新地质学的诞生

新地质学的诞生

正当　18世纪天文学家继续关注宇宙深处和太阳系这一迷人领域时，另一些思想家开始把注意力转向地球自身的历史以及它的起源。如果天体可以被理解为一部按牛顿定律运行的巨型钟表机制，是不是也有一种机制可以解释地球各种特征的创生？为什么会有陆地和海洋？为什么会有山峦和低谷？为什么岩石有不同的种类？某些岩石看上去像是镶嵌有各种生物或物体，那些奇怪的特征意味着什么？

古希腊哲学家曾经猜测过形成地球特征的原因。米利都的泰勒斯曾经注意到海浪冲击海岸造成的破坏力，但是蜿蜒的河流持续侵蚀河床的破坏力也不亚于海浪。泰勒斯说，显然水有改变地形的巨大能力。在泰勒斯看来，水是如此重要以至他相信水是地球上所有物体的本原，包括有生命的和无生命的。泰勒斯说，地球自身可以看成是一艘浮游在巨大海洋中的船，海洋中翻滚的波浪可能是地震的起因，我们的地球因此而颠来晃去。尽管泰勒斯以及其他希腊思想家的许多思想在今天看来天真得不可相信，但他认识到水的力量是塑造和形成地形的基本力量这一点却是一项重要的早期观察结果。当然，他的思辨仅仅只是思辨而已。伟大的希腊思想家都是哲学家，不是科学家，因为古希腊人并不想，也不打算科学地“证明”自己的思想，他们就没有办法比较，哪种猜想更正确。所有的参与者都有权利持有某种观点，假如他们的智力正常的话。

大约公元前100年，世界上的文化、商业和政治权力中心转移到了罗马，罗马人不理思辨那一套。他们更注重实际而不是哲学，宁可把时间花在设计最好的方法来建造道路、桥梁、隧道和沟渠，以便扩展罗马的权力和声望。对于罗马人来说，操心为什么大山会矗立在那里，是无益之举，取而代之的是，他们更愿意找到最好的方法，以建造越过或绕过这些大山的道路。

罗马衰败之后，西方世界大多数智力活动都局限于修道院，求知兴趣大多转向东方。在那里，在伊斯兰的学堂里，许多古希腊和古罗马的思想得以保留。然而，阿拉伯的知识分子，尽管他们借用、保留和补充希腊的知识，却很少对我们今天所谓的地质学感兴趣。伟大的阿拉伯哲学家阿维森纳（Avicenna， 980—1037）虽然尝试建立一个算不上精致的系统，借用了古希腊的一些思想，加以补充，但是仍有许多问题大多是出自他自己的解释。

文艺复兴时期，当求知之风开始从东方缓慢地吹回西方世界时，在知识门类的清单中，地质学研究仍然处于末位。杰出艺术家达·芬奇兴趣广博，他于1508年就地质学问题提出了自己的思想。其中有些想法来自阿维森纳的思想，例如山脉是由高地侵蚀而成，不过达·芬奇也提出自己的看法，比如，河流的形成靠的是雨水和融雪，在意大利北部发现的奇异化石贝壳是曾经在此生存过的海底生物的遗骸，当陆地被海水淹没时，它们就已经死了。不过大体说来，相对于阿拉伯人或古希腊人，达·芬奇的地质学思想并未高明多少　。

由于基督教会的介入，情况变得更为复杂，整个中世纪，文明之薪火几乎受教会一手操纵，但是，一个强有力的单一权威力量的形成非一朝一夕之事。既然古人对于地质学问题兴趣不大，那么，当他们^[1]涉猎此领域并大胆提出自己的看法时，就不会面临任何正式或明确的反对意见。如果他们对此保持相对沉默或见解缺乏深度，那么，这种停滞更多与他们缺乏兴趣或训练有关，而与现有权威的干涉无关。

然而，随着基督教教会的权力越来越大，情况有了很大变化。17世纪伽利略的天文学观测使他得出结论，是太阳而不是地球处于太阳系的中心，这一结论激起了教会的愤怒。它与当时的教义直接矛盾，而教义是基于圣经世界观和托勒密流传下来的天文学系统。对于教会来说，来自上帝的启示是神圣的，圣经是主宰一切的最终权威。基督教徒可以去询问地球的历史，但是他们只能转向圣经去找答案。

