地球探赜索隐录：地质学思想史（第四章）

作者：（澳）奥尔德罗伊德 译者：杨静一

2006，上海科技教育出版社

David Roger Oldroyd. Thinking about the Earth：A History of Ideas in Geology. Harvard University Press, 1996,PP410

 

第四章  有关地球内部的热以及火和水的思想

 

 

    在前一章中，我们的讨论着眼于18世纪在地球方面所进行的实际工作，特别是那些与采矿、初期化学分析、早期野外工作以及与地图和剖面图的绘制有关的工作。但是，在“对地球的探索”中，我们必须既要关注实际应用又要关注理论，因为在各种学科形成过程中，理论和实际是相联系的，而不是独立存在的。正如前面提到的，有关地球起源的遐想（如贝歇尔猜想）并没有对地质学的建立有太大的帮助，尽管贝歇尔的工作为化学的建立提供了一条思路。就地质学来说，18世纪曾对与水和火这两种主要地质营力相关的理论有过广泛的争论，并持续到19世纪。正是这种争论，为18世纪末地质学作为一门科学出现提供了主要的理论源泉。本章我们讨论的理论家做了大量的野外工作，但他们一般在绘图方面都不出名。本章关注的是18世纪有关地球较为宏大的思想，虽曾遭到19世纪的强烈否定，但“地质学本身”已经建立起来了。

 

    显然，火和水确实都是地质变化的原因，从原则上说，没有道理不提出，是这两种营力导致了地球变化的观点。无论是在每日的观察还是在圣典及神话的陈述中，水以雨、河流、海洋和洪水的形式在起作用似乎是显而易见的。对居住在地中海地区的人们来说，火山力特别明显，而且在神话艺术中更是被人加以渲染，这种力是引起地球内部和外部变化的第二种可以考虑的明显作用力。但是，尽管这么说，有关火和水这两种营力哪个更该优先考虑，还有大量值得争论的问题，或者是否应当赋予它们同等的重要性?

 

    在那些主要是以地球的“火成”起源为主，但是也看到水的重要作用的理论中，我们首先要提到德国伟大的博学之士莱布尼茨(Gott fried Wilhelm Leibniz，1646一1716)他那多少有些古怪的工作。莱布尼茨的理论最初是在17世纪提出来的，出于相当的好奇心而写了下来。首先是以纲要形式写出来，仅仅有360个词(Libniz，  1693；Oldroyd and Howes，  1978)，后来扩展成一部巨著《原始地球》(Protogaea)，它是用拉丁文写的，在莱布尼茨去世后才出版(Leibniz，1749)。因此，虽然人们相信手稿在最终出版之前已经广为流传，但是很晚才有影响。

 

莱布尼茨有无数的职务，有众多的兴趣，其中之一，他是布伦威克公国的宫廷编年史家，以这样的身份，他被雇用来撰写这个小小公国的历史，试图为了这个公国的利益确定某些领土要求。  出于尽职尽责的目的而使得莱布尼茨最终把地球看成是一个整体来考虑它的起源问题。

 

 

莱布尼茨关于地球起源的理论在本质上具有笛卡尔主义的特点。他采用了笛卡儿的漩涡理论，设想了地球作为星体而生成，其表面被矿渣似的黑子所遮盖(将对熔炉中的化学反应的观察扩展到整个地球)。最初的表面会有玻璃质的特点，但是这种物质像石灰一样能吸水。他还假设了像《创世记》中所描写的那样陆地和水发生了分离。正如笛卡尔学说所阐述的，地壳的某些部分会在地球冷却固结时坍塌而成为地下空洞，此后水被排入洞中，干燥的陆地就显露出来了。成层沉积物中的海洋动物贝壳可以说明，现在的干燥陆地曾被水覆盖过。在水的作用下原始玻璃物质破碎了，从这些碎粒中形成了砂石。因此说，莱布尼茨的理论中的营力既有火也有水。或许他是划分“第一纪岩石”和“第二纪岩石”(即地球初始时形成的岩石和后来由于最早“地壳”的风化、侵蚀而形成的岩石)的第一个人。

 

莱布尼茨坚决主张，化石是过去活着的生物的遗体，相信在这方面他是受了斯泰诺的影响。斯泰诺曾与莱布尼茨一起在汉诺威呆过一段时间。贝歇尔认为，化石是由地球中能模拟动物的某种微妙的力的作用而生成，这一思想遭到了他们的反对。莱布尼茨提出，熔融的矿物质可能最终会占据曾经活着的动物留下的空间。虽然莱布尼茨汲取了笛卡尔的机械论思想，但是他相信圣经洪水是历史上确实发生过的事件，根据他的编辑沙伊特(Christian Scheidt)所说，他采纳了这种观点来说明埋藏在地层中的化石。为了说明大洪水的发生及后来的消退，莱布尼茨头脑中掠过几种想法，包括布里丹(见第一章)的老说法：曾经发生过固体地球相对水圈的运动；彗星掠过时产生了作用的思想；由于某种原因月球向地球靠近的思想。最终，莱布尼茨确定了在当时看来可能是最受欢迎的思想，也就是受到部分地壳塌陷造成的扰动，水被排到塌陷区造成的地下空洞里。他提出，最初地球内部有两种空洞。当水第一次退却时，填满了上层的洞穴，而空气位于下面。大洪水时期，上部的贮水地的侧壁会发生断裂，水就涌出来了。由于覆盖在上部洞穴的地壳凹陷成废墟，上覆的沉积岩层如同在山区看到的那样发生破裂、倾斜。就这个方面来说，他的理论与笛卡尔的类似。裂隙和断裂为矿脉的形成提供了场所(由于莱布尼茨与采矿业有联系，他对矿脉的兴趣很实际)。

