第六章 深海求证

我在加州大学洛杉矶分校读书时，曾与著名的地球物理学家格里格斯

（David Griggs）一起从事我的博士论文研究。他心目中的英雄是汤姆森

（William Thomson），或者更为知名的说法是凯尔文爵士。在格里格斯办公室的门上，贴着一段凯尔文的名言：“我常说，如果你能测度你的研究对象并以数字表示之，那么谓之有所知。如果你不能用数字描述研究对象，那你的知识就是粗浅而片面的。或许你正要开始了解你的研究对象，但无论研究对象为何物，你的认识尚未升华到科学状态。”

凯尔文的另一段名言完全是侮辱性的。他说，有些科学家——他指的是物理学家——用数字来表达他们的认识；诸如生物学家、地质学家和其他自然科学研究者却只对标本感兴趣，所以只称得上是“集邮爱好者”罢了。

且不论他的傲慢，凯尔文的确言之成理：我们需要用数据证明思想。鲁塞尔等人估计，如果空气的温度突然上升摄氏 10 度，恐龙就难以幸存。麦克林提出白垩纪末期时气候要温暖得多，但并无数据支持。德·劳本菲尔斯认为海相爬虫类死于近于沸点的高温，但他没有提到关于沸腾海洋的最保守证据。至于气候变冷趋势的证据一样模糊：在一亿年的漫长过程中，竟未提到任何一个时间的温度。

古代气候情况

长期以来，我们一直靠古生物学家获取古气候的资讯。植物是敏感的环境标志；有些植物化石至今还有代表存在，所以我们有理由设想，它们古代祖先的生存环境与当代相似。例如，人们在亚利桑纳州的沙漠中发现了中生代的棕榈树化石，就能说明 25000 万年前，那里的气候与当代并无多少差异。然而，还有许多其他植物却灭绝了，只能根据化石与现代植物的关系来推测植物化石的环境，或者用植物的形态来进行推理或解释。例如，阔叶树多半生长在热带或亚热带；而松柏类或豆科植物则更常见于温带或干旱地区。

各种动物也偏好不同环境。珊瑚礁生长于热带，而海豹和海象则习惯于极区的冷水。生物歧异度是另一种判别标准：在最佳气候条件下，万类生物竞胜，生物种数极多。而在极冷或其他极端气候条件下，却只有少量强者才能幸存。正是凭藉这些资料，古生物学家才能判别过去的动物区，并联系上相应的气候带。

海洋单细胞生物的分布也与气候带有关。单细胞生物又称为原始生物， 是一种既不属于动物，也不属于植物的特殊生命王国。单细胞生物中既包括曾被视作单细胞动物的生物，如以草为食的有孔虫；也包括曾被认作单细胞植物的生物，如作为食物的超微浮游生物。生活于热带的有孔虫和超微浮游生物种属，与中高纬度地区的种属有显著的区别。在赤道太平洋，具有美观

的玉石般平滑骨骼的放射虫（radiolarian）比比皆是，在极区海洋中，致密外壳可用作亮光剂（polishing agents）原料的矽藻则更为常见。

古生态学研究与气候有关的化石分布规律。在一个多世纪的时间里，古生态学向不同方向发展，力图揭示过去的气候变化。科学家用诸如温暖与寒冷、热带与温带之类术语，来描述各种古代生物生活的环境中，温度的重大区别。对于古生态学家的工作，我们充满信心；因为来自不同渠道的证据都趋于相同结论。林林总总的动物群，都存于热带植物极其繁盛的陆棚近海部分，或赤道原始生物蓬勃生长的开阔海。在非古生物学方法发展起来以后， 许多结论又得到了进一步的证实。例如，天然余磁的磁倾角能指示纬度，因此证实似属热带化石组合的生物群，确实位于赤道附近，是真正“热带型” 的。

然而，古生态学方法也有不能提供数字的缺陷。大多数古生态学家约定俗成，都使用“温暖”、“相对较温暖”、“较温暖”或“非常温暖”之类的术语。可是某甲所指的“温暖”可能正是某乙概念中的“非常温暖”。举例来说，“热带动物”一词可能也是一个模糊的概念，并不意味着这些生物一定生活在热带附近海域。如果某一时期全球海洋都非常温暖，那么这些生物也可以生活在高纬度地区，而仍不失其热带动物的特征。事实上，就支持生物大规模灭绝的寒冷说或过热说所要求的精确性而言，古生态学方法部不合格。关于白垩纪末期的气候问题，古生态家争论已久。有的说冷，有的说热；各持一端，互不相让。

可是，早已有人发明了一种定量测定古气温的技术。在麦克林提出他的温室理论解释恐龙的灭绝时，已经使用了 20 年，那就是所谓的古温计。但是，发明一种新的工具，知道如何去善用并使它达到预期的精度，有时是很费时间的。在相当长的时间里，结果往往非常混乱。

