宋建潮
加州梦想-稳定同位素地球化学家Hugh Taylor的故事 精选
2019-5-22 08:50
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地质历史的发展多次证明:只有当固守旧理论的顽固派老去或者死去之际,新理论才会迎来勃勃生机,焕发迷人风采,几个世纪前,也正是因为最后一批灾变论和水成论者退出历史舞台,地质才脱胎换骨进身为现代科学。上世纪中后期,那些以野外为“战场”的传统地质学家看到地球化学春风化雨潜入每一个地质领域时,他们义愤填膺,试图抗争,但最终都螳臂当车,成了历史的“绊脚石”,赫然,今日地球化学已水漫金山,呈恢弘磅礴之势。战争如同掠夺资源、开疆拓土,既是人类发展的梦魇,又是文明兴起的蓓蕾,第二次世界大战原子弹的爆炸,促进了战后核物理化学的研究,同位素也搭上了这艘“豪华巨轮”。稳定同位素的天然魔力通过Harold UraySamuel Epstein等大师之手逐步显现,作为Samuel Epstein得意门生的Hugh P. Taylor在火成岩方面贡献颇大,最终师徒双双入选美国国家科学院院士。

Hugh Taylor on a field trip in California.jpg

           Hugh P. Taylor1932-? 来自网络)

Taylor19321227日出生于美国亚利桑那州霍尔布鲁克(Holbrook)小镇,与他同一天来到这个世界上的还有双胞胎哥哥。他的父亲是圣达菲铁路(Santa Fe)的一名员工,母亲来自摩门家族,性格叛逆。鉴于父亲工作关系的缘故,全家人平时多居住于简陋的火车厢内,穿梭于铁路沿线各车站,饱受艰辛的同时也平添Taylor对火车深深地眷恋。Taylor的童年如同你我,对世界充满了新奇,做出了一些荒唐事。六岁时,Taylor与自称FBI探员的十一二岁邻居大男孩破窗而入一户人家,翻箱倒柜寻找“作案证据”,Taylor找到了少半瓶威士忌,坐在沙发上慢慢品尝,回家的路上踉踉跄跄,就差醉倒在路旁,后来警察“逮捕”了那个大男孩,这给Taylor的童年造成了很大“精神创伤”。七八岁时,看到父亲抽雪茄,Taylor哭着闹着也要来一根,父亲给他递过来一支并亲自点上,说:“来,一起抽!”烟雾直抵喉咙,一阵恶心,从此与香烟彻底说拜拜。

Taylor小学转学了好几次,甚至有一段时间母亲充当了他的家庭教师。日本偷袭珍珠港让美国正式卷入第二次世界大战,父亲临时抽调负责军用物资调遣,由于和指挥官起了冲突,1943年,他愤然离开前半生钟爱的铁路事业,全家搬到了加利福尼亚南盖特(South Gate),Taylor一直以来想成为一名铁路工人的想法算是彻底泡了汤。Taylor学习成绩一贯优秀,无论初中还是高中,都是老师眼里的宠儿。他头一次代表南加特高中参加化学竞赛,就赢得了“美国化学学会奖学金”,这对南加特高中来说,可是大姑娘坐花轿头一回,这让他有机会直接迈入加州理工学院的大门。入校那一年是19509月,朝鲜战争已经爆发了2个月。

Taylor的足球技术也很高超,那个年代大学比较重视足球,大学之间常有比赛,训练足球的学生都要提前一两个星期到校。Taylor住在Dabney House宿舍,宿舍内既充满了兄弟情谊,又充满了彼此竞争,甚至包括宿舍与宿舍之间。周末常有舞会,一到这时,许多学生跃跃欲试,由于加州理工学院当时不招收女生,他们就去附近大学寻找,后来不少都鸳鸯成对蝶成双。比赛喝酒是舞会的重头戏,喝酒方式别开生面,倒一小杯烈酒,用火柴点燃,关上宿舍灯,一饮而尽。后来觉得不过瘾,将点燃的酒杯举过头顶,距嘴巴约25cm处,但见黑漆之处,一道火光,飞流直下,直抵喉咙,煞是壮观,若做到潇洒自如,并非一件容易的事,需要在水房反复练习。Taylor的特长是喝啤酒,其豪迈不输乔峰,他总是喝得最多最快的那个,一瓶12盎司的啤酒,他一秒半就能喝完。此外他还学会了打桥牌,每晚玩得不亦乐乎。学习的时间总是姗姗来迟,深夜11点到凌晨3点成了他最有效的学习时间,此后余生还成了一种习惯。

