进入18世纪，对地球的研究逐渐形成了一门以地壳为研究对象的学科——地质学。地质学的形成标志着近代地球科学的开端。18世纪中叶至19世纪中叶的100年，是地质学的兴盛时期，主要是对地球壳层及岩石成因的研究与探索。发生了关于岩层成因问题上的“火成论”与“水成论”之争，以及关于地壳运动变化方式上的“渐变论”与“灾变论”之争。
（一）地层层序律
大约在800多年前，中国学者朱熹（1130年—1200年）写道：“高山有螺蚌壳，或生石中，此石即水中之物。下者却变而为高，柔者变而为刚。此事思之至深，有可验者。”朱熹说的水中之物，是指洪水中的泥沙。许多岩石正如朱熹所说，是泥沙在水下堆积形成的，它们被称为沉积岩，成层出现是沉积岩的特征。那岩石中的螺蚌壳，是地质学中所说的化石。化石是生物的遗体或遗迹，因为生物死后如果是被泥沙迅速掩埋，并处在水下与氧气隔绝的环境中，便有可能不至于完全腐烂，生物的介壳或骨头被水中的矿物质逐渐渗透取代，变得坚固并仍保留原来的形态，成为岩石中特殊的成分。
1669年，意大利医学家斯泰诺（1638年—1686年）总结出如下的规律：岩层在形成后，如未受到强烈地壳运动的影响而颠倒原来位置的话，则应该是先沉积的在下，后沉积的在上，一层压一层，保持近于水平的状态。这就叫地层层序律。斯泰诺通过他擅长的比较解剖研究，发现了化石与现代生物之间的相似之处，有把握地得出了化石是古生物遗迹的结论。他还提出，化石是鉴别地层的主要依据，含化石的地层是地层演化史的直接记录，通过化石鉴别可以识别地层的年代；地层是具有时间意义的岩层或岩层的组合，我们能辨认出地球史册的先后生成次序。斯台诺不仅开创了近代的地质学研究，而且提出了地质演化的思想。
（二） 关于岩层成因问题上的“火成论”与“水成论”
18世纪以来，岩石成因及其运动变化规律、地层的排列顺序及演化历史的理论相继建立起来。人们逐渐认识到地球是发展演化的，但对具体如何演化的，存在着争论。
18世纪末19世纪初，在关于地球岩石圈表面历史演进的认识上形成了两大学派——“火成论”与“水成论”。“水成论”认为地层结构是由于水的沉积作用形成的，“火成论”认为岩层是由一系列的火山爆发的熔岩流所造成的。
1695年，英国医生伍德沃德（1665年—1728年）在《地球自然历史初探》一书中，认为地层结构是由于水的沉积作用形成的。这种观点后来为德国地质学家魏纳（1750年—1817年）所进一步发展，建立了一个学派。魏纳及其学生提出了如下两个重要的假定。
第一个假定是，在整个地质史上，火山的活动相对来说比较微弱。他们认为火山是地下煤床燃烧引起的区域效应。因此，大面积的岩石的起源不可能是火成的，整个地壳一定是直接来自水中的沉积。
第二个假定是，没有什么力量能使地表隆起。现代的地震似乎不能引作这种力量，因为一旦地震，最初的震荡平息了，岩石的位置并没有根本的改变。
按照魏纳的理论：原始地球被原始海洋包围，广袤的海洋覆盖着地球大量的物质悬浮或溶解。一切结晶岩都是水成岩。岩石层是在海洋中通过结晶、化学沉淀和机械沉淀形成的。后来由于全球水位突然下降，才使起伏不平的岩石层较高部露出水面，形成高山和陆地。
由于魏纳是当时著名的矿物学权威，是一位很受欢迎的教师，学生很多，加上教会的支持（因为水成论与《圣经》上的洪水相一致），使水成论在当时地质学界占据了统治地位。
在1740年，意大利威尼斯修道院院长莫罗（1687年—1764年）提出了“火成论”。 1740年，他在《论在山里发现的海洋生物》一文中指出，岩层是由一系列的火山爆发的熔岩流造成的。1795年，英国地质学家赫顿（1726年—1797年） 出版了《地球论》一书，系统阐明了火成论的地质理论，强调地球内热作用和地壳运动变化的观点。
赫顿综合了各种证据，提出地球的内部非常热，而且他用这种热作为他的造山机制的基础。对于沉积岩是在水中形成的这一基本假设，赫顿的学说并没有予以挑战，但是对于那种认为所有形成沉积岩的物质都曾悬浮在广阔的原始海洋的看法，赫顿的学说却断然否定。赫顿坚持认为：陆地受到风、雨和河流的不断侵蚀，侵蚀下来的碎片被冲到大海中，并沉积在大洋底。赫顿假设这时地球中心的热穿透沉积物，使之变硬，形成岩层。新的岩石可能随后在地震力量的作用下，隆起形成干燥的陆地，而地震则受地核的热和压力的驱动。对火山喷发的解释，则是假定地球内部的熔岩偶尔找到了通向地表的途径。
按照赫顿的学说，①受席卷陆表的风、水和霜侵蚀；河流携带着流向大海，在海底沉积。来自地球深层的压力和热“烘烤”着地层，形成沉积岩。②一系列的地震，作用于海床上的压力使海床隆起，直至形成现在的干燥陆地，并暴露出沉积岩。在这个过程中，这些岩石已经遭到了扭曲。地球深处的熔岩可能通过裂缝涌现出来。如果熔岩达到地表，可能会形成火山，但是当火成岩慢慢冷却，形成结晶状岩石时，如花岗岩，可能会挤入沉积岩地层。新形成的陆表还是要经受侵蚀。③侵蚀可能会洗刷一些沉积岩，使花岗岩裸露出来。同时，海床正在形成新的沉积岩层，最终，由于地球运动，这些新形成的沉积岩层可能也会隆起，形成新的干燥陆地。