放射性测年技术

这种测年技术是从同位素的研究中衍生出来的。同位素研究早已使放射性测年成为可行的方法。研究之初，人们设想，化学元素的各种天然稳定同位素的相对数量，应当到处一律，与环境无关。所谓稳定同位素是指不会发生衰变的同位素，因此不能用于测年。在 30 年代，人们还不知道氢有同位素。但是，尤里（Harold Urey）却猜测氢可能有几个同位素，而且认定终会找到一种方法，使它们分别趋集到一个样品中，达到超乎寻常的丰度。通常，氢原子只有一个质子，是最轻的同位素，原子量为一。像这样的轻原子最为活跃。含有轻同位素的液体发生蒸发时，这种轻原子最有机会从液体中“跳”出来变成蒸汽。反之，在蒸汽冷凝为液体的逆过程中，含有一个或多个中子而较重的同位素，冷凝为液体的机率也更大。因此，反复进行蒸发和冷凝，最终的残余溶液中将会有重同位素趋集；这在理论上无懈可击。尤里

蒸发了六公升液态氢，最后用质谱仪检查，发现残余溶液果真趋集着原子量为二的氢原子：尤里终于发现了氢的重同位素。由于其原子量是正常氢原子的两倍，这种重氢被命名为氘。尤里也因此而荣获诺贝尔奖。

氘的原子量为二。因为它的原子核除有一个质子外，还有一个中子。后来，化学家又发现了氢的第三种同位素氚，它含有两个中子。氘是稳定同位素，但氚却是放射性同位素。其他常见元素也有同位素。碳有碳—12，碳— 13，碳—14。碳—14 是放射性同位素，已经成为含碳物质测年的基本工具。氧有氧—16，氧—17，氧—18。它们都是稳定同位素，不会衰变为子元素， 因而也就不能用于放射性测年。

然而就像尤里能将氢分离为重同位素和轻同位素一样。所有的同位素都是可以分开的。二次大战期间，尤里为曼哈顿计划工作。战后重操旧业，致力于基础研究，开始思考稳定同位素在自然界的分馏机制及其后果。

最常见的氧同位素是氧—16，其原子核中有八个质子和八个中子，占自然界氧原子的 99.756％。氧—17 多一个中子，氧—18 多两个中子，分别占氧的 0.039%和 0.205％。当氧与其他元素结合成化合物时，化合物中的氧里也含有一小部分重同位素氧—17 和氧—18。化合物中各种氧同位素百分含量，称为它的氧同位素组成。通常，氧—17 极少，很难精确测定。因此用最重和最轻的两个同位素即氧—18 和氧—16 的比值，已经足够表示氧的同位素组成了。

水（H2O）是大家熟悉的氢和氧的化合物。它既含轻氢，也含重氢，又含有氧的三个同位素。海洋的水已经完全均质化了，其氧—16 和氧—18 的比值实际上是到处一律的，因此可以作为比较的标准。这就是标准平均海水，简称 SMOW。然而，云就像尤里在实验室中反复用蒸发和冷凝的方法，从液态氢中排出的蒸气，虽然来自海水，但与海水相比，其中重氧—18 的同位素含量都少了许多。氧—18 含量低于平均海水，称作相对 SMOW 具氧—18 负异常，因此，云具有负的氧同位素异常。当然，从云层中落下的雨雪亦然， 由降雨和融雪补给的山川江湖更无例外。反之，氧—18 含量高于 SMOW 者， 称为正的氧同位素异常。

应用古温计

1946 年，尤里在瑞士联邦理工大学的一次学术报告中发表了他的新发现。在座的该校矿物学教授尼格里（PaulNiggli）立即敏感的意识到，这一方法在地质学中有着广阔的应用前景。多少年来，地质学家一直为无法区分湖相和海相的石灰岩而深感苦恼。石灰岩即碳酸钙（CaCO3），是一种含氧的岩石；这些氧来自于形成石灰岩的水体。如果淡水相对于 SMOW 具有负的氧同位素异常，那么形成于湖泊中的石灰岩相对于海相石灰岩而言，也应当有较低的氧—18 含量。基于这一推测，后来尤里选定北卡罗莱纳州匹蒂组

（Pee Dee Formation）海相石灰岩中的一种生物介壳作标准物质，用以判别成因不明的碳酸钙沉积。

尼格里在尤里报告之后所作的一番评论，可能改变了尤里一生的方向， 开始从化学专业改攻地球和行星科学。在他的新历程中，第一个重要贡献就是以碳酸钙的同位素组成，作为测量古海洋温度的古温计。理论分析显示， 即使是从同一个 SMOW 中结晶出来的碳酸钙，其氧同位素的相对丰度仍将受到结晶时温度的影响。较高的水温引起的分馏作用对较活跃的轻同位素比较有利，故在较温暖海水中沉淀出来的碳酸钙中，较重的氧—18 相对较少。尤里和他的学生麦克雷（J.M. McCrea）根据计算编制了一张查阅古海洋温度的量度表。温度变化引起的氧同位素差异之大，即使用当时的质谱仪测定，精度也已绰绰有余了。鉴于海洋生物介壳是由从海水中析出的碳酸钙构成的，所以尤里推断，化石介壳的同位素组成应能指示当时的海水温度。

