地質學中的“水火之爭”

近代科學崛起的歷程曲折艱難，經過了與頑固宗教勢力的長期鬥爭。

地質學的處境要好得多，但也經歷了與宗教思想的幾番爭論。

趣說地質學--地質學中的“水火之爭”

作者：王清晨/中國科學院地質與地球物理研究所（已退休）

歐洲的中世紀被稱為“黑暗時代”。歐洲文藝復興吹響了近代科學革命的衝鋒號。

但是，近代科學崛起的歷程曲折艱難，經過了與頑固宗教勢力的長期鬥爭。

其中，天文學革命最為慘烈。哥白尼於1543年臨終時出版的《天體執行論》被禁，支援“日心說”的布魯諾於1600年被火焚，伽利略於1633年被判終身監禁。

對比來看，地質學的處境要好得多，但也經歷了與宗教思想的幾番爭論。其中最著名的就是“水成論”與“火成論”的爭論，這就是本文要說的“水火之爭”。

（一）水成論：《聖經》的寵兒

17世紀時，宗教勢力還很大，人們的意識自覺或不自覺地受到《聖經》的影響。

其中有兩條信念對研究地質的學者們影響很大，一條是上帝在6000年前創造了世界；另一條是上帝在公元前2370年發動了諾亞大洪水。

岩層中美麗的化石總在吸引人們的眼球。

17世紀時，英國有個醫學教授叫J。伍德沃德（1665～1728年），非常喜歡收集化石。他收藏了大量化石標本，儲存在劍橋大學。

他認為，這些化石是以前生物的遺蹟。

他在1695年出版的《地球自然歷史初探》一書中解釋說：諾亞大洪水淹死了大部分生物，死亡的生物被衝到泥沙中埋藏後，就形成了化石。

這是最早的“水成論”。

海洋生物化石：菊石（圖片來源：公共網路）

18世紀，人們普遍接受伍德沃德的“水成論”觀點。

例如，法國的蓋特爾，他於1746年填制了一幅地質圖提交給法國科學院，其中標註了三個巖帶：砂岩帶、泥灰岩帶和金屬礦帶。在金屬礦帶中包括花崗岩、大理岩、片岩等。

蓋塔爾認為：這些都是同時沉積下來的沉積物。

就連奧弗涅地區的玄武岩也被他認為是從原始大洋中結晶出來的。

德國地質學家維爾納（A。 G。 Werner，1749～1817年）在弗萊堡礦業學院任教授。

1787年，他出版了《岩層的簡明分類和描述》一書，書中把薩克遜地區的地層由老到新劃分為5個層序：

Primitive series（原始統），包括花崗岩、片麻岩、板岩、玄武岩、斑岩等；

Transition series （過渡統），包括硬砂岩、砂質板岩、灰巖等；

Secondary series（第二統），包括砂岩、灰巖、石膏、岩鹽、煤等；

Tertiary series（第三統），包括現代粉砂、黏土、礫石、泥炭等；

Volcanic series（火山統），是從火山裂縫中流出的岩漿凝固後形成的年輕火山岩。

維爾納描述的地層結構示意圖

維爾納認為：薩克遜地區的層序在全球各地都能見到，是一種“普遍的層系”。

他提出地球最初被一個“原始海洋”包圍著，水是最重要的地質力量，所有的岩層都是在海水中結晶、化學沉澱和機械沉積形成的。

他設想：原始統的花崗岩、玄武岩等是從深水中結晶的，沒有化石；灰巖是在淺水中透過化學沉澱形成的，有少量化石。

自“原始海洋”開始到諾亞大洪水結束，水面在不斷下降，使原始統岩石露出水面，然後發生風化，形成砂、礫和泥炭，沉積在陸地上，所含的化石最多。

維爾納也承認火山爆發是一種地質力量，但他認為火山是地下煤層燃燒形成的，不起主要作用。

於是，維爾納成為“水成論”的旗手。

如果說J。伍德沃德的“水成論”只是在解釋化石的成因，那麼，維爾納的“水成論”就已經升級到解釋地球的演化歷史了。

（二）“火成論”的崛起

“水成論”儘管流行，但也時常受到質疑，甚至是針鋒相對的爭論。

例如，法國奧弗涅地區的玄武岩就被德馬雷解釋為火成的。他在那裡進行了詳細的研究，發現一些熔岩流和火山口相連。

1765年，他向法國科學院提交了一篇論文，構建了熔岩流的形成歷史，並附上了詳細的地質圖，用實際資料反對蓋特爾的玄武岩“水成”說。

最早明確提出“火成論”的學者是義大利的安東尼奧·莫羅（1687～1764 年）。

他是一位神學院的教授，後來到威尼斯一個教堂任神父。莫羅對解釋地中海出現的新島嶼非常感興趣。

他注意到，在從愛琴海的水下升起的小島上，岩石表面覆蓋著牡蠣，然後又被火山灰覆蓋。

於是，莫羅於1740 年發表《論在山裡發現的海洋生物》一文中，認為地球內部溫度很高，所有的岩石都來源於火山噴發的物質。

他提出：原始地球有一個光滑的石質表面，被不深的淡水覆蓋著。

火山活動把岩漿和地球內部的粘土、泥、沙、瀝青、鹽等物質排放出來，在石質地表上形成了一層新的地層。火山爆發不斷重複，形成了更多的地層，其中埋藏的化石是動、植物遺骸。