“水火之争”发展了地质科学概念与研究方法，对地质学的独立具有重要意义。地壳发展、地层构成、地层层序、地层形成的时间性等概念，表明地质学开始从母体矿物学中脱胎出来。但是，只有把生物演化系列和地层系列统一起来考虑，才能揭开地球的真实历史。这个工作由居维叶等人所开创。
（三） 关于地壳运动变化方式上的“渐变论”与“灾变论”
“灾变论”的代表人物是法国比较解剖学家、古生物学家居维叶（1769年—1832年）。
对物种进行比较解剖学研究，是居维叶最出色的工作。根据比较解剖学，居维叶提出了一套动物界的分类系统，他将所有动物分成四个门：脊椎动物门、软体动物门、节肢动物门和辐射动物门。他的分类是按照动物的内部结构进行的，因而比仅从外表特征进行分类更为合理和深刻，更能指出动物之间的亲缘关系。
居维叶在比较解剖学上的卓越建树，使他有可能在古生物学领域大展其才。古生物学的所有证据都在化石里头，而化石往往是残缺不全的，在这里，正需要居维叶的比较解剖学方法。1796年，居维叶得到了一块古象的化石。他通过类比得出它本是一种长毛象的结论，并复制了长毛象的骨骼结构，指出它与印度象之间有亲密的亲缘关系，这种关系比印度象与非洲象之间的关系更为密切。此后，他辨认了150多种哺乳动物的化石。
大量化石的认证使得居维叶有可能对其进行分类，化石的分类工作是居维叶的首创。他发现，虽然古生物与现存生物并不完全类似，但依然可以按他的四门分类系统进行分类。他还注意到，不同地层中的生物化石显现出明显的不同，地层越古老，化石越简单，地层越年轻，化石越复杂、越接近现存生物。这一事实本来可以使他走向进化论，但他是一位顽固的宗教信徒，物种不变论的坚决信奉者。他提出了“灾变说”来解释这些现象。
居维叶认为，历史上地球表面曾出现过几次大洪水，每次洪水将所有生物全部毁灭，其遗骸在相应地层中形成今日所见的化石。大洪水后，创物主再次创造新的生命，但创物主每次的创造都有所不同，才导致了地层中化石形态的不同。他推测，历史上共发生过四次大洪水，其中最近的一次就是《圣经》上所说的发生于五六千年前的诺亚洪水。这些灾变论思想记录在他于1825年出版的《地球表面的革命》一书中。恩格斯评价居维叶的理论说：“居维叶关于地球经历多次革命的理论在词句上是革命的，而在实质上是反动的。它以一系列重复的创造行动取代了上帝的独一的创造行动，使神迹成为自然界的根本杠杆。”[3]
18世纪末期，英国地质学家赫顿已提出地球在地热作用下缓慢进化的火成论。但是，由于水成论和灾变说符合人们习以为常的《圣经》故事，却拥有更广大的支持者。赖尔（1797年—1875年）生于苏格兰一个贵族家庭，1819年毕业于牛津大学。他本来是学法律的，准备将来当一名律师，事实上，他于1827年也取得了律师资格。但他在大学期间对地质学很感兴趣，特别是听了牛津大学地质学教授巴克兰的地质学讲演之后，更加对之着迷。巴克兰也很喜欢这位年轻人，多次带他外出搞地质考察。这个时期，受巴克兰影响，赖尔是一位水成论者。
20年代中期，赖尔接触到了赫顿的火成论以及拉马克的进化学说，加上更进一步的实地考察，使他逐渐产生了地质渐变的思想。1828年，他来到意大利的西西里岛，考察了著名的埃特纳火山，坚定了地质形态在多种自然力作用下缓慢变化的信念。从1829年开始，他致力于 《地质学原理》的写作。他以优美的文笔、严密的逻辑，将各种地质现象包罗在一个渐变论的体系之下。赫顿的思想得到广泛而深入的传播。
1830年《地质学原理》第一卷的出版，标志着地质学旧时代的结束和新时代的开始。赖尔在书中明确认为，地球的面貌是缓慢变化的，引起这种变化的自然力，如河流、泉水、海洋、火山、地震等，是今天可以观察到的。这些地质应力对地理所作的历史性修正，就是地质学的研究课题。《地质学原理》第二卷论述了拉马克（1744年—1829年）的物种变异，物种的地理分布与传播，化石埋藏与生物对地表变化的作用，人类的起源等思想，赖尔认为这是生物界的相继变化，也应该是地质学研究的课题。《地质学原理》第三卷主要内容是第三纪地层划分以及岩石分类。第三纪地层划分，无论就科学内容与科学方法来说，赖尔都作了开创性贡献，是生物地层学的典范。赖尔总结出来的地质学体系包括了矿物、岩石、地层、古生物、矿床、地貌、动力地质、构造地质等内容，今天的古典地质学也是这个模式。
赖尔的《地质学原理》一书对地质学具有方向性的指导意义，它的发表标志着地质学的独立，主要表现在三个方面：完成了地质科学体系，确立了地质进化的科学概念，总结了地质研究的科学方法。恩格斯曾经高度评价赖尔的工作：“最初把理性带进地质学中的是赖尔，因为他以地球的缓慢的变化这样一些渐进的作用，取代了由于造物主的一时兴发所引起的突然革命。”[4]
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