 

在著名的“水成论”理论家中，我们会提到周游四方的法国外交官德马耶(Benoit de Maillet，1656—1738)的工作。他以多少不同于一般的文献形式，即一位假设的、名叫Telliamed(显然是de Maillet的倒拼)的印度学者与一位法国传教士的对话来提出他的思想。这本书本身的名字就叫Telliamed。该书写于1692到1708年间，那时作者是驻埃及的法国领事。这本书的手稿流传了好多年，最终由马斯克里耶(Abbe Jean Baptiste le Mascrier)于1748年出版了这部遗著(de Maillet，1748;Carozzi，1968)。这本书的突出特点是：收集了有关海平面逐渐下降的详尽证据；提出建立水文观测站以便严密地监控这种变化，建议通过潜入海下以及使用原始潜水器(附有它的设计图)来考察海底；提出有把沉积物搬运到海底山脉和山谷(随着这个行星进一步失水，它们会显露出来)的强烈洋流；地球的生命源自外层空间的种子；随着环境的变化，生物由于某种缓慢的进化过程而发生了演变，地球的年龄以10亿年计。

 

这种与普遍信仰相左的思想激起了强烈的反对是不奇怪的[伏尔泰（Voltaire认为德马耶是个江湖骗子]，这本书最终出版时删除了很多不妥之处，特别是有关地球年龄方面的问题。尽管如此，这本书还很受欢迎，陆续出了好几版。由于还有某些早期手抄本存留下来(尽管不是德马耶原稿)，现存的充足资料可以清楚地勾画出作者的最初动机。卡罗齐(A.V.Carozzi，1968)对此作了最为翔实的学术研究。

 

 

德马耶提出，不同形式的山脉可能归因为那些最初使它们在海下形成的洋流的不同状况。他设想第一纪山脉和第二纪山脉有着明显区别：假设前者是在海水极深的时候由最初的岩屑堆积而成的，对生物生存来说，那时海水太深了。然后，当第一纪山脉露出水面时，它们本身加入到沉积作用中去，在它们侧面的浅海地方形成了第二纪山脉。浅海可以维持生命，第二纪山脉富含化石。德马耶的理论来源很多。特别重要的是笛卡尔的理论。这个理论设想地球起源于笛卡尔所说的不再发光的星球。这个星球从它所在的漩涡中集聚了水、尘埃，并在它的表面上形成了一个圈层。但随着地球的失水变干，借

助于由化石生成的物质(石油)的燃烧，地球最终会被点燃形成大火灾。接着，又产生了新的星球。另一方面，由于德马耶曾经在埃及短暂逗留，他也汲取了源自阿拉伯的某些思想。这位阿拉伯人通过对高出海平面的山中的海生动物贝壳的思考，并通过对古老地图中海岸线变化的研究，得出了海平面下降有充足证据的结论。

 

简言之，德马耶具有将观察、思辨性宇宙学、古代知识以及一些大胆又富有创见的假说融合在一起的思想。他没有直接投入到18世纪对地球历史中火和水的作用的争论中去。但是，至少在法国，他的思想不是没有影响的。

 

 

德马耶是18世纪法国科学建制的编外人员，而我们将要讨论的下一位不是别人而是布丰。布丰(Georges Louis Leclere，Comte de Buffon，1707一1788)诞生在勃艮第(Burgundian)的一个富足家庭。通过明智地向林业和武器制造业投资，他发了财。另一方面，他也是一位精力旺盛、杰出的博物学家，对自然知识的大部分领域，包括宇宙学和牛顿物理学都感兴趣。l739年他当选为皇家科学院的院士。同年受命担任重要的皇家植物园的园长。10年后，布丰开始出版著名的《自然历史》(Histoire Naturelle)，篇幅最后达到44卷。这部著作中有3卷引言(第1卷讨论了地质方面的问题)、12卷论述哺乳动物、9卷论述鸟类、5卷论述矿物。还有6卷补遗，其中的第5卷是(《自然纪元》(Epoques de la natare)(Buffon，1778，Roger，1962)，它包括了对地球理论的重要阐述。由于这些努力，布丰被认为是他那个时代的大作家之一，特别是由于他的风格而赢得了声望。

 

尽管布丰是18世纪一位特别优秀的博物学家，他还是被看成是一位过渡式的人物，这是由于他的思想包含有多种思想综合的意义：对地球起源所作的宇宙学猜想；依据物理学定律阐述，作为一个整体的地球，它的特性及其活动；论述地层的形成以及特殊矿物种类的详细情况。要注意的是，布丰的《自然历史》第1卷出版是在Telliamed刊印后一年、莱布尼茨的《原始地球》全书出版的同一年。这一卷对“地球理论”作了十分详尽的阐述，想要把它作为《自然历史》其他有关动物界部分的基础资料。

