托好萊塢的福，至少有一個地質年代的名字婦孺皆知：侏羅紀——雖然有人認為，從其中出現(xiàn)的恐龍來看，這部電影改叫《白堊紀公園》更加合適。對地質或古生物略加注意的人，或許還聽說過震旦紀、寒武紀、三疊紀和第四紀等等。乍看上去，這些名字就像那些標記它們的巖石一樣穩(wěn)固。但實際上，地質學也有著自己的流行時尚，人們劃分和稱呼地球歷史的方法，也像發(fā)型和時裝一樣，正隨時間悄悄地變化……
歲月之書
地球有非常漫長的歷史，化石是千萬甚至幾億年前古代生物的遺跡，這在今天看來是極普通的常識。但它們成為科學常識的時間并不久遠。
世界的古老和大地的滄桑巨變，體現(xiàn)在不少民族的神話傳說里，但那只是信仰、原始哲學觀念，或者出于對自然災害的記憶而進行的藝術加工。古埃及僧侶和婆羅門教徒都注意到地下的化石，但可能只用它們來支持世界重復毀滅和創(chuàng)生的教義。中國學者朱熹在12世紀描述了高山上石頭里的螺蚌殼，想到它們來自水中，但馬上上升到“下者卻變而為高，柔者變而變剛”的大道理，從現(xiàn)代科學角度來看，這個“格物”格得很是不到位——中國傳統(tǒng)文化向來輕視對自然的觀察和實驗，滄海桑田的話只在詩文里做得好看。偶爾出一兩個沈括和徐霞客，事業(yè)也罕有人繼承發(fā)展，實在是可惜得很。
在古希臘學者的自然哲學成就中，地質學并不突出，但以其時代而論，也相當不簡單了。色諾芬尼認為，在內陸甚至高山上發(fā)現(xiàn)海貝殼，是海陸變遷的證據(jù)。亞里斯多德說，海陸分布不是永久不變的，陸地和海洋會相互轉換，并且這些變化是有規(guī)律的。史脫拉波則提出陸地會升起和沉陷，導致海水的漲落與泛濫。隨著古希臘文明的中斷，這些思想沒有繼續(xù)發(fā)展下去。在一千多年里，基督教在西方世界占據(jù)統(tǒng)治地位，圣經(jīng)的宇宙觀成為神圣教條。現(xiàn)代科學開始追溯自然歷史的過程，為此遭遇了許多阻力。
化石
1650年，愛爾蘭阿瑪?shù)拇笾鹘潭蛏茰y，地球（或者說整個宇宙）的創(chuàng)生年代，是耶穌誕生前4004年。這個并不曾見于希伯來或其它舊典籍的數(shù)字，從1701年起被印在教會審定的圣經(jīng)創(chuàng)世紀第一頁邊上，幾乎被看作與圣經(jīng)正文一樣重要?，F(xiàn)代地質學在歐洲誕生的過程中，花了很多力氣來跟這個今天看上去滑稽可笑的數(shù)字對抗（它后來甚至被推算得精確到幾點幾分）。至于化石，信奉宗教的學者說它們是石頭受天體作用形成，或由地層中的物質偶然凝結而成，或者干脆就是“造物主的戲謔”。到不得不承認化石是生物時，他們又說這是諾亞大洪水毀滅萬物的證據(jù)。但化石在地下是分層分布的，各層生物有明顯差異，這決非一次洪水能夠做到。
17世紀的丹麥科學家斯泰諾，總結了15世紀以來的地質構造思想，提出了一個重要的觀點：地層最初沉積下來時都是水平的，如果沒有受到劇烈活動影響而改變位置，那么應該是先沉積的、較老的地層在下，后沉積的、較新的地層在上。這看起來實在是簡單得不能再簡單，用漢朝大臣汲黯抱怨?jié)h武帝用人的話來說，無非就是“如積薪耳，后來者居上”。但這個“地層層序律”在地質學史上有著重要意義，它揭示了地層具有時間先后序次，研究地層就可重建地球的歷史，時間和空間在這里統(tǒng)一了。18世紀的英國人赫頓說，“在地球現(xiàn)在的構造中，可以看見舊世界的廢墟。”這條“將今論古”的法則于19世紀在英國人萊伊爾的手里發(fā)揚光大，他的《地質學原理》使地質學真正成為一門科學。
