我们正处于一个受人类活动影响的地质时代的观点越来越受关注,但未来的地质学家将如何衡量它呢?雷切尔·巴西发现

人类世的想法来自一位化学家——诺贝尔奖得主大气化学家保罗·克鲁岑死于今年1月28日.2000年,他提出,我们现在处于一个以人类活动为标志的新的地质时代。这个想法引起了媒体和更广泛的学术界的注意,因为它很好地概括了导致当前气候危机的变化。但Crutzen的声明也与一些地质学家的观点一致,他们开始考虑是否真的有理由在地质时间尺度内正式定义一个新的单位。自2009年以来,他们一直在寻找标志着这个新时代的化学信号。

英国莱斯特大学的古生物学家Jan Zalasiewicz记得那次地质学家开始认真对待人类世概念的会议。“我记得,它被扔在‘其他业务’板块,问‘这是真的吗?这有什么意义吗?我们应该做些什么吗?“地质学家认为我们目前处于全新世,它开始于最后一个冰河时代之后,到目前为止已经持续了11700年。2009年,Zalasiewicz成为第一任主席人类世工作组(AWG)在国际地层学委员会(ICS) -监督全球地质年代学的机构。

工业革命只是更大变革的前兆

到2016年,很明显有地质证据可以证明人类世的引入,但挑战在于描述新旧时代之间的确切边界——在哪里以及如何标记?每个地质时代的开始都用全球边界层型剖面和点(GSSP)来标记,GSSP是特定位置岩石或其他地质特征的地层剖面上的参考点。自1977年以来,ICS一直保持着国际GSSP注册。“(一旦被选中),我们将有人类世的代表性位置,我们将标记它的开始,然后(能够)在整个星球上关联这个点,”英国莱斯特大学的科林·沃特斯(Colin Waters)解释说,他是AWG的现任主席。

关于AWG的第一个争论是人类世应该何时开始。Crutzen最初提出18世纪后半叶,以配合工业革命。Zalasiewicz说,但当他们开始寻找时,“我们意识到我们找到了非常不同的东西。”他说,工业革命就像是更大更剧烈变化的预兆。

我们开始意识到很多信号都是在1950年左右对齐的

沃特斯说:“只有当你开始在全球范围内讨论这个话题,并让来自亚洲和南半球的同事参与进来时,你才开始意识到,1800年早期的信号在欧洲和北美之外并没有特别重要的意义。”当他们检查全球数据时,“我们开始意识到很多信号都是在1950年前后对齐的。”在这段通常被称为“大加速”的时期,他们在地质记录中发现了一系列巨大而独特的化学信号,或者像Zalasiewicz所说的那样,它们是“巨大、厚实、坚实的证据”,与20世纪中期的全球工业化相吻合。

金钉

一个图像显示巨大的加速度图

来源:使用https://bit.ly/38XiMTs上的数据绘制

从1950年左右开始的各种指标——从人口到氮径流——都可以看到“巨大的加速”,这使得许多人认为这一天是人类世的开始。所有数据均取自国际地圈-生物圈计划,并归一化至最早值

2018年,该团体通过总部位于柏林的文化交流组织获得了德国政府的资助,Haus der Kulturen de Welt,以确定人类世的GSSP,或通常被称为“黄金尖刺”。他们需要一个有年代的主要标记,通常是化学性质的,可以清楚地表明时代的变化。“最著名的峰值是白垩纪到第三纪的峰值,”英国伦敦大学学院的地球科学家西蒙·特纳说,他是AWG的现任秘书。这条有6600万年历史的边界以世界各地海洋和陆地岩石中薄层沉积物中的高铱含量为标志,这些沉积物是由于大规模小行星撞击而沉积下来的,那次撞击也导致了大规模灭绝。特纳解释说:“这是全球同步的,前后相差几天。”

主要问题是,你只能确定保存在冰川冰中的气泡中的二氧化碳浓度

但黄金尖刺并不总是那么明显。理想的GSSP需要在全球范围内同步探测到,而且它应该尽可能长时间地持续,以形成永久记录。AWG的第一步是选择潜在的地点,在那里未混合的沉积物可以提供上个世纪的地层。该小组选择了11个具有分层沉积物的不同地点,包括来自全球沿海、河口、湖泊和海洋的沉积物,从美国的旧金山湾到日本的别府湾,再加上来自澳大利亚大堡礁和加勒比海开曼群岛的珊瑚,来自波兰的泥炭样本,来自意大利的洞穴沉积物和来自南极的冰芯。分层样品可以使用放射性同位素比率来定年,例如天然存在的铅-210,其半衰期为22.3年,这使得它适合于定年过去150年的沉积物。

