每块岩石都有自己的故事丨《改写地球历史的25种石头》

这是地质大发现背后的科学故事，这是一本人人都能读懂的地学史话。

每一颗石头都有自己的故事，它们都是地球历史的见证者。

《改写地球历史的25种石头》是由美国地质学教授唐纳德·R.普罗瑟罗撰写，书中精心挑选了25种动摇地质学根基、改写地球演化史的岩石、露头或地质现象，从经典露头到月岩再到彻底改变我们对地球运作方式认知的板块漂移，讲述了科学家如何化身“侦探”，透过这些石头，寻找关于地球历史的蛛丝马迹，拨开重重迷雾，侦破“地质谜案”。25个地质发现如同25块拼图，拼凑出地质史的全貌，串起地球的演化历程。

本文为书评人@岂能无怪哉 为本书所写的书评，首发于豆瓣，授权「后浪」转载发布

名词解释

露头（outcrop）：是地下岩体、地层和矿床等露出地表的部分，根据来源可以分为天然露头与人工露头两种。其中，天然露头（natural outcrop）是指那些由于地质作用（如地壳变动、风和水流的侵蚀等）而露出地表的露头。例如，山区峡谷两边的陡崖峭壁、江河边的岸壁等。那些由于人为的作用（如开山、筑路等）而露出地表的，则叫做人工露头。例如，隧洞的四壁、采石场的采石面和公路、铁道的路堑两壁等。

地质学（geology）：是研究地球的物质组成、内部构造、外部特征、各层圈之间的相互作用和演变历史的知识体系，主要研究对象为地球的固体硬壳——地壳或岩石圈。作为研究地球及其演变的一门自然科学，地质学与数学、物理、化学、生物并列为自然科学五大基础学科。

每块岩石都有自己的故事。

在本书中，作者在每章都介绍了一种岩石，或某处经典地质露头，或重要地质现象，讲述这些岩石或现象背后的有趣历史和文化背景。

书中还穿插了这些岩石的发现过程及背后的人物故事。

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火山凝灰岩

人类对火山本质及其喷发方式的最早科学描述和认识源于远古时期，在某种意义上，公元79年维苏威火山爆发可视为现代地学认知的开端，这件事也促使了地质学的诞生。

当时，维苏威火山附近的城镇非常繁荣。庞贝城在当时是一个拥有两万多人口的大城市，公元62年这里发生过一次大地震，到了公元79年8月，维苏威地区地震愈加频繁，许多水井和泉水相继干涸。

“8月23日是罗马人一年一度的火神节。

讽刺的是，第二天火神伏尔甘对其虔诚的信徒们的回应竟是一场巨大的火山喷发。

整整20个小时里，火山灰和浮石雨遮天蔽日。”

在这场灾难中，庞贝城两万多居民中只有少数人幸存下来。整个庞贝城被埋在20米厚的火山灰下，以至于这座城市被遗弃甚至完全遗忘了。直到1748年才重见天日。

从记录来看，维苏威火山仍然是地球上最活跃、最危险的火山。

维苏威火山和庞贝城的故事，与其他大型火山喷发并无二致。让它与众不同的是老普林尼的死和他的外甥在火山喷发时的观察和记录。

他们并没有将这次火山喷发看作神的复仇，而是以一种科学的方式来观察它，将它描述为一种自然过程。这与老普林尼的《博物志》所体现的科学思想是一致的。

小普林尼对浓密的火山灰很像地中海地区的送书的描写，及其对随后的火山喷发过程的描述，是史上第一次细节详尽、科学准确、不带神话色彩的火山喷发记录。

这标志着人类用自然观察法研究地质过程的开端。

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威廉·史密斯和不列颠岩石

威廉·史密斯是一名铁匠的儿子，他聪明勤勉，虽然所受的学校教育有限，但他表现出了数学和绘画方面的才能。靠着自学和当学徒，他很快的成为了一名优秀的测量员。

1971年他受聘到萨摩塞特的萨顿苑工作，在这里绘画挖掘运河的路线。当时工业革命需要一种廉价的运输方式，因此英格兰各地都在挖掘运河，因此他有机会观察到英格兰大部分地区暴露出的新鲜基岩。他还对该地区的许多煤矿进行了调查和研究，观察到的地质剖面远超前人。

