羞恥地呼吸的個人博客分享 http://www.ueservicedoffices.com/u/tidesung617 男兒寧當格斗死 何能怫郁筑長城

博文

加州夢想-穩定同位素地球化學家Hugh Taylor的故事 精選

已有 2862 次閱讀 2019-5-22 08:50 |系統分類:人物紀事

地質歷史的發展多次證明:只有當固守舊理論的頑固派老去或者死去之際,新理論才會迎來勃勃生機,煥發迷人風采,幾個世紀前,也正是因為最后一批災變論和水成論者退出歷史舞臺,地質才脫胎換骨進身為現代科學。上世紀中后期,那些以野外為“戰場”的傳統地質學家看到地球化學春風化雨潛入每一個地質領域時,他們義憤填膺,試圖抗爭,但最終都螳臂當車,成了歷史的“絆腳石”,赫然,今日地球化學已水漫金山,呈恢弘磅礴之勢。戰爭如同掠奪資源、開疆拓土,既是人類發展的夢魘,又是文明興起的蓓蕾,第二次世界大戰原子彈的爆炸,促進了戰后核物理化學的研究,同位素也搭上了這艘“豪華巨輪”。穩定同位素的天然魔力通過Harold Uray、Samuel Epstein等大師之手逐步顯現,作為Samuel Epstein得意門生的Hugh P. Taylor在火成巖方面貢獻頗大,最終師徒雙雙入選美國國家科學院院士。

Hugh Taylor on a field trip in California.jpg

           Hugh P. Taylor1932-? 來自網絡)

Taylor,19321227日出生于美國亞利桑那州霍爾布魯克(Holbrook)小鎮,與他同一天來到這個世界上的還有雙胞胎哥哥。他的父親是圣達菲鐵路(Santa Fe)的一名員工,母親來自摩門家族,性格叛逆。鑒于父親工作關系的緣故,全家人平時多居住于簡陋的火車廂內,穿梭于鐵路沿線各車站,飽受艱辛的同時也平添Taylor對火車深深地眷戀。Taylor的童年如同你我,對世界充滿了新奇,做出了一些荒唐事。六歲時,Taylor與自稱FBI探員的十一二歲鄰居大男孩破窗而入一戶人家,翻箱倒柜尋找“作案證據”,Taylor找到了少半瓶威士忌,坐在沙發上慢慢品嘗,回家的路上踉踉蹌蹌,就差醉倒在路旁,后來警察“逮捕”了那個大男孩,這給Taylor的童年造成了很大“精神創傷”。七八歲時,看到父親抽雪茄,Taylor哭著鬧著也要來一根,父親給他遞過來一支并親自點上,說:“來,一起抽!”煙霧直抵喉嚨,一陣惡心,從此與香煙徹底說拜拜。

Taylor小學轉學了好幾次,甚至有一段時間母親充當了他的家庭教師。日本偷襲珍珠港讓美國正式卷入第二次世界大戰,父親臨時抽調負責軍用物資調遣,由于和指揮官起了沖突,1943年,他憤然離開前半生鐘愛的鐵路事業,全家搬到了加利福尼亞南蓋特(South Gate),Taylor一直以來想成為一名鐵路工人的想法算是徹底泡了湯。Taylor學習成績一貫優秀,無論初中還是高中,都是老師眼里的寵兒。他頭一次代表南加特高中參加化學競賽,就贏得了“美國化學學會獎學金”,這對南加特高中來說,可是大姑娘坐花轎頭一回,這讓他有機會直接邁入加州理工學院的大門。入校那一年是19509月,朝鮮戰爭已經爆發了2個月。

Taylor的足球技術也很高超,那個年代大學比較重視足球,大學之間常有比賽,訓練足球的學生都要提前一兩個星期到校。Taylor住在Dabney House宿舍,宿舍內既充滿了兄弟情誼,又充滿了彼此競爭,甚至包括宿舍與宿舍之間。周末常有舞會,一到這時,許多學生躍躍欲試,由于加州理工學院當時不招收女生,他們就去附近大學尋找,后來不少都鴛鴦成對蝶成雙。比賽喝酒是舞會的重頭戲,喝酒方式別開生面,倒一小杯烈酒,用火柴點燃,關上宿舍燈,一飲而盡。后來覺得不過癮,將點燃的酒杯舉過頭頂,距嘴巴約25cm處,但見黑漆之處,一道火光,飛流直下,直抵喉嚨,煞是壯觀,若做到瀟灑自如,并非一件容易的事,需要在水房反復練習。Taylor的特長是喝啤酒,其豪邁不輸喬峰,他總是喝得最多最快的那個,一瓶12盎司的啤酒,他一秒半就能喝完。此外他還學會了打橋牌,每晚玩得不亦樂乎。學習的時間總是姍姍來遲,深夜11點到凌晨3點成了他最有效的學習時間,此后余生還成了一種習慣。

