地质学中的“水火之争”
趣说地质学--地质学中的“水火之争”
作者：王清晨/中国科学院地质与地球物理研究所（已退休）
欧洲的中世纪被称为“黑暗时代”。欧洲文艺复兴吹响了近代科学革命的冲锋号。
但是，近代科学崛起的历程曲折艰难，经过了与顽固宗教势力的长期斗争。
其中，天文学革命最为惨烈。哥白尼于1543年临终时出版的《天体运行论》被禁，支持“日心说”的布鲁诺于1600年被火焚，伽利略于1633年被判终身监禁。
对比来看，地质学的处境要好得多，但也经历了与宗教思想的几番争论。其中最著名的就是“水成论”与“火成论”的争论，这就是本文要说的“水火之争”。
17世纪时，宗教势力还很大，人们的意识自觉或不自觉地受到《圣经》的影响。
其中有两条信念对研究地质的学者们影响很大，一条是上帝在6000年前创造了世界；另一条是上帝在公元前2370年发动了诺亚大洪水。
岩层中美丽的化石总在吸引人们的眼球。
17世纪时，英国有个医学教授叫J.伍德沃德（1665～1728年），非常喜欢收集化石。他收藏了大量化石标本，保存在剑桥大学。
他认为，这些化石是以前生物的遗迹。
他在1695年出版的《地球自然历史初探》一书中解释说：诺亚大洪水淹死了大部分生物，死亡的生物被冲到泥沙中埋藏后，就形成了化石。
这是最早的“水成论”。
海洋生物化石：菊石（图片来源：公共网络）
18世纪，人们普遍接受伍德沃德的“水成论”观点。
例如，法国的盖特尔，他于1746年填制了一幅地质图提交给法国科学院，其中标注了三个岩带：砂岩带、泥灰岩带和金属矿带。在金属矿带中包括花岗岩、大理岩、片岩等。
盖塔尔认为：这些都是同时沉积下来的沉积物。
就连奥弗涅地区的玄武岩也被他认为是从原始大洋中结晶出来的。
德国地质学家维尔纳（A. G. Werner，1749～1817年）在弗莱堡矿业学院任教授。
1787年，他出版了《岩层的简明分类和描述》一书，书中把萨克逊地区的地层由老到新划分为5个层序：
Primitive series（原始统），包括花岗岩、片麻岩、板岩、玄武岩、斑岩等；
Transition series (过渡统），包括硬砂岩、砂质板岩、灰岩等；
Secondary series（第二统），包括砂岩、灰岩、石膏、岩盐、煤等；
Tertiary series（第三统），包括现代粉砂、黏土、砾石、泥炭等；
Volcanic series（火山统），是从火山裂缝中流出的岩浆凝固后形成的年轻火山岩。
维尔纳描述的地层结构示意图
维尔纳认为：萨克逊地区的层序在全球各地都能见到，是一种“普遍的层系”。
他提出地球最初被一个“原始海洋”包围着，水是最重要的地质力量，所有的岩层都是在海水中结晶、化学沉淀和机械沉积形成的。
他设想：原始统的花岗岩、玄武岩等是从深水中结晶的，没有化石；灰岩是在浅水中通过化学沉淀形成的，有少量化石。
自“原始海洋”开始到诺亚大洪水结束，水面在不断下降，使原始统岩石露出水面，然后发生风化，形成砂、砾和泥炭，沉积在陆地上，所含的化石最多。
维尔纳也承认火山爆发是一种地质力量，但他认为火山是地下煤层燃烧形成的，不起主要作用。
于是，维尔纳成为“水成论”的旗手。
如果说J.伍德沃德的“水成论”只是在解释化石的成因，那么，维尔纳的“水成论”就已经升级到解释地球的演化历史了。
（二）“火成论”的崛起
“水成论”尽管流行，但也时常受到质疑，甚至是针锋相对的争论。
例如，法国奥弗涅地区的玄武岩就被德马雷解释为火成的。他在那里进行了详细的研究，发现一些熔岩流和火山口相连。
1765年，他向法国科学院提交了一篇论文，构建了熔岩流的形成历史，并附上了详细的地质图，用实际资料反对盖特尔的玄武岩“水成”说。
最早明确提出“火成论”的学者是意大利的安东尼奥·莫罗（1687～1764 年）。
他是一位神学院的教授，后来到威尼斯一个教堂任神父。莫罗对解释地中海出现的新岛屿非常感兴趣。
