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地质学史视野中的全球变化研究(一)：事实部分
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按照教材上惯常的说法，Charles Lyell在1830-1833年间发表的三卷本Principles of geology (地质学原理)成为地质学作为一门学科建立的标志。这一巨著的副标题是“being an attempt to explain the former changes of the Earth’s surface, by reference to cause now in operation”，表明在学科确立之初，对于存在于地球表面的过去全球变化即已纳入地质学的研究范畴。“在某种意义上说，地质学家要解决的问题与普通历史学家，甚或人类学家的问题类似。” 过去的200多年里，对全球变化事实的认识、驱动机制的理解随着人来对自身生存与发展的日益关切而逐渐深入。诸多学者纷纷参与到这一宏伟的科学命题中，其中歧误和学术泡沫自然也不会少。科学史学者希望了解的是某种思想或观念的具体学术实践，——哪些人参与或推动了思想的变革，又有谁传播了学术思想，并最后造成了人群常识甚至信仰的改变。对全球变化而言，对历史的梳理对于我们所在的这个不那么自信但更有思想好奇心的时代更加适合。 如前所述，地质学诞生在19世纪的欧洲。今天的我们知道覆盖这块地区的沉积物主要是更新世(Pleistocene)冰期形成的泥砾，并广泛发育鼓丘和蛇形丘的冰缘地貌。而当时，从这片区域刚刚萌芽的全球变化研究对此的解释却迥然不同，它们似乎完美地和神学联系在一起。 地球在当时被认为只有很短的历史，圣经、柏拉图和古巴比伦记录中普遍存在的洪水记载使得人们相信曾经有大洪水席卷全球，在此过程中有大量岩屑沉积下来。John Ray(1713)就认为今天的地表岩石是由于洪水带来的，John Woodward(1695)为这一过程提供了化学解释，1822年出版的经典著作Outline of the Geology of England and Wales中，Noah洪水被当成了公理。甚至，在今天的非专业词典中，Pleistocene还有一项释义为“洪积世”。 在Lyell的巨著出版之前，彻底反对普遍大洪水思想的学者，最突出的是James Hutton，一位持自然神论观点的农场主和“河成论者”。他认为上帝不会毁掉他亲手创造的世界，提及阿尔卑斯山冰川范围更大的可能，但没有涉及气候变化的推断。Hutton将泥砾和漂砾与自己的山脉缓慢形成缓慢侵蚀的思想结合起来组成其地质学思想的主要部分。Lyell在Principles of geology的第一卷和第三卷中对我们今天所说的冰川岩屑物质成因时，提出这样一种假设：由山崩堵塞的湖中可能有冰川漂浮，在堵塞物清除后沿山谷随洪水下泄的冰川融化后曾经携带过的石块和泥沉积下来。 在Hutton和其他学者的影响下，Louis Agassiz于1840年从阿尔卑斯山的冰川发展了全面的冰川理论，冰盖范围也扩展到了整个北欧。同年，Lyell与Agassiz在苏格兰共同完成了一些野外工作后，部分接受了冰期思想。这对Lyell来说是相当难得，——接受冰期思想意味着他不得不放弃自己的与冰期思想存在本质差别的均变论原则。Lyell的成就正是第一次把理性带进地质学中，以地球缓慢的渐进作用代替了造物主一时兴起所引发的突然革命 。 Agassiz的冰期思想提出不久，法国的Joseph-Alphonse Adhémar(1842) 试图根据天文要素来解决冰期成因的理论问题，他的思想后来由苏格兰James Croll(1875)进一步发展，但这一理论的最终确立则要等到第一次世界大战以后，我们在下文会继续讨论。直到19世纪末20世纪初，Agassiz设想的多次冰期的野外证据才先后在美国和欧洲确定下来。