 

“布丰采纳了由英国牛顿派的天文学家惠斯顿(Wilfram Whiston，1667-l752)以前提出的思想，即认为地球起源于彗星撞击而形成的天体碎片(Whiston，1696)。其后，地层的形成非常像德马耶曾经设想过的，是洋流造成了海底的山脉和山谷。但是，布丰发展了马雷(Jean Jacques Dortous de Marain，1678—1771)的思想，他还具有地球内部至今还很热的思想。从1767年开始，布丰汲取了牛顿的某种暗示(Principia,Book III)，假设了地球从最初的熔融体冷却，并做了一些不同寻常的实验，试图确定地球的年龄。

 

在《自然纪元》一书中，我们看到有关地球历史有七个阶段的叙述。随着地球的冷却，首先表面发生固结，在固结中有巨大的浮泡、裂缝和空洞出现。于是，“原始”山脉在一开始就形成了。进一步冷却导致了金属矿体的固结，这些矿体聚集在原始地壳的孔穴中，或蒸发之后沿着地壳的裂隙沉积下来。于是，矿体就形成了。继续的冷却会使水凝结，就这样新的阶段开始了，土、水、气和火之间发生了激烈的相互作用。砂和黏土形成了，但是黏土后来又继续形成页岩、板岩和片岩。在这个时期内，在热的、有臭味的水体中开始有了生命。石灰岩由贝壳生物的遗骸形成。而且，在地球自转的作用下，洋底沉积物堆积成大山，甚至是海底山脉，正像德马耶以及在《抛球理论》中所假设的那样。地球内部的空洞是由于巨大的原始浮泡顶部塌陷造成的，而海水排到地球内部的巨大空洞的结果是：海平面下降，山脉露出。

 

这时的条件被认为适合于大森林生长，这些森林植被堆积下来，在与硫化物质相混合的情况下，形成了世界的巨大煤田。设想这种物质的燃烧会造成火山，因为硫化物与水接触时变热。”在这点上，这个理论与我们在第三章讨论过的帕拉斯同年发表的理论相似。”

 

布丰还假设了生命可能是自发形成的，生命具有物质的固有性质，自然会在适合的环境条件下表现自己。在地球不断冷却的条件下，这一有利于生命的条件会首先在极区出现。接着，随着不断的冷却，动、植物会渐渐地向赤道迁徙。长期冷却进一步导致了各种不同的生物向赤道迁徙。布丰认为，首先出现的生命形式一般要比现在的生物大，因为在原始地球的高热条件下，组成生物的“有机分子”会特别活跃。这样，根据布丰的观点，随着所设想的地球的冷却，生命是在“退化”(degenerating)而不是“进化”(evolving)。(死亡生物的分子设想会重新循环，形成新的生物，随着条件的恶化，生命形式在不断变化。)

 

布丰注意到北美和欧亚的古动物之间有着相似性，从而认定了两个大陆之间以前曾连接在一起。因此他提出，作为地球历史的最后事件之一，曾经位于现在的大西洋地区的地层塌陷到了在他的理论中所设想的地球内部的巨大空洞中去。”最后的“自然纪元”以人类的出现为标志。

 

 

显然，布丰这些具有高度思辨性的思想受惠于早期的理论家，如笛卡尔、牛顿、莱布尼茨和德马耶，同样也受惠于野外观察。然而，就本章讨论的目的来说，特别重要的是布丰在用实验来确定地球年龄方面所作的努力，这些实验依据的是上面概括介绍的理论以及牛顿的冷却定律。”在他的家乡Montbard(靠近第戎)的铸铁厂，布丰准备了一套不同大小的铁球，将它们加热到几乎熔化了的程度。然后放到地窖里冷却，他测量了不同大小的铁球达到窖温各用了多少时间。有了不同大小铁球冷却到地窖温度的数据，他就着手估计像地球那样大的球体冷却到现在的温度需要多少时间。他对计算又作了些核准，用的材料是金属与非金属的混合物，又考虑了冷却过程中地球所吸收的太阳热。最后发表的地球自熔融状态以来的年龄，大约是7．5万年。但是，布丰私下猜想地球的年龄是3百万年。由于继续冷却，这个行星最终将因生物无法栖息而变得毫无生气，或者布丰作如是设想。读者可能会注意到，布丰的思想中允许火(或热)和水都作为地球变化的营力。

 

把布丰看作地质学家是不妥的—事实上，在他那个时代这个词还不存在。他是位理论家和内阁成员而不是野外工作者。他在构建地球的历史时，不是以对岩石、矿物和化石观察为基础，并将这些资料适当地记录在地图上，然后努力将这样获得的资料综合到他的理论中以说明地球如何达到现在的状态的。他没有对那些今日可能观察到的地质变化过程进行观察(或至少他没有做这方面的报告)。布丰是位大理论家，尽管毫无疑问他很有影响，但通往近代地质学的路却不是直接由于他而开通的。

 