就像達?芬奇說過的那樣，地球是一本書，這本書早于文字記載，科學的任務就是解讀地球自身的歷史痕跡。幸運的是這本書大體上編排有序，雖然其中的具體年代還需要細細解讀才能探明。
元素時鐘
英國地質學家史密斯在19世紀提出，不但每個地層中含有特定的生物化石，某種化石在地層中的位置也是固定的，就像貨物放在貨架櫥窗里一樣。以一種或幾種生物化石為標志，就能對地層進行劃分，它將們整理得井然有序。不同地方含有同樣化石的地層，應當屬于同一年代。“生物地層學”由此正式登場，通過研究化石，可以推理遠古的地質和環(huán)境，當然還有生物本身的狀況。但這也將地球歷史研究局限在生命誕生之后，而且只能排出地質年代的時間先后，而不能確定具體時間。
放射性的發(fā)現(xiàn)不僅為物理學帶來革命，也為地質史研究開辟了新路。1905年英國物理學家盧瑟福首次明確提出，放射性可以作為直接測定地質時間的工具。1907年，美國耶魯大學的放射化學家波特伍德發(fā)表了他根據(jù)樣本中鈾－鉛元素比率對云母礦年齡的測量。他的結果比較粗糙，但足以顯示放射性測年是可行的，而且令人吃驚的是，這時候人們還不知道同位素，也不曉得放射性元素衰變的速率呢。
原子核里的質子數(shù)目，決定了這個原子核屬于哪種元素。有時候，同一種元素的不同原子核里，有著不同數(shù)目的中子，由此形成的不同原子稱為這種元素的同位素。比如普通氫原子核里只有1個質子，如果再含1個中子，就是氫的同位素氘；含2個中子就是另一種同位素氚。氘、氚結合的核聚變反應，即是氫彈的原理。有一些同位素是不穩(wěn)定的，它的原子核會自發(fā)地失去粒子，變成另一種元素的穩(wěn)定同位素，此過程稱為衰變。每種放射性同位素衰變的速率是固定的，每隔一定的時間就衰變掉一半，這個時間稱為該同位素的半衰期，它不受外界因素影響。
大多數(shù)放射性同位素衰變得很快，半衰期只有幾年、幾天甚至更短。它們顯然不能用來測量古老巖石的年齡——如果你用化學實驗室的天平去給大象過磅，出了問題的話肯定不是天平本身的錯。但也有一些同位素衰變得非常慢，可以當作“地質時鐘”來用。比如鈾235變成鉛207的半衰期是7.04億年，鈾238變成鉛206是45億年，鉀40變成氬40是125億年，銣87到鍶87是488億年。如果要更夸張的，釤147到釹143的半衰期是1060億年！它們適合測量非常古老的巖石。而半衰期為5730年的碳14，則適用于幾萬年內的樣本，研究人類登場、文明誕生的世代。
巖層
如果一塊巖石里含某種放射性同位素和它的衰變產物，測量一下兩者的含量比例，就可以計算出巖石的年齡。這個方法說起來容易，數(shù)學公式也簡單，但實際操作還是很麻煩的。其精確程度取決于多種因素，缺一不可。比如，有關同位素的衰變速度必須已經(jīng)精確測定，如果半衰期有誤差，測年結果自然就含糊。巖石樣本里的同位素含量也必須精確測定，鑒于這些同位素通常含量非常少，對測量技術的要求也非常高。另外，一些外界因素可能導致同位素從巖石里流失，或使巖石遭受“污染”，如果不考慮到這一點，就會得出虛假的年齡。為此必須對樣本進行嚴格篩選，可不是路邊揀塊石頭都能用的。
由于這些緣故，不同實驗室和不同技術得出的測年結果，經(jīng)常不完全吻合。侏羅紀的年齡變幻無常，就是一個例證。在1987年，人們根據(jù)鉀-氬同位素方法對海綠石的測量，認為侏羅紀結束于1.31億年前。但后來發(fā)現(xiàn)，氬會從海綠石里散失，使石頭“看起來更年輕”。新方法改而測量玄武巖里的鉀-氬含量，認為侏羅紀結束于1.455億年以前。由于方法和技術不斷改進，現(xiàn)在有一種說法是，一個測年結果如果提出超過5年，就已經(jīng)過時、該更新了?？茖W家們正在建設國際的實驗室網(wǎng)絡，將同位素測年方法進行標準化，得到更精確、一致的結果。