1654年，有一位爱尔兰主教，名叫厄舍尔（James Ussher， 1581—1656），根据圣经的年表仔细计算了地球的年龄，确定地球的第一天是公元前4004年的10月23日，也许是上午9点钟。他还为整个宇宙的创造过程建立了一个时间表，结果是一个礼拜，正如圣经所述。厄舍尔的计算在当时很受欢迎，因为大多数神学家都同意，地球的年龄在5 000年和6 000年之间。当早期学者开始涉猎地球及其形成这一领域时，面对的正是这一背景。

当然，地球看来远不止几千年，任何一位有心的观察者显然都会看出这一问题。随处可见的断裂和风化现象，高耸的山脉、深谷和悬崖，这些事实都在强烈地暗示，地球曾经遭受过巨大的沧桑之变。实际上神学家一般也都同意，地球正处于严重的衰落中，也许维持不了多久了。然而，它怎么可能在这么短的时间内变化如此之大呢？

另一个问题是，岩石中埋藏的化石。化石的知识可以追溯到古希腊，但是它们的存在一直令人困惑。在17世纪末，许多严肃的思想家逐渐接受化石是过去生物的有机遗骸。但是，依然有不少人死死守住更神秘的或者柏拉图的观点而不放。

形成和化石（formations and fossils）这两个词其实具有内在的联系，它们正是17和18世纪地质学研究的焦点所在。

斯蒂诺的化石

第一位认真考察这两大重要问题的思想家是17世纪丹麦人斯蒂诺（Nicolas Steno，1638—1686）。斯蒂诺出生于哥本哈根，是一个富有的金匠的儿子。他和许多早期科学家一样接受过医学教育，并且幸运地成了托斯卡大公爵的私人医生。因为大公爵很健康也很慷慨，所以斯蒂诺没有后顾之忧，可以有足够的时间从事他感兴趣的工作，他的兴趣之一就是化石。

当斯蒂诺解剖鲨鱼时，把鲨鱼的牙齿与所谓的舌状石比较，古人曾经认为这种舌状石是夜间从天上掉下来的。在确信舌状石确是石化的鲨鱼牙齿后，斯蒂诺成了化石的热心收集者，到处访问采石场，考察各种不同岩石的形成过程。

仔细的研究使他确信，化石是保存在岩石中的生物残骸，这些生物曾经栖居于海中。1669年，他在一本书中提出了这一论点，这本书的题目很别扭，叫做《关于在固体中自然封存之固体的论文之序》（Prodrome to a Dissertation Concerning a Solid Naturally Enclosed Within a Solid）。斯蒂诺说，埋有化石的岩石是由泥浆水沉积而成，其中既有海水也有淡水。有些化石，例如鲨鱼牙齿和海生贝壳类显然就是海洋生物，因此发现这些化石的区域必定曾被海水覆盖过。他还指出，其他生活在淡水中的生物，也许是被诺亚洪水带到此地的，当时人们普遍相信这场洪水发生于大约4 000年前。发现的大骨头和牙齿很可能是更近期的生物，诸如大象的遗骸，公元前218年，汉尼拔军队可能是骑着这些大象与罗马人作战的。

他还提出一种言之有理的说法，浸没于水中的巨大岩层有可能坍塌，形成山峦和峡谷。但是，据斯蒂诺说，并不是所有的山峦都是这样形成的。有些显然是火山岩，是从地球深处燃烧着的火喷出的灰烬和岩浆。有些是流水侵蚀的结果，与激流冲出悬崖与峡谷的过程一样。

斯蒂诺还对托斯卡纳地区的地质史提出了一些一般性理论，他认为，这一理论也许适用整个地球。总之，这是一项令人钦佩的成果，但是斯蒂诺却半途而废了，因为他是一位极端的路德教徒。由于常常陷入深深的不安之中，显然他有严重的心理危机。后来他失去对地质学的兴趣，皈依天主教，到德国当了一名神职人员，晚年在苦修中度过。