“地球理论”(Buffon，1749)与《自然纪元》(1778)在探究地球的方式上有明显的不同。第一本书中设想了循环变化以及在自然过程中平衡的维持(Taylor，1992)。第二本书对地球作了“定向发展论”的阐释。后来布丰所设想的变化是不可逆的。确实，他甚至还预言了，随着地球的冷却生命将来会绝灭。他对所设想的控制地球变化的规律很感兴趣，而不是对确切地论证伴随着偶发的历史事件地球曾经历了什么样的变化感兴趣。

 

可是18世纪后半叶的理论化不久就在地球思想上有了重大发展，并导致了19世纪地质学这个学科的建立，地质学建制化而且相当迅速地专业化。在德国，最重要的理论家是维尔纳(Abraham Gottlob Werner，1749—1817)。他在萨克森的弗赖堡矿业学院执教，在前几章几次提到过他。他主要强调水在地球历史中的作用。

在英国，主要的理论家是有着哲学和科学品味的苏格兰的农场主兼商人赫顿(James Hutton，1726—1797)。  赫顿并不是不关注作为侵蚀和沉积营力的水的作用，但是作为理论家，他主要关注的是地球中心火的思想，以及火这个营力在地球过去所经历的和将来要经历的变化中是怎样起作用的。我们将依次讨论这些人物。他们两个人对地球思想史都有着巨大的影响。

 

赫顿虽然最初接受的是医学教育，但在成年以后的大部分生活是作为农场主在农场度过的。在爱丁堡以东的贝里克希尔郡，他拥有两处房地产。”在那里他投入了大量时间和精力，根据最新的农业科学原则改良农田，并最终在这方面取得了成功。这种成功使他能够在相当年轻的时候不再经营农场而回到爱丁堡经商，但他主要从事科学和哲学的研究。虽然身为基督教教徒，赫顿在相当年轻时似乎已不相信有人性的神，取而代之的是非常强烈的自然神原则。这就是说，他主张信仰智慧和仁慈的神，神为了人类的幸福，特意设计出了地球和地球上的栖息着的动植物。这样，正像在启蒙运动时期普遍认为的那样，赫顿认为，神进行的外观设计会在自然界表现出来，以这种表现出来的迹象为基础，人们可以论证神的存在。自然神论者不大相信用耶稣的生活来揭示上帝存在这种假设证据。

 

尤其对于像赫顿这样的农场主，他可能会仔细地思考土壤形成的问题：由于地表下的岩石风化以及在这一风化过程中动植物共同起作用而生成了肥沃的土壤。可是，或许因为他在农场辛苦劳作，这样使他想到肥美的土壤会由于侵蚀不断地被冲刷到大海，显然这样毁坏了自然的精美设计，而这样的设计如此适合人类。赫顿已经采取了自然神的立场，因此与许多同时代的人不同，在思索地球问题时，他觉得不一定要恪守《圣经》的时间尺度。事实上，他的想象展开了翅膀，他深思熟虑地思考，自从地球最初形成以来经过的无限漫长的时期这一问题，而不关注最初它会是如何形成的。

 

但是，如果土壤缓慢而又无情地被冲刷掉，如果要使恩泽于人类的神性设计计划持续下去，就不得不设想某种“地质”循环过程，否则所有的地表会由于侵蚀而变成无肥力的平地，再也不会有农田形成，如赫顿所知道的那些生物就会完结。于是，他开始深入思考使人类赖以生存的农田重生要经历怎样的循环过程。有几个因素有助于赫顿建立他的理论。在旅行中，赫顿考察了英格兰中部的新工业区，他与瓦特(James Watt)时常通信。在英格兰，他看到了新的蒸汽机，巨大的复杂机械只靠单一热源来维持运动，这给他留下了深刻印象。在赫顿时代，人们也知道气体压缩后会变热。使他愿意以循环理论为基础来进行思考问题是由于这一事实，作为一名学医的年轻学生，赫顿写过关于“小宇宙中的”(如他所说)血液循环的论文(Hutton，1749)。按照拼图游戏的方式把这些材料拼合在一起，赫顿就得出了下面的令人赞叹的地球理论。

 

赫顿提出，地球内部是热的(当然在这之前其他人也提出过)，由巨大的地下燃料库组成，这些燃料是由于植物长时间接受太阳光的作用而生成的(Allchin，1994)。赫顿进一步提出，不同地区时时会有地球内部物质开始膨胀，向上部地壳施加压力，在这个过程中，地层向上弯曲。有时在这个过程中，熔融的岩石会冲破岩层，到达地表，形成了火山。有时在岩浆向上冲破地层之前，膨胀的阶段停止了，这样就只有大大小小的山脉的隆起。岩浆物质就会冷却固结，生成像花岗岩那样的结晶岩，很久以后这些岩石遭到侵蚀而裸露出来，在高地的中心部位出现。但是这种易受侵蚀的岩石终会为人类幸福形成新的土壤。按照这种观点，位于高海拔的结晶岩要比周围低处的沉积岩年轻，在某种意义上，这与斯泰诺的叠置律相抵触。(但是，叠置律当然是要应用到沉积岩方面的。)

 