Taylor原本的夢想是成為一名化學家,可是地質老師精彩的授課又撥動了他騷動的心弦。小時候,他曾看到過科羅拉多大峽谷的雄偉壯觀,長大后,也有幸目睹內華達山脈的連綿起伏,他如饑似渴地閱讀Roy Chapman Andrews(《奪寶奇兵》電影主角考古學教授印第安納·瓊斯原型)在戈壁荒漠第一次發現恐龍蛋化石的探險經歷,內心的天平悄無聲息間已經向地質傾斜,遂決定以地質為己業。地質系在加州理工學院原本是個小系,以面向野外的傳統地質為主,但是領導目光長遠,審時度勢,大刀闊斧,決定改變這一落后局面,于是引進了地球化學。芝加哥大學的一幫干將紛紛跳槽來到了陽光明媚的加州,Harrison Brown、Sam Epstein、Clair Patterson就是其中的佼佼者。Taylor趕上了好時光,他又改學地球化學,由此成為加州理工學院歷史上最早畢業的兩個地球化學專業學生之一。

本科畢業后,Taylor去了哈佛大學讀碩士,由于不喜歡那里陰雨連綿的天氣以及不夠自由的學術氛圍,一畢業,他就迫不及待回到了加州理工學院讀博士,跟隨Epstein做穩定同位素工作。在此前后,夏季里他有機會去到阿拉斯加幫助尋找鐵礦,穿行在阿拉斯加空曠的荒原上,遠處潔白的雪峰、藍色的冰川一塵不染地屹立在面前,倒映在腳下純凈的河水中,這是生命里無言以對的一個瞬間,讓人震撼,但是狗熊的吼叫驚擾了美夢,特別是對人類威脅較大的灰熊與棕熊,還好沒有與它們正面交逢。在一次舞會上,一位落落大方的女孩引起了他的注意, 1959年博士畢業時,迎娶了嬌媚的新娘。地球化學的興起必然導致傳統地質的沒落,許多老一輩地質學家紛紛離職,一時之間師資緊缺,剛畢業的博士成了香餑餑,但是學校只是臨時雇用,于是Taylor決定到賓州州立大學試試運氣。賓州州立大學有許多來自加州理工學院的學生,無形之間,他們在青春懵懂的歲月里,在自己隨性的快樂中莫名其妙就遭到別人的猜忌,Taylor成了受害者。呆了大約一年半后,加州理工學院同意給他終身職位,他再次回到夢想起飛的加州,從此再也不肯離去。

Taylor主要研究火成巖中共存礦物的δ18O值,他首次向世人展示了不同礦物中δ18O值的范圍,并發展出了一套行之有效的程序方法。TaylorEpstein的關系也由簡單的師徒變為并駕齊驅的同事,盡管他們使用相同的設備,一起出版論文,但各有各的研究團隊與方向。世界上大多數巖石都被土壤與植被覆蓋,因此尋找新鮮、完整的地質露頭成了地質學家的一種嗜好。1931-1932年間,英國探險隊來到了東格陵蘭島,曾經幾乎爬到珠穆朗瑪峰山頂的牛津大學教授Lawrence R.Wager參加了這次行程,當船只沿著海峽行進時,一個巨大層狀完好的巖石露頭映入眼簾,他一開始認為是沉積巖,上岸仔細觀察后確認為輝長巖,即Skaergarrd巖體,它對研究玄武質巖漿結晶分異為花崗質巖漿至關重要,這種爭論已持續了200余年。

skaergaard intrusion.jpg

Skaergarrd輝長巖侵入巖體(來自網絡)

