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“自然界以節奏振動，氣候的和營養不良的節奏，這些節奏在地層學上的表達範圍從地表水的快速振盪（記錄在波紋狀痕跡中）到那些長期推遲的深層囚禁的泰坦的攪動，這些攪動將地球歷史劃分為時期和時代。時間的流逝是透過複合節奏的編織來衡量的——白天和黑夜、平靜和風暴、夏天和冬天、出生和死亡——這些在人類短暫的生命中都能感受到。但是，地球的歷程退回到遙遠的地方，與這些較小的週期相比，對於測量時間的深淵來說是無效的，就像昆蟲翅膀的拍打對於人類歷史來說是無效的一樣。因此，我們必須找出那些較長節奏的性質，人類在科學之光的照耀下試圖瞭解地球之前，這些節奏的存在是未知的。其中較大的節奏必須用較小的節奏來衡量，而較小的節奏必須用年來衡量。沉積作用受它們控制，地層序列構成了記錄，寫在石板上，記錄了這些較小和較大的波浪，這些波浪在整個地質時期中脈動。地質時間的測量在地質學和生物學領域之外也具有重要意義。與沉積岩的歷史密切相關的是地球作為天文體的年齡和行星系統的演化。我們將從以下頁面的討論中看到，恆星發展的性質和速度也與這個問題有關，甚至與恆星輻射能量來源的基本物理問題有關。因此，地質學家和古生物學家——霍姆斯、舒克特、馬修斯、巴雷爾和其他人——最近對宜居地球年齡的重要研究，對於宇宙起源的一般問題具有高度意義。科學的進步經常需要並利用其許多分支的密切合作。事實上，我們可以藉助陸地岩石中的化石來研究恆星，並從前寒武紀時代的氣候中獲取原子結構的知識。我以耶魯大學約瑟夫·巴雷爾教授關於地質時期持續時間的極其全面和重要的回憶錄的介紹性段落開始了這篇論文。在我們對地球年齡概念的增長過程中，他的討論很可能標誌著一個時代，因為其一貫的謹慎性，其將地質時間大大擴充套件到普遍接受的範圍之外，以及其對開爾文和後來的物理學家設定的嚴格限制的明確反叛。除了少數其他人，如英格蘭的亞瑟·霍姆斯，地質學家以前一直猶豫不決，不敢將岩石年齡的放射性證據與地層學記錄直接關聯。地球歷史的時間尺度。在回顧巴雷爾對地質時間的修正中的一些更突出的要點之前，可以給出地球歷史的年代順序表，其中包含了他的最終估計。我從眾多來源改編了表格資料。時代和時期的方案遵循傳統路線，而不是更符合邏輯的時代安排（基於有機演化）和時期安排（基於現代觀點，即主要擾動在標點地質歷史中的相對重要性）。應該注意的是，各個山脈系統的誕生通常持續不止一個時期；最後一列中指示的時間是活動最劇烈或抬升最大的時間。第三列和第四列的數字，指的是自相應時期開始以來經過的總時間，取自巴雷爾的回憶錄。他指出，指定最小值的列“被認為是更可能的，但最好給出最大值和最小值估計，以防止單列數字傳達尚未達到的精確性或確定性的想法。”兩列的分歧顯示了結果給出的不確定性順序，透過對所有各種因素的估計可能誤差的總和，這些因素參與了相對和絕對年齡的確定。地質歷史中的某些點比其他點確定得更準確；寒武紀的開始遠非確定，而泥盆紀和石炭紀岩石的年齡相當確定。我新增到表中的前寒武紀時期的數字幾乎是假設性的，因為在估計一個劃分的實際開始時會產生相當大的不確定性。這些時期某些岩石的年齡是準確已知的；但這些時期內的精確地質位置通常尚未確定。巴雷爾評論道（第 752 頁）：“令人驚訝的是，已知最精確的日期遠遠追溯到前寒武紀時期。來自挪威、德克薩斯州、魁北克省和德屬東非的與花崗岩相關的鈾礦物給出的年齡約為 1,120,00,00 年。”長期以來，人們一直認為大量的前寒武紀岩石至少代表了與整個後期歷史一樣長的時間間隔。現在看來，最古老的已知岩石，例如加拿大勞倫特系的片麻岩-片麻岩，存在於大約十五億年前。“在這些最古老的里程碑之外是原始時代，其地層記錄已被來自下方的岩漿吞沒和來自上方的反覆侵蝕迴圈所破壞。至於它的長度，除了最古老的已知岩石“標誌著以下時代的開始，其中包含證明地球表面存在空氣和水的沉積物，就像在後來的時代一樣。