上面描述了赫顿地球理论的“建设性”方面。这要由风化和侵蚀的过程来平衡，而这种过程会造成成层的沉积物在海底堆积。终有一天，这些沉积层会被其他沉积层所覆盖，下面的会受到强烈的挤压而固结成坚硬的沉积物。然后，随着压力的增加，沉积物的温度会上升，并且可能会发生熔融，导致“岩浆”膨胀以及上面所描述的侵位。作为新大陆从海底形成的例子，赫顿提到过地中海的桑托林岛的出现(Hutton，1795)。赫顿坚持所看到的岩石都不是原始的或“原生的”(Hutton，1899)的观点。

 

我认为，这个理论的薄弱之处就在于“地球机器”运行中从挤压阶段到膨胀阶段的转变。不过，如果人们对此可以接受的话，还有最为重要的是，如果人们能深入思考一下，时间在本质上是无限的情景(赫顿这样思考过，不论出于何种意图和目的，他的地球都是无始无终地运动着的机器)，那么整个过程似乎理所当然地容易理解。可是赫顿进一步问自己，如果自己理论是正确的，可以预先设想一下，要做什么样的具体的野外观察呢?

 

可以预料向上隆起的花岗岩物质(岩浆)使上伏岩层倾斜。但随后，在膨胀阶段结束时，所有的岩石都会遭到侵蚀，最终岩层侵蚀面可能会暴露在各种营力之下。如果由于某些不甚明了的地球运动，使这些露出的、有着侵蚀面的岩石在稍后的阶段又沉入海底，那么终有一天它们会被沉积层所覆盖，并依次固结。如果随后全部地层又隆起来了，人们就会看到某些大致水平的岩层与倾斜的甚至是垂直的岩层相交。这种可能会发现的岩层排列的形式或构造(如今称之为不整合)，是赫顿理论所能预见到的。他去寻找这种构造，并在苏格兰的好几个地方成功地发现了它们：一个在阿伦岛的北端，位于Jedburgh河边悬崖处，这个地方恰好在与英格兰交界处的北边；还有一个在赫顿农场东北几英里远海岸处的Piccar Point(见图4．1)。他将每个地方的不整合接触面都划在了著名的老红砂岩和坚硬的灰色粗砂岩(杂砂岩，现在把它划分为志留系)之间。赫顿一定对这些岩石很熟悉，因为他的一个农场正好位于杂砂岩之上，而另一个农场正好位于砂岩之上(Oldroyd，1994)。

 

 

图4．1  在Piccar Point(贝里克希尔郡)的“赫顿不整台”，图中表明了砂岩不整合地位于直立的杂砂岩(片岩等类岩石)之上

 

 

Piccar Point的例子十分有趣。赫顿知道在他那个靠近科克本斯帕斯的农场的北边，沿海岸有老红砂岩出露。杂砂岩出露在东边几英里远的悬崖处。他只需要沿着海岸航行直到发现接触带。  他在Piccal Point找到了接触带，图4．1说明了这个可能看到的露头。这是个了不起的预见，这是在理论帮助下所作出的预见，这个预见植根于赫顿对创世主的智慧和仁慈所持的形而上的哲学思想中，赫顿认为创世主会使地球持久地作为适合人类生活、使人类幸福的地方。再者，对赫顿而言，这次考察为地球具有久远的年代提供了经验证据。

 

就我所知，赫顿的预见或许是第一个得到审慎论证并取得成功的地质学论证形式，即“若p则g；g成立，则p成立”。这种推理形式不是严格的演绎。实际上这是荒谬的，涉及所谓的后件确证之谬。尽管如此，赫顿作了成功的预言，这种成功会引人注目而得到人们对他的承认。在爱丁堡赫顿的朋友们中间确实是这样的，尽管作为一个整体，他的理论具有思辨性和不确定的特征。

 

赫顿作了另一个重要的预见。对他来说，如果大量的熔融岩浆不断地从下面侵入到地壳，人们会希望发现，结晶岩脉是从花岗岩岩体延伸到周围的岩石中的。1785年，在苏格兰高地南部旅行时，赫顿从布莱尔阿瑟尔一直到蒂尔特河谷行走了几英里，考察了这个地区。这个地区常见的岩石是片岩(Dalradian片岩)，赫顿称其为“Schistus”。(在河谷中还有灰岩)推想他事先早就从当地人那里得知，远在峡谷的地方会发现花岗岩岩体，因为他沿河谷旅行，显然是期望找到花岗岩与片岩的接触线。他并没有失望，因为在河谷中，人们可能会发现不同凡响的花岗岩岩脉，如图4．2所示。下面将要讨论这一发现在赫顿和维尔纳弟子之间的争论中的意义。

 

 

图4．2 1987年拍摄的蒂尔特河谷处的花岗岩岩脉，本书作者就坐在岩脉所在的地方

 

 

赫顿的思想首先以小册子的形式发表(Hutton 1785；1987)，然后发表在《爱丁堡皇家学会会刊》上(Hutton，1788)，最后以书的形式出版了著名的《地球的理论，证明与示例》(Hutton，1795--1899)。这部著作计划出四卷，但是，第三卷直到1899年才出版，那是在他去世一百多年以后了，所以，没有什么影响。第四卷从来就没有出版过。前两卷有一些插图，最使人感兴趣的是一幅说明Jedbugh的不整合的图。但是，它没有反映出赫顿理论的全部风格。幸运的是，几年前发现了与《地球的理论》有关的一套很壮观的绘画(Craig，1978)。在这些图中，有一个阿伦岛的异常醒目的剖面图(赫顿和他的朋友于1786年到过此地)，图4．3是那幅图的复制品。