Taylor原本的梦想是成为一名化学家,可是地质老师精彩的授课又拨动了他骚动的心弦。小时候,他曾看到过科罗拉多大峡谷的雄伟壮观,长大后,也有幸目睹内华达山脉的连绵起伏,他如饥似渴地阅读Roy Chapman Andrews(《夺宝奇兵》电影主角考古学教授印第安纳·琼斯原型)在戈壁荒漠第一次发现恐龙蛋化石的探险经历,内心的天平悄无声息间已经向地质倾斜,遂决定以地质为己业。地质系在加州理工学院原本是个小系,以面向野外的传统地质为主,但是领导目光长远,审时度势,大刀阔斧,决定改变这一落后局面,于是引进了地球化学。芝加哥大学的一帮干将纷纷跳槽来到了阳光明媚的加州,Harrison BrownSam EpsteinClair Patterson就是其中的佼佼者。Taylor赶上了好时光,他又改学地球化学,由此成为加州理工学院历史上最早毕业的两个地球化学专业学生之一。

本科毕业后,Taylor去了哈佛大学读硕士,由于不喜欢那里阴雨连绵的天气以及不够自由的学术氛围,一毕业,他就迫不及待回到了加州理工学院读博士,跟随Epstein做稳定同位素工作。在此前后,夏季里他有机会去到阿拉斯加帮助寻找铁矿,穿行在阿拉斯加空旷的荒原上,远处洁白的雪峰、蓝色的冰川一尘不染地屹立在面前,倒映在脚下纯净的河水中,这是生命里无言以对的一个瞬间,让人震撼,但是狗熊的吼叫惊扰了美梦,特别是对人类威胁较大的灰熊与棕熊,还好没有与它们正面交逢。在一次舞会上,一位落落大方的女孩引起了他的注意, 1959年博士毕业时,迎娶了娇媚的新娘。地球化学的兴起必然导致传统地质的没落,许多老一辈地质学家纷纷离职,一时之间师资紧缺,刚毕业的博士成了香饽饽,但是学校只是临时雇用,于是Taylor决定到宾州州立大学试试运气。宾州州立大学有许多来自加州理工学院的学生,无形之间,他们在青春懵懂的岁月里,在自己随性的快乐中莫名其妙就遭到别人的猜忌,Taylor成了受害者。呆了大约一年半后,加州理工学院同意给他终身职位,他再次回到梦想起飞的加州,从此再也不肯离去。

Taylor主要研究火成岩中共存矿物的δ18O值,他首次向世人展示了不同矿物中δ18O值的范围,并发展出了一套行之有效的程序方法。TaylorEpstein的关系也由简单的师徒变为并驾齐驱的同事,尽管他们使用相同的设备,一起出版论文,但各有各的研究团队与方向。世界上大多数岩石都被土壤与植被覆盖,因此寻找新鲜、完整的地质露头成了地质学家的一种嗜好。1931-1932年间,英国探险队来到了东格陵兰岛,曾经几乎爬到珠穆朗玛峰山顶的牛津大学教授Lawrence R.Wager参加了这次行程,当船只沿着海峡行进时,一个巨大层状完好的岩石露头映入眼帘,他一开始认为是沉积岩,上岸仔细观察后确认为辉长岩,即Skaergarrd岩体,它对研究玄武质岩浆结晶分异为花岗质岩浆至关重要,这种争论已持续了200余年。

skaergaard intrusion.jpg

Skaergarrd辉长岩侵入岩体(来自网络)

