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[交流讨论] 地质科学的开端:地质学与宇宙学、矿物学的分离

[交流讨论] 地质科学的开端:地质学与宇宙学、矿物学的分离

(澳)奥尔德罗伊德 译者:杨静一

              地质学的哪些方面使之成为一门与自然史或地球理论明显不同的科学?地质学这个术语源自希腊文中的Gaia和logos这两个词,logos是“词”、“论述”或“推理”的意思,在现代英语使用中它作为某些科学或研究分支的词尾,如生物学(biology)、占星术(astrology)等等。

              那么,地质学(geology)的意思就是探讨地球的科学,或用较不通俗的话说,是一门研究地壳的科学:它研究组成地壳的岩层、研究岩层之间的相互关系以及研究要经历怎样的变化使岩层呈现出我们今日所看到的状态。按照这样的定义,地质学是一门历史科学。它通过研究地层和其中所含有的地下埋葬物来努力得出地球的历史(或至少是地壳的历史)。地质学利用了矿物学和化石等方面的知识,但矿物学家或古生物学家的工作是与之不同的,不同之处就在于他们的工作不必具有时间或历史尺度。矿物学家有时满足于对矿物标本的收集、分类和展示,或发现矿物的化学组成,而不关心它们是如何形成的,什么时间形成的。古生物学家有时只关心有机生物的分类,或从破碎的遗体中对生物进行复原,虽然古生物存在的时代或时间在当今几乎总是受到关注。

              地质学也与宇宙学或天体演化学明显不同。在贝歇尔和笛卡尔的工作中,我们看到了后一学科的某些例子。它们具有思辨性的架构。笛卡尔从整体上看待有着陆地、山脉、平原、泉、河流的地球,然后设计出一个与他的普通的物质理论、他的天体演化学和天文学相符合的“如此这般故事”,来说明地球上的这类地形地貌是如何生成的。但是,从本质上来说,笛卡尔是从“清楚明晰”的物质和运动的概念开始、在演绎的基础上对地球加以论述的。相比之下,地质学家(我们说的是19世纪的地质学家)独特的工作方式是,考察岩石、矿物、化石和地层的情况,然后把有关信息标在地图上,接着借助可
采用的理论(或由于需要而构想出的新理论)来努力弄清楚那些使现今所看到的地层沉积下来的事件的合理序列。地质学家寻求的是提供地球某一部分的历史。最终将地球所有的表面都绘制成图,就能凑出整个地球的历史。到这时,人们就能够提出更为普遍性的理论,来说明地球的起源、它的内部组成以及那种使地球形成和发生变化的宏大过程。

              事实上,地质学与19世纪的这个研究纲领已经有了重大意义的分离。正如我们要在下一章中所描述的,现代地质学理论很注重对地球内部看不见的那些部分的研究,并且需要了解这些深部物质以便使地球外层的历史得到合理的说明。也有些地质学家本人对地球起源感兴趣。即使这样,天体演化学更应属于天文学家的研究领域而不是地质学家的领域。就在撰写本书时,一个有关随时间而变化的地球构造、地球运动的恢宏理论已经出现了,并广泛为人们所接受。这就是板块构造学说。我们要在第十一章讨论它。在某种意义上,论证这个理论要回顾一下17世纪和18世纪撰写“地球理论”的那些学者更为宏大的目标和抱负。但是在19世纪上半叶,由于这些学说过于大胆并且普遍具有猜测性,人们常常对此避而不谈。因此,在本章及下面两章,我们对研究地质学作为一门学科的出现很感兴趣—而不是地球构成学、“地球理论”、矿物学或地球科学。

              正如可以想见的那样,地质学早在“地质学”这个词实际创造出来之前。就开始了从诸如自然史、“地球理论”中萌生的过程。这是个逐渐的过程而不是瞬间的过程。我们可以从胡克(Robert Hooke,1635—1703)的著作中看到英国这种“分离”过程的早期暗示。紧跟着在意大利就出现了斯泰诺(Nicolaus Steno)(1638—1686),然后是其他一些欧洲大陆学者,如莱曼(Lehmann)、富克泽尔(Fuchsel)及阿尔杜伊诺(Arduino)。