淡水中溶入了噴發出的鹽，變成苦澀的海水。地下熱力的作用使陸地和山脈隆出水面，化石就被帶到了高山上。

“火成論”者莫羅提出的地層結構示意

既有錢又有閒的J。赫頓（1726～1797年）在蘇格蘭高地的地質考察中看到了各種結晶岩石，一些花崗岩脈穿插進片岩中，像是熔岩冷卻的結果，而不是在水中結晶的。

這使赫頓對維爾納的“水成論”產生了懷疑。在考察蘇格蘭期間，赫頓和瓦特經常通訊，看到了瓦特發明的蒸汽機。

複雜的機械靠單一熱源就能維持運動，這給他留下了深刻的印象，啟發他提出：地球內部的熱能是造成地質變化的主要動力。

1788～1795年間，赫頓發表了一系列論文，其中最著名的是1788年發表的《地球的理論》。

赫頓指出，地球內部是一個火熱的燃料庫，當岩漿衝破岩層到達地表時，會形成火山，如果在向上運動中停止，就會形成大大小小的山脈隆起。

火山噴發出來的熔岩固化後成結晶岩。

河水只是把風化形成的礫石、砂子和泥土等衝到海里，蓋在結晶岩表面。

這些沉積物的固結是在地球的內熱和陸地及海洋壓力的共同作用下造成的。

由此，赫頓成為“火成論”的領軍人物。

為判斷“水成論”和“火成論”的正確性，蘇格蘭地質學家詹姆士·霍爾在1790～1812 年間進行了一系列實驗。

他從維蘇威火山和埃特納火山弄來熔岩，放在鍊鐵爐裡熔化。當熔融的岩漿慢慢冷卻後，就變成像玄武岩那樣的結晶岩。

他把石灰石放在封閉容器中加熱，果然像赫頓所說，冷卻後形成了大理石。

霍爾的實驗結果有力地支援了“火成論”。

維爾納的口頭禪是“百聞不如一見”。

他有兩個最優秀的學生，洪堡和布赫。

他倆對法國和義大利火山地區的地質情況進行了考察，結果發現，在那裡並沒有發現地下煤層。

那些火山呈帶狀分佈，與深入地球深部的斷裂有關。這使他們認識到，自己的老師錯了。

於是，他們拋棄了“水成論”，轉而支援“火成論”。洪堡後來成為火山學的創始人之一。

堡壘是最容易從內部攻破的。洪堡和布赫的180度轉變對“水成論”的優勢地位形成了致命的打擊。

（三）從赫頓到萊伊爾：現實主義原理

赫頓於1788年發表《地球的理論》，在批評“水成論”時還尖銳地指出，維爾納的“原始海洋”沒有任何根據，不應該用假想的“原始海洋”來解釋地質體形成的過程，而要用“現在還在起作用”的地質力量去解釋。