根据上述理论分析，尤里在一名年轻的古生物学家洛文斯坦（Heinz Lowenstam）的协助下，由美国地质学会的经费支持，开始寻觅化石，并发现细长而尖，状如箭矢的箭石是一种最合适的古温计。

尤里选中箭石作为标准物质，是因为这种化石保存极佳，而其他许多化石均已发生成岩作用，造成原来的矿物被新的矿物取代。第一次测定的是取自英格兰佛罗纪地层的一块箭石标本。这块标本直径约 2.5 公分，浅棕色且

透明。切出一个剖面可以看到十分清晰的生长环；他们分析了 24 个环。氧

同位素异常的变化范围相当于摄氏 14 度至 20 度的水温变化。从温度变化的历史得知，这一侏罗纪的游泳生物经历了三个夏天和四个冬天，死于春季， 享年四岁。

之后，英国博物馆向芝加哥的研究团体，提供了英格兰中到晚白垩纪白垩中的箭石、牡蛎及腕足类化石。哥本哈根大学博物馆又赠送了三个马斯特里奇期的箭石标本，其中最新的一个标本采自顶部白垩以下 17 公尺处，大

约生活在白垩纪终结以前的 100 万年左右。在美国的密西西比、田纳西、北卡罗莱纳和南卡罗莱纳州的匹蒂组石灰岩中，也采集了箭石和牡蛎样本。英国的标本显示，白垩纪末期温度从摄氏 23 度降至 14 度。美国样品的纬度带更偏南，也有相似的古温变化，但趋势不甚清晰。

尽管尤里只有零星而初步的资料，还是卷入了恐龙灭绝的争论。他和同事在发表于《美国地质学会志》的一篇论文中表示，他们倾向于恐龙乃是冻死的假说。也许是出于某种预感吧，虽然尤里样品不多，一个化石带只有一个样品，但他相信如果有更多的样品，定会显示出更为明显的温度递降趋势。于是，白垩纪末期气候变冷学派胜了一局。

尤里的学生洛文斯坦和爱比斯坦（Sam Epstein）于 1954 年继续从事此项研究，作了更多有系统的研究，从瑞典、丹麦、英格兰、荷兰、比利时、法国、阿尔及利亚、印度、日本、澳大利亚和美国采集了大量样品，得出了一亿年前大约在白垩纪中期的辛诺曼期（Cenomanian）“平均箭石温度”，

最低为摄氏 15 度，而在马斯特里奇期，在温度降至另一个最低点前的最高

温度为摄氏 20 度。洛文斯坦和爱比斯坦重申早先的结论：没有发现可以导致恐龙灭绝的“温度大幅度升高的证据”。但是从另一方面分析，恐龙既然度过了一亿年前寒冷的辛诺曼期，那就没有理由把 6500 万年前恐龙的灭绝归因于气候变冷，“除非有尚未发现的因素同时发生”。

从芝加哥校园内发出的数字并未为学术界广泛接受。老派的古生物学家用古生态证据质问古温计的有效性。他们举出了大量证据，如造礁珊瑚、热带软体动物和大型有孔虫歧异度的增加，就辛诺曼期和马斯特里奇期中的寒冷期提出了质疑。从生态学的资料来看，海水的温度在这些时期是最高而不是最低的。为了解决这一矛盾，他们提出一种可能性，即海洋生物对同位素是有选择性的。如果箭石优先用较重的同位素造壳，那么即使当时生活在温暖的海水中，其氧—18 的含量也会偏高，从而显示出低温海洋的特点。这种可能的“关键效用”仍未确定，不过在第二轮的争论中，变暖说似又扳回一局。关于白垩纪末期气候的争论，在相当长的一段时间内众说纷纭，莫衷一是。也没有进一步的证据足以说明，在白垩纪最后的 1000 万或 2000 万年内， 气候究竟变暖还是变冷。

由于箭石在中生代末期就已灭绝，新生代早期没有任何气候变化的资料。洛文斯坦和爱比斯坦分析了马斯特里奇期和达宁期的其他化石，但未见二者的氧同位素组成有什么明显区别。有些像腕足类的生物分布甚广，也极为常见，对同位素测定理应很有价值，但却因为成岩作用引起的变化，改变了它们的同位素信号。这些生物原产于海相石灰岩或白垩中，后来升到了陆地上。在地下水的作用下，原来的松散沉积物变成了岩石，化学成分也发生了变化。因此，人们多年来一直都在寻找合适的化石，以便应用尤里的古温计。

得力助手出现

1958 年夏，我到迈阿密访问。我的老朋友金斯堡（BobGinsburg）特地安排了一次午宴，介绍我与一位满脑子新主意的科学家艾密连涅（Cesare Emiliani）认识。