若是撇开他所处的时代，就很难正确评价斯蒂诺的智力成果。还有一些人也曾试图提出类似的理论，例如涉猎广泛的英国皇家学会会员胡克。大多数17世纪后期关于地球创生及其形成的思辨，留传到了18世纪，然而它们不是带有深深的宗教烙印，就是企图把宗教故事与新科学观生硬地结合在一起。但是，其中有一个理论脱颖而出，这就是布丰伯爵提出的理论。

布丰对地球的测试

布丰本质上是一位博物学家，他认为，他那于　1749年开始出版的　44卷巨著《自然史》（Histoire Naturelle），应该从头开始述说。他写道：“地球通史必须居于首位，其后才有地球上其他事物的历史。”他的思想大多只是对当时主要思想的重述，但是他对地球形状的讨论在保守的法国同代人中引起了震动。

他写道：“事实上，现在是陆地而且有人居住的地方，以前确曾处于海水之下。这些水曾经淹没最高山脉的顶峰，因为我们发现在这些山上，甚至在它们的顶峰上，有海洋生物的遗骸，它们与现在的贝类没什么不同。无须怀疑，它们如此相似就是同一物种。”就我们今天所知，布丰的许多思想是不正确的。但是，布丰使它们成为一个整体（尽管非常笼统），这对于18世纪的思想家来说，本身就是一种极大的激励，由此他们明白，可以像布丰那样，对于有关宇宙的老问题试图给予新的、理性的回答。

受哲学家莱布尼兹的启发，布丰说，由于一颗彗星撞击火热的太阳，从中带出了一些碎片，地球就源于这些碎片。他用铁球做了几个实验，把铁球加热，测量它们冷却的速率。从这些结果他估计出如地球这样大的球冷却的速率。再基于此算出冷却所需时间，由此得出结论，地球已是非常古老。他建议，地球也许有75 000年或100 000年。布丰的估计已经比厄舍尔1654年计算的6 000年多了十倍以上。赫顿（James Hutton， 1726—1797）后来得到了类似的结论（不过，他也大大低估了地球的年龄）。但是布丰是最早把这一思想传播给广大听众的。出于敏锐的政治直觉，布丰把自己的研究说成仅仅是假说，并且还在叙述中设法为宗教保留位置，这就避免了与教会发生重大冲突。

布丰伯爵的科学生涯涉猎广泛，成绩辉煌。他写了关于自然史的著作，他解释地球起源的自然主义理论是那个时代第一批没有与宗教紧密栓联的理论之一。图中显示他运用多个透镜检验阿基米德的说法是否正确（阿基米德声称可以把太阳光会聚在锡拉库扎港中的罗马舰队上使之起火）。他成功地使150～250英尺远处物体着火，据此，布丰认为阿基米德的说法应该是真的。

根据布丰的假说，地球经过了七个漫长的阶段。这与圣经创世纪中的七天相当吻合——但是这里的“天”要比我们通常理解的“天”长得多。经过最初阶段——地球的形成是由于彗星与太阳的碰撞——地球旋转并且冷却了3 000年，在此期间演变成球形。第二阶段地球冷凝成为一个固体。根据布丰的计算，这大概经过了30 000年。第三阶段，地球周围气体中的蒸汽形成巨大的海洋，覆盖了整个地球。他解释说，这个时期潮汐作用开始影响地球演变，并且把海洋生物带到地球各地。他计算这个过程大约持续了25 000年。火山活动主宰了第四阶段，因为在以后的10 000年中海洋开始消退，从而在高地上留下许多海洋生物的遗骸。随着陆地开始形成以及变冷，植物开始生长。在第五阶段，持续了近5 000年，第一批陆地动物开始出现。在第六阶段，陆地继续演变，大陆开始相互分开，漂移了将近5 000年，直到变成如今的格局。最后在第七阶段，布丰声明，人类出现在地球上，达到演变过程的顶峰。