              在伦敦皇家学会早期,学识渊博的胡克是个重要人物,很有名气。胡克是牛顿的对手,是发明家、实验科学家、天文学家、建筑学家、显微镜研究者以及其他许多方面的专家。有趣的是,作为过渡性的人物,他从陈旧的意义上提出“地球理论”时,也看到了从地层和其中所含有的地下埋葬物来解读地球“历史”的可能性。此外,他还认为,有可能从古物中所传递出来的神话似的、具有历史意义的信息来证实他的思想。但由于他必须处理许多其他事情,他的思想没能成功地研究到底,大部分只是一些具有纲要性特征的东西。

              和其他同时代的人(如普洛特)(见图2.3)一样,胡克对岩石中的化石有着强烈的兴趣。由于是英格兰南部的人,他熟悉那些可能在南部海岸发现的奇异的巨大菊石。他对这些化石进行了精细的观察,这点可以从他的《遗著》(Posthumous Works)中画得比普洛特的更仔细的那些化石形态看出来(Hooke,1705)。

              跟以前提到过的与他同时代的某些人(如李斯特、贝歇尔)不同,胡克从不怀疑这样的地下埋葬物实际是以前生活着的生物遗体。而且对胡克来说,它们出现在内陆表明了大陆和海洋的相对高度和位置有过变化。1668年以及后来在1687年,他在皇家学会作的“关于地震的演讲和论述”报告中,讨论了奇怪的化石遗体。胡克提出,地球是不规则的球体,被扁球状的水圈所包围。地球有极轴,相对天来说它大致是固定的(尽管它缓慢、稳定地改变着方向,因而产生了岁差现象)。然而,胡克提出,地球除了绕自转轴的周日运动、绕太阳的周年运动和进动外,还有一种缓慢运动。他提出,可能还有一种运动使得赤道地区渐渐地向地极方向运动,极地地区向赤道运动。换句话说,他提出了大规模地极漂移的假设。

              这种运动预计会产生两种主要的作用:(1)作用在地球外壳任一给定部分的力会逐渐改变(因为在赤道的离心力比在地极处大);(2)因为地球水圈是扁球形的,曾经是陆地的某些表面会没入水下,并成为成层的沉积岩层,而其他部分会逐渐露出,遭受剥蚀。地震可能是施加在地壳不同部分的力的大小和方向逐渐改变造成岩层塌陷和滑塌的结果。第二种作用(陆地缓慢地连续出露和淹没)会造成侵蚀和沉积的循环交替。这样就可以解释化石在远离大海的地方出现的这一现象。胡克进一步设想,由于周围环境的改变,某种生命形式因陆地出露或淹没而被毁灭,同时可能会生成其他生命(他没有确切地提出怎样会发生这种现象)。然后,他甚至更进一步提出,人们可能“从中[即化石]得出地球年表……可以说明发生灾变和突变的时代间隔……”(Hooke,1705)。从这一段中我们得到最早的暗示:可以通过研究化石来编写地球历史。要是对这个问题的研究进行到底的话,我认为这会是历史地质学的真正开端。

              但是,胡克没能完成这项工作。他日理万机,是个极为忙碌的人。他住在伦敦,没有闲暇时间到野外进行这样的工作。正如从上述评论中所看到的,无论如何,他的贡献从本质上看是另一种思辨性的地球理论。可是,胡克的理论有其特殊的地方,因为他想要用实验的方法来检验这个理论。他想到,如果地极的位置如他所设想的那样移动,那么子午线的方向也会渐渐地变化。为了检验他的这一思想,他想出了一个精确的测量方法,把长筒望远镜对准天极,然后从望远镜上悬挂两条铅垂线,可以在地上划一条与子午线方向相对应的线。十年或二十年以后回来重复这个子午线的测定工作,或许人们会发现,子午线的方向改变了,这样就支持了他的极移假说。然而,这个建议只是个研究计划,而不是胡克真正完成的测量。一天晚上,他确实试着测定子午线,并有一些皇家学会的会员在场(Birch,1756—1757)。但是,那天天空多云,就天文测量来说,这个项目被忽略了。不过,胡克并没有完全放弃。从上所述可以看出,显然与其他同时代的人一样,他所认为的地球历史的时间跨度是相对短暂的——否则就不可能在人的一生中探查出子午线方向的变化。无疑,由于这样的原因,很快就有一些同时代的人反对他的思想。的确,有足够的文献说明(Turner,1974;Oldroyd,1989),因为牛津的自然哲学家认为,从圣经历史中人们都知道胡克所设想的事件从来没有发生过,所以他们否认他的全部理论。胡克多少被迫同意了这种说法,但在后来的年月里,他花了大量时间梳理古代著述,如奥维德的《论变》和柏拉图对大西洋传说的阐释,他将它们综合在一起,看看在这些书中有没有隐藏着某些证据,可以表明地球确实曾经有过如他的地震理论中所暗示的那种骚动的历史。