那年，地球科学界正经历着一场激烈的争论。发明动力定位船的这项技术突破，为科学家在深海底钻孔取样提供了可能途径。

通常，近海钻采的平台是用海底打桩的办法来固定的，墨西哥湾和北海的油井钻采都是如此。但是，在 5000 公尺深的海底打桩殊非易事。而动力定位船却毋需系船于海底；它能根据监测电脑的指令，调节四个发动机，使船身稳定的保持原位。这一技术突破问世以后，许多科学机构都想在海底钻一个 5000 公尺深的钻孔直透洋底，那就是所谓莫霍孔（Mohole），就像美国的孩子都梦想挖一个井穿过地球到中国旅游观光一般。科学界为此已经花

掉了几百万美元，并向美国国会提出了更多的资助要求。

艾密连涅认为，这是一个不切实际的计划，无异把钱扔进大海（事实证明确是如此）。他觉得在洋底沉积物中钻一些浅孔，取些样品研究大冰期的气候变动要比莫霍孔有意义得多。

艾密连涅曾在波隆那（Bologna）大学研习古生物学。他以祖国和母校为傲，总是不失时机的赞美杜斯康尼（Tus-cany）的绮丽风光，宣传波隆那大学是世界上最老的大学。艾密连涅早年在波隆那大学研究浮游有孔虫，二次大战后获得去芝加哥大学作博士后研究的奖学金，而该校正是尤里推广应用古温计原理的发祥地。当时艾密连涅研究的是深海沉积物样品（但绝对没有到界线处那么深）。深海沉积物是由有孔虫和超微浮游生物介壳组成的石灰质泥，称为软泥。用手使劲捏时，会从指缝间流出来。尤里在深海沉积物的研究受到挫折，因为在他的样品中，有的有孔虫栖息在寒冷的海底，而另一些则是在温暖的海面。任意取出的样品是这两类有孔虫不同比例的混合物，因此尤里无法得出有意义的结论。如果要根据软泥进行温度分析，必须设法将温水浮游有孔虫与冷水底栖有孔虫分开。未经专业训练及没有鉴定浮游生物的经验，便无法区分这些微小生物。因此，当艾密连涅这位专家出现在芝加哥时，尤里如获至宝。艾密连涅知道如何区别这两类有孔虫，他正是研究深海气候史的得力助手。

划分大陆冰期

在当时，惟一详细研究过的古气候事件，是 200 万年前到一万年前的大冰期。地理学家兼地貌学家彭克（AlbrechtPenck）曾在德国的巴伐利亚山区度过了许多宝贵的青春岁月，那里冰川遗迹比比皆是。彭克首先认识到大冰期并不是一个持续的寒冷期，而是一个气候波动的时期；既有冰川的推进，也有冰川的后撤。1880 年代，彭克在德国南部工作。他注意到现代河流流经砾石滩时，形成蛇曲的能力很弱。他认为这是因为现代河流没有搬运砾石的能力，因此这些粗碎屑物质必定是大冰期时由汹涌奔腾的冰川融雪水搬来的。

彭克又发现，河谷两侧的台地之下，也有与现代河谷一样的砾石沉积分布。这些砾石必定是在大冰期的较早期沉积在较高的位置上的。经过仔细的追踪对比，他分出了四级阶地，从而推想有四次冰川推进的寒冷期。这就是彭克及其助手布吕克纳（Brückner）分出的四个冰期。他们用当地的河流来进行命名，即贡兹冰期（Güunz）、明德冰期（Min-del）、里斯（Riss）冰期和玉木冰期（Würm）。这在欧洲已经妇孺皆知。冰期之间是间冰期，其气候与现代一样，甚至更加温暖。

北美的地质学家用不同的方法得出了相似的结论。他们指出，冰川在向前推进时，会将泥石推向两侧，就像推土机前进时把泥土推向两边一样。有

些碎屑裹在冰川里，化冰时就留下一片粗碎屑物质，堆积在泥质的基质中， 这种堆积物称为底冰碛。间冰期到来，冰碛物一部分一部分的风化为土壤。只有在冰川重返时才会再次被覆盖，并在土壤层顶部堆上新的一层底冰碛， 因此可以透过计算冰碛层和其间的土壤层来确定冰期和间冰期的次数。与彭克一样，北美地质学家也发现了四次冰期和间冰期。他们根据出露最好的地点命名，即内布拉斯加（最老的）、堪萨斯、伊利诺和威斯康星冰期。我学习地质时，一般认为美洲的四个冰期与欧洲的四个冰期是遥相对应的。

