漂移的大陆：04.大冰期

书接上文，上次讲到为了探测地幔的性质，到底是哪种岩石构成的，费了不少的力气。因为要在一艘船上竖起钻杆，然后穿过几千米的海水，从海床上钻个孔，一直钻5000米，想想就头大。首先船要能定位，在没有GPS的年代，这是个麻烦事，最后技术人员还是把这个问题解决了，用螺旋桨动态定位。不过有个技术一直到70年代才搞定，那就是换钻头。

这事儿麻烦在哪儿呢？你想啊，钻杆穿过几千米的海水，在海床上打了一个洞。哎呀，钻头磨坏了，要提起来换一根。提起来倒是方便啊。换完了钻头要再次把钻杆插进刚才打好的洞里。结果大家找不着那个洞哪儿去了。别忘了，相隔几千米的海水呢。而且船也不是固定不动的，多多少少有点漂移。大概是维持在50米直径的圈子里。

这怎么办呢？那只能在钻孔的时候在洞口留下一个大漏斗，大喇叭口，学名叫做”返孔锥“。这下口大了，总不至于找不到吧。还要靠精度的声呐对水下的情况做探摸。才能准确的把钻杆插进喇叭口里。

但是，这个计划最后因为资金预算被砍掉了，所以就只能停止了，因为钻孔的钱虽然和太空计划相比不算多。但是目标太单一了，有很多替代的手段，所以不是很划算。来自意大利的凯撒·埃米利亚尼对此意见很大，他觉得莫霍孔计划简直是把几百万美金扔进大海。实在是太浪费钱了。钻透莫霍面其实意义不大，但是在海底打一些浅孔则完全做得到，而且还很便宜。从海底获得的岩石标本携带着非常丰富的信息，简直就是个信息宝库。要比钻透莫霍面划算多了。

埃米利亚尼毕业于博洛尼亚大学，一般认为这是世界上最古老的大学。埃米利亚尼 在学生时代研究漂浮有孔虫。这是一种单细胞的小动物，曾经自由漂浮在洋面上。它们的钙质骨骼现在变成了微体化石保存在洋底沉积物中。第二次世界大战以后，埃米利亚尼申请到了一份奖学金，到美国芝加哥大学从事博士后研究，芝加哥大学当时是核物理研究的重镇，所以这所学校有几个重量级的诺奖得主。恩里克·费米大家都知道，还有哈罗德·尤里和威拉德·利比。

尤里、欧内斯特·劳伦斯、詹姆斯·科南特、莱曼J.布里格斯、埃格·V·墨菲里和阿瑟·康普顿。

我们在物种起源系列最后一集介绍过尤里-米勒实验，就是这个尤里。他最大的贡献是发现了氢的同位素氘，因此获得了1934年的诺贝尔化学奖。后来他参加了原子弹工程。他和利比专攻气体扩散法浓缩铀。碳十四测年法就是利比的发明，因此他获得了1960年的诺贝尔化学奖。所以这几位都是高手。

那么这几个搞核物理的跟地质学有半毛钱关系啊？你别急啊。

尤里发现了氧元素的同位素。¹⁸O和¹⁷O，这两种同位素都很少，大部分是普通的¹⁶O，¹⁷O的含量几乎可以忽略不计，只考虑¹⁸O和¹⁶O的比例就行了。水说到底还是一种氧化物，一氧化二氢嘛。海水里这两种同位素的比例是比较均匀的，可以作为一个基准。河水的比例就比较低。尤里到瑞士苏黎世联邦理工学院讲学，就把他的这个发现给讲出来了。在场的X射线晶体学家尼格利发现这是个非常重要的线索，因为碳酸钙里面也含有氧元素。假如测量碳酸钙之中¹⁸O和¹⁶O的比例，那么就可以知道这块沉积岩究竟是在湖里生成的，还是在海里生成的。

但是，尤里后来又发现了其他问题，他发现这个比例跟温度也有关系。他和芝加哥的学生们找来了一块箭石化石。这是一种侏罗纪时期的古生物，这东西跟乌贼是亲戚。

这块化石有点像玉米棒子，一头粗一点，一头比较尖。把它切开以后，看看横断面，发现分为24层同心圆，有点像年轮。小时候很细，一层一层长大，就变粗了。

测量每一层氧同位素的比例。然后把比例换算成温度。发现这个家伙生存的年代温度差达到了14~20摄氏度。这个温度差应该是季节造成的。数一数最高温度和最低温度，它经历了3个夏天和4个冬天，然后就死翘翘了。

