測量地球前世溫度

大約2.5億年前，南極地區溫暖如春;大約1億年前，全世界各海洋的平均溫度是21℃左右;大約9千萬年前，海洋平均溫度下降到了16℃，之後溫度有所回升，但到了約7.5千萬年前，溫度又再度下降，直至冰河時代出現。

這是科學家為我們描述的2.5億年以來古代地球的溫度變化情況，而且科學家還斷言，南極地區應該有煤田。

南極地區確實有煤田，這已經被發現了，但是科學家是如何知道的?科學家又是如何測出地球前世的溫度的?原來，高明的科學家掌握了許多天然的地溫計。

大顯身手的同位素

1947年，科學家就發現，海洋貝類化石中，氧-16和氧-18的比率反映了當時貝類活著時海水的溫度高低。因為海水的溫度越高，含氧-18的水分子就越多，海水又是貝類生活和製造貝殼的必要原料，因此水中氧-18含量高了，貝殼中氧-18的含量也就越高。根據這個關係，科學家可以確定幾千萬年，甚至幾億年前的海水溫度。這是因為，雖然同位素在化學性質上幾乎一樣，但在物理性質上會有所不同。例如，放在桌上的一杯水在蒸發時，其中含不同氧同位素(氧-16、氧-18)的水分子會以不同的速率向外逸散，含質量輕的氧-16的水分子就比含質量重的氧-18的水分子蒸發的多。這就是科學家掌握的地溫計之一——氧同位素地溫計。科學家正是根據這個地溫計，估測出了幾千萬年前的海洋溫度。

除此之外，還有其它同位素也可以作為地溫計。例如甲烷中的碳可以由兩種穩定的同位素碳-12和碳-13組成。溫度較低的情況下，碳-12的比例比較大，而較高的溫度下，碳-13的比例比較大。根據甲烷中碳-12和碳-13之間的比率，我們就可以確定甲烷所處地層的溫度，這個地溫計探測的是現在甲烷所處地層的溫度。如果沉積岩在形成時包裹了一些天然氣，那麼利用從中分離出的甲烷，通過分析裡面碳同位素的比率，就可以知道沉積岩形成時的古代地層溫度了。

「小針刺」地溫計

除了上述靈敏的同位素地溫計外，科學家還經常用一種很小的地溫計來探測幾億年前地球的溫度。

這種地溫計大的不超過1厘米，小的還不到1毫米長，比繡花針還小，是一種生長於距今2億年前的古代海洋牙形動物的骨骼化石，這種化石在古海洋地層中比較多見，叫做「牙形刺」。

牙形刺化石的顏色受化石形成時的溫度影響非常明顯，在一定範圍內，溫度越高，則牙形刺內氫元素和碳元素越多，顏色就越深。但地溫超過400℃後，牙形刺內的碳又會因氧化而逐漸失去，從而顏色變淺。下圖列出了牙形刺的顏色所代表的溫度範圍：牙形刺顏色從1(淡棕色或琥珀色)變到5(黑色)，這個過程是牙形刺內碳含量隨溫度的升高而增加的過程;牙形刺顏色從黑色經過灰色、淺灰色變到白色，是牙形刺失去碳元素的過程。

牙形刺化石的內部構造相對簡單，用牙形刺來探測古代地溫，簡單且準確，這就是科學家選擇牙形刺化石作為地溫計的原因。

科學家曾經通過牙形刺的顏色估計出牙形刺所在地層的有機變質溫度，從而可以找到有利於石油或天然氣形成的地區。美國就曾用這種方法，在阿拉斯加地區找到了含量豐富的油氣層，中國也用「小針刺」大致圈出了華南、華北地區的油氣勘探區。

煤中的「黑鏡子」

我們知道，優質的煤不但堅硬，而且黑得發亮，發亮的地方一般比較光滑，能夠反射光，這種反射光的部分，科學家叫它「鏡質體」，是植物的細胞壁、纖維素等部分在較高的溫度下轉變成的。

煤的形成受溫度的影響比較大，較低的溫度下，植物組織中的水被蒸發，碳水化合物中的氫和氧也以水的形式脫去一部分，形成泥煤;溫度若達到200℃以上，有機物中大部分氫脫去，形成褐煤;泥煤和褐煤都是多孔的，質地較軟。當泥煤或褐煤被進一步埋到更深的地層中後，溫度若達到500℃左右，褐煤中的氫變成揮發性物質(甲烷等)全部逸出，同時煤中的碳會在深地層的較高壓力下重新排列，形成密度較高、堅硬的黑色煤，排列緻密的碳——鏡質體也隨之形成，而且地層的溫度越高，鏡質體越緻密，反光性能越好。

由於煤中鏡質體的反光率與煤形成時地層的溫度有密切的關係，所以它常被當作煤層的古代地溫計。

隱藏在礦物中的溫度信息

一些晶體礦物在形成時，由於冷卻不均勻，礦物晶體中經常會裹有氣體或液體小泡，在顯微鏡下就可以觀察到透明礦物內部的小泡。加熱礦物到液體狀態，當礦物與小泡熔為均一的狀態時，那時的溫度就是礦物形成時地層的溫度。這就是測量溫度的一種方法。

用閃鋅礦(即硫化鋅礦石)來測量地溫則另有高招，閃鋅礦中常含有一些微量元素，這些微量元素含量的多少常與閃鋅礦的形成溫度有關：例如，若閃鋅礦形成時的溫度較高，則含鐵質較多，顏色呈黑色或褐色;如其形成溫度不高，則含鐵質較少，會呈現較淺的黃色或褐黃色，因此，閃鋅礦中的鐵含量就可作為地溫計，來估測閃鋅礦形成時周圍的溫度。

有些礦物成分相同，但在不同溫度和壓力下，會形成不同的晶體結構。利用這種現象，也可以估計礦物形成時地層的溫度。例如文石和方解石的成分都是碳酸鈣，但在較低的溫度(低於400℃)下，碳酸鈣結晶形成的是文石，而在高於400℃的情況下，形成的則是方解石。有趣的是，經歷不同地層溫度而形成的石鐘乳，其斷面竟然會出現像樹木年輪一樣的同心圓層，也就是文石和方解石間隔排列。

類似的情況，還有許多，例如碳在較低的溫度和壓力下形成的是石墨，在較高的溫度和壓力下形成的則是金剛石。

測量古代地球的溫度意義重大，這不僅可以幫助我們尋找礦藏，掌握地熱的分布狀況，還可以讓人類更多地了解古代氣候狀況，找出氣候長期變化的規律，從而為人類對將來的氣候變化作出長期的預測。而很多看似毫不相干的地質現象，卻與地球溫度有著千絲萬縷的聯繫，使得今天的我們能夠了解久遠年代的冷暖寒熱。

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