 

 

图4.3 J·赫顿提出的阿伦岛北部的理论剖面，由Eldin的克拉克(Clerk)绘制

 

 

从这幅图中，很容易理解赫顿理论的实质：大块的花岗岩岩体从地球内部向上涌，使上覆岩层(它们比花岗岩老)抬升，形成穹隆状构造。然后，在侵蚀作用发生之后，花岗岩就作为巨大的结晶岩体显露出来。现在它就构成了阿伦岛北部的山羊山丘(Goat Hill)，并被正确地认定为地质学史的经典地区之一。所假设的在花岗岩山脉下的“岩浆房”，值得特别注意。

 

但是，对这种构造另有一种十分不同的“观点”或思想。人们可能会设想，花岗岩以某种形式先形成了，然后当海水由于某种原因后退时，沉积岩呈斜坡状就在花岗岩“岛”的周围形成了。根据18世纪最后25年以及19世纪早些时候的主流地质学理论，这就是阿伦岛地区的岩石被截断的方式。我指的是维尔纳的水成论。

 

18世纪下半叶，东欧建立起一些采矿专业学校，为萨克森、斯洛伐克等重要采矿地区输送技术人才。它们是世界上首批能提供与实用地质学类似的正规训练的机构，虽然说它们如此强调实用性以至于这些学校更像技术院校而不是大学。然而，在最著名的弗赖堡，维尔纳提出了非常有意义的有关地球过去的理论，所进行的训练也具有哲学特点，使得一些著名的“人文主义”学者，如洪堡(von Humboldt)、诺瓦利斯(Novalis)、歌德(Goethe)都认为值得去听维尔纳的课。19世纪许多地质学界的要人都接受过维尔纳的初期训练。维尔纳有着从事采矿业、冶金业的家庭背景，他本人在弗赖堡就学，后来又到莱比锡学习法律。在莱比锡时，他写过根据外部特征鉴定矿物的一本很实用的手册(Werner，1774，1962)，因此，使得他能被母校聘任为矿物学讲师。其后，他一直在弗赖堡靠执教度过余生。

 

读过福柯那本有影响的《知识考古学》(1966，1977)的学者会发现，维尔纳关于矿物的外部特征的论述与这本书的论点很契合。福柯提出，在所谓的“古典时期”(约1660—1800)，博物学家典型的做法是，研究物体并根据外部特征的同异来分类整理，由此产生了等级分类。人们不去探询事物的本质，也不试图说明它们的历史(就它们过去所处环境的意义上来说)，只是着眼于物体的外部特征来进行分类。当维尔纳在莱比锡编写矿物手册的时候，这样进行分类当然是可以接受的。然而，用这种方法对矿物界进行分类有很大困难。具有同样化学组成的物质可能以不同的形式存在，反之，化学组成不同的物质可能具有类似的外表或晶体形式。此外，虽然通常不难确定动植物个体，但很难确定单个矿物是什么。再者，什么是矿物物种?种的定义问题直至今日还困扰着生物学家，而对矿物学家来说，问题就更严重了：人不能把雄性矿物和雌性矿物放在一一起，看看它们是否能成功地繁殖。18世纪70年代矿物分析的化学过程还处于初级阶段，在矿物学词汇中有许多近义词而十分混乱，基于这种考虑，就维尔纳来说，尝试着仅从外部特征来对矿物进行分类，并直接描述那些相关特征是完全合适的。

 

即使这样，在供职弗赖堡之后，维尔纳逐渐地摆脱了这种做法，开始用所设想的在地球形成以来矿物生成(沉积)的历史观点来研究矿物。这样，他的矿物学研究发生了理论性的转变，不再持有早期研究的“实证的”或现象学的态度。他的努力成果是发表了重要的小册子《简明矿物分类和描述》(Kurze Klassifikation und Beschreibung verschiedenen Gebirgsarten，Werner，1786，1971)。他所提出的理论可简述如下：
    维尔纳设想，可能是来自原始混沌的物质以某种方式积聚而使地球得以形成。如同德马耶、布丰等人的理论一样，这个理论也假设曾经有过浩瀚的初始水层—遍及全球的原始大洋，它包围了原始的地球固态物质核。维尔纳进一步假设，原始大洋的溶液中包含了大量物质，它们在原始物质核的不规则表面结晶。花岗岩是最早沉积下来的物质，然后其他岩石按着不变的顺序沉积下来：(1)花岗岩；(2)片麻岩；(3)云母片岩；(4)泥质片岩；(5)原始石灰岩；(6)暗色岩；(7)斑岩；(8)正长岩；(9)蛇纹岩；(10)黄玉岩；(11)石英岩；(12)硅质片岩。在这个生成顺序完成之后，大洋水面下降到使地球核部较高部分能够露出来的程度，这时核部覆有结晶物质，如花岗岩的盖层。于是，风化和侵蚀过程开始，在洋盆中沉积下沉积物。这些沉积岩也有它们自己的层序。维尔纳称这些成层的、含有化石的机械成因的岩石为floetz岩，继续使用他的这一术语很方便。在理论发展的后来阶段，维尔纳引入了“过渡岩”的概念，这种岩石在成因和特征方面部分具有机械性，部分具有结晶性。最后，他认为火山物质和冲积物对整体发展作用很小。他认为火山是由像煤那样的可燃性物质燃烧而造成的。