Thomas Chamberlin和Frank Leverett领导的美国地质调查局(USGS)的工作提供了北美四大冰期的证据，命名为Nebraska、Kansas、Illinois和Wisconsin冰期。几乎同一时间，正在为博士学位论文努力工作的Albrecht Penck在阿尔卑斯山北麓的多瑙河支流河谷中的不同高度上发现了四套河成砾石，在1901-1909年间，他在与Eduard Brcükner合作的著作中正确解释了砾石的成因：砾石层是在冰期时形成的。当间冰期气候好转，河床中水流加大，先前沉积的砾石被搬走。河流继续下切把河床切割的更深更宽，然后下一次冰期时，以前形成的宽阔河床中再次砾石，如此反复。最后结果是，河谷层叠，不同高度有砾石分布，最高的砾石是最古老的。他们根据德国南部河流的名称将四次冰期由老到新命名为Gunz, Mindle, Riss和Wurm，根据瑞士境内湖泊沉积物的沉积速率和厚度比较正确地估计了间冰期的时间跨度。这样，就建立了统治20世纪前半叶全球变化研究的第四纪经典冰期理论，——当然，冰期的成因依然悬而未决。 四次冰期的说法直到1955年末都没有遇到真正挑战。1955年12月号的Journal of Geology刊登了C. Emiliani撰写的40页长文。发表时连主编L. Horberg都不相信其结果的这篇文章不仅提供了利用深海有孔虫的同位素定量恢复古温度的方法，而且温度的重建结果直观地表明在过去的60万年里至少有6次冰期-间冰期旋回。剑桥大学的Nicholas Shackleton敏锐地察觉了Emiliani这一革命性成果的致命缺陷，Emiliani认为末次冰期比现代温度低8℃，而今天的深海海水温度只有2℃。Shackleton意识到氧同位素变化的主要原因除了温度以外，更主要的是冰期时全球冰量增加造成的海水氧同位素组分变化。他在博士工作期间成功设计了一种高精度的质谱仪来测量浮游和底栖有孔虫的氧同位素，并将之拓展成重建全球冰盖体积的方法。1969年召开的国际第四纪研究联合会(INQUA)大会上，Shackleton是古生物学者John Imbrie报告的唯一听众。Imbrie根据生活在海水表层的有孔虫资料用统计学方法估计温度，而这些有孔虫壳体的同位素Shackleton又曾测量过。最终二位学者的合作促使了世界上第一张末次冰期(约21000年)以来全球海水表层温度图CLIMAP 的诞生。 几乎与深海氧同位素工作开展的同时，来自中国的风成黄土沉积与两极地区的冰芯记录也在展开。到1984年深海氧同位素时标SPECMAP发表时，过去全球变化的三大支柱(深海沉积、冰芯和黄土)都已经奠定了自己的位置。刘东生(Liu Tungsheng) 等1958年首次确认了中国黄土高原的第四纪黄土是在干冷环境中沉积而古土壤是在暖湿环境中发育的。这篇文章迅速被翻译成德文，并在1961年的华沙INQUA大会上得以阐述。黄土的风成学说及其环境研究地位是在1982年精确测定了黄土的年代之后得到公认的。1959年美国西点军校的一份学术刊物报道了格陵兰岛西北的冰芯钻探成果，揭开了上个世纪最后20年冰芯研究的宏大序幕。 到1980年代中期，全球变化的研究框架大体确定，剩下的就是如何去丰富变化的细节以加深对变化机制的理解。一切都很顺利，包括冰期成因的天文学理论经Milutin Milankovich完善后终于在1976年似乎统一了所有已经得到的观测事实，直到1989年。那一年，从冰芯中检出在全新世开始前Younger Dryas事件末格陵兰南部曾经在50年内升温7℃ ，也就是说冰期向间冰期的转变可以在极短时间内完成，宣告气候系统的突变正式进入学术视野。 人们不得不重新检视全球变化的触发与反馈机制。此后的十多年间，对于全球变化的事实部分，更多的集中在人类作为地质营力的影响和已有事实的验证上，再无突破，热闹的是这些事实的细节，以及它们的成因：如何被触发，传递，和维持的。 [ Last edited by gzsoger on 2007-4-8 at 10:08 ] |
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