火山與地震頻繁發生,例如沿著太平洋邊緣分布的環太平洋火山帶。
許多較大的板塊包含了一個古老的核心,稱為大陸核心或古陸。它們是地殼中最古老的部分,其中一些形成於四十多億年前地球誕生後不久。藉由研究這些古陸,地質學家開始慢慢拼湊出地球形成的過程。在過去三十五億年間(特別是自複雜生命出現以來),大陸的緩慢移動在演化過程中產生非常大的作用,創造出新的棲息地,開放並閉合了海洋,改變了氣候,讓生物彼此之間隔離了數百萬年的時間。