             确切地说,胡克溯源查询了那些我们认为主要具有神话特征的古代著作(包括《圣经》中的某些章节),看看它们是否能提供有利于现代科学的证据(在此处说的是胡克的极移说)。这个过程可称之为神话即历史论(Euhemerism)。可是我宁愿选择“自然神话学”(physico—mythology)这个术语(Birkett and Oldroyd,1991),它表明了科学和神话的研究相互密切地交织在一起。它与第二章讨论的胡克时代的自然神学十分一致。

             胡克的计划再次失败。虽然愿意对古代著作作不拘泥于文字的解释,但是他的努力终究没有什么结果。就我所知,尽管作为17世纪认识地球的一种思想,它是很有意义的,但它却对地质学的历史没有多少影响。神话太不可靠,不能依据它来书写地球的历史。撰写地球的地质历史或者在论证地球理论时,所需要的经验资料不是来自地层而是由人们所写的书来提供,这种思想表明,胡克不是我们今天所理解的那种地质学家。正如已经谈到过的那样,他的确有从所观察到的岩石和化石中提出地球年表的思想。但是,就胡克本身来说,这个建议最终没有取得什么成果。他转向他的图书馆和自然神话学,将它们作为认识地球的途径。这不是地质学。

               是否应将与胡克同时代的斯泰诺(1638—1686)看作是地质学家?这个问题提得很好,因为尽管他的有关化石和地球上的岩层思想至今被人们所铭记,但是,他接受的是医学教育,最终又把他的一生全部奉献给天主教教会。斯泰诺诞生于丹麦,在那里他接受了初步的医学训练。在荷兰、巴黎、蒙彼利埃作了更深入的工作,并在取得解剖学研究方面的重要成果之后,他来到了意大利,在那里他获得了托斯卡纳大公国宫廷医生的职位,并改信了天主教。然而,斯泰诺在托斯卡纳没有待多少年就回到北欧,在那里他从事了试图在新教世界传播天主教教义这种吃力不讨好的工作。不过,在托斯卡纳时,他有机会到这个地方的山脉地区作广泛的旅行,能够写出短小的介绍性论文,献给“最尊敬的大公”(费迪南二世),其中报告了斯泰诺的观察结果,阐述了他提出的地球理论。可以将这个小小的意大利公国看作是人们对整个地球地质认识的一个缩影。

               1666年,作为技艺娴熟的解剖学家,斯泰诺被请去解剖一只在莱戈恩附近捕获到的大鲨鱼。在进行解剖时,斯泰诺自然仔细观察了鲨鱼牙齿并得出结论:它们与在从马耳他等地区挖掘出来的东西这样类似,以至于这些挖出来的东西只可能是鲨鱼牙齿。这是个重要的结论。早些时候的著作曾认为,从马耳他挖出来的东西是蛇的舌头或鸟的舌头,或者它们只是从地里生长出来的东西。  由普林尼所记载的一个非常古老的传统看法认为,它们只不过是从无月色的夜空中掉下来的某种东西。另一种传说认为,当圣保罗(St Paul)的船在马耳他遇难时,他被蝰蛇咬了,他诅咒这个岛上的蛇,叫它们无法害人。“舌石”(glossopetrae)就是石化了的蛇的牙齿。断定这些东西是曾经活着的鱼的尸体不是小事。如在第一、第二章所提到的,许多思想家被化石所困扰,一些人提出了言过其实的理论。

