第四章 地磁年代

符号 C－29－R 并非间谍代号，也不是足球赛的标志，而是“新生代磁性地层第二十九反向期”的缩写。对于回答恐龙与古老有孔虫是否同时灭绝的问题，这一磁性地层期至关重要。

地层学是研究地层或沉积层及其序列关系的科学。磁性地层学是它的一个新分枝；藉着研究沉积时或岩浆结晶时“冻结”在岩石里的少量磁铁矿， 来确定地层的时代。我是在 1953 年从朗康（Keith Runcorn）的一次报告中，接触到用岩石磁性测年这项知识。当时，我是加州大学洛杉矶分校的中国籍研究生，而朗康是英籍博士后研究人员。说来见笑，我因为一点小小的私怨，而没有去听他的报告。当时，朗康与我都要处理岩石样品，但实验室只有一台大型岩石切片机。这位硬挤进来的英国人原本是学物理的，切割岩石薄片是个生手，而我们这些地质专业的学生却是这方面的行家。朗康有权在晚上使用切片机，但在第二天早晨，我们却不止一次发现锯片断了，所以不得不从换锯片开始一天的工作。此外，身为年轻研究生的我，也颇有一些初生之犊的傲气，总以为只有自己的研究才最有价值。一个连切片机都不会操作的人，还能讲出什么至理名言吗？我当时这样想。但是，事实证明我错了。我从一位与会的同学那里知道，朗康那天的报告涉及岩石的天然余磁， 对地质学家是一个极重要的命题。

磁极倒转现象

所有的岩石都含有磁铁矿之类的磁性矿物，古人制造的第一个罗盘就是用磁铁矿为材料。这些微小的磁性体只要有机会发生自由运动，就会按照地磁场的方向定向，像铁盾按照磁铁的磁场定向一样。当沉积物发生沉积或火成岩从液态冷凝为固态时，磁铁矿的小颗粒都会定向。通常它们是指向地理北极附近的磁北极。因为磁场像是环绕一根贯穿地球南北的磁棒而形成，因此有弯曲现象。在北半球，磁铁中的指北极都向下倾，而在南半球则上翘。这倾斜的角度称为磁倾角。

在测定火山岩的磁性时，用来测量天然余磁强度和方向的仪器初试锋芒。法国地球物理学家布容（BernardBruhnes）于 1909 年开始研究法国中部玄武岩流的天然余磁，研究区位于罗亚尔（Loire）南部高原。大多数样品的磁性与预测结果相符，但有些样品的磁性却是反常的，因此布容吃了一惊。这些岩石里小磁铁的指北极不是指北，而是指南；向上翘而不是向下倾。也就是说，它的定向与现代磁场正好相反。

等到 20 年后的 1928 年，松山基范对日本 200 万年以来的火山岩进行了类似的测量，也发现了反向的天然余磁。异常磁性都出现在一组较老的玄武岩中，而较年轻样品的磁性方向却都与现代地磁场一致。他突发奇想，大胆

提出地球的磁极曾经倒转过：在某些时期，地球的磁北极曾位于地理南极附近，而磁南极则靠近地理北极。松山推测，这种倒转发生在第四纪的某一时期，大约在数百万年以前。朗康在报告中强调，如果松山的设想不谬，那么地质学家就有了一种新的方法来分辨倒转前后的岩石。如果我去听朗康的报告，我可能会嘲笑他的自信；因为地磁极曾经发生倒转的想法太异想天开了。

没有多少科学家相信松山的解释。连他的同胞也不例外。上田诚也当时还是一个刚出校门的地球物理专家。他不但排斥松山的荒诞想法，还试图为磁性倒转这一毋庸争辩的事实找出一种较可信的解释。根据他的实验研究， 上田提出了一种自倒转现象。到 1958 年，他已证明在某些特殊情况下，可以用人工使岩石获得反向磁性。上田的实验很好，但没解决问题。布容和松山的样品火山岩磁性的确倒转过，因此要不是这些岩石经历过上田的特殊处理，就是地球的磁极在某些历史时期确曾发生过 180 度的大倒转；二者必居其一。