无论是美洲抑或欧洲的经典方法，都不能提供冰川历史的完整纪录。后来的冰期，可以把前次冰期留下的沉积物剥蚀净尽。例如在瑞士，里斯冰期似乎是最强有力的，它剥掉了较早冰期的许多沉积物。同样，河流台地也会随着时间的推移而不断遭受侵蚀，以台地数目进行对比也存在着不少的争论。其实在彭克最终确定四冰期的划分方案之前，曾一度认为只有相当于三次冰期的三级台地。彭克身后，其他科学家又发现了更多的河流台地，说明大陆冰川可能不止四期。然而，理论一旦被写进了学校教科书，就立即变成了不容争辩的真理。虽然我们不得不提出里斯Ⅰ、里斯Ⅱ、玉木Ⅰ、玉木Ⅱ 乃至玉木Ⅲ之类的“亚冰期”，仍必须保留贡兹、明德、里斯、玉木冰期的名称，藉以维护那种魔术般的命名系统。

深究大冰期的历史

海洋是沉积物最大的堆积场所，可以提供地球历史各方面的连续纪录。但是在彭克的时代，还只能在海底抓泥取样。这些样品只能说明近代的历史，还不能揭示大冰期的秘密，因为大冰期的沉积物深埋在表层沉积物之下。若要从表层沉积物下面取样，必须有海底取芯技术。

德国“流星号”考察船于 1925 到 1927 年间在大西洋进行考察时，取得第一个深达大冰期沉积物的岩芯。这种最早期的取样技术称为重力取样。他们把一个空心的钢管系在钢缆的一端沉入海底，再把钢管拉到甲板上，就会得到一段沉积物的岩芯。重力岩芯的长度约为一公尺。科学家在研究“流星号”取自赤道大西洋岩芯中的有孔虫化石时，有一个有趣的发现。在岩芯最顶部的众多有孔虫中，有一种麦氏有孔虫（Globorotalia menardii）。这种有孔虫现在仍然生活在热带海域。但在岩芯的中段，却不见这种典型的温水种，显然这段岩芯沉积时的海洋太冷了。因此，研究人员认为它们是在最后一次冰期，即玉木冰期时沉积的。当时赤道部分的大西洋要比现在冷得多。再往下，在接近岩芯底部的沉积物中，麦氏有孔虫又再次出现，似乎代表末次冰期以前的一次间冰期的气候纪录。

“流星号”的调查结果燃起了人们的希望。但由于当时技术水准的限制，样品极为有限。大洋沉积物的堆积速率通常为每千年几公分，一公尺长的岩芯只能说明几十万年的历史。单凭重力的作用自由下落，不可能使取样

器深入海底一公尺以下。因此，还要待长岩芯的取芯技术发明之后，才能弄清楚大冰期更详细的历史。

相持不下

第一个重大突破就是库伦堡取样器。这种活塞取样器以发明者库伦堡

（Börge Kullenberg）的名字命名。库伦堡是瑞典的一位海洋学家，领导过 1947 到 1948 年瑞典的深海考察。库伦堡取样器的原理与医用注射器的原理相似。当取样管推入海底时，一个活塞就向上拉起，活塞腾出的空间会自动的将岩芯吸入。40 年代末期，这一设备投入使用。从那以后，地球科学工作者就能得到更长的岩芯了，也就有了获取更古老气候信息的机会。纽约州派利沙德的拉蒙特地质观察站用库伦堡取样器取得了大西洋和加勒比海的长岩芯。埃里克森（Dave Eric-son）和沃林（Goesta Wollin）于 1950 年发现，喜欢温暖的麦氏有孔虫在过去的 200 万年中曾四次明显缺失，标志着相应的四个寒冷气候期。人们希望证明这四个寒冷期就相当于欧洲和北美大陆的四个冰期。

与此同时，一位名叫阿伦尼斯（Gustaf Arrhenius）的瑞典青年地球化学家刚到斯克里普斯海洋研究所任职不久，试图另辟蹊径，从海洋沉积物中浮游生物的资料揭示过去的气候。在现代海洋中，赤道带有极为丰富的浮游生物。因为来自南极的底流在那里随着上升流上泛，为浮游生物带来了生活必需的营养盐。根据他对底流特性的研究，阿伦尼斯推测，冰期时南极冰川向前推进，大洋底流更强，也就会有更多的营养盐被带到赤道区，浮游生物的产量当然也高得多。

浮游生物的相对数量是可以测量的。它们死亡后，具有钙质骨骼的遗骸沉到海底，使沉积物富含钙质化石。超微浮游生物愈多，沉积下来的碳酸钙也愈多，因此可以根据碳酸钙的含量来区别赤道海洋冰期和间冰期的沉积物。冰期海洋沉积物应比间冰期沉积物含有更多的碳酸钙。用这一原理去研究太平洋的岩芯，阿伦尼斯在斯克里普斯的同事没有发现一般相信的四个冰期，反而似乎至少有九次强烈的寒冷期。

两种不同技术路线引出的不同结论，必须有第三种方法来加以检验。当时在芝加哥大学同位素实验室工作的艾密连涅，想用尤里新发明的方法来直接确定大洋的温度。用来分析古水温的岩芯取自加勒比海，也就是埃里克森和沃林用来进行麦氏有孔虫数量分析的岩芯。