这是一个大胆有序并且简洁的思辨性理论，具有巨大的吸引力，尤其是它可以解释许多奥秘，诸如在高地和山顶上发现的海底化石。

但是，布丰不得不在他的工作中尽力避免与宗教发生冲突，而地质学真正的进展只有等到启蒙运动的思想家对传统发起全面攻击，这样科学家才能摆脱束缚，关注他们在岩石中发现的线索。

当更多的研究者开始探索这个领域时，一些情况很快就明朗了，某种岩石，叫做沉积岩，它们位于平行地层中，是由水下的沉积物而形成。埋于这些岩石中的化石有助于确证这一思想，但是一个棘手的问题依然存在——许多层积岩存在于山区，甚至是在最高的山峰被发现。显然，现在的大片陆地必定曾经处于海底，正是在那段时期，形成层积岩的物质被沉淀在那儿了。那么，在岩石形成之后，陆地又是怎样从海里出现的呢？就像许多在启蒙运动后兴盛起来的科学领域一样，地质学的早期岁月也是被机械论一统天下。

两个相互对立的新理论迅速崛起，并且最终它们都不再流行。但是每一方面都对莱伊尔（Charles Lyell， 1797—1875）的先驱性工作有所贡献。莱伊尔是一位富有钻研精神的苏格兰地质学家，他为现代地质学打下了基础。他还为地质学家和生物学家提供了新的钥匙，使他们能够透过表面现象去理解地球和人类的历史。

魏尔纳和海神的遗迹

魏尔纳（Abraham Gottlob Werner， 1750—1817），他那个时代最有名的地质学家，出生于普鲁士。他的父亲是一家大型炼铁厂的检验员，魏尔纳的年轻时代大多花费在他对采矿和矿产的兴趣上。在福莱堡的矿产学院学习了两年（1769—1771）之后，他转到莱比锡大学继续学习。作为一个出色的学生，他全身心投入学业中，吸取每一项与采矿、矿产、岩石和矿物学有关的知识。

1775年，魏尔纳回到福莱堡学院成为一名讲师，他在这里生活了近40年，成为当时最有名也是最受欢迎的教师。作为一名精力充沛、身体力行的“动手型”教师，他鼓励学生们走向野外，亲自研究岩石和矿产，而不是仅仅听从别人的意见。

魏尔纳教的地球理论，后来被称为水成论（Neptunism）。这个名字得自罗马的海神（Neptunism），反映了魏尔纳的基本假定：地球起初完全被巨大的、泥泞的原始海洋所覆盖。海洋内悬浮着大量的物质，当海平面开始下降时，海底结晶出“原始的”岩石。魏尔纳解释说，这些岩石后来就覆盖了整个地球。魏尔纳并没有解释原始海洋是从哪里来的，或者它撤退的机理是什么。不过，据魏尔纳的说法，随着海水的持续消退，很久以后，第一块干燥的陆地（岩石的原始沉积）就露了出来。

地质学家魏尔纳提出了水成论，说的是在地球形成的过程中，地球上覆盖了浩瀚的海洋，所有岩石都是在沉积过程中形成的。

然后，渐渐形成了新岩石层，它不再是原始形成的一部分，而是由海洋中的物质进一步结晶而成，此外还包括从原始的地球表面侵蚀出来的沉积物。随着海水进一步退去，更大的陆地面积出现了，其中不仅包括这些“过渡”岩石，还有许多年前形成的原始岩石所形成的高山。

魏尔纳继续说，后来大块的地表侵蚀物夹带巨量的沉积物返回海洋，在海洋里沉积并且形成“二次”岩石层。暴风和海面上的惊涛骇浪搅乱了这些沉积下来的“二次”岩石。然后，随着海水再度消退，这些“二次”岩石也露出水面，再度遭受侵蚀并沉积于海里，形成新的淤积。魏尔纳解释说，就在最近，海水还在消退过程中，于是，我们才能看见这些仅在最底层才能发现的岩石。

火山，似乎让魏尔纳的某些同代人感到困惑（有人认为所有陆地起初都可能源于火山），但是按照魏尔纳的说法，它们对于地球表面的形成影响不大，他解释说，它们也许是由于地球表面附近燃烧的煤层引起的。

