光陰的故事

光陰的故事
知識通訊評論第49期

地質紀年學家要確定地球古早以前的光陰，目前的能力比以往都要好。《自然》的編輯道頓(Rex Dalton)探訪這些戮力於勾勒地球歷史細節的專家，呈現出光陰的故事。

地質紀年學家精細調整自己的技巧，於是改善能力，要能夠更為準確地測量地球「地質時鐘」的滴滴答答。

數十年來，地質學家與古生物學家對地球生命史重大事件的發生時間，只能做些大略估計。現在，因為有一系列的新方法，讓他們想了解往昔的能力，大為改善；精準的程度史無前例，因此專家們目前爭執的數據估計值，差異小到十萬年。對發生在數億年前的事件，能估算出如此的準確，堪稱驚人。

國際通力進行的專案「地球時間」(EARTHTIME)帶領大家追求愈益精準的年代；此一專案是美國劍橋麻省理工學院地質學家鮑靈(Sam Bowring)的心血結晶，其宗旨在完全重整遠古歲月的紀年。鮑靈表示，學界希望在十年內，就大幅度地把地球的歷史校準，推回動物源始之際。

參與專案的學者上個月在費城聚集，參加「美國地質學會」的會議，構思其策略。只是，當他們努力想把複雜的年代推估流程制式化之際，他們必須接受這樣的事實：那就是以往他們已論定的年代，必須重新評估。

去年，鮑靈獲得美國「國家科學基金會」一百萬美元的資助，與大約二百二十五名學者合作。今年元月，團隊成員打算再申請補助，進行「概念驗證」(a proof of concept)實驗，看看能否把六千五百萬年前，白堊紀到第三紀(the Cretaceous–Tertiary, K/T)的大滅絕地質年代標準化。

這支科學團隊盼望能在科羅拉多州的一系列沉積層，進行白堊紀到第三紀年代的定年，再把取得的資料視為尺度標準，到別的地質學區域進行研究。他們還打算鎖定別的白堊紀地質中間期，也就是大約九千萬年前到一億年前，以便進一步交叉比對年代，制定出精確的紀年。

華府「史密森研究組織」(Smithsonian Institution)古生物學家兼「地球時間」專案共同組織人的厄文(Douglas Erwin)指出，地球遭逢大滅絕以後，接下來經常發生物種大量出現的現象；他認為，這些新的年代推定方法，力量非常強大，可以刺激出新的研究成果，推定演化速率。

「地球時間」的一大推動力是「天文調節」(astronomical tuning)，因為地球的軌道動作，會影響到地質紀錄。地球的運動如地球的旋轉軸角度、軌道的路徑，以及地軸相對太陽的指向，都會有周期變化，連帶地也影響到氣候。這些氣候變化會出現在沉積層的紀錄，譬如像是是積層厚薄的變化，碳或氧同位素的比例、微小化石的充裕程度，凡此種種，不一而足。

科學家已經計算好過去大約四千萬年的天文學紀錄。目前打算倒推到更遠古。目前已知存在於特定時期的化石，有助於專家訂定岩層的年代。

傳統訂定岩層年代的科技，臚列其大包括有：認定大家都曉得存在於特定時代的化石；計算放射性元素如鈾、氬或鉛等不同同位素的比例，因為這些比例會與時俱變；不然呢，就靠紀錄於岩層中，地球磁場間歇性的倒轉。只是，雖然這些方法可以推估年代，以及特定岩層形成的條件，但無法揭露那些條件持續多久。天文調節正可以補足這一點；它可以提供長而持續的氣候大事件，比如紀錄在海床岩脈核心的各個冰河期，。

英國南安普敦「國立海洋學中心」地質學家帕萊克(Heiko Palike)表示，海床岩核的色澤多所變換，加以觀察，好比計算樹木的年輪，接下來再分析岩層裡，微化石的貝殼，研究其同位素成分。

深層的古代

專家為了擴大此類天文調節的紀錄資料庫，正在設計大海鑽探任務，主要是想檢查那些特定年代的沉積層岩脈。鑽探船「聯合果敢號」(JOIDES Resolution)預計二○○七年十一月出發到太平洋，鑽探年代定在三千五百萬到五千五百萬年前的岩核，以協助訂定那段時光中，各大事件的編年紀錄。