史密斯观察到英格兰西部的侏罗系地城序列反复出现，他不仅认识到岩层组的存在，还发现每个地层单元都有其特征化石。重要的是，他意识到，对于外观像相似的岩石单元，最好的方法是通过化石进行区分辨别。这就是所谓的化石层序律，它是生物地层学的基础，也是通过特有化石组合来判定岩石年代的理论依据。

△ 这张图绘于19世纪40 年代，展示了建立在史密斯的化石层序律基础之上的已知化石序列(图源: 维基百科)

1817年，史密斯带着他的地质图，绘制出横跨英格兰南部和威尔士的典型剖面。糟糕的是，其他人毫无顾忌地剽窃史密斯的成果，以粗劣的手法盗印他制作精炼的地质图。在晚年，他的开创性研究终于获得认可，他获得了第一届沃拉斯顿奖，并被伦敦地质学会誉为“英国地质学之父”。

史密斯发现的化学层序律如今已是判定地质年代的基础，他还绘制了第一幅英国地质图。从那以后，他绘制的地质图成为整个地质学的基本工具，还是名副其实的“改变世界的地图”。

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锆石

对于地质学家来说，锆石是非常有用的矿物。锆石可形成非常坚硬、稳定的晶体，尤其在冷却过程晚期的花岗岩浆中。由于锆石晶体拥有可容纳像锆这样的大院子的空间，它们也会捕获其他矿物无法容纳的大型原子即结晶晚期富集的原子，如稀土元素铀和钍。因此我们可以利用锆石晶体分析其中的铀含量。

锆石被广泛应用于铀-铅或铅-铀测年，以及另一种被称为“裂变径迹测年”的方法中。

锆石非常稳定，并且对几乎任何物质都有抵抗力，在自然界中亦是如此。岩石风化形成的沙粒在水底相互碰撞摩擦，锆石就是其中最稳定、保存最完好的矿物之一。

△ 锆石（澳大利亚杰克山锆石颗粒阴极发光图像，年龄为44 亿年）

锆石用处极广。地质年代学家发现，它是最适合用来测定古老岩石年龄的矿物。从澳大利亚杰克山年代较晚的砂岩中的一些锆石颗粒中，得到的最古老的锆石颗粒年龄是44.04亿年。而且科学家分析包裹在其中的微小气泡时，发现了40多亿年前早期大气存在的证据。这些气泡中含有氧同位素，表明44亿年前地表就有液态水存在。

在这一发现之前，地质学家一直认为，地球需要很长时间才能从45.5亿年前的熔融状态冷却下来。但杰克山锆石推翻了这个假设。如果它们确实证明44亿年前地球上就存在液态水，那么就意味着地球只用了2亿年的时间就从熔融状态冷却到水沸点一下。这些数据启发了现在所谓的“冷早期地球假说”。

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混杂陆源沉积岩

冰碛物是一堆由巨砾、砾石沙和泥组成的块状沉积物，无分选性，无层理，是冰川鼻融化后堆积下来的碎屑物。这些沉积物非常独特，几乎不可能因其他地质作用形成，所以这种岩石记录可作为识别古冰川存在的标记。许多地质学家更喜欢用“混杂陆源沉积岩”或“似冰碛岩”一次来模糊指代具有这种结构的岩石。