               但是,如果“舌石”不容置疑地是石化了的鲨鱼牙齿,那么就要回答怎么会在沉积物中发现它们的问题。斯泰诺对这个问题作了回答,但这是以十分概括和抽象的方式作的回答:“假定一种物质被赋予某种形态,并且是根据自然法则而生成的,那么,从这种物质本身就能发现揭示它在什么地方和以什么方式生成的线索”(Steno,1968)。他在一部献给托斯卡纳大公的短著中,一丝不苟地进行了这项研究,并将该书奇怪地题名为《导言:论固体内天然包含的固体》(The Prodromus[introductory work] to a Dissertation  on Solids Naturally Contained Within Solids,)(下称《导言》)。它于1669年用拉丁文发表。

              《导言》的形式和内容都值得一评。如从上边引述中的楷体字所看到的,斯泰诺是在努力从本体上概略地来解决这个问题。因此,这部书具有数理方面著作的某些特征。事实上,假如这一论题更容易用数学方法来处理的话,这部书很可能看上去会多少像欧几里得的《几何学》。但是,毋庸说,对地球的研究不是那么容易用规范的数学来表达的。

               读者可能注意到的第二点是,《导言》要归功于笛卡尔的地球理论和他的物质理论。斯泰诺试图以笛卡儿式的微粒增长观点来说明结晶现象。这一点我们不必特别花费笔墨,但是,他描述晶体的方法是很有趣的。人们会注意到,如图3.1(1-7)所示,具有同样晶体形状的不同矿物种,它们相对应的晶面的夹角保持恒定不变。图3.1(14和17)表示的是将赤铁矿两个矿物种的晶面“剪切下来拼成”的图形,这显然预示了18世纪博物学家林耐(Linnaeus)所采用的方法。埃伦贝格尔(Ellenberger,1988)提出,斯泰诺可能已经发现,如何对立方体进行适当的斜截来形成图3.1(17)所要求的晶体形状,如果是这样的话,那么斯泰诺晶体分析的方法和他对晶体的描述本质上与一百多年以后的利塞勒(Rome de l'Isle)提出的方法是一样的。但是,斯泰诺没有活到18世纪。他关心的是具有几何结构的晶体与生物化石是不同的这样一个事实。

               就本章讨论的目的来说,更为重要的是斯泰诺对地层的总结归纳。它包括了以下的思想:沉积物是从溶液中沉积下来的,最初沉积的岩层是水平的;如果组成石质岩层的所有颗粒具有同样的性质和粒度,那么它们“是在创世的同一时间从覆盖了一切的大水中形成的”;如果在岩层中有其他岩石的碎块或动、植物遗体,那么这个岩层就不是在第一次创世时形成的,如果地层中有树枝或类似的东西,它们是“被洪水或奔泻的急流冲到那里去的”;等等。关于地层的成层过程,对斯泰诺来说,显而易见的是,在地层沉积下来时,一定在它的下面有接受它的岩层;当岩层沉积下来的时候,或者它一定是覆盖了整个地球,或者一定有某种固体物质限制了沉积物的范围;当某个地层沉积下来的时候,现在看到的在它上面的岩层可能还没有形成。所以,地层最初呈水平状沉积下来,但以后可能变得倾斜了,这或者是由于“地下气体的突然燃烧”,或者是由于未知原因导致下面的地层被冲走而造成坍塌,这个说法使人想起笛卡尔的理论。

               传统上将建立地层叠置原理这一重要的地层学原理的荣誉归于斯泰诺。它只不过是这样一种思想,人们在地壳中看到的沉积岩层,下面的岩层首先沉积下来,它比在上面的岩层年龄要老。这是个简单的思想,我们不能肯定斯泰诺是不是第一个主张或提出它的人,但是,《导言》是陈述这个原理的已知的最古老的书。该书至少是暗示了这个原理,即使没有用很多的话来表述它。

               地质学中的地层叠置原理极为重要,因为它提供了将人们在野外所见到的与可能发现的时间顺序联系起来的手段。因此,在原则上,我们有了撰写地球或至少是部分地球表面历史的必要理论工具。人们可以从所看到的地球表面追溯,以说明它是如何形成的,并按照正确的时间顺序得出地质事件的序列。