这两种不同方法所得出的温度结论在岩芯上部颇吻合，但对下部岩芯却截然相反。整个下部岩芯中都没有麦氏有孔虫，说明气候寒冷。但艾密连涅手中的同位素资料却表明，在这一段时间内有两个温暖期，中央有一个寒冷期。当艾密连涅用他的气候纪录与彭克从陆上河流台地得出的冰期对比时， 与拉蒙特的科学家产生了更为激烈的争论。艾密连涅认为加勒比海的岩芯可

代表彭克的四个冰期，而埃里克森和沃林却认为这段岩芯只到达第二古老的冰期，即明德冰期的顶部；双方都怀疑对方使用的方法。艾密连涅认为，影响麦氏有孔虫存在与否的不是气候，而是其他因素；而埃里克森和沃林压根儿就不相信同位素技术的可靠性。

这就是我于 1958 年与艾密连涅在迈阿密共进午餐时的背景情况。毫无疑问，对他来说更紧迫的是大冰期的岩芯而不是莫霍孔！

终于如愿

当时，艾密连涅接受了迈阿密大学的邀请，刚刚离开芝加哥。他要继续从事稳定同位素的研究，首先需要一台质谱仪。而他本人并非一位经验丰富的仪器专家。所以他说服了他的瑞士朋友盖斯（Hans Geiss）来帮忙。他们东拼西凑，终于组装成一台质谱仪。去迈阿密时，他们骄傲的领我参观了他们的实验室。艾密连涅情不自禁的谈起了他的新发现。他曾以为自己首次从加勒比海岩芯得出的四个寒冷期可以与贡兹、明德、里斯和玉木冰期对比，但又不敢肯定，因此只能用数字表示气候期而不敢迳行使用冰期的名字。现在他来到了迈阿密，而且有了长岩芯，发现了七个旋回性的变化。当时，斯克里普斯海洋研究所的科学家发现的气候变化似乎已成定论，但也不可能与彭克的年代表相对比。显然，我们都站在一个有关大冰期的思想革命的十字路口。而要实现这场革命，需要更多的样品，尤其是长岩芯。

艾密连涅怀着外国移民常有的乐观情绪，认为美国是一块机会最多的土地。于是他在 60 年代初期向美国国家科学基金会提出了一项申请，要求基金会支持他取得深海沉积物的长岩芯，以研究气候变化的历史和原因。当时，美国国家科学院的科学家正在讨论这个问题，打算立一个项目来研究洋盆的沉积物和上部地壳，并希望一些领先的研究所来倡导此事。艾密连涅的申请递得恰是时候。但迈阿密大学无论人力或设备上都不足以独力承担此事，还要从其他大学找到一些发起者，艾密连涅才能如愿以偿。

1963 年，哥伦比亚大学拉蒙特地质实验室的主任艾运（ Maurice Ewing）也加入了这一行列，为大洋沉积物的钻探计划四处奋斗。于是，迈阿密大学和拉蒙特实验室的代表，联合斯克里普斯海洋研究所、普林斯顿大学和伍兹霍尔（Woods Hole）海洋研究所的代表，组成了 LOCO（LongCores， 长岩芯）委员会寻求资助，以建造一艘动力定位船。就同其他领域一样，科学政治中也少不了权位之争，新合作的伙伴不免要争个你短我长。因此，在LOCO 进一步改组为海洋调查探勘组织（CORE）时，迈阿密和普林斯顿首先退出。随后，迈阿密又与拉蒙特、斯克里普斯和伍兹霍尔等单位重新联合，成立了“地球深部取样联合海洋研究机构”（JOIDES）。后来，习惯于议会政治的美国国家科学基金会认为，需要增加美国太平洋岸西北方的区域代表。于是，华盛顿大学也应邀参加了这一组织。

1965 年，JOIDES 租用了动力定位的“卡德列尔Ⅰ号”（Caldrill—Ⅰ），

并于四五月间在大西洋钻了 14 个孔。从这些岩芯获得的结果十分引人注目。愈来愈多的人相信，全大洋的沉积物取样势必获得更大的成功。1967 年，根据 JOIDES 顾问委员会提出的构想，各方又签约组织了“深海钻探计划”

（DSDP），并由斯克里普斯海洋研究所组织实施这一计划。为了实现这一计划，环球海洋公司专门建造了一艘新的钻探船，命名为“D/V·格洛玛·挑战者号”（D/VGlomar Challenger），以纪念光辉的海洋调查前驱“HMS 挑战者号”。该船于 1968 年 3 月下水，距离艾密连涅向国家科学基金会提出申请恰好四年。

格洛玛·挑战者号于 1968 年 7 月 20 日离开德克萨斯的橘港（Orange）， 驶向墨西哥湾进行第一期深海钻探。艾运这位 JOIDES 的主要倡导者获得领导第一航次的荣誉。翌年，我也参加了 JOIDES—DSDP 的活动，随第三航次远赴南大西洋去验证海底扩张理论。艾密连涅的愿望，与导致地球科学革命的那些宏伟目标相比，真算不了什么。这些愿望很快得到了满足，不久就得到了大冰期沉积的 100 公尺长岩芯。