地球紀元
中國歷史上有許多朝代，每一朝代有不同君王統(tǒng)治。從漢朝開始，君王又各有年號，一個年號沿用一兩年到幾十年不等。對地質年代的劃分，大體上也是這樣從粗到細（當然有的皇帝特別喜歡改元，甚至一年改兩次，比如公元696年是武則天治下的“萬歲登封”元年和“萬歲通天”元年。這種極端情況就不要追究了，本來就只是粗略的類比嘛）。我們很難將人類史上的某個事件精確定位到某天的幾點幾分，出于類似的道理，對地質年代也不用指望能精確到年——對大多數(shù)時期的界定，能夠做到誤差在幾萬年之內，就很不容易。
地質年代最大的單位稱為“宙”，往下依次分為代、紀、世。它們對應的地層或地質紀錄則稱為宇、界、系、統(tǒng)。比如一種在中國遼西發(fā)現(xiàn)的長翅膀的恐龍，生活在“顯生宙－中生代－白堊紀－早白堊世”，它所在地層屬于“顯生宇－中生界－白堊系－下白堊統(tǒng)”——描述時間的時候，用“早、中、晚”；而描述空間（地層順序）的時候，就用“下、中、上”。時間再往下還可細分到期、時，對應地層稱為階、時帶，這些就相當專業(yè)了，非專業(yè)讀者很少會接觸到。
寒武紀
顯生宙的名字指“看得見生物的年代”，它開始于5.42億年前的寒武紀，直到現(xiàn)在。為了解釋顯生宙與此前年代的區(qū)分，必須先重點介紹一下寒武紀。
寒武紀生物大爆炸
在有了寒武紀這個名稱后，更深、更早的那些地層，就被自然地稱為“前寒武紀”地層。它并不是一個紀，而是指寒武紀以前的所有時代。在20世紀，人們習慣用“隱生宙”（生命隱藏的年代）來稱呼這個時期，但現(xiàn)在已很少用，而仍將從地球誕生到寒武紀開始前（也就是顯生宙開始前）的漫長歲月稱為前寒武紀。除了它的末期——埃迪卡拉紀，前寒武紀的大多數(shù)年代里可研究的東西太少，也談不上什么代表性的地層，所以雖然也分為太古宙和元古宙兩個宙，但兩者的界限——距今25億年——純屬人為劃定，下分的代和紀如成鐵紀、造山紀、覆冰紀之類也是理想化的設定，并非根據(jù)實在的地質記錄而定義。太古宙的開始年代也沒有劃定。有人建議把太古宙之前地球上沒有生命、如冥府般不可測的時期稱為冥古宙，但國際地層委員會(ICS)發(fā)布的2004年版地質年代表里并沒有正式采納這個詞。
另外，原先在元古宙末期、寒武紀開始之前，還定義過一個“震旦紀”，它開始于約8億年前，是生命發(fā)展承前啟后的重要時期，名字源自古印度人對中國的稱呼“日出之地”。但目前在國際上也不采用了，新的地質年代表中，震旦紀原來指代的時期基本上由覆冰紀和埃迪卡拉紀代替。
二疊紀
顯生宙分為古生代、中生代和新生代，其下又細分為多個紀。最常與那些稀奇古怪的滅絕生物聯(lián)系起來的，就是這些紀的名字。而從這些名字里可以清楚地看到，英國是早年地質學的中心，特別是古生代：奧陶紀和志留紀的名字都來自寒武區(qū)古代威爾士民族的名字，泥盆紀的英文名直譯過來就是“德文紀”，代表地層發(fā)現(xiàn)于英國德文郡。石炭紀源自英國的一套煤炭地層。二疊紀的直譯是“彼爾姆紀”，地層發(fā)現(xiàn)于俄羅斯烏拉爾山的彼爾姆城，二疊紀是中國按地層特點所作的意譯。在古生代，蕨類植物、魚、兩棲動物繁盛起來。隨后是巨大爬行動物華麗登場的恐龍時代——中生代，它包括三疊紀、侏羅紀和白堊紀。三疊紀得名于德國西南部的三套地層，侏羅紀得名于瑞士和德國交界處的侏羅山，白堊紀則得名于英吉利海峽上由白堊土形成的白色斷壁。