地殼、海洋和大氣層在太古宙開始時已經達到了穩定的狀態。”表中最後一個條目，即地球起源的條目肯定是假設性的，但作為一個獨立的確定，它與地質證據並不衝突，因此很有意義。傑弗里斯將其作為行星系統年齡的粗略理論值給出，它是根據潮汐演化理論，從當前軌道要素的考慮中推匯出來的。節奏和地質時間的測量。巴雷爾教授的討論主要分析了地質證據，特別考慮了“複合節奏的基本因素”的影響。正是對這些漫長曆史的活動以及海中溶質的積累、節奏——所有地質過程中嚴格統一性的脈動偏差——的認識，使他得出了與通常結果大相徑庭的結論。錢伯林、霍姆斯、舒克特和其他少數人也認識到，遙遠過去的平均侵蝕率、沉積率和地殼運動率不可能與近期和現在的速率密切等同。我們現在生活在大陸抬升的時代，所有過程都明顯加速。錢伯林寫道：6 “由於相對較高的梯度，彈性物質從斜坡上的沖刷及其在盆地中的沉積，以及鹽分向海洋的轉移，今天比平均時間更快。我們似乎正處於或接近於溶液和降解過程極度強化的極端之一。因此，無論是基於降解和彈性沉積的結論，還是基於溶劑作用和海中溶質積累的結論，目前的速率都是高速率。”巴雷爾承認目前的高侵蝕和沉積速率及其不規則的節奏性質，以及由此產生的沉積記錄中斷，得出結論認為，對現有地層證據的合理解釋要求的時間長度可能是嚴格的均變論處理所需的時間長度的十倍或十五倍。複合節奏的假設被巴雷爾應用於地質活動的各個階段。一些振盪非常短且不確定，另一些則很長，並且更可靠地記錄在岩石中。各種脈動的效果的複合和平衡導致地質事件的最終流動中出現漸強和漸弱。幾十年、幾世紀和幾千年的急劇振盪可以歸類為太陽氣候節奏；漫長、緩慢和巨大的運動是構造氣候變化。大約四千萬年的週期似乎標誌著終止時期的地殼和氣候擾動；如果接受對較大劃分的擬議劃界，則可能存在兩億年的週期分隔時代。目前的巨大大陸抬升與元古代相匹配，表明所有地質時期中最深遠的節奏。巴雷爾教授甚至將這種節奏學說推向了宇宙起源的極限，他贊同這樣一種論點，即“可見宇宙明顯的衰退必定是無限時間中哲學上必要的反覆宇宙迴圈的一個階段，否則衰退將在之前的永恆中完成”（第 904 頁）。在巴雷爾的工作之前，測量時間的主要地質方法是基於：（a）侵蝕和沉積，（b）化學剝蝕和海中的鈉，（c）地殼的熱梯度。他仔細檢查了這些方法的基本假設，這些方法通常給出的時間估計值遠小於沉積序列中的節奏考慮和基於放射性過程的測量值給出的時間估計值。因此，他的處理觀點是嚴格地質學的，但包括對放射性提供的證據的全面回顧，主要來自霍姆斯的出版物以及博爾特伍德和斯特拉特的實驗工作。因此，新的地質時間尺度是透過兩條證據的結合構建的：時期第一，沉積物的厚度和特徵給出了幾個時期長度的地層學比率。比率受到相當大的不確定性；然而，當在瞭解所涉及的變數的情況下得出時，它們可以衡量相對持續時間。第二，放射性礦物中氦和鉛的量給出了年齡的最小值和最大值測量值。由於氦的損失或原始鉛的存在，以及含有礦物的岩石的地層位置在大多數情況下也不為人所知，因此這些年齡存在一定的不確定性。然而，放射性礦物給出了絕對年齡的度量，這些度量具有正確的數量級和正確的順序，如地質資料所示。這兩條證據的調整構成了以年為單位表示的地質時間尺度的基礎。結果可與空間中恆星距離的首次粗略測量相媲美。研究的進展將不斷改進測定結果並導致更高的精度；目前重要的結論是，自寒武紀開始以來，時間比地質學家普遍接受的時間長十到十五倍。放射性和岩石的年齡。測量包含放射性礦物的岩石年齡的方法已廣為人知，因此此處無需過多解釋。從放射性在釷或鈾礦物中達到平衡時起，最終產物以均勻的速度在其內部積累。除非礦物受到透過溶劑的影響，否則這些產物不會從緻密的結晶岩石中去除，溶劑肯定會透過礦物本身的蝕變來記錄其影響。一個鈾原子（原子量 238）最終將產生八個氦原子（原子量 4）和一個同位素鉛原子（原子量 206）作為穩定產物。