Taylor从以吝啬闻名的Wager那里获得了十几块小样品,分析结果显示上部岩石相比下部岩石δ18O值要低得多,边部也低于正常值(正常值δ18O6‰左右),长石的δ18O值竟然低于辉石的δ18O值,这与Taylor当时取得的认识不相一致,Taylor最终认为是围岩中水的参与使得δ18O值降低,水与长石反应比与辉石反应速度快导致了长石δ18O值低于辉石。此外他还分析了苏格兰赫布里底群岛岩体的δ18O值,也出现了许多低值。一幅宏伟的画面开始在Taylor的脑海里若隐若现:岩体看来并不是简单封闭体系下结晶分异的产物,特别是当岩浆侵入于上地壳时,充填于围岩裂隙、空隙中的水就会被加热上升,而周围冷水则会呈放射状从四面八方不断向岩体汇聚,岩体与最具渗透性围岩接触的部位应该是同位素分馏效果最明显的地方。为了进一步检验这个想法,Taylor查阅了大量文献资料,发现位于俄勒冈的喀斯喀特山脉(Cascade Mountains)中的岩体具有浅成侵入于渗透性较大玄武岩的特征,于是和妻子利用假期系统采集了一套完整的样品,分析结果显示事实与想法完全吻合,那些原本持怀疑态度的地质学家也不得不相信这既定的事实。热液系统也是有生命的,例如一个像Skaergarrd的典型大侵入体,需要10万年结晶,100万年冷却,通过对δ18O值进行填图可以大致推断热液系统持续时间,判断热液系统几何形态。

地球上所有雨水的HO同位素值相比海水都处于亏损状态,这与大气循环有关。形成于太平洋上空的气团从西向东穿越北美大陆,最初的降雨看起来与海水并无两样,但当穿过内华达山脉时,HO同位素值则发生了明显变化,例如阿拉斯加河水、湖水中的HO同位素值相比加利福尼亚要低得多。雨水在地理空间位置上的系统差别打开了一种看待事物的新方法。在北美西部从北墨西哥到阿拉斯加分布着大量斑岩型铜矿,这些铜矿与浅成侵入岩体密切相关,当时业界普遍认为成矿流体来自岩浆水,同位素将给我们打开另一扇开启宝藏的大门。上世纪70年代前后,Taylor与加州理工学院前校友Dick Nielsen以及学生Simon M.F.Sheppard等合作在Economic Geology上发表了4-5篇有分量的文章。研究结果表明:早期高温蚀变由岩浆水引起,HO同位素值在亚利桑那、蒙大拿、英属哥伦比亚几乎一致;后期低温蚀变,却有大量天水参与,主要铜矿体就形成于两种热液系统的交互面上。其实在此之前,当时如日中天的Anaconda矿业公司就发现了这种规律,只是基于商业机密,没有对外公开,他们使用的方法是压力差,成矿系统边部为静水压力,内部为静岩压力,内部比外部压力高3倍。


形成斑岩铜矿岩体周围热液对流循环(根据文献2绘制)

1961-1972年,美国开展了以实现载人登月和对月球实地考察为目标的阿波罗计划,经过科学家艰苦卓绝的努力,最终于1969年成功将2名宇航员送上月球,自那以后,直到1972年该计划结束,共6次顺利着陆,有12名宇航员成功登月。阿波罗计划带给人类最宝贵的收获是:让我们深深地感受到,地球是漂浮在漆黑的宇宙空间中独一无二的、最重要的星球。从阿波罗15号开始,受过地质培训的宇航员开始有针对性地收集月岩样品,特别是斜长岩样品。Harrison Schmitt这位毕业于加州理工学院的高材生是这一计划的参与者,也是唯一登上过月球的地质学家(阿波罗17号),正是得益于他从中牵线,加州理工学院才有机会接触这些样品,才能在地球化学与行星科学领域呼风唤雨,大放异彩。Taylor分析了这些月岩样品的HO同位素值后,发现根本不存在同位素分馏,这是由于月球气候干燥,岩石在冷却结晶过程中没有水的参与,导致最初状态不变,同位素也没有什么交换。当在显微镜下观察月岩样品薄片时,你会发现晶体结构如此美丽、清晰、完美,都是天然的宝石,“清水出芙蓉,天然去雕饰”在这里不是一种赞美,而成了一种亵渎。月球表面上到处覆盖着一层月壤, Taylor发现δ18O值达到了50‰,在地球上很少超过1‰的δ30Si值也达到了25-30‰,结果令人咋舌!月壤向下呈系统性变化,直到渐变为月岩原值。推断是陨石撞击月球,导致部分物质气化重冷凝,从而产生了明显的同位素分馏, 月球引力小,16O28Si离去,18O30Si留下。月球项目对行星地球化学、同位素地球化学影响深远,Sm-Nd同位素测年也是从中发展而来。