在距今6550萬年前，恐龍滅亡了，原先在它們的陰影下茍且偷生的哺乳動物在新生代興盛起來，成為地球新的統(tǒng)治者。新生代原本分為第三紀和第四紀，在新的年代表中變成了古近紀和新近紀。下分7個世，從最早的古新世到最近的更新世和全新世，總之是一個比一個“新”就對了。
時空道標：金釘子
地質紀年的名字和分類方法經(jīng)常改變，不同年代的時間界限也飄忽不定。這有的是因為年代的重新定義，有的是因為測年方法不同，還有的是因為世界不同地方的研究者以不同的巖石作為同一年代的界標，導致具體時間界限存在爭議。為了解決這個問題，地質學家們使用“金釘子”來作為公認的固定界標。
金釘子的典故出自美國鐵路史。1869年5月10日，在現(xiàn)今猶他州的北部，聯(lián)合太平洋鐵路和中央太平洋鐵路交匯，連接成第一條橫跨美洲大陸的鐵路。為了永久紀念這一成就，在兩條鐵路最后的接合處，釘上了一根特制的金釘子。
被借用到地質學中的金釘子，正式名稱叫“全球層型剖面和層型點位”。這個拗口的名字表示，有資格被稱為金釘子的地方，是標志地質年代分界線的代表地點。這里的巖石和化石，記錄了某個具有全球意義的重大地質事件。金釘子由國際地層委員會提名，國際地質科學聯(lián)合會(IUGS)審核批準。金釘子一旦釘下，這個地點就成為某一地質時代分界點的唯一道標，即使對這里的巖石年齡測算結果發(fā)生改變，它的地位也不會發(fā)生變化。
例如，晚寒武世與中寒武世分界的金釘子，釘在中國湖南省湘西花垣縣排碧鄉(xiāng)。這個地層質量很高，有著豐富的三葉蟲等生物化石，從而擊敗了哈薩克斯坦的候選地點，于2002年成為全球第一顆寒武紀地層的金釘子。晚寒武世與中寒武世分界的金釘子，釘在中國湖南省湘西花垣縣排碧鄉(xiāng)。這個地層質量很高，有著豐富的三葉蟲等生物化石，從而擊敗了哈薩克斯坦的候選地點，于2002年成為全球第一顆寒武紀地層的金釘子。晚寒武世與中寒武世分界的時間，就由這個地層的測年結果來決定。而晚寒武世地層也根據(jù)湖南省的古稱“芙蓉國”，而被正式改稱為“芙蓉統(tǒng)”。
第一顆金釘子出現(xiàn)在1972年，設于捷克的一個小鎮(zhèn)附近，這里發(fā)現(xiàn)了非常好的筆石化石。這是一種已經(jīng)滅絕的水生無脊椎動物，它的出現(xiàn)標志著志留紀和泥盆紀的分界，由于其化石就像筆在石頭上寫字的痕跡，因此稱為筆石。但金釘子系統(tǒng)發(fā)展緩慢，在發(fā)布1989年版的地質年代表時，從寒武紀到現(xiàn)在的91個重要的地質年代分界點，釘上了金釘子的不到15個。
長興金釘子
從1999年起，國際地質科學聯(lián)合會加強了這方面工作，全球的金釘子競爭也激烈起來。有時候決定金釘子落點的不僅僅是科學，比如在討論二疊紀到三疊紀分界的金釘子應該釘在何處時，喀什米爾和伊朗也有地質記錄上合格的地點，但這些地方太難到達了，不利于科學研究，于是中國浙江省長興煤山地質剖面勝出。獲得一個金釘子是很光榮的事，現(xiàn)在人們自然不會照原始字面意義去釘上一根斤把重的黃金鉚釘，但新的紀念方式也許更加費錢——為了慶祝二疊紀－三疊紀金釘子申報成功，科學家立起了一座6米高的紀念碑。中國的金釘子還有兩顆，一顆二疊紀的在廣西，一顆奧陶紀的在浙江常山。此外還有幾個有潛力的地點正在申報。
現(xiàn)在全球的金釘子已經(jīng)超過50顆?？茖W家希望，到2008年，過去6億年來的重要地質分界都能釘上金釘子。越是古老的年代，金釘子候選地點就越難找——越古老的石頭越稀有，那時候也不會有什么大化石。如前所述，前寒武紀時期的多數(shù)年代界限是人為劃定的，并沒有地質根據(jù)，也就談不上釘子。2004年，在澳大利亞釘下了前寒武紀的第一顆金釘子，它標志著6億年前覆蓋地球的冰河年代的結束，以及埃迪卡拉紀的開始。這就是標準放寬的結果——對于埃迪卡拉紀的地質和生物事件，并沒有全球普遍存在的記錄。