有一种方法可以检验这两种想法孰是孰非。如果松山的主张不谬，那么，反磁性的岩石都应当是在历史上的某个特定时期形成的，年龄应当接近。而其年龄又可以用放射性测年的方法确定。

火山岩含有放射性钾，所以是测年的好材料。时至 1960 年，放射性测年技术已经取得了长足的进展。加州和澳洲的研究队伍陆续发表了年轻玄武岩可靠的年龄数据，数据证明了松山的推测。所有反极性的玄武岩都是在新生代的上新世晚期和更新世早期形成的，其年龄数据集中在 240 万年到 70万年之间，似乎说明在这段时间内确曾发生过地磁极的倒转。为了纪念松山的贡献，后人把这一磁性地层期称为“松山反极性期”。松山期之后，地球的磁场一直保持现状，称为“正极性期”，延续至今长达 70 万年，为了纪念布容，称为“布容期”。因此，在朗康的报告之后不到十年的时间里，地质学家的想法发生了 180 度的大转弯。事实证明，松山“荒诞不经”的想法竟是对的。他的名字已经在磁性地层表中广为引用，也因此而为后人垂念。地磁极性倒转现象得到证实，预示着更多的地磁期尚待发现。我们现已

确知，地球的磁场是不稳定的。在地质历史上，地球的南北磁极曾经历了多次正向期和反向期的交替。反极性期的出现在时间上并不规则，每一次倒转大约需要几千年才能完成。在布容期以前有很多正极性的岩石，松山期以前也有许多反极性的岩石。

人们总是天真的认为，地磁场是由埋在地球内部的巨大固体磁铁引起的。从物理学的观点看来，要使这样一个大磁铁倒转根本不可能，因此直觉上并不认可这一想法。其实地磁场的起因与这种设想的大磁铁风马牛不相及。因为在地球内部的高温状态下，任何固体都将失去它的磁性。根据现代的认识，地球的磁场是一种电磁场，是由带电粒子在地球内部熔融的铁核心中发生流动而产生的，就像电流流经线圈时产生磁性一样。因此，地球的核

心更像一部巨大的发电机。由于地球液态核心的运动受到地球自转的影响， 所以地球的磁极都十分接近地理极。计算还显示，地球液态核心的随机运动，与大气气旋中的紊流非常相似。只要达到一定的临界条件，就能引起地磁场的倒转。地磁场的极性倒转是一种真实的物理现象，而不是什么超自然的奇迹。

大洋底的磁性条带

正当人们在实验室里忙于测定陆地岩样极性的时候，斯克里普斯

（Scripps）海洋研究所的地球物理学家却正在船上调查太平洋底的剩余磁性。当他们把测量结果绘到图上时，发现了另一种奇怪的现象：调查区域内的地磁场强度呈现一种特殊的规则分布，狭长的强磁性海底条带与弱磁性的条带相间排列。条带的宽度从几公里到百公里不等，长度可达数千公里。后来，他们更发现全球所有的大洋中都存在这种条带。

斯克里普斯海洋研究所在 50 年代末期出版了第一张海底地磁图，但是研究这一问题的地球物理学家拉夫（ArtRaff）和瓦克奎尔（Vic Vacquier） 依然找不到适当的解释。人们也许会想，高强度的磁条带下面可能有磁性玄武岩的海底小脊，但是水下测深资料显示磁性与地形并无相关。海底山脉既可与高强度的磁条带一致，也可与低强度的磁条带相吻合；海底平原亦然。但是这一疑团不久就迎刃而解了。斯克里普斯的海磁图出版后不久，剑桥大学的瓦因（Fred Vine）开始念研究所，并很快找到了问题的答案，在地质学史上留下了一段佳话。

我在 1966 年第一次听到瓦因的名字。我们两人都是那一年的美国地质学会旧金山年会重点报告的候选人，结果瓦因获胜，并在年会上作了至今举世闻名的有关海底扩张的报告。落选的失落感使我郁郁寡欢，因此连瓦因的报告会都没有参加。如果我当时没错过那次机会，也许有可能立时加入瓦因激发的地学革命，而不必等到三年之后由我自己的工作证明这一思想时才迎头赶上。