那么埃米利亚尼跟这事儿有啥关系呢？他要解开一个地球历史之谜，也就是大冰期之谜。他关注的就是地球上曾经的温度变化。假如沉积岩里面的氧同位素比例能反推出当时的温度，那么地球曾经的温度变化信息也就被保存在了海底的沉积岩里面。这就是他想要的数据。

漂砾

有关地球的大冰期，那可就说来话长了。这个话题和生活在阿尔卑斯山区的瑞士人有关系。在瑞士的山区，大家会发现有些大石头就孤零零的出现在某个山谷里。这块大石头和别的岩石不一样，显然是个外来的东西。因此瑞士人给这种大石头起名字叫”漂砾“。当时人们相信这是圣经描述的大洪水从远处冲来了。后来莱伊尔提出了均变论。也就是说，地球的环境是缓慢的，均匀的变化的。不会有剧烈变动，不会大起大落。逐渐的，莱伊尔的学说得到大家的认可，大家都觉得，这事儿不靠谱儿。但是对于瑞士人来说，这就是活生生的事实。他们经常跟阿尔卑斯山上的冰雪打交道，他们知道冰川有多大的力量。一个瑞士导游提出了一个想法，那就是过去这些山谷都曾经被冰雪塞满。

硬邦邦的冰川其实也会流动

对于科学界来讲，一个登山导游的话根本就不能信。但是有个市政工程师对这个说法是很认同的，他在一次科学会议上提出，瑞士的山谷曾经被冰川覆盖。冰河夹带着巨型的石头，像推土机一样刨开地面，把地上的泥土和石头推向两边。那些大石头就是冰雪裹挟来的。后来天气暖和了，冰雪消融，大石头也就搁在当地了。当时瑞士以及中欧地区都被冰雪覆盖。应该是白茫茫一片。

夏庞蒂埃

工程师说的话，科学界也是不信的，毕竟他是个外行。只有一个人支持这个说法，他就是夏庞蒂埃，一个专门研究瑞士冰川的地质学家。1834年，在一次演讲之中，夏庞蒂埃提到了瑞士曾经有过非常暖和的时期，在地下发现了棕榈树叶。显然当时的气温是非常高的，是非常炎热的热带。但是后来气温降下来了，而且还很冷。夏庞蒂埃向大家证明了，地球的气温的确是曾经发生过大幅度的变化，不是稳定不变的。

阿格西

夏庞蒂埃也受到大家的质疑。因为当时流行的是莱伊尔的均变论，只有阿格西支持夏庞蒂埃。阿格西决定亲自到野外去看一看，看看到底是怎么回事儿。他在瑞士考察了一大圈。他也相信历史上曾经有过大冰期，而且规模空前。他当年去英国学习过，因此英国朋友很多。他的英国资助人巴克兰德觉得这个年轻人太冒失了，应该及时悬崖勒马。于是他就来瑞士找阿格西。哪知道阿格西在瑞士陪着他走了一大圈，他也转变态度了。

最后，阿格西和巴克兰德一起去找莱伊尔，在莱伊尔家附近就发现了冰川的遗迹。莱伊尔这下没话说了，他放弃了自己的理论。阿格西后来去了美国，在美国也发现了大量冰川的遗迹。北美大陆也曾经被冰川覆盖着。看来冰川并不是一个局部事件，而是全局性的。

河流阶地形成示意图

后来，德国的朋克发现，这种大的冰川期并不是只有一次。他查看了当地的一些”河流阶地“。这是个术语。一条河要是流速快的话，会在地上抠出一道槽。但是河流从来不喜欢笔直笔直的流动。受到地转偏向力的作用，河流总是喜欢扭来扭去。扭来扭曲就把这道槽给拓宽了，河道宽了，流速下降，携带泥沙的能力就差，于是河床就开始沉积泥沙，慢慢变高。后来河流在河床中间又抠出一道更窄的槽。这种情况周而复始，河流旁边就出现了好几层台阶一样的地貌。高处是过去抠出来的，低处是后抠出来的。朋克发现在台地上都有冰川的遗迹。说明冰川不止一次。后来，就用他考察的几条河流的名字命名了这4次冰期，分别是贡兹、民德、里斯和武木。

无独有偶，美国人也有了类似的发现。冰川就像个推土机，推着一堆的碎石和泥土向前走。数一数这些垃圾到底分了几层，通过这个就能知道有几次冰期。他们是用州的名字命名的。内布拉斯加、堪萨斯、伊利诺伊和威斯康星。也是四层，和欧洲那边的时间都能对的上。如此说来，这些冰期都是全球性的。两次极为寒冷的冰期之间是间冰期，比较暖和。地球上冷暖总是会交替的。