               事实上,有时这个原理让人失望。众所周知,地壳运动有时会造成地层大规模的倒转。这个原理也没有谈到由于熔融物质从下面的侵入而造成的变化,在某些情况下,这可能意味着从几何上看是下面的岩石要比上面的年轻。不过,斯泰诺本人只是想在成层的沉积物中使用这个原理,就这个意义来说,这个原理常常是成功多于失败。斯泰诺本人使用了这个原理以帮助其阐述地质事件的时间系列,是这些地质事件导致了他于17世纪在托斯卡纳观察到的那些地质情况。他对事件的重建概括在著名的一组6个剖面图中,图3.1(20-25)是对这组图的复制。从中我们看到,(25)地层在创世时最初沉积下来——或者斯泰诺作了这样的假定。然后(24),较低的岩层被洪水冲掉,最上面的岩层发生了坍塌(23)。更多的沉积物沉积下来(22),这个过程不断重复(21),造成了我们今天见到的那样的岩层(20)。(注意,所标的数字顺序与斯泰诺提出的时间顺序正相反。)

                虽然这个系列看来很大程度上是示意性的,几乎与任何具体的地质地点都没有关系,但是,它可能事实上与托斯卡纳地区内某个实际存在的地方相关。如果是这样,斯泰诺的模型就不是纯抽象的,而是设计出来以帮助他理解意大利某一特定地方的某些坚硬岩石的。十分醒目的是,图3.1中,如I和A岩层在岩石性质上明显不同。这样至少能够划分出两个沉积阶段。

               看来,斯泰诺的赞助人托斯卡纳大公很高兴,因为他的小小公国成为整个地球地质的典型例子。但是,或许正是由于这一特征使得斯泰诺地质是非历史的(按我们今天所理解的这个词的意义)。他的地层叠置原理为地球的历史学家提供了工具。然而,虽说这个工具具有普遍实用性,但是,在托斯卡纳应用的结果却不具普遍性。当历史地质学在18世纪末、19世纪初全面展开的时候,这一学科的任务变得清楚了,就是要将所有零碎的“次级历史”(如斯泰诺提出的阿尔诺河谷发展历史)拼凑起来。为了这个目的,需要对比技术。斯泰诺并没有提供这方面的技术,且在他离开托斯卡纳到北欧去之后,他随即不再接触地质学而接受了圣职,全身心地投入到了教会事务中。

               应该注意的是,像胡克或其他17世纪的人一样,斯泰诺的时间尺度是极为短暂的。他将在托斯卡纳提出的地质事件硬塞到《圣经》的时间框架中去。看来他相信只有两次主要的沉积时期:一次是在创世的时候,另一次是诺亚洪水的时候。这样一种受到时间限制的地质学(我认为)意义不大也无发展潜力,在应用上受到限制。这表示,斯泰诺确实建立了很重要的地层叠置论。他直接观察过岩石,以符合他的宗教信仰、符合他对(笛卡尔的)机械论哲学认识的这样一种方法来思考它们是怎样形成的。于是,《导言》是自然神学的又一个例子,它与《创世记》的神话交织得如此密切以至于我愿意称它为一种自然神话学,尽管斯泰诺像胡克一样,并没有特别转向神话以寻找支持他的地球思想的证据。

               到目前为止,我在本章中提到的人物可以被恰当地称为学者,尽管在17世纪时,作为科学革命的伴生物之一的学者们开始按照[如培根(Francis Bacon)所推荐那样]更为实际的时尚来工作,记载下工匠的技艺和实践。在牛顿的工作中可以清楚地看到这一点,他进行了炼金术的实验并作了研磨各种镜子和透镜的艰苦工作。胡克是特别优秀的实验科学家。他的赞助者、贵族出身的玻意耳阁下也是。


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  • fzqheu   金币  +5   感谢分享!   13-4-10 02:08


谢谢分享~~太有高度了~我还有个疑问:就是地质学也会研究矿物和岩石,那么地质学跟地球物理学有什么联系呢


谢谢分享啊。。。。。。


有书推荐一本看看最好


1# luosi


谢谢分享


引用:
谢谢分享~~太有高度了~我还有个疑问:就是地质学也会研究矿物和岩石,那么地质学跟地球物理学有什么联系呢
ldhystart 发表于 1-6-2014 10:17 PM
我想问区别


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