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Harrison Schmitt在月球上收集样品(来自网络)

板块构造就像一个陨石坑,使得许多原本难以解释的顽固地质现象轰然倒塌,坠落其中,而地质学家在大是大非面前,又常常表现的比较保守,他们更喜欢做妙不可言的事后诸葛亮。蛇绿岩在世界各地广泛分布,但最初没有人知道它来自哪里,直到板块构造出现,才明白它原来是海洋板块的一部分。Taylor等对之进行稳定同位素分析后发现,从上到下,枕状熔岩、席状岩墙、辉长岩δ18O值呈现逐步降低的趋势,如果从整体来看却基本没有变化。海水的下渗可以直达莫霍界面,这意味着整个海洋板块都没有保持最初的“清白之身”,甚至海水的δ18O值也主要是由洋中脊下岩体的热液作用控制。海水里有SrNd,所以海洋板块Sr改变较多,而Nd则没有变化,将 OHSrNd联合考虑,就会对海洋板块有更深入的了解。榴辉岩是一种高级变质岩,它的化学成分与玄武岩相同,只是矿物金身不同。同位素多在热液系统中变化,特别是低温阶段,褶皱、断层对其不起作用,因此通过O同位素变化,可以追寻地质事件的前世轮回。榴辉岩δ18O值不同于玄武岩,而与蚀变海洋地壳相当,充分说明榴辉岩实际上就是消减的海洋地壳。

心念所起,就会发现最美丽的去处,Taylor终生追求感兴趣的地质问题,然后去野外寻找最完美的证据,他坚信:只有真挚的付出,才会提出坚实的理论,地质是一门科学,只有不断发现新事物才能体现它强大的生命力。Taylor喜欢加州理工学院自由的学术氛围,只要你有产出,你做什么或去哪里做都没有人介意,他大多数文章初稿都完成于一家小小咖啡店。

“退休后,我有许多事情要做,首先要完成一些论文,再是我准备写一本有关大学校园足球的书。我特别喜欢电影与戏剧,毫不夸张地说,有时只在电视上看几个镜头,我就知道那部电影的来龙去脉。我对第一、第二次世界大战都很感兴趣,也准备写几本有关这两次战争的书籍。”眨眼之间,距2002年退休已经过去了十多年,不知道Taylor的愿望都一一实现了吗?

同位素地质学的发展离不开测试方法技术的提高,主要体现在三个方面:灵敏度、精确度以及分析程序自动化。今日随着ICPMSTIMS技术的广泛应用以及计算能力的提升,稳定同位素呈现出新的发展趋势:研究非传统元素同位素分馏已如雨后春笋,且在某些方面成就喜人,如主要元素(SiMgFeCa)、微量轻元素(BLi)以及微量重元素(CrCuZnCdSeMoTl)。同位素分馏不仅热液作用会引起,有机物新陈代谢也会产生,可以预料稳定同位素在生物地球化学领域将迎来集中大爆发,其实这种思想早在差不多100年前就由前苏联地球化学家Vernadsky1929年)提出。

参考文献

1.Hugh P,Taylor(1932- ),interviewed by Shirley K.Cohen, June-July 2002, Archives California Institute Of Technology,Pasadena, California

2.Simon M.F.Sheppard,Richard L.Nielsen and Hugh P.Taylor, Oxygen and hydrogen isotope ratios of clay minerals from porphyry copper deposits,economic geology,vol,64,1969,pp.755-777

3.Claude J.Allègre,2008,Isotope Geology,Cambridge University Press


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