如果可以測量這些物質的量並將其與同種材料中鈾的量進行比較，則可以獲得測量礦物年齡以及與其相關的岩層年齡的資料。如果礦物包含百分比 Pb 的放射性起源的累積鉛，以及百分比 U 的鈾，則礦物的年齡由下式給出：鉛年齡 = — X 7,500 百萬年 U + 0.575 Ph 該公式中的數值基於霍爾特伍德教授未發表的討論，他認為鐳和鈾的半值期在 2% 以內是已知的。衰變速率顯然不受化學結合或物理狀態性質的影響。實驗室實驗複製了地球外殼中存在的條件。液態空氣到 2,500° C 的溫度，以及高達每平方英寸 160 噸的壓力，已被發現不會影響鐳產物的分解速率。極有可能但尚未實際證明鈾也同樣不受影響。因此，無論鈾是以元素形式還是以鹽的形式結合，無論它們是固態、液態還是氣態，鈾原子都會以均勻的速度分解。沒有任何已知事物支援這樣一種假設，即不穩定原子的穩定性會因老化過程而發生變化。鈾是否會受到溫度和壓力範圍的影響（這些範圍不會影響其不太穩定的衍生物）可以透過地質證據進行測試，並且在一定程度上已經過測試。來自同一已確定的地層位置，但在不同地點，因此在數百萬年內處於截然不同的物理條件下的鈾礦物，對於岩層的年齡產生了協調一致的結果。另一個有價值的測試是正確的順序——始終可靠的分析工作表明，岩層越老，鉛和氦的比率就越高。貝克爾認為他發現這種情況存在不一致之處，因此傾向於不相信整個放射性方法；但巴雷爾對相同資料的批判性檢查表明，所採用的地層位置和放射性分析的使用中的錯誤完全解釋了所謂的差異。因此，所有證據的總結清楚地表明，放射性元素的性質為確定地球古代歷史中的主要事件提供了一種非凡且可靠的方法。地球的熱量損失。在早期關於地質時期的推測歷史中，那些沒有受到對創世紀第一章的傳統解釋過多束縛的學生，感覺沒有必要限制地球的年齡。“沒有開始的痕跡，沒有結束的前景”經常被引用自赫頓。為了根據均變論原則沉積已知的沉積物，萊爾看到了數億年的必要性；達爾文認為，物種的轉變和動物生命的高度發展需要類似的時間流逝。亥姆霍茲在 1856 年提出太陽能收縮理論時指出，太陽的過去歷史將僅限於大約兩千萬年。幾年後，開爾文勳爵從地球內部熱流的角度研究了這個問題，獲得了類似的數值結果。開爾文入侵了地質學領域（因此地質學家習慣於這樣說），希望改革其推測，使其符合能量守恆和退化的原則。他強大的聲望和他無可挑剔的數學使生物學家和地層學家 alike 保持沉默，並且在幾十年裡，他和同時代的物理學家只允許宜居地球過去持續存在一千萬或兩千萬年。觀察結果表明，至少在地球表面附近，岩石的溫度平均每下降 100 英尺升高約 1' C。這當然表明地球正在失去熱量，並且假設整個地球的原始溫度等於熔岩的溫度，傅立葉熱傳導理論允許計算宜居地表溫度的總持續時間。這種推理自然假設唯一的來源是原始高溫，並且地球僅僅是從其熔融的開始冷卻下來的。因此，在過去的某個時候，地表對於生命來說太熱了，而在未來，一切都取決於觀測到的溫度梯度，它會太冷。根據物理理論，這就是問題的全部及其解決方案，並且最近令人印象深刻的冰河時代一度被認為是即將到來的、不可避免的和永恆的寒冷的證據。物理論證被普遍採用，並且人們試圖將地質記錄壓縮到一個狹窄的時間間隔內；然而，許多地質學家不會接受這一說法。例如，在 1892 年，阿奇博爾德·蓋基爵士 8 反駁說，以下有些預言性的陳述：“就我個人而言，我幾乎毫不懷疑物理論證中一定存在一些缺陷，儘管我（我不假裝能夠說出在哪裡可以找到它。在我看來，似乎已經做出了一些假設，或者遺漏了一些考慮因素，這些因素最終將被視為無效結論，並且在適當考慮後，將為地質記錄的任何合理解釋留出足夠的時間。”作為對不可抗拒的物理學和他們自己對地質時期持續時間的感受之間的某種妥協，地質學家普遍接受了一億年的值，並且不堅持確定性，作為最古老的已知沉積岩的年齡。