Taylor從以吝嗇聞名的Wager那里獲得了十幾塊小樣品,分析結果顯示上部巖石相比下部巖石δ18O值要低得多,邊部也低于正常值(正常值δ18O6‰左右),長石的δ18O值竟然低于輝石的δ18O值,這與Taylor當時取得的認識不相一致,Taylor最終認為是圍巖中水的參與使得δ18O值降低,水與長石反應比與輝石反應速度快導致了長石δ18O值低于輝石。此外他還分析了蘇格蘭赫布里底群島巖體的δ18O值,也出現了許多低值。一幅宏偉的畫面開始在Taylor的腦海里若隱若現:巖體看來并不是簡單封閉體系下結晶分異的產物,特別是當巖漿侵入于上地殼時,充填于圍巖裂隙、空隙中的水就會被加熱上升,而周圍冷水則會呈放射狀從四面八方不斷向巖體匯聚,巖體與最具滲透性圍巖接觸的部位應該是同位素分餾效果最明顯的地方。為了進一步檢驗這個想法,Taylor查閱了大量文獻資料,發現位于俄勒岡的喀斯喀特山脈(Cascade Mountains)中的巖體具有淺成侵入于滲透性較大玄武巖的特征,于是和妻子利用假期系統采集了一套完整的樣品,分析結果顯示事實與想法完全吻合,那些原本持懷疑態度的地質學家也不得不相信這既定的事實。熱液系統也是有生命的,例如一個像Skaergarrd的典型大侵入體,需要10萬年結晶,100萬年冷卻,通過對δ18O值進行填圖可以大致推斷熱液系統持續時間,判斷熱液系統幾何形態。

地球上所有雨水的H、O同位素值相比海水都處于虧損狀態,這與大氣循環有關。形成于太平洋上空的氣團從西向東穿越北美大陸,最初的降雨看起來與海水并無兩樣,但當穿過內華達山脈時,H、O同位素值則發生了明顯變化,例如阿拉斯加河水、湖水中的H、O同位素值相比加利福尼亞要低得多。雨水在地理空間位置上的系統差別打開了一種看待事物的新方法。在北美西部從北墨西哥到阿拉斯加分布著大量斑巖型銅礦,這些銅礦與淺成侵入巖體密切相關,當時業界普遍認為成礦流體來自巖漿水,同位素將給我們打開另一扇開啟寶藏的大門。上世紀70年代前后,Taylor與加州理工學院前校友Dick Nielsen以及學生Simon M.F.Sheppard等合作在Economic Geology上發表了4-5篇有分量的文章。研究結果表明:早期高溫蝕變由巖漿水引起,H、O同位素值在亞利桑那、蒙大拿、英屬哥倫比亞幾乎一致;后期低溫蝕變,卻有大量天水參與,主要銅礦體就形成于兩種熱液系統的交互面上。其實在此之前,當時如日中天的Anaconda礦業公司就發現了這種規律,只是基于商業機密,沒有對外公開,他們使用的方法是壓力差,成礦系統邊部為靜水壓力,內部為靜巖壓力,內部比外部壓力高3倍。


形成斑巖銅礦巖體周圍熱液對流循環(根據文獻2繪制)

1961-1972年,美國開展了以實現載人登月和對月球實地考察為目標的阿波羅計劃,經過科學家艱苦卓絕的努力,最終于1969年成功將2名宇航員送上月球,自那以后,直到1972年該計劃結束,共6次順利著陸,有12名宇航員成功登月。阿波羅計劃帶給人類最寶貴的收獲是:讓我們深深地感受到,地球是漂浮在漆黑的宇宙空間中獨一無二的、最重要的星球。從阿波羅15號開始,受過地質培訓的宇航員開始有針對性地收集月巖樣品,特別是斜長巖樣品。Harrison Schmitt這位畢業于加州理工學院的高材生是這一計劃的參與者,也是唯一登上過月球的地質學家(阿波羅17號),正是得益于他從中牽線,加州理工學院才有機會接觸這些樣品,才能在地球化學與行星科學領域呼風喚雨,大放異彩。Taylor分析了這些月巖樣品的H、O同位素值后,發現根本不存在同位素分餾,這是由于月球氣候干燥,巖石在冷卻結晶過程中沒有水的參與,導致最初狀態不變,同位素也沒有什么交換。當在顯微鏡下觀察月巖樣品薄片時,你會發現晶體結構如此美麗、清晰、完美,都是天然的寶石,“清水出芙蓉,天然去雕飾”在這里不是一種贊美,而成了一種褻瀆。月球表面上到處覆蓋著一層月壤, Taylor發現δ18O值達到了50‰,在地球上很少超過1‰的δ30Si值也達到了25-30‰,結果令人咋舌!月壤向下呈系統性變化,直到漸變為月巖原值。推斷是隕石撞擊月球,導致部分物質氣化重冷凝,從而產生了明顯的同位素分餾, 月球引力小,16O28Si離去,18O30Si留下。月球項目對行星地球化學、同位素地球化學影響深遠,Sm-Nd同位素測年也是從中發展而來。