我最终是在若干年后结识瓦因本人。当时我以苏黎世联邦理工学院地球物理教授遴选委员会主席的身份，邀请他访问苏黎世。谈话中他告诉我，有两条思路使他受益匪浅，得以一举解开磁性条带之谜。出发点是魏格纳在 20 年代提出的大陆漂移说。魏格纳搜集了许多看来不可思议的事实，而惟有承认大陆变位，才能解释这些事实。但是，整个地球都包裹着一层固体地壳， 大陆怎么能漂移呢？

普林斯顿大学的海斯（Harry Hess）最先提出海底扩张的观点之后， 瓦因从不同角度审视了观察的事实，结论是大陆并没有主动发生漂移。但是如果大陆之间的海底发生扩张，大陆也会随之发生移动。玄武熔岩不断沿着海底扩张轴向外喷溢，在中央不断形成新的洋壳，势必不断地把老的洋壳推

向两侧，大洋两边的遥远大陆当然也要跟着运动。这些年来，已经有许多资料证明海底扩张确是事实。瓦因的理论不仅解释了大陆之间的显著漂移，而且也归纳出大陆碰撞的逻辑结论。现在我们知道，像阿尔卑斯山脉、亚平宁山脉和喜马拉雅山脉这样的巨大山系，都是由大陆碰撞推挤而成的。

瓦因的理论还有第二层含义。如果确实存在过地磁场的倒转，而新喷出的玄武岩又必须与当时的地磁场保持一致，那么每一次地磁场的变动都将依次记录在扩张轴两侧的海底中。而且每次磁性倒转后沿着扩张轴形成的新洋底沉积物，其极性应当与倒转前形成的沉积物相反。中央的新生洋底不断把两侧的老洋底推开，无异于在洋底上不断加添新的块段或条带。瓦因用非常简单的算术方法解释了各条带磁性强度的不同：形成于正极性期的条带与现代的正磁场一致，故而呈现纪录中见到的强磁场磁度；形成于负极性期的条带，记录到的磁场强度，应为现代正磁场与当时反磁场的差值，故呈弱磁场强度。磁场强度强弱相间的条带，就好比是记录地磁场倒转历史的一条磁带。不言可喻，磁条带的宽度与极性期的持续时间有关。极性期的持续时间愈长，所形成的新海底就愈宽。它按照相同的方向发生磁化，我们就会记录到一条较宽的磁条带。甚至可以达到极大的宽度，这就是所谓的“平静带”。如果磁极倒转频繁，则将形成一系列的窄条带。如果海底扩张的速度是恒定不变的，那么条带的宽度将与其形成时的极性期长短成正比。

1963 年，瓦因与他的导师马修斯（Drum Matthews）合作发表一篇论文， 公布了这一思想。那时，地球科学家已经用放射性测年的方法测定了最新四个极性期的持续时间，全部时间长度约为 500 万年。从现代往前回溯，布容期为 70 万年，其他三个极性期分别为 1.7，0.9 和 1.7 个百万年。如果瓦因和马修斯的理论不谬，那么最靠近扩张轴的四个磁性条带的宽度比应为0.7：1.7：0.9：1.7。从斯克里普斯研究所出版的图上得到磁条带的宽度资料，瓦因证明实际资料的确与预测一致。太平洋底和大西洋底的磁条带宽度都有相同的比例。从而证明，至少在过去的 500 万年内，两大洋的海底是以恒定的速率扩张的。

瓦因进一步推论，如果海底扩张速度始终保持恒定，只要用扩张速率除以该点到海底扩张轴的距离，我们就可以确定海底任何一点的年龄，假定海底扩张速率为每年一公分，该点距扩张轴的距离为 100 公里，其年龄应为 100

公里除以一公分/年，即 1000 万年。这一方法具有广阔的应用前景。我们可以用海底磁条带的宽度来计算地磁场倒转开始的时间和持续的时间，而不限于最新的四个。拉蒙特·多尔缔（Lamont Deherty，以下简称拉蒙特）地质实验室的海尔兹勒（Jim Heirtzler）及其同事利用已完成调查区的资料，于 1968 年建立了 8000 万年以来的磁性地层时间表。