還有一些科學家提出，應容許使用太陽系其它星球上的地質特征來作為遠古時代的金釘子，使地質學家和行星科學家能使用共同的語言。比如，月亮誕生于45億年前地球和另一顆行星的大碰撞，這次事件的遺跡或許可以成為一個好釘子，用它標志冥古宙的開始，并協(xié)調地球和月球的地質紀年。
消失的第四紀
2004年版的地質年代表，可謂是集多門學科之大成，結合了同位素測年、數(shù)學分析、天文軌道調諧等多種方法，建立起來的迄今最準確的地球編年史。但它也讓一些科學家不滿意，特別是“第四紀科學家”。因為他們發(fā)現(xiàn)，他們用來標志自身的“第四紀”這個詞從表中悄悄地消失了，第四紀所處年代變成了新近紀的一部分。這種近乎秘密處決的做法，讓第四紀科學家們非?；鸫?。
第四紀的名字是一個古老地質紀年法的殘余物。萊伊爾曾將地球歷史大致分為第一紀、第二紀和第三紀，后來又有人添上了第四紀。隨著研究發(fā)展，第一紀和第二紀分得越來越詳細，因而升為古生代和中生代，原來的名字不用了。第三紀和第四紀又堅持了很長時間，據(jù)認為第三紀約開始于2300萬年前，第四紀開始于200萬年前，具體時間有爭議。
第四紀科學家說，這是地球氣候異常劇烈變動的一個時期，也是人類進化發(fā)生的時期，有著非常特殊的意義。在這期間，地球氣候曾經(jīng)發(fā)生過很多次的冷暖回旋，寒冷的冰期和相對溫暖的間冰期（即兩次冰期之間的時期，這樣的定義實在省事得很）交替出現(xiàn)。冰川反復擴張又退卻，在極盛期曾蓋住地球30%的表面。因此，第四紀也稱為第四紀冰川期。我們通常說到的“冰河時代”，就是指這個時期。一些人認為，在第四紀，氣候系統(tǒng)變得更加敏感，地球軌道形狀、地軸方向和傾斜角周期性變化導致陽光照射發(fā)生變化時，氣候比遠古年代更容易發(fā)生劇變。
冰川
由于第四紀是離我們最近的時期，現(xiàn)在可以找到許多當時的氣候記錄，包括沉積物、黃土、冰川等等。但由于冰川活動頻繁，很多記錄被打亂了，難以整合成清楚有序的數(shù)據(jù)，這使第四紀的地位受到懷疑。一些科學家認為，沒有充足證據(jù)認為第四紀可以作為一個獨立的紀存在。2004年版地質年代表的作者之一、挪威奧斯陸大學的奧斯陸大學的Felix Gradstein就持類似的觀點——對于第四紀科學家們的憤怒，他只是承認新年代表對這個問題處理方式不夠好。
第四紀科學家覺得自己的領地被侵犯了，認為拋棄一個使用了150年的術語是不實際、不合理的。反對者則指責他們不該死抱著傳統(tǒng)不放。但這一放確乎很危險：全世界至少有7個學術團體和4份學術雜志的名字里有“第四紀”這個詞，數(shù)以千計的科學家從事這方面的研究（中國在此領域也頗有心得）。如果第四紀被廢棄，消失的將不是一個詞，而是這個研究領域和群體的獨特地位。忽然間跟一大堆其他人被統(tǒng)稱作“新近紀科學家”，在他們難以接受。
為此，2004年版年代表發(fā)布后不久，國際地層委員會就成立了一個專門小組，與國際第四紀研究聯(lián)合會協(xié)調此事。2005年6月，他們投票決定，以某種形式保留第四紀這個年代，其開始時間定為260萬年前。但這“某種形式”究竟是什么呢？是把第四紀完整地保留下來，還是降級成為一個世，再或者從正式年代表中去除、但作為一種非正式的東西存在？沒有一個答案會讓所有人滿意，也許這個問題拖到下一版本的年表編訂完成時仍不能解決……