在那些为火山感到困惑的人（但是并不认同所有陆地都源于火山的思想）中就有赫顿，魏尔纳的同代人和长者。尽管他在1788年以前并没有提出关于地球表面如何形成的思想，但是他的观点，后来人们称之为火成论，在18世纪后半叶引燃了一场最大的地质学争论。

赫顿和冥王的怒火

赫顿　1726年生于爱丁堡，是一位注重实际的苏格兰人，在完成法律实习之后，1749年在莱顿大学取得了医学学位。不过他从未执过业　，而是转向了农业。然后，经过一段节衣缩食的农民生活之后，他又成为制造商，建立了一座生产氯化铵的工厂，在这以后，他退休从事研究地质学。这可不是在人生旅途上兜圈子。他早期对化学的兴趣，使他转向医学，而当他开始研究农场里的岩石和土壤时，兴趣又移向了矿物学。

1788年，赫顿那引起争议的新理论第一次发表在爱丁堡的《皇家学会学报》上，尽管他已经为此工作了20多年。赫顿并不关注魏尔纳的论据，即沉积岩位于水下，而是质疑这一主张，亦即形成这些岩石的所有物质，都曾经悬浮在覆盖整个地球的原始大海里。

赫顿的理论基于系统的观察和思考，他不仅提出与水成论不同的主张，而且还建立了一个重要原理，为此他被称为地质学的奠基人。这个原理叫做现实论（Actualism），它主张，地球的表面是由各种因素——侵蚀和火山——形成的，这些因素今天仍然在起作用，并且仍然可以观察到。这个原理与19世纪莱伊尔进一步发展的均变论有密切联系，通过使现实论与其他若干因素相结合，这就形成了现代地质学的许多基本前提。

魏尔纳拒绝讨论地球和原始海洋的起源（尽管其他人，包括布丰，有所讨论）。他的理论只不过假设原始海洋存在过，其各种环境与今天大不相同。

赫顿假设，大陆和海洋几乎同时形成，这样我们才能理解眼前的事实，亦即地球处于“持续的”过程之中，并把这一过程看成是一个无尽的循环，“没有开始的痕迹，也没有终止的迹象”。

他解释说，陆地表面处于被风、水和冰冻缓慢侵蚀的过程中。碎片被河流带到海洋中，又沉积在海底。

在海底，来自地球深处的压力和热量“烘烤”地层，使之变成沉积岩。不同的岩石层源于被侵蚀陆地的特性。后来，由于一系列地震，导致海底向上隆起，于是，沉积岩露出水面成为陆地。赫顿继续说，这种岩石在漫长而缓慢的过程中变形，岩石的裂缝允许熔岩从地球深处渗出，当到达地球表面时就形成了火山。 由热而形成的火成岩还会进入沉积岩地层，在那里缓慢冷却，形成诸如花岗岩之类的结晶岩石。与此同时，稳定的侵蚀过程继续进行，开始磨损新形成的陆地表面。进一步的侵蚀还会磨损沉积岩和暴露花岗岩，于是新的沉积岩层在海底继续形成。这些岩石也许会由于地球内部的压力和运动，被迫隆起，由此构成一个今天依然在持续的循环过程。

18世纪的火山爆发使许多地质学家把注意力聚焦在地球内部的热和它在形成地球外壳中的作用。

赫顿明白，这一过程不仅是机械的，他还意识到，现在观察到的变化正是经长期演变后地表成为这个样子的原因。赫顿建议，这些长期循环在整个地球历史中，以同样缓慢的方式和同样缓慢的速率起作用。他还看出，地球历史一定非常之长——比大多数科学家设想的更长——所以，地球比人们相信的要古老得多。

1795年，赫顿扩充了他的理论，出版了两卷本的著作《地球理论》（Theory of the Earth）。他的书很难读懂，并且还引起争议。魏尔纳的追随者把它看成是对魏尔纳水成论的直接攻击，保守的神学家认为它是对圣经中创世说的攻击。尽管如此，赫顿的火成论（Plutonism，出自Pluto，意即阴间的冥王，因为赫顿的循环变化所需的能量大部分来自地球的内部）还是吸引了一些热心的追随者。1802年又有更多的追随者加入，因为普莱费尔（John Playfair， 1748—1819）写了一本名叫《赫顿理论说明》 （Illustrations of the Huttonian Theory）的书，使得赫顿许多晦涩的表述更为通俗直白，从而令赫顿的理论更容易被人接受。