变冷说获胜

那个航次中取得的岩芯，也激起了有关白垩纪末期气候的新争论。钻孔深逾 1000 公尺，取得了中生代中期以来长达 1500 万年期间的沉积物样品。其中的 DSDP21 号钻孔位于西南大西洋的里奥格兰德（Rio Grande）海隆上， 穿过了白垩纪一第三纪界线。我们把这些样品取回后，进行了同位素分析。格洛玛·挑战者号船上的古生物学家斋藤分开了浮游有孔虫和底栖有孔虫， 他在拉蒙特的同事分别分析了这两类化石，得到了海底和表层的水温值。工作于 1974 年结束。无论是海底抑或表层的资料都表明，在中生代末期的最后几百万年内，温度都下降了摄氏五度左右，新生代早期的海洋甚至更冷。因此，拉蒙特的学者同意尤里及其同事关于中生代末期气候变冷的结论。而且这一变冷的趋势越过白垩纪一第三纪的界线进入了新生代。关于白垩纪末期气候争论的拉锯战，趋冷学派取得了第三回合的胜利。

然而，拉蒙特学者的研究成果带来的喜悦是短暂的，他们的结论很快遭到了责难。因为所谓变冷趋势是根据三个代表 300 至 500 万年的样品作出的，短期的气候波动只有十万年，甚至更短。如果样品更多一些，结论可能完全不一样。

格洛玛·挑战者号在头五年内钻了二百多个钻孔，取得了几千公尺的岩芯，但只有极少数岩芯作过古温分析。这不是因为缺乏兴趣，而是因为几乎没有样品适合于此项分析。例如，我们在 20 号站位也钻穿了白垩纪—第三纪界线。但这些沉积物中的底栖有孔虫极少，无法进行同位素分析。

变暖说扳回一局

我自己也遇到过同样的问题。1972 年，我第二次参加深海钻探随船去地中海。我们发现了古生物方面的证据，说明 500 万年前地中海的底层水要比现在冷。我想取得某些真正的数字，于是同我的老船友、拉蒙特的斋藤讨论有关同位素技术方面的问题。他向我解释了其中的难处：大洋软泥中所含的底栖有孔虫太少，不够作常规的同位素分析。但是他听说剑桥大学有一位年轻的物理学家正在研究微量样品的同位素分析技术，可能会助我们一臂之力。斋藤处理了二公尺化石稀少的岩芯，才挑出三颗细小的地中海底栖有孔虫。他将这三颗化石封在一个小瓶里，托人捎到剑桥，交给了夏克尔顿（Nick Shackleton）。

夏克尔顿是一位著名地质学家的儿子。为了回避托庇乃父声望之嫌，他决定学习物理，学成后在剑桥大学植物系工作。因为该系有一个小组专门从事古植物的研究，也包括古气候的应用，而这个组正需要一名长于同位素分析的物理学家。因此，夏克尔顿虽然躲开了地质系，但是并没有逃出地质学。他操作仪器的熟练技巧使他很快成为更新世和全新世地质学的第一流专家。

夏克尔顿分析同位素组成的样品可以少到几十微克，但这项技术的重要性却并未轻易受到认可。1979 年，我就想请他到苏黎世来帮助我们改进同位素实验室（最后他终于来了）。但当我在一个学术评议会上赞扬他的成果时， 一些同行对他的发明有多少价值提出了质疑。从事物质成分测试的教授都希望分析样品愈大愈好，因此不认为分析微量样品有其必要。而我则一再解释，如果我们需要精密的地层学数据，非有微量测试技术不可。从二公尺岩芯中挑出的有孔虫，其同位素值只能反映 25 万年或 50 万年的平均温度，但从一公分样品中挑出的有孔虫却可以提供几百年的平均海洋温度。夏克尔顿的技术恰能使我们如愿以偿，得到极短期气候变化的信息。

夏克尔顿在 70 年代初期开始从事微量分析，我从地中海取回的样品正是他分析的第一批样品之一。他在以后若干年中所作的工作，很快填补了大冰期气候波动纪录中的空白。深海钻探计划第二阶段的主要任务是研究古气候。为了达到这一目的。格洛玛·挑战者号于 1973 年出航南极。罗斯海一钻成功后，又驶到纽西兰以南水域，在那里一连打了三个孔。有一个孔深达472 公尺，钻到了新生代最早的一个世——古新世的沉积物。当时，在佛罗里达大学执教的纽西兰人肯纳特（Jim Kennett）是这一航次的首席科学家之一，也是一位有孔虫专家。肯纳特的取样间距大于 80 公分，每个样品代

表 100 万年的时间。他亲自挑样，分开浮游和底栖有孔虫，由夏克尔顿进行同位素分析。他们携手合作，第一次提供了南部大洋新生代气候变化的数字纪录。这些纪录表明，水温的下降并非一条直线。相反的，却监测到了新生代七个气候变化的阶梯。最后一个阶梯是在 250 万年以前，正是大冰期时期