 

就我所知，维尔纳从没有见到过火山活动。如果他见到过的话，或许他不会提出这样没有把握的理论。然而，应该注意的是，火山热量来自某种可燃性物质的燃烧的思想是非常古老的，它与赫顿提出的“地球机器”中心处有大量的热物质思想一样，听起来都不无道理，热物质所需的热假设是由于燃烧和压力造成的。

 

维尔纳理论特别引人注意的部分是玄武岩的成因问题。在东欧某些地方，这种“薄饼状”的岩石有时在山顶上会成垂直柱体。维尔纳认为这是原始大洋的后期产物，设想大洋洋面可以上升、也可以下降。对赫顿来说，这毫无道理的。玄武岩是熔岩的产物，熔岩从地球内部流出来、冷却，然后以柱状形式裂开。这个思想对维尔纳没有吸引力，因为他所在地区的玄武岩似乎与火山没有任何联系，看上去它们像是从溶液中结晶出来的。当时，火成论与水成论之争的焦点是玄武岩的成因，或许人们应该将这样命名的争论限制在这个特定的问题上。然而，“水成论者”与“火成论者”之间的争论超出了玄武岩成因的问题，常常认为它有更广的涵义。
 

 

上面提到，赫顿对在蒂尔特河谷看到的花岗岩岩脉特别感兴趣。用维尔纳的理论很难解释这种岩脉或玄武岩岩脉。维尔纳绞尽脑汁地假设：大洋水溶液中的玄武岩质物质从上部充填到地球表面的裂隙中，生成了我们称之为火成岩岩脉的那种岩石。如果这种情况在同一地点发生过两次，甚至有希望用它来解释岩脉中的“围岩”碎块包体。但是，这个特别性假说几乎不能说明赫顿在蒂尔特河谷所观察到的现象，在那里，有无数的各种各样形状的岩脉。另一方面，如我们在第九章将要谈到的，很多地方的岩脉表明了，某种溶解了的物质以“液态”方式穿透岩石。赫顿的大量岩浆从下侵入到地壳的理论(见图4．3)，肯定不能成功地说明所有的情况。

 

时间问题在地质学中总是重要的。就我所知，维尔纳对这一问题没有专门发表意见。但也不应该认为，他是身上标有“6000年”字样的人。(或他主张地球有“6000年”的历史。)冈陶(Guntau，1984曾提到过维尔纳的手稿，手稿中说，原始大洋覆盖地球可能长达100万年。因此，当某些“维尔纳学派”的人，如爱尔兰化学家柯万(Richard Kirwan，1799)真的要从维尔纳理论中构建出圣经地质学的时候，维尔纳本人并没有走这样的研究道路，相反，他和赫顿一样是自然神论者。

 

尽管如此，原始大洋溶液中会含有大量的花岗岩或什么其他物质的思想也许看上去是荒唐的，在维尔纳的苏格兰对手看来肯定也是这样认为的。但是，有两点要特别提到的是：一、许多种的矿物质可溶于碱性溶液中，没有特别的理由认为，维尔纳所假设的大洋不具有强碱性的特征；二、海平面在世界某些地方似乎是在下降，这是众所周知的事实。德马耶曾提到过海平面下降一事。18世纪其他一些观察者，特别是在波罗的海地区的观察者,已经注意到海岸线不断下降的确实证据(Wegmann，1969)。所以，海退的思想不是绝对没有道理的。

 

事实上，就维尔纳来说，他的理论最大的优点是，它坚实地以经验证据为基础。他确实是如此强烈地感受到这一点以至于他造出一个新词“地球构成学(geognosy)”，意指他的那门学科，以此将它从通常所说的自然史、矿物学或地质学中划分出来。如我们所看到的，在维尔纳处于巅峰时，地质学这一术语才刚开始使用。但是，按他的观点，以地质学为名的著述往往太具思辨性。他的学科不同，坚实地以事实为基础。

 

如果将原始大洋诸如此类的猜测性思想撂在一边，这确实是有可能的。每一个岩层都被称为“建造”(Gebirgsformation)，由其岩性特征来辨认。从在萨克森(和图林根)的出露看，不同的建造就像以前莱曼、富克泽尔等人所指出的那样按着一定的顺序排列；用这种顺序来标示一种“可发现的时间序列”(Werner，197l)。就地质学的历史来说，这是维尔纳工作的重要特征。这意味着，萨克森可以作为地球研究者以真正的库恩方式进行研究的“范式”(Kuhn，1962)。维尔纳的学生们承担起这项界定清楚、在某种程度上实际上可以完成的任务。他们接受了萨克森的地层序列，并将它作为一种“透镜”，用来考察和理解世界其他地区的地层。这样，我们继续使用库恩的术语，地球构成学家面对了一系列的“难题”——全球各地的地层对维尔纳框架的适应性。有时候，难题可以通过注意到根据萨克森的范式所预想到的某个特定的地层缺失来解决，但这样能保持整个层序。然而，如果手中的资料根本不适合这个框架，就出现了“反常”。如果面对着数目足够多的反常，维尔纳的模式最终将不得不被摈弃(如同库恩对可能预料到的科学变化所作的说明一样)。当维尔纳的学生开始到世界各地旅行考察，更近距离地接触了火成岩活动地区时(见第八章)，在某种程度上就发生了这样的情况。但是，维尔纳理论若要进行修改同样也要摒弃些东西。