他注意到，在从爱琴海的水下升起的小岛上，岩石表面覆盖着牡蛎，然后又被火山灰覆盖。
于是，莫罗于1740 年发表《论在山里发现的海洋生物》一文中，认为地球内部温度很高，所有的岩石都来源于火山喷发的物质。
他提出：原始地球有一个光滑的石质表面，被不深的淡水覆盖着。
火山活动把岩浆和地球内部的粘土、泥、沙、沥青、盐等物质排放出来，在石质地表上形成了一层新的地层。火山爆发不断重复，形成了更多的地层，其中埋藏的化石是动、植物遗骸。
淡水中溶入了喷发出的盐，变成苦涩的海水。地下热力的作用使陆地和山脉隆出水面，化石就被带到了高山上。
“火成论”者莫罗提出的地层结构示意
既有钱又有闲的J.赫顿（1726～1797年）在苏格兰高地的地质考察中看到了各种结晶岩石，一些花岗岩脉穿插进片岩中，像是熔岩冷却的结果，而不是在水中结晶的。
这使赫顿对维尔纳的“水成论”产生了怀疑。在考察苏格兰期间，赫顿和瓦特经常通信，看到了瓦特发明的蒸汽机。
复杂的机械靠单一热源就能维持运动，这给他留下了深刻的印象，启发他提出：地球内部的热能是造成地质变化的主要动力。
1788～1795年间，赫顿发表了一系列论文，其中最著名的是1788年发表的《地球的理论》。
赫顿指出，地球内部是一个火热的燃料库，当岩浆冲破岩层到达地表时，会形成火山，如果在向上运动中停止，就会形成大大小小的山脉隆起。
火山喷发出来的熔岩固化后成结晶岩。
河水只是把风化形成的砾石、砂子和泥土等冲到海里，盖在结晶岩表面。
这些沉积物的固结是在地球的内热和陆地及海洋压力的共同作用下造成的。
由此，赫顿成为“火成论”的领军人物。
为判断“水成论”和“火成论”的正确性，苏格兰地质学家詹姆士·霍尔在1790～1812 年间进行了一系列实验。
他从维苏威火山和埃特纳火山弄来熔岩，放在炼铁炉里熔化。当熔融的岩浆慢慢冷却后，就变成像玄武岩那样的结晶岩。
他把石灰石放在封闭容器中加热，果然像赫顿所说，冷却后形成了大理石。
霍尔的实验结果有力地支持了“火成论”。
维尔纳的口头禅是“百闻不如一见”。
他有两个最优秀的学生，洪堡和布赫。
他俩对法国和意大利火山地区的地质情况进行了考察，结果发现，在那里并没有发现地下煤层。
那些火山呈带状分布，与深入地球深部的断裂有关。这使他们认识到，自己的老师错了。
于是，他们抛弃了“水成论”，转而支持“火成论”。洪堡后来成为火山学的创始人之一。
堡垒是最容易从内部攻破的。洪堡和布赫的180度转变对“水成论”的优势地位形成了致命的打击。
赫顿于1788年发表《地球的理论》，在批评“水成论”时还尖锐地指出，维尔纳的“原始海洋”没有任何根据，不应该用假想的“原始海洋”来解释地质体形成的过程，而要用“现在还在起作用”的地质力量去解释。
他依据沉积岩层的多层结构提出：地质变化的进程是非常缓慢的，看不到开始，也看不到结束，那些在遥远的过去曾经改变地球面貌的作用过程，在遥远的未来也将继续进行。
赫顿提出了“自然规律的同一性（Uniform）”，又称“现实主义原理（Actualism）”。
赫顿的地质演化时间观念显然不符合《圣经》的教义，如同1749年时说地球年龄有75000年的布丰一样，遭到了神学家和信奉基督教的地质学家的反对。
赫顿去世后，他的思想没被人们忘记。30多年后，莱伊尔（1797～1875年）对赫顿的现实主义原理大加赞扬。
莱伊尔实地考察了法国奥弗涅地区的玄武岩和意大利的埃特纳大火山。
他根据熔岩层的厚度、山脉的增高速度及山脉的高度估算出，火山喷发至少有几十万年历史。
莱伊尔在那不勒斯参观了一座罗马时代的建筑。在海边的三根石柱上，他看到有浅海动物钻孔留下的印记。
这表明，自罗马时代以来，在1700多年中，这里的地面曾经下降了2米多，海水淹没这些柱子的下半截；其后，地面又上升了6米多，这些柱子上的虫孔被抬升到水面之上。
莱伊尔就此指出，重大的地质变化能以“渐变的”方式发生。
那不勒斯的石柱（图片来源：公共网络）