有一种明显的化学物质可以作为黄金峰值的标志,那就是二氧化碳,它清楚地显示出在过去70年里的显著上升,尽管可能比峰值更缓慢。沃特斯说,1965年前后仍有明显的变化。“但主要的问题是,你只能确定保存在冰川冰中的气泡中二氧化碳的浓度,而在这样年轻的冰(冷冰)的情况下,气泡可能无法完全与大气隔离。”“更有用的标记可能是碳-12和碳-13的比例,这也保存在珊瑚、洞穴和海洋微型动物体内的碳酸盐中,以及泥炭和树木中富含碳的有机沉积物中。”由于植物在光合作用中优先吸收较轻的同位素,来自化石燃料的碳含有较少的较重的同位素,这一比例发生了变化。

但迄今为止提出的最佳候选是核武器沉降物留下的人工放射性同位素指纹。沃特斯说:“从1945年到1963年,在大气中发生了大约500次核爆炸,极大地改变了放射性同位素的模式——(在此之前)环境中几乎不存在钚。”由于放射性沉降物是通过平流层转移的,它在整个地球上快速移动,提供了一个广泛的信号,在1963年禁止核试验条约签署之前的地质记录中达到了一个峰值。此外,钚-239的半衰期为24110年,其可追溯的时间可能至少有10万年。

二次标记

为了令人信服地证明人类世存在,研究小组还需要定义一些次要标志;最终,他们希望能够描述出那个时代的所有物理和化学表现。“我们想要做的是证明人类世的故事是一个全面的重大全球变化,而不是一个特定的标志。所以我们正在分析大量的东西,”沃特斯解释道。他们还必须考虑人类世的化学信号在全球范围内的同步程度——特别是化学物质如何从人口较多的北半球转移到人口较少的南半球。

在工业燃煤之前,我们根本看不到飞灰

来自伦敦大学学院的环境科学家尼尔·罗斯正在研究的一项证据是由不完全燃烧产生的含碳飞灰颗粒,并保存在一系列环境中。罗斯说:“它们在形态上非常独特,不是由任何自然过程产生的——在工业燃煤之前,我们根本看不到它们。”因为它们需要高温才能形成,所以它们是煤和石油发电站排放的一个明显指标。

分析这些颗粒的过程包括用硝酸、氢氟酸和盐酸消化沉积物,以去除有机、硅质和碳酸盐组分,留下尺寸约为50微米的化学坚固的多孔碳颗粒。然后在显微镜下简单地计数,以计算它们在给定样品中的浓度。2015年,罗斯发表了一项对全球70个湖泊沉积物的研究,显示了它们的浓度如何随时间变化。1“关于粉煤灰颗粒的记录始于19世纪中叶,”罗斯解释道。“我们发现,在全球范围内,这些颗粒物在1950年左右大幅增加。”

这张照片显示了漂浮在塑料海洋中的水槽

塑料污染

来源:©Dimitar Dilkoff/AFP/Getty Images

塑料垃圾会在环境中存在很长一段时间,但它足够长到充当地质标志吗?

人类世的另一个特征是微塑料——我们的塑料袋和杯子的分解残留物不仅仅是当地的垃圾,在土壤、河流和深海沉积物中创造了全球记录。到目前为止,收集的数据有限,但来自德国罗斯托克波罗的海莱布尼茨研究所的海洋学家和微塑料专家朱莉安娜·Sul希望增加我们目前的理解,并绘制微塑料沉积的地层学图,作为潜在的次生人类世标志。

沉积物中的微塑料颗粒是通过FTIR或拉曼光谱来识别的,但首先必须将颗粒分离,最初是通过密度,然后通过化学或酶去除其他有机物质,以留下10-100微米的微塑料颗粒。Do Sul目前正在分析波罗的海缺氧盆地“死亡区”沉积物的样本。“顾名思义,那里没有氧气,这意味着沉积物中没有动物生活,所以它没有生物扰动——无脊椎动物在沉积物柱中的运动。”所以你可以对沉积物的沉积时间有很高的把握,”Sul说。

在这种情况下,塑料很可能会在地质时间尺度上保持保存,但关于可能发生的化学降解程度还没有答案。“它们可能已经存在了几千年,但我们不知道它们还能做什么;它们可能会分解成某种聚合物,或某种化学特征,而这些特征(仍然)可以被检测到,”罗斯说。

一种想法是,微塑料本身可以提供基于聚合物类型的地层学,正如我们所知,在整个20世纪,生产的不同聚合物的类型和相对数量发生了变化。就像地质学家利用不断变化的化石记录来确定更早的时代一样,Do Sul设想我们可能能够观察到特定聚合物丰度的变化;例如,早期的塑料,如聚氯乙烯(20世纪50年代推出)与聚对苯二甲酸乙二醇酯(20世纪70年代推出)相比。2当然,这种程度的差异是否能被检测到还有待观察,但Do Sul表示,这是他们正在探索的一个途径。