只是，大洋海床沉積層的岩核能透露的，最多只到一億八千萬年前左右；更古老的沉積層，都已在地球內部循環掉。所以要探索更古老的時光，地質化學分析(geochemical analyses)就變成金科玉律，特別是放射性元素的同位素分析，因為它們會衰變。

這些方法中，氬對氬的定年是其中之一，分析放射性氬四○與氬三九的數量；還有鈾對鉛定年，藉著分析鈾鉛同位素，也有相同功效。氬對氬定年可以分析的物質，由兩千年前到地球誕生的四十五億年前，都辦得到。鈾對鉛技術的有效範圍，可回推的年代，大約由一千萬年前開始。

加州「柏克萊地質紀年中心」主任瑞尼(Paul Renne)表示，全球大約有五十個能做氬對氬定年的實驗室，但是在美國的二十個當中，大約只有五個能做得到「地球時間」專案要求的精準程度。

專家們使用放射性試劑，一般是氬、鈾或鉛，來矯正分析時失落的物質。但是，這些「探釘」(spike)經常因實驗室不同而有異，憑添出錯的空間。為了加強標準化，鮑靈買下一切弄得到的「探釘」；參與「地球時間」專案的學者，現在都可以由鮑靈麻省理工學院實驗室，取得那些工具。

鈾對鉛定年技術目前也有改良。舉例來說，亞歷桑納大學的「亞歷桑納雷射紀年中心」就把雷射與龐大的光譜儀結合，再利用沉積層裡找到的結晶鋯石(zircon)，制定鈾鉛比例的年代。一九九○年代，要進行年代分析時，經常要用到多個鋯石，但現在只要用一個鋯石，就能精確地定年，如此還能減少因動用幾個鋯石，年代必須求其平均值的錯誤。

但是，鈾鉛定年科技最重要的發展，乃是現在有能力處理鋯石，來補足放射資料中鉛的流失。鋯石表面的鉛，可能隨著地質年代而流失，所以分析時出錯；
加州大學聖塔芭芭拉分校專家馬亭森(James Mattinson)發明高溫科技，把表面除去，使這個學域出現創新局面。

年代資訊的辯論

馬亭森的技術，引發其他專家重新分析原始材料，尤其是取自大家激烈辯論的年代，比如二疊紀到三疊紀之交，也就是大約兩億五千萬年前，當時陸上海中曾發生生物大滅絕。年代的激辯時起時落，「地球時間」專案的重要成員也牽涉在內，這一點顯示專家個人投資在推定年代的心血，另外還顯示，要他們捨棄已經發表過的觀點有多麼困難。

一九九八年，鮑靈跟他的同事發表研究成果，認為鋯石中的鈾鉛資訊指出，二疊紀三疊紀之交在二億五千一百四十萬年前，正負誤差三十萬年。但是二○○一年，柏克萊地質紀年實驗室的專家曼迪爾(Roland Mundil)質疑鮑靈等人推定的年代；曼迪爾認為，麻省理工團隊在分析鋯石之際，沒能好好地加計鉛流失現象。在學過馬亭森的科技後，曼迪爾套用在二疊紀三疊紀之交的鋯石，把大滅絕定在二億五千二百六十萬年前，正負誤差二十萬年。

這兩個數值的差異似乎不大，但兩派人馬各執己見，尤其是主要參考書《二○○四地質學時間測量表》(A Geological Time Scale 2004)當時即將付梓。因為書中採用麻省理工的定年，書的共同主編、印第安納州西拉法葉市普度大學地質學家歐格(James Ogg)表示，該書招致「許多批評」；學界普遍認為，曼迪爾才對。歐格也承認，應該多多聽取曼迪爾的意見；目前下一版《地質學時間測量表》可能採用曼迪爾提出的二、三疊紀交界定年，書預計在二○○八年出版。

兩個月前在澳洲墨爾本舉行的學術大會上，鮑靈提出他們團隊最新的二、三疊紀之交的定年：即二億五千二百萬年前，正負十萬年。他表示，「『地球時間』專案的哲思，就是將此類爭辯的解決推到最高的等級。」