△ 混杂沉积岩

科学家最终确信，这是新元古代全球冰川事件的证据，因为澳大利亚的古冰川沉积物离现代赤道不远。

1964年，剑桥大学地质学家W.布莱恩·哈兰发表了一篇著名的论文，指出晚前寒武系热带冰川沉积物并不局限与澳大利亚。

哈兰提供的不仅仅是冰川存在的证据。他还指出，许多前寒武系上层的冰川沉积物夹在灰岩层之间。这点更令人惊讶，因为现代灰岩只出现在文段的热带或亚热带前海环境中。如果热带地区曾被冰川覆盖，那么两极肯定也被冰封，所以整个地球在晚前寒武纪都被冰封了。

雪球地球模型的运行机制大致是这样的：某种因素导致地球急剧降温，知道大冰原开始形成。那时，由于没有现在这样丰富而复杂的生命来调借碳循环并持续向大气红排放二氧化碳，地球的反照反馈回路将失控，最终从两极到吃到全部冰冻。一旦地球成为冰冻雪球，将会维持这种状态数百万年之久，海洋环流停止。然而地球有板块运动和火山活动，火山长时间喷发出的温室气体足以使地球开始变暖。一旦发生这种个情况，另一个失控的冰反照率反馈回路就会启动，冰层迅速融化，直到几乎完全消失。

雪球地球模型的意义之一是，新元古代的强烈冰冻显然对早期的生命影响巨大。

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古地磁如何推动板块构造理论形成

自古以来，人们就被称为磁石的岩石所迷惑。1600年，英国自然哲学家和医学家威廉·吉尔伯特出版了一本名为《论磁石》的拉丁文著作。该书总结了当时关于已知磁力和磁石的几乎所有知识。吉尔伯特的这本著作被视为现代电磁学认知的开端。

△ 伽利略发明的磁石指南针

吉尔伯特曾准确指出，地球围绕其轴旋转，并按时支持哥白尼的日心说。

直到20世纪中叶，人们才找到地球磁场产生的原因。1946年，瓦尔特·埃尔萨瑟首次指出，地核中液态铁的运动可能会产生我们所观测到的地球磁场。

1948年三位科学家共同发表了一篇题为《地磁场史前史》的论文，通过分析冰湖古沉积物中的磁场方向，他们发现，不仅熔岩和火成岩中有强烈的磁信号，沉积物种也有。沉积物可以粗正显示地球磁场的变化。

研究者们发现，每个大陆相对于磁北极的位置都在随时间的推移而改变，岩石年代越古老，其记录的古磁北极越偏离现代磁北极。讲这些地磁方向连接成一条曲线，这条曲线就显示了地磁北极相对于大陆的运动，这种现象叫做“移极”

这也是大陆漂移说的有力证据。

读完本书产生了一种奇妙的感觉，地质学是一门是非人类中心的学科。大陆板块动一动，来两场大地震才能证明某个假说。开门第一篇就是庞贝的火山爆发，两位普林尼（其中一位去世了，而另一位则记录了他的死亡）标志了人类用自然观察法研究地质过程的开端。塞浦路斯被轮番征服的历史浓缩在短短一段中讲完，但是用了更长的篇幅讲述为什么塞浦路斯被人争夺的铜矿：蛇绿岩，重点当然要放在改变地球的石头上了，人类行为并不重要。

对美国历史影响巨大的铁矿，在作者看来是地球曾经有过含氧量很低的情况，而后来发生的“大氧化事件”，才是我们多细胞生物得以存在的理由。

最后，关于我们的地球依然还有很多未解之谜，而只要人们还保有对自然的好奇心，我们终究会揭开更多地球的秘密。

参考文献

[1] 舒良树. 普通地质学[M]. 第三版. 北京：地质出版社，2010.

[2] [美] 约翰·麦克菲. 昔日的世界[M]. 北京：商务印书馆，2023.

[3] [美] 威廉·E. 格拉斯利. 荒野时光：一位地质学家来自格陵兰冰原边缘的手记[M]. 上海：华东师范大学出版社，2022.

[4] 中国地质科学发展史编写组. 中国地质科学发展史[M]. 北京：中国科学技术出版社，2022.

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原标题：《每块岩石都有自己的故事丨《改写地球历史的25种石头》》

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