令人遗憾的是，我未能亲自参与这些扣人心弦的海上发现。60 年代时， 我的工作是在陆地上调查石油。既然不熟悉事实，也就不会了解其涵义。我漠视这些发现，依然自以为是的认为极性倒转和海底扩张的思想都是无稽之

谈。

1967 年，我接受了内陆国家瑞士的聘用，命运之神又把我从美国赶到了欧洲。翌年，我却从瑞士接受了海洋戡查的邀请，在“联合海洋机构地球深部取样计划”（JOIDES）这个多国调查项目中谋得一职。我在海上的第一次冒险是新实施的深海钻探计划（DSDP）第三航次。这一计划以深海钻探为要务，而这一航次的任务正是验证瓦因和马修斯的理论。

我们的使命是远赴南大西洋，在距海底扩张轴（即所谓大西洋中脊） 200、420、500、700、740、1000 和 1300 公里的站位上进行钻探。大西洋这一部分的扩张速度在过去的 500 万年中为每年二公分。使用扩张速度除距离的简单公式，这七个站位的预期年龄分别为 10、21、25、35、37、50 和 65 个百万年。经过两个月的钻探和粗略的船上分析，我们得到的年龄值分别力9、24、26、33、40、49 和 67 个百万年。二者的结果惊人的一致，我的怀疑终于冰释。

我真不愿承认在科学判断中犯了错误，但又别无选择。一种科学理论既要能预测，自然也要得到证实。瓦因和马修斯进行了预测，而其预测得到了令人目瞪口呆的证实。

一年之内，深海钻探结果证明了磁性地层年代表的有效性。下一步要看从水平海底扩张推衍出来的极性倒转年代学，与在沉积物纵向序列中根据化石带放射性测年推导出来的年代学是否一致。达到这一目标需要更艰苦的努力，因为只有沉积物和沉积岩具备足够的化石供古生物学家正确测年，但是磁性信号要比首次发现极性倒转事件的火山岩微弱得多。必须发明高灵敏度的仪器才能研究这些更难记忆的余磁，取样技术也需要改进。当时深海钻探的取样技术尚在原始阶段，取得的远洋沉积物样品都是破碎而不完整的。如果不能在洋底获得完整而又未经扰动的钻探样品，我们就无法进行工作。实际上，发明验证垂直沉积序列年代与海尔兹勒的水平时间表是否一致的技术，是 13 年以后的事。1980 年，我领导了深海钻探计划第七十三航次，再一次来到南大西洋研究洋底的年代学。我们发现，用沉积物天然余磁确定的极性期与洋底磁性条带的极性期之间，是完全可以对比的。科学家在这两类资料中，都对地球磁场变换的历史进行了编码。

中生代结束的标志

C—29—R 是这一编码的速记形式。每一个磁性地层期都称为“时”。每一个“时”都有一个数字编号，代表它在磁性地层期的位置。C 是新生代的代号，“时”的编号由新到老依序计数。新生代—1（C—1）相当于布容和松山磁性地层期。字母 N 代表正极性期，R 代表反极性期。因此，布容期可简写为 C—1—N，而松山期则为 C—1—R。新生代—2—N 或 C—2—N，表示下一个正极性期；当时的磁极位置与现代一致。所有标以 N 的“时”都相当

于海底的高强度磁条带，形成于正极性期。其间为低强度带，形成于反极性期，标以 R 以示区别。

在沉积序列中可靠的确定“地磁时”，要比从海底水平磁性条带确定“地磁时”困难得多。世界上没有一个地方可以找到从现代开始直到恐龙时代的连续剖面，因此无法从一个地点的顶部开始向下计数直到我们的目的层，而必须根据零星资料，从不完全的序列中找到我们要我的层位。幸好极性倒转的时间间隔是不规则的，所以信号读起来就像摩斯电码。从海底扩张中心向外读，例如：海底 C—25—R 磁性条带是窄的，而 C—26—R 是宽的。再向外数，C—26 是窄、宽；C—27 是窄、窄；C—28 是中、窄；C—29 是窄、中， 凡此等等。每一个磁性地层时都有相应的持续时间：如 C—25—N 是短的，C