Harrison Schmitt.jpg

Harrison Schmitt在月球上收集樣品(來自網絡)

板塊構造就像一個隕石坑,使得許多原本難以解釋的頑固地質現象轟然倒塌,墜落其中,而地質學家在大是大非面前,又常常表現的比較保守,他們更喜歡做妙不可言的事后諸葛亮。蛇綠巖在世界各地廣泛分布,但最初沒有人知道它來自哪里,直到板塊構造出現,才明白它原來是海洋板塊的一部分。Taylor等對之進行穩定同位素分析后發現,從上到下,枕狀熔巖、席狀巖墻、輝長巖δ18O值呈現逐步降低的趨勢,如果從整體來看卻基本沒有變化。海水的下滲可以直達莫霍界面,這意味著整個海洋板塊都沒有保持最初的“清白之身”,甚至海水的δ18O值也主要是由洋中脊下巖體的熱液作用控制。海水里有SrNd,所以海洋板塊Sr改變較多,而Nd則沒有變化,將 O、H、Sr、Nd聯合考慮,就會對海洋板塊有更深入的了解。榴輝巖是一種高級變質巖,它的化學成分與玄武巖相同,只是礦物金身不同。同位素多在熱液系統中變化,特別是低溫階段,褶皺、斷層對其不起作用,因此通過O同位素變化,可以追尋地質事件的前世輪回。榴輝巖δ18O值不同于玄武巖,而與蝕變海洋地殼相當,充分說明榴輝巖實際上就是消減的海洋地殼。

心念所起,就會發現最美麗的去處,Taylor終生追求感興趣的地質問題,然后去野外尋找最完美的證據,他堅信:只有真摯的付出,才會提出堅實的理論,地質是一門科學,只有不斷發現新事物才能體現它強大的生命力。Taylor喜歡加州理工學院自由的學術氛圍,只要你有產出,你做什么或去哪里做都沒有人介意,他大多數文章初稿都完成于一家小小咖啡店。

“退休后,我有許多事情要做,首先要完成一些論文,再是我準備寫一本有關大學校園足球的書。我特別喜歡電影與戲劇,毫不夸張地說,有時只在電視上看幾個鏡頭,我就知道那部電影的來龍去脈。我對第一、第二次世界大戰都很感興趣,也準備寫幾本有關這兩次戰爭的書籍!闭Q壑g,距2002年退休已經過去了十多年,不知道Taylor的愿望都一一實現了嗎?

同位素地質學的發展離不開測試方法技術的提高,主要體現在三個方面:靈敏度、精確度以及分析程序自動化。今日隨著ICPMS、TIMS技術的廣泛應用以及計算能力的提升,穩定同位素呈現出新的發展趨勢:研究非傳統元素同位素分餾已如雨后春筍,且在某些方面成就喜人,如主要元素(Si、Mg、Fe、Ca)、微量輕元素(B、Li)以及微量重元素(Cr、Cu、Zn、Cd、Se、Mo、Tl)。同位素分餾不僅熱液作用會引起,有機物新陳代謝也會產生,可以預料穩定同位素在生物地球化學領域將迎來集中大爆發,其實這種思想早在差不多100年前就由前蘇聯地球化學家Vernadsky1929年)提出。

參考文獻

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




http://www.ueservicedoffices.com/blog-115490-1180434.html

上一篇:[轉載]好書推介:《逐礦人:國外地質學家的故事》
下一篇:重重簾幕密遮燈(Ⅰ)—偉晶巖地質學家Černy的故事

5 劉嘉成 朱志敏 劉金濤 黃永義 陳智文

該博文允許注冊用戶評論 請點擊登錄 評論 (0 個評論)

數據加載中...

Archiver|手機版|科學網 ( 京ICP備14006957 )

GMT+8, 2019-6-16 21:45

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中國科學報社

返回頂部
时时彩平台