化学的足迹

图为农用拖拉机喷洒草甘膦

来源:©Jean-Francois Monier/法新社/盖蒂图片社

农业中化肥的使用对全球氮循环产生了巨大的影响

事实证明,在地质记录中,并不缺乏其他可以定义人类世的化学足迹。沃特斯说:“其中一个特别重要的变化是氮循环的变化。”自1913年哈伯-博斯工艺以来,农业产生了巨大的影响,现在每年生产1.75亿吨氨,其中大部分用于化肥,自20世纪50年代以来,沉积物和冰芯中可以检测到氮含量升高。人类活动现在已经完全改变了全球生命周期之一。Zalasiewicz说:“这可能是自25亿年前的早期原生代以来氮循环发生的最大变化。”

Haber-Bosch过程是大约25亿年前氮循环发生的最大变化

人类也要为自然界中看不到的金属负责,这些金属的痕迹可以在沉积物和冰芯中检测到。“我们使用的是铝信号,”沃特斯说,“我们(现在)在地球上有4亿吨铝;其中98%是1950年以后生产的。”Traces of organic compounds could also mark the Anthropocene - for example, cores from the Clyde estuary in Scotland analysed in 2011 showed massive increases in polychlorinated biphenyls, a once widely used electrical insulator and coolant, from less than 4.3mg to 4386mg per kilogram of sediment, peaking from 1965–1977.3.

罗斯说:“人类世的一个重要指标就是世界上产生的新化学物质的数量。”特纳也认为,化学家从20世纪中期开始创造的材料多样性明显标志着一种变化。“如果你在20世纪30年代回收城市垃圾,你可能可以相对简单地在木材、塑料、金属和玻璃之间进行回收,但现在在处理城市垃圾时,各种材料中都含有多种化学物质:不仅仅是玻璃,还有不同类型的玻璃;它不仅仅是塑料,它是塑料的彩虹。”But whether all these chemical signals will last long enough to be considered for long-term geological markers is an open question. ‘It’s really something we need to talk [about] with more chemists,’ says Zalasiewicz.

AWG希望在2022年之前完成黄金钉的选择工作,4但它的决定是否会被国际地层学委员会正式接受还不确定。Zalasiewicz说:“我们(处于)一个长达70年的时代,以塑料之类的东西为标志——它与(传统的)地质学相去甚远……所以它是否会被接受,我认为仍然是一个悬而未决的问题。”罗斯补充说:“我认为这个社区存在很大的分歧。”

人类世的政治

英国剑桥大学的地质学家、现任国际地层学委员会秘书长菲利普·吉巴德(Philip Gibbard)是持保留意见的人之一,在他看来,这是一场同事间的友好辩论。他认为,我们现在的时代,11700年前的全新世,本身就是由智人.他说:“全新世的特点是人口数量大幅增加,当然,这种情况一直持续到今天……我们一直在通过自己的活动有效地改变我们的环境,清除植被,采矿[和]建筑。”

吉巴德补充说,在20世纪50年代有一个界限意味着他出生在全新世,而不是新的人类世。“这是一个微不足道的问题,但它意味着我已经穿越了那个界限,我甚至没有注意到它,这让我很困扰!””

“全新世晚期”没有人类世那样的影响或意义

一种妥协可能是创建全新世的一个新的分支,而不是一个新的时代。最新的划分是有4200年历史的梅加拉亚时代,于2018年达成一致,以印度梅加拉亚邦的Mawmluh洞穴命名。它的金色尖峰标志着氧同位素比率的变化,这表明洞穴底部碳酸钙石笋的形成出现了中断。这一信号被认为代表了一段长达几个世纪的全球干旱时期。吉巴德认为,用类似的细分来纪念过去70年可能更合理。

吉巴德和其他人担心的是,人类世的定义正变得更政治化,而不是地球化学。“很多人都喜欢这个词:大众媒体,还有社会科学和艺术领域的同事。他说,对我们来说非常有趣的是,研究这些学科的人似乎不需要定义术语。人类已经成为一种主导的、可能具有破坏性的力量,尤其是在气候危机的背景下,界定这个时代的地质功能可能正在变得次要。对于Zalasiewicz来说,在定义一个新时代时,肯定有更广泛的力量。“‘全新世晚期’没有同样的影响或意义……传达的信息是完全不同的。”

不管地质学家的正式决定是什么,妖怪可能已经从瓶子里出来了。“我们不是警察——我们不能阻止别人使用这个词,”吉巴德说。人类世的概念已经引发了大量的科学文献、艺术参与和公众辩论。特纳说:“我认为它的效用将会持续下去……无论是否正式,它都不会消失。”但没有正式的定义可能是最糟糕的,沃特斯建议,“我认为我们需要某种程度的一致性。所以每个人都知道,用一个新术语,它是什么意思。”

在地质时间尺度上,人类世及其化学遗产很可能只是一个小插曲。但是,如果有人在数百万年后考察未来的地质记录,他们可能仍然会发现人类世的“技术化石”。罗斯说,“例如,我们(现在)在岩石唱片上看到菊石的印记,(那时)我们可能会看到可乐罐、CD或乐高积木的印记。”

雷切尔·巴西,英国伦敦科普作家

更新于2021年2月1日,更正科林·沃特斯的名字和隶属关系