—25—R 是长的。到 C—29 可依次读作短、长，短、长，短、短，中、短， 短、中。

事实上，地磁信息要比宽、窄、长、短之类的形容词精确得多。因为磁条带的宽度可以精确测量并用数字表示。如果用黑白条带的图示方法来表示正反极性段，那么所得图谱看上去就像商品条码，很容易用电脑读出储存在这些条带内的信息。同样的，地质学家也能判读出磁性地层系统。早在 1969 年，在我首次参加的南大西洋航次中，我们就已指出，中生代最晚期沉积物可能是在新生代第二十九反向期内形成的。用简化的表达形式，我们可以初步地说，中生代结束于 C—29—R 期。

自从磁性地层学成为科学家的一种测年工具以来，已经解决了古比奥剖面的许多年代学问题；如有孔虫的灭绝时间、恐龙的灭绝时间、这些微小生命与庞然大物灭绝所经历的时间跨度，以及二者的灭绝是否同时等等。1979 年，即古生物学家确定古比奥的白垩纪生物灭绝层位后十五年，地球物理学家洛雷（Bill Lowrie）和地质学家阿佛雷兹（Walter Alvarez）参加了古生物学家普茉莉—席尔娃的研究组，一起回到她进行有孔虫研究的发祥地，目的是破译古比奥沉积序列的磁性地层学。他们发现富含有孔虫的石灰岩过渡为无生命界线黏土的白垩纪—第三纪界线。经古地磁测年后，该层位在磁性地层学序列中的位置确系 C—29—R，从而证实了南大西洋钻探组的初步结论；那是我首度参加的深海钻探航次。我们的意见是 C—29—R 标志着中生代的结束。但是，根据海底扩张理论推导出来的 C—29—R 年龄，是如何与含古生物大规模灭绝证据的沉积物，及其放射性测年结果对比起来的呢？

C—29—R 的弱磁性条带位于远离大西洋中脊 1300 公里处。假设该南大西洋区段的海底扩张速度恒定为每年二公分，那么 C—29—R 的年龄应为13000 万公分除二公分/年，即 6500 万年。而白垩纪·第三纪界线附近的火

山灰层的放射性年龄值为 6300 至 6700 万年，上下误差为 200 万年。6500 万年这一磁性地层学年龄恰恰与放射性年龄的中间值不谋而合，因此这一数字成为中生代终结和新生代开始的最通用年龄。

鉴于放射性测年都有一定的误差范围，因此不能用来测定较短的，诸如数百万年左右的持续时间。然而，磁性地层学却为我们提供了一种测量持续时间的精确尺码。拉蒙特地质实验室的肯特（Denis Kent）发现，C—29— R 的持续时间不会久于 50 万年。根据这一弱磁性条带的宽度，肯特算出这一反极性期的精确时间为 47 万年。由于磁性条带所代表的时间间隔，与同一极性期的沉积层所代表的时间间隔是一回事，所以肯特的数字代表了古比奥海洋沉积物中，海相浮游生物灭绝时间的最大限度。

除此之外，科学家还要计算灭绝过程是否包括 C—29—R 时期的全部， 抑或仅为其一部分。古比奥的 C—29—R 反极性层序主要由远洋相的石灰岩组成，厚约五公尺。这种石灰岩的沉积速率通常在每千年一公分之数，故该层石灰岩所代表的时间跨度大约为 50 万年左右。然而，灭绝事件的纪录是厚仅一公分的界线黏土。黏土沉积作用一般要比石灰岩慢得多，其速率只有每千年一公厘左右。因此，最合乎情理的估计是，古比奥的海相微体生物是在 C—29—R 的某一段时期，大约一万年左右的时间内灭绝的。借助磁性地层学，现在我们可以认定古比奥的纪录是完整的。即使真有所谓间断，也不会超过几千年。

那么，恐龙的灭绝是否也是在同一短时间内发生的呢？磁性地层学虽然不能提供确切的答案，但却可以使我们更清晰地研讨这一问题的重点。

从含最后一批恐龙化石的砂岩和页岩中，我们已经取得白垩纪末期灭绝事件的大量放射性同位素年龄。这些砂岩和页岩与火山灰成交互层，测年上比较方便。有些样品的资料显示，恐龙灭绝发生在 6700 万年前，而另一些