哈克爾教授 9 指出，開爾文也曾一度對真實情況有所瞭解；他認識到，雖然地球肯定在失去熱量，但“有可能這種熱量損失不會導致冷卻，而只會導致勢能的耗盡，在這種情況下，勢能幾乎不可能是構成地殼一部分的物質之間的化學親和力。”然而，開爾文認為這“極不可能”，並繼續假設原始熱量是唯一需要考慮的能量形式。開爾文對勢能和化學親和力的猜測是一個有趣的預言；因為，正如我們現在所知，解決困境的方法是不到二十年前發現的陸地岩石中的放射性，這提供了巨大的熱能儲存。事實上，這一發現不僅僅是一個解決方案；地表岩石中鐳的百分比比剛好抵消觀測到的熱量損失多一百倍。這種情況的解釋一定是放射性礦物僅限於地表地層，否則地球將以“地質速度”升溫。“因此，放射性層的最可能深度可能為 30 英里，”霍姆斯在考慮了其他值後得出結論（第 135 頁），“在這種情況下，基底溫度約為 750° C，這將更符合火山活動的要求。”這個近似結果與觀測到的溫度梯度無關，僅涉及陸地岩石的特徵，“因為毫無疑問，鐳和釷含量隨著深度的增加而降低，原因與岩石型別隨深度變化的原因相同。*** 岩石的酸度或二氧化矽百分比與其鐳含量之間存在粗略的比例關係。鹼性較強的岩石鐳含量要低得多，並且正如預期的那樣，釷含量也較低。現在我們有充分的理由假設地球地殼中較深層的岩石是鹼性和超鹼性成分，並且在 30 英里地殼帶以下，它們完全是超鹼性的，可能在成分上類似於石隕石的物質。***在石質帶內，向下延伸數百英里，是地球的重核，可能是金屬成分，如鐵隕石。如果我們從後者來判斷，這個核心完全不含鐳。”10 由於無法準確瞭解地球地殼中放射性元素的含量和分佈，因此不再有任何堅實的基礎可以根據地球的溫度梯度來計算年齡。觀測到的熱量損失並不能表明以前的熱條件。地球可能會變得更熱；它可能會比在放射熱平衡狀態下冷卻得更快；或者它可能處於熱平衡狀態（根據霍姆斯的說法，這是最可能的情況），獲得與損失的熱量一樣多的熱量，並最終僅隨著放射性元素的緩慢衰變而冷卻。因此，我們似乎有理由相信地球居民的未來將大大延長。在地質時期的陸地氣候中，我們認識不到明顯的長期變化跡象。大氣溫度當然幾乎完全取決於太陽的輻射。然而，正如我們將在以下段落中觀察到的，當以十億年的基線來判斷時，太陽能的長期進展顯然非常小，以至於我們可以認為輻射基本上是恆定的。因此，更有可能的是，地球生命的終結是災難性的，無論是地球的還是宇宙的，而不是氣候衰老。可以肯定的是，有強有力的證據表明，我們現在生活在更新世冰川快速脈動的間冰期，我們確實可以合理地預期冰蓋的另一次推進將在不久的將來（地質學意義上）發生；但在過去，也曾發生過同樣廣泛的冰侵，隨後是數百萬年未知的宜人氣候。過去，地形和氣象條件的波動深刻而緩慢地影響了有機生存的條件；但在元古代之後，植物和動物的生命從未完全中斷，並且就目前所見或明智的預測而言，未來，對於類似的生命來說，前景仍然是同樣有利的。放射性和太陽輻射。鐳的發現將宜居地球年齡的問題從其自身內部冷卻的角度從熱梯度設定的狹窄限制中解救出來。但放射性不足以解釋地質時期太陽的輻射。我們承認地球生命背後沒有其他強大的能源，除了太陽輻射；我們已經看到，在以所需的速度供應輻射能量方面，亥姆霍茲收縮是天文學家現在明確認識到的唯一非常強大的恆星能量來源，僅足以維持數百萬年。因此，地質時間尺度再次受到物理理論的困擾。然而，這種情況並沒有繼續轉移對岩石證詞的信心，因為，記住熱梯度的情況，我們期待暫時無視物質的特性來解釋這種假定的差異。很容易證明，已知放射性元素的正常分解可能完全足以在太陽（如地球地殼上）中解釋太陽輻射的持續時間；但在太陽的情況下，這種裝置在數量上非常不足。如果太陽完全由鈾組成，並與其衰變產物處於平衡狀態，則已知放射性產生的熱量將不到實際輸出的三分之一。“放射熱現象的重要性在冷卻進展到更高階階段時才被感受到，地球就是一個例證，此時熱量損失與原子衰變釋放的熱量相平衡。” Jeans 認為，即使是所有已知的物質電特性、放射性。（續第 42 頁）。