在欧洲，很多人都知道第四纪有4次大冰期。这都是课本上的内容。但是一旦上了课本，那就变成了金科玉律。但是大自然往往要比这复杂的多。难道真的只有这4次大冰期吗？假如后一次冰川破坏了前一次冰川的遗迹，那么很可能你就少算了一次。靠人的肉眼去辨别冰川的遗迹，难免是有错漏了。因此埃米利亚尼希望能找到一种研究古代气温数据的方法。是不是大冰期，是不是那么冷，我们直接看温度不行吗？

证据就在海底的沉积物里面。早在1925年，德国人就曾经从海底挖出了一根一米长的岩芯。这根岩芯很有意思。顶端能找到很多有孔虫的微小化石。其中一种属于热带品种。说明那时候是很热的。但是这根岩芯的中间部分一个有孔虫都找不到。难道都死绝了？这一段对应的时间段应该是最后一个大冰期，武木大冰期。当时的北大西洋是非常寒冷的。

这根一米长的岩芯所包含的时间段大概只有10万年。岩石沉积速度大约是1千年沉积1厘米。10万年对于地质时代来讲，太短了。要想研究更久远的历史，那就需要挖更深的洞。取到更古老的岩芯。就在50年代，大家发现冰期远不止4次，一共有9次之多。过去的冰期理论出问题了。

埃米利亚尼是用同位素地球化学研究古气候的先驱者。当时他在迈阿密大学继续研究。他非常希望能拿到海底100米长的岩芯。现在，取岩芯的技术已经成熟了，这都是莫霍孔给闹的嘛。于是，埃米利亚尼就开始倡议，弄一艘船 去加勒比海钻取海底的岩芯。这笔钱没有多少，完全花的起。正是他的倡议促成了格洛玛挑战者号钻探船的横空出世。

皇家海军挑战者号考察船

1872年，英国皇家海军的挑战者号考察船曾经在全世界的海洋做了一次比较全面的科学考察。它完成了多项发现，为现代海洋学的建立奠定了基础。所以”格洛马挑战者号“这个名字也是在向前辈致敬。后来，航天飞机也用了挑战者号这个名字，还是对皇家海军挑战者号科考船的纪念。不过挑战者号航天飞机不走运，1986年发射的时候爆炸了。这是个非常著名的悲剧。

格洛玛挑战者号上有一座45米高的塔架，有各种钻探设备，还有70名船员。当然，很多人是海洋科学家。在1968年至1983年的15年里，“格罗玛·挑战者号”完成了96个钻探航次，在624个钻位上钻探了1092个深海钻孔，采集深海岩心总长超过97公里，采集范围覆盖了除北冰洋之外的全球各大洋。这艘船采集回来的资料，为地球科学的革命准备好了充足的证据。特别是有关地球磁场的证据。

在上世纪的50年代，地质学家们从来没想到过地球的磁场会颠倒过来。但是这对于研究岩石的科学家来讲，早已经司空见惯。不过当时大家都不知道彼此在鼓捣些什么东西，交流不够充分。有关这个发现，我们要补充一点物理学的小知识。

居里先生遇到居里夫人之前有一个比较重要的发现，那就是居里温度。一块磁铁，你把它加热到某个温度，它就会突然失去磁性。比如四氧化三铁，这个温度大概是600度。电饭煲就是利用这个原理。一块铁被磁铁给吸住。当温度超过这块铁的居里温度，它就跟磁性说白白了，磁铁也吸不住这块铁了，于是电饭煲就自动跳闸。

火山爆发会喷出带有铁磁性的物质。因为温度太高，远远超过了居里温度，因此这些物质是不可能有任何磁性的。后来温度下降了，这些磁性晶体就被地球的磁场给磁化了。同一个地方采集的不同年代的火山岩石，磁场方向总应该是一致的吧。可惜测出来就是不一致，有的甚至出现了倒转现象。

早在1909 年，法国地球物理学家本纳德·布鲁恩斯就发现了这个现象。20 年后， 一位名叫松山的日本科学家在研究日本的火山岩时，观察到了同样的极性倒转现象。对于这种异常现象，大家当时没有什么办法去解释。后来魏格纳提出大陆漂移学说，这倒是一个解决方案。这一次火山喷发出来的岩石被磁化以后，方向本来是对准了磁北极的。可是大陆漂走了，大陆在移动，本来对准的，挪窝以后就错位了。可是对于磁极倒转180度，大陆漂移也很难解释，因为没有哪个大陆能头尾转个圈的，磁极倒转毫无规律可言，频率还不低，那点时间根本不够一整片大陆调头180度的。再说了，哪能全世界的大陆都曾经转过180度？这不可能。答案只有一个，那就是磁极真的倒转过，这又是怎么回事儿呢？下次再说。