样品的资料则显示，恐龙曾苟延残喘到 6300 万年前，数据因地而异。放射性测年数据的这种不确定性并非分析误差，而可以用恐龙灭绝过程比较缓慢来解释。看来，这一过程至少持续了 500 万年。磁性地层学的发展，至少可以帮助我们缩小恐龙灭绝时间的可能范围。如果所有晚白垩纪恐龙的最后一批遗骸都只存于 C—29—R 沉积物中，那么其灭绝时间将不会久于此极性期的持续时间 50 万年。

但是，这一充满希望的方法却由于工作失误而引起了一些误解。1979 年，林德赛（E. H. Lindsay）等人对新墨西哥州圣胡安（San Juan）盆地内一个不完整的沉积剖面进行了初步研究，声称他们在一个正极性期内发现了最后的恐龙，而这个正极性期可能是 C—29—R 之前的 C—29—N 期。同一地区的其他研究者则认为，林德赛所谓“最后的”恐龙其实并无依据，因为那里的中生代最晚期沉积物已遭侵蚀。林德赛采到的是一个次于最晚的， 而不是最晚的恐龙化石。后来，美国地调所的法塞特（James Fassett）重新研究了中、新生代过渡带沉积序列没有间断的东圣胡安盆地，从而澄清了这一混乱。法塞特等人的研究成果清楚的表明，侵蚀作用确实迷惑了林德赛。他所谓生活在 C—29—N 的“最后”恐龙，其实是存于比中生代的结束时间早 500 万年的 C—32—N。林德赛本人的最新研究成果也承认，圣胡安盆

地的白垩纪一第三纪界线事件发生在 C—29—R 期间。

过去的几年中，在北美洲西部的许多地区又展开了磁性地层学研究。末代恐龙的遗骸总是发现于反极性期的沉积物中。加拿大的勒伯克莫（J.F. Lerbekmo），对阿尔伯它（Alberta）地区的中、新生代沉积序列剩余磁性“条码”的重大变化，进行了仔细判读；结果发现沉积物的时代均属 C—29

—R。现在看来，可以确定恐龙在这一反极性期的 50 万年内灭绝似已无问题。突然的全球灭绝现象

恐龙的灭绝是否与古比奥的有孔虫同样迅速呢？这是一个悬而未决的问题。因为发现的恐龙骨骼为数不是很多，而测年技术又不够完善，不足以得出恐龙究竟是在几千年、几万年或几十万年内灭绝的结论。然而，在地质学的语言里，不到 100 万年的时间是“短暂的”，其间发生的变化当然也就是“突然的”。从这个意义上说，把陆上恐龙王朝覆灭的时间，解释为与海洋有孔虫的灭绝同样突然，可能不致引起古生物学家的太多质疑。

问题是，白垩纪末期的大规模生物死亡事件，是否确实为 C—29—R 的50 万年内遍及海陆的全球事件，抑或仅是限于古比奥和美国西部的局部事件呢？

就海洋生物而言，最近几年的磁性地层学研究已提供了肯定的答案。我本人有幸在 1980 年南大西洋的钻探中亲自得到了证实。大西洋和太平洋其他深海钻探站位的样品都说明：白垩纪一第三纪界线是在 C—29—R 期，西班牙和德国的古深海沉积序列的界线研究结果也与上述结论一致。在陆地上，古植物学家也把白垩纪末期灭绝植物组合的最后一代胞粉（又作孢粉） 化石放到了 C—29—R。因此，我们已经愈来愈有信心断言，许多生命形式， 无论是海相还是陆相，无论是植物还是动物，都是在 C—29—R 这一反极性期中发生了大规模的灭绝现象。

近几年磁性地层学研究的进展，对莱伊尔和达尔文关于中、新生代沉积纪录之间存在巨大间断的假设，是一个沉重的打击。时间的推移，在海底表现为条带，而在大洋和陆相沉积物中表现为纵向序列。它既有宽度，又有深度，C—29—R 是实际存在的一个重要地质时期。

俗语说，耳闻为虚，眼见为实。我们必须相信自己的眼睛。如果许多生命形式，都是在 C—29—R 期间最后露面一次，以后不复再现，那么就可以说，它们是在 6500 万年前突然而又同时在全球范围内灭绝的。