如果就此能够得出结论，说赫顿是正确的，他的理论确已胜出，这当然不错。然而，历史和科学决不会如此简单。赫顿的基本前提——地球的地质变化是均匀和循环的，并且经历很长的时间——这些基本上正确，但是他对变化机制的解释却是错的。后来在19世纪，莱伊尔吸取了赫顿的均匀性原理，再经综合之后，给出了一个更真实的世界图景。

居维叶和灾变论

18世纪后半叶，水成论与火成论的争论成为当时地质学领域的主旋律——著名法国动物学家居维叶加入了这场争论，但他并未带来实质性突破。居维叶是当时最权威的科学家之一，他富有才华，善于把握机会，对自己的观点确信无疑，在广泛研究化石之后，他得出这一结论：仅当世界在其整个历史过程中，经历过一系列大洪水，各种化石的存在才能得到解释。居维叶论证说，每一场这样的大洪水都毁灭了地球上一切生物，只留下化石记录。每次洪水之后，生命又重被创造。这一观点迎合许多宗教思想家，特别是当居维叶解释说，最后一次大灾难（他的理论后来就叫灾变论）就是《圣经》第一篇《创世纪》中描写的那场洪水。居维叶解释说，在那次灾难中，上帝出面干预允许某些生物幸存下来，正如圣经描述的那样。显然居维叶是在宣布，地球并不像赫顿说的那样，经历一场缓慢和渐变的连续过程，而是一系列剧烈灾变的产物。

居维叶是如此强大，以至他的灾变论很快就取代了魏尔纳那乏味的“原始海洋”理论，并且还把赫顿和他的火成论说得一无是处。魏尔纳和赫顿都是专家，不是通才，两人都试图把地质学当做一门科学来处理，他们相信自己提出的机制符合观察事实。事实证明，两人都行进在一条死胡同里，尽管赫顿为未来开辟了一条充满前景的道路。

居维叶以其谨慎的方法和成熟的理论吸引了当时大多数科学家的想象力。但由此造成的巨大阴影却是严重压制了地质学中有益的争论，这一状况一直持续到19世纪。

莱伊尔对地质学的研究引发地质学史上的另一次重要论战，即关于地壳运动变化方式的灾变论与均变论之争。
自然界的突变与渐进的关系是一个古老的课题。在地质学史上，这两种观点一直在争论着。

瑞士著名科学家阿卡则提出了古代大陆冰川作用的理论。1840年，莱伊尔听取了阿卡则在伦敦地质学会上宣读的有关冰河期的报告，这使莱伊尔深受启发，他在《地质学原理》中讲述了对冰川的认识。

著名地质学家威廉·巴克兰把莱伊尔引进地质学的大门。在大学期间，莱伊尔选修了他讲授的地质课程，参加了地质学小组的课外考察。通过这些活动，莱伊尔受到了地质学的基本训练，为他以后专门从事地质事业奠定了实践基础。图为巴克兰在教室讲课。

《地质学原理》中的一幅说明滑坡的图。

年轻时的亚历山大·洪堡洪堡是水成论代表维尔纳的学生，但他也是给水成论以致命打击的人。有一次在波茨坦考察期间，莱伊尔拜见了洪堡，两人畅谈了许多地质理论问题，这些进步的地质思想，对莱伊尔影响很大，对充实和修订《地质学原理》的有关篇章起了指导作用，他在有关章节比较充分地反映了洪堡的观点。

达尔文时代船上的生活场景。在实地考察期间，达尔文把《地质学原理》当做地质考察的向导、地质工作的指南。达尔文认为莱伊尔的书是一本“可钦佩的书”，并很快成为莱伊尔理论的热心拥护者。该画由随同“贝格尔号”出航的画家安格斯塔斯·依尔创作。

【注释】

[1]指中世纪学者——译者注