促使大陆冰川向前推进的一次变化。

虽然夏克尔顿和肯纳特的论文发表在一份发行量非常有限的考察报告中，但这一划时代的贡献已成为地质学中引用最多的文献之一。我们在瑞士的科学家对于这项重要研究成果并未视而不见。夏克尔顿终于在 1978 年实现了他的苏黎世之行，在那里介绍了他们在南部大洋取得的资料。

夏克尔顿的新资料使我们吃了一惊。有一个钻孔 DS-DP384，钻于西大西洋底。它不仅钻穿了下第三纪，而且穿过了上白垩纪。夏克尔顿因此得以把他的温度纪录延拓到白垩纪一第三纪界线。他的技术也有了进一步的发展， 当时已能分析只有几个同种有孔虫化石的样品。混合样品只能提供混合的信息，只有单种样品的信息才是清晰而鲜明的。夏克尔顿为我们作了一张图表，展现 DSDP 384 孔的最新成果。在该站位，白垩纪之后的底水温度有突然升高现象，大约升高了摄氏五度左右。于是，“变暖说”赢得了最后一局。

夏克尔顿习惯单调平淡的说话方式。他虽然提供了极为重要的数字，但无意卷入恐龙灭绝问题的激烈争论。报告结束后，招来了不少疑问：为什么他的资料与拉蒙特科学家的结论不一致？夏克尔顿的解释非常简单：“因为前人并未掌握界线上下百万年的代表性样品，许多讯息丢掉了！”他对自己的测量结果深信不疑，结论斩钉截铁。那么，是什么原因引起了温度上升呢？ 他不知道。但是偌大的海洋如此突然升温摄氏五度，显然是任何气候波动所无法解释的。

陨石带来大难？

思想活动有时是很奇怪的。自从我在那次午餐时匆匆翻开德·劳本菲尔斯的怪文至今，已经二十多年过去了。我依稀有此记忆，但已记不清文章发表的年月和杂志名字，连作者的大名也忘却了。

但是，“热空气”的故事已经储存在我的脑海里，当夏克尔顿在屏幕上放映他的图表时，这一记忆一下子恢复了。在图书馆员的帮助下，我重新查阅了这篇文章和作者的经历。文章的标题是《恐龙的灭绝：又一个新假说》， 发表在 1956 年的“古生物学期刊”上。德·劳本菲尔斯曾是俄勒冈州立大学的古生物学教授，是一位海绵化石专家，但平生著述不多，关于恐龙灭绝的文章是他的最后作品。文章发表后的第三年，他就与世长辞了。

德·劳本菲尔斯认为，导致恐龙灭绝的热空气并非持续时间很长的热浪，而是一次短暂的冲击。他认为赤道附近的温度接近沸点，在高纬度地区亦可达摄氏 50 度（华氏 122 度）。“炽热的风暴席卷大地，只有零星的小块地区得以幸免。”环境如此恶劣，恐龙必死无疑。巨大的爬虫藏身无地， 也遭灭族之难。乌龟“有能力在水中屏气几小时”，因而幸免；鳄鱼也度过了这场浩劫。德·劳本菲尔斯说，可能是“一堆鳄鱼蛋深埋在泥里，躲过了冲击。”蜥蜴之所以能幸存，是因为它们能钻进岩石的缝隙或洞穴中躲避高

温；蛇也因为藏身有术未遭厄运。鸟类和哺乳动物的运气最好，因为它们生活在“白雪皑皑的高纬度地区⋯⋯，即使是近乎沸点的热空气，吹过数英里的雪地之后，也会降到适宜呼吸的程度。”短暂的热变化仍能留下足够的植物。野火烧不尽，春风吹又生。它们的根还会发芽，使植物界重新占领这个世界。

德·劳本菲尔斯在文章中没有提到菊石和海洋浮游生物。他可能认为， 当空气的温度达到沸点时，大概再也不会有任何表层游泳生物幸存，因而也就毋需讨论。至于这一瞬间的世界末日的原因，德·劳本菲尔斯归诸击中地球的一颗巨大陨石。他认为，一颗直径 100 公尺、重量 3000 万吨的铁陨石就能引起这场灾难。这样一次冲击释放出来的能量，相当于 3000 百万吨 INT 炸药，或者相当于 20 万个广岛原子弹。

我在 1956 年初次拜读德·劳本菲尔斯的文章时，虽也觉得言之成理， 但总以为还不足为科学理论，因为作者并未提出什么证据。像其他许多不成熟的思想一样，德·劳本菲尔斯的陨石冲击说只能被束之高阁，等待有朝一日证据俱在，再来证明它的正确性。现在，夏克尔顿提供了数据。看来似已有可能证明这位被人遗忘了的古生物学家确是一位了不起的预言家。那么， 陨石冲击引起的热空气果真能使大洋变热吗？