他依據沉積岩層的多層結構提出：地質變化的程序是非常緩慢的，看不到開始，也看不到結束，那些在遙遠的過去曾經改變地球面貌的作用過程，在遙遠的未來也將繼續進行。

赫頓提出了“自然規律的同一性（Uniform）”，又稱“現實主義原理（Actualism）”。

赫頓的地質演化時間觀念顯然不符合《聖經》的教義，如同1749年時說地球年齡有75000年的布豐一樣，遭到了神學家和信奉基督教的地質學家的反對。

赫頓去世後，他的思想沒被人們忘記。30多年後，萊伊爾（1797～1875年）對赫頓的現實主義原理大加讚揚。

萊伊爾實地考察了法國奧弗涅地區的玄武岩和義大利的埃特納大火山。

他根據熔岩層的厚度、山脈的增高速度及山脈的高度估算出，火山噴發至少有幾十萬年曆史。

萊伊爾在那不勒斯參觀了一座羅馬時代的建築。在海邊的三根石柱上，他看到有淺海動物鑽孔留下的印記。

這表明，自羅馬時代以來，在1700多年中，這裡的地面曾經下降了2米多，海水淹沒這些柱子的下半截；其後，地面又上升了6米多，這些柱子上的蟲孔被抬升到水面之上。

萊伊爾就此指出，重大的地質變化能以“漸變的”方式發生。

那不勒斯的石柱（圖片來源：公共網路）

萊伊爾以自己的地質考察資料為基礎，出版了三卷本《地質學原理》（1830～1833年）。

這是一部地質學的經典性著作，反映了19世紀地質學的理論發展水平。

萊伊爾在書中明確指出：地殼岩石記錄了億萬年的歷史，降水、風、河流、潮汐等這些通常看來是“微弱”的地質力量在漫長的地質歷史中緩慢地作用著，會使地球的面貌發生改變。

萊伊爾的觀點被當時的學者們稱為“均變論”。

萊伊爾強調“現在是認識過去的鑰匙”。

這一“將今論古”的思想方法與赫頓的“現實主義原理”一脈相承。

（圖片來源：公共網路）

（四）居維葉“躺著中槍”

居維葉（1769～1832年）

（圖片來源：公共網路）

法國古生物學家居維葉（1769～1832年）對比較解剖學很有造詣，提出生物器官相關原理（principle of the correlation of parts），被稱為“古生物學之父”。

應用這一原理，可以由動物殘存的骨骼復原整個軀體。

例如，當你發現了一副動物的尖牙利齒，就可以知道這是一個食肉動物，它必定有鋒利的爪子、發達的咬肌以及發達的顴骨弓等。

居維葉和布容尼亞特一起研究過巴黎盆地的動物化石，先後發現了4個不同的動物群。

在沖積層中含有現代物種，在第三紀最老的地層中發現了原始的哺乳動物和胎生四足獸，其下伏白堊系中的四足類是卵生的，還有恐龍等大型爬行動物，而在更古老的地層中見不到四足類，只有魚類和介殼類化石。

他們的研究成果於1811年發表。居維葉確信，那些與現代動物不同的古老化石代表了已經滅絕的動物群。

居維葉和布容尼亞特描述的法國巴黎盆地古生物化石群

受到1789～1799年法國大革命的影響。

居維葉在1813年出版的《地球理論隨筆》和1826年出版的《論地表的革命》中指出，地層中不同生物化石種屬的滅絕是一次又一次的大洪水災變造成的，當一個地域動物群發生滅絕後，又會有其他地域遷移來的生物種屬接替它們的空間。

他根據岩層不整合面上下生物群的不同提出，海盆一定經歷過革命，並認為自然的程序改變了，沒有一種現在還在起作用的因素足以產生古代地質作用的結果。

居維葉的觀點被貼上“災變論”的標籤。

應該指出的是，居維葉的“災變論”不是依據《聖經》提出來的，而是根據地層的客觀記錄歸納出來的。

他的觀點衍生出一條重要的地層學原理—“生物群災變更迭律”。

居維葉的著作被翻譯成英文傳入英國。

那時英國的地質學界還或多或少地受到《聖經》大洪水觀念的影響。

翻譯居維葉著作的是一位蘇格蘭礦物學家。

他在英譯本中以“編者按語”的形式說：居維葉所說的最後一場大革命就是諾亞大洪水！

另一位曾宣稱找到了諾亞大洪水證據的英國古生物學家不惜歪曲居維葉的本意，把居維葉所說的“長時間淹沒的地域性大洪水”說成是“短期氾濫的世界性大洪水”。

顯然，他們是在借居維葉的喇叭吹自己的調。

居維葉“躺槍”了。

隨著《聖經》影響在地質學界的淡出，居維葉的“災變論”也被當作無稽之談拋棄了。

直至20世紀70年代，地質學家們在研究恐龍滅絕原因時，才發現地球上確實發生過大規模災變事件。

後來，又進一步發現，在恐龍滅絕以前，地球歷史上還發生過另外4次生物大滅絕事件。

由此，建立了“現實主義的災變論”。

白堊紀末的恐龍大滅絕事件（圖片來源：公共網路）

（五）結語

從解釋岩石成因角度看：“水成論”和“火成論”都只是部分的正確，一個解釋了沉積岩，一個解釋了岩漿岩。

從論證地球演化動力角度看：“火成論”無疑更正確些。在地球演化過程中，地球內部的熱能是引起地質作用的主要能量，而外部能量主要來自太陽輻射能。

從地質學思想發展角度看：“水成論”推崇諾亞大洪水的虛擬神力，而“火成論”推崇大自然的真實力量。

因此，“火成論”戰勝了“水成論”。

經過130多年的“水火之爭”，地質學確立了自己的“現實主義原理”和“將今論古”的方法論。

當然，在緩慢作用的地質程序中，也會出現突發性災變事件。

THE END

此文為趣說地質學系列第五篇，還想了解更多系列文章的小可愛~~~

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美編：

杜欣雨

校對：黃志偉