莱伊尔以自己的地质考察资料为基础，出版了三卷本《地质学原理》（1830～1833年）。
这是一部地质学的经典性著作，反映了19世纪地质学的理论发展水平。
莱伊尔在书中明确指出：地壳岩石记录了亿万年的历史，降水、风、河流、潮汐等这些通常看来是“微弱”的地质力量在漫长的地质历史中缓慢地作用着，会使地球的面貌发生改变。
莱伊尔的观点被当时的学者们称为“均变论”。
莱伊尔强调“现在是认识过去的钥匙”。
这一“将今论古”的思想方法与赫顿的“现实主义原理”一脉相承。
（图片来源：公共网络）
居维叶（1769～1832年）
（图片来源：公共网络）
法国古生物学家居维叶（1769～1832年）对比较解剖学很有造诣，提出生物器官相关原理（principle of the correlation of parts），被称为“古生物学之父”。
应用这一原理，可以由动物残存的骨骼复原整个躯体。
例如，当你发现了一副动物的尖牙利齿，就可以知道这是一个食肉动物，它必定有锋利的爪子、发达的咬肌以及发达的颧骨弓等。
居维叶和布容尼亚特一起研究过巴黎盆地的动物化石，先后发现了4个不同的动物群。
在冲积层中含有现代物种，在第三纪最老的地层中发现了原始的哺乳动物和胎生四足兽，其下伏白垩系中的四足类是卵生的，还有恐龙等大型爬行动物，而在更古老的地层中见不到四足类，只有鱼类和介壳类化石。
他们的研究成果于1811年发表。居维叶确信，那些与现代动物不同的古老化石代表了已经灭绝的动物群。
居维叶和布容尼亚特描述的法国巴黎盆地古生物化石群
受到1789～1799年法国大革命的影响。
居维叶在1813年出版的《地球理论随笔》和1826年出版的《论地表的革命》中指出，地层中不同生物化石种属的灭绝是一次又一次的大洪水灾变造成的，当一个地域动物群发生灭绝后，又会有其他地域迁移来的生物种属接替它们的空间。
他根据岩层不整合面上下生物群的不同提出，海盆一定经历过革命，并认为自然的进程改变了，没有一种现在还在起作用的因素足以产生古代地质作用的结果。
居维叶的观点被贴上“灾变论”的标签。
应该指出的是，居维叶的“灾变论”不是依据《圣经》提出来的，而是根据地层的客观记录归纳出来的。
他的观点衍生出一条重要的地层学原理—“生物群灾变更迭律”。
居维叶的著作被翻译成英文传入英国。
那时英国的地质学界还或多或少地受到《圣经》大洪水观念的影响。
翻译居维叶著作的是一位苏格兰矿物学家。
他在英译本中以“编者按语”的形式说：居维叶所说的最后一场大革命就是诺亚大洪水！
另一位曾宣称找到了诺亚大洪水证据的英国古生物学家不惜歪曲居维叶的本意，把居维叶所说的“长时间淹没的地域性大洪水”说成是“短期泛滥的世界性大洪水”。
显然，他们是在借居维叶的喇叭吹自己的调。
居维叶“躺枪”了。
随着《圣经》影响在地质学界的淡出，居维叶的“灾变论”也被当作无稽之谈抛弃了。
直至20世纪70年代，地质学家们在研究恐龙灭绝原因时，才发现地球上确实发生过大规模灾变事件。
后来，又进一步发现，在恐龙灭绝以前，地球历史上还发生过另外4次生物大灭绝事件。
由此，建立了“现实主义的灾变论”。
白垩纪末的恐龙大灭绝事件（图片来源：公共网络）
从解释岩石成因角度看：“水成论”和“火成论”都只是部分的正确，一个解释了沉积岩，一个解释了岩浆岩。
从论证地球演化动力角度看:“火成论”无疑更正确些。在地球演化过程中，地球内部的热能是引起地质作用的主要能量，而外部能量主要来自太阳辐射能。
从地质学思想发展角度看:“水成论”推崇诺亚大洪水的虚拟神力，而“火成论”推崇大自然的真实力量。
因此，“火成论”战胜了“水成论”。
经过130多年的“水火之争”，地质学确立了自己的“现实主义原理”和“将今论古”的方法论。
当然，在缓慢作用的地质进程中，也会出现突发性灾变事件。
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美编：杜欣雨
校对：黄志伟