 

应该不应该将维尔纳的地球构成学视为历史科学?这是个重要问题。我们注意到，维尔纳谈到“建造”。地层不是简单地根据其外观、组成甚至它所包含的化石来划分。它们是在时间的流逝过程中形成的，它们还具有几何学上的排列，依据斯泰诺的叠置原理，以及维尔纳水成论而展布，地层的这种几何排列表明了沉积顺序(最年轻的位于最上部)。出于这些考虑，一些地质学史家(例如，Laudall，1987)认为，维尔纳的工作确实标志了历史地质学的开端，因此，在认识地球方法的历史上，它是一个重要的新阶段。

 

即使这样，似乎年代学与维尔纳学派的学术思想关系甚微，他们主要关注的是怎样确定地层的空间关系。当然，就矿业学校来说，这么做正是预料中的事。因此，虽然维尔纳的思想中确实有过时间尺度，但在理论的应用上它不占主导地位。由于这个原因我倒愿意用“发生学的”而不是“历史学的”术语来描述维尔纳的地球构成学。维尔纳得出的结论(肯定是在经验的基础上)是，在地层的成层过程中，有某种可以确定的普遍序列，这是由于在原始大洋中以及在各个洋盆中都有明确的变化序列。地球的历史更像留声机唱片，一旦转动，就会自然地循着确定顺序转动。这就是我称之为“发生学”的理论。

 

但是，作为发生学上的理论，维尔纳的地球构成学不是绝对成功的，因为不久以后他发现，在不同的地层层位上有外观类似的岩石，或者说岩性上类似的岩石。如果某一特定的建造具有地球历史特定时期的特征，就不会这样。于是，维尔纳被迫采用特设性假说来说明时时发生的类似的成岩情况。(例如，如上所述，他不得不假设大洋洋面会有偶然的上升，而不是稳定地、逐渐地降低。)

 

根据A．卡罗齐(1988)的观点，将维尔纳对建造的理解与这个词的现代概念混为一谈无论如何都是错误的。卡罗齐说，建造的现代含义没有时间意义。现在的“建造”一词只与岩性地层学有关，只有当它们与化石和生物地层学，或与以放射性断代为基础的年龄测定相联系时才获得时间和历史的涵义。在卡罗齐看来，地质学家“经历了长期痛苦”“才摆脱了维尔纳的‘建造’概念”。因此，他不像劳丹(Laudan)那样对维尔纳的工作那么肯定。

 

我并不认为地质学家像卡罗齐所说的那样花了那么长的时间才理出事情的头绪来。在我看来，历史地质学的研究实际上在19世纪初就已经完全确立。例如，可以正确地将居维叶(Cuvier)和布龙尼亚(Brongniart)(见第五章)看成是“地球历史学家”，他们在对巴黎盆地的地层研究工作中使用了“建造”一词。可是，从19世纪一直到现在所进行的历史地质学工作曾经是、现在依然是不同于维尔纳的地球构成学，确实是这种情况。历史地质学家的实践与一般的历史学家类似，他们从历史档案中收集材料，拼成使人信服的故事，使得一连串事件符合档案材料中的情况。正如历史学家需要将在不同的档案材料中所发现的分散历史编织在一起，历史地质学家也试图将从不同地理区域内收集到的地层资料编织在一起。两个过程都受到理论的制约。就历史学家情况来说，相关的理论来自政治学、社会心理学等等。地质学家应用的是有关侵蚀、沉积、火山活动等过程的理论，特别是有关化石分布的思想(以及最根本的生物进化思想)。对于人类历史的研究者以及地质学家来说，现在可作为认识过去的粗略指南，但不是万无一失的。

 

这不是要降低维尔纳在地球研究方法的历史中的重要性。恰恰相反。劳丹(1987)描述了维尔纳的学生在全球的分布，并称其为“维尔纳辐射”——他们解释、应用和检验了维尔纳的思想。“辐射”这个词是最恰当的。维尔纳辐射使得对地球的研究有了第一个范式，标志着与矿物学的分离。这是脱离前范式状况的手段。但这不是说，作为维尔纳地球构成学发展的结果，矿物学立即过渡为历史地质学。事实上，历史地质学不能没有矿物学。

 

19世纪早期，维尔纳的追随者和赫顿的追随者之间发生了重要的一场大争论。开始时，前者占大多数。从我们的角度看，似乎赫顿是对的，原始大洋的观点是荒谬的。但是，在当时当地，情况全然不同。如果读者返回去看图4．3，就会明白赫顿著名的阿伦岛剖面可以从维尔纳派的视角作出解释，如果有人有意这么做的话。因此，阿伦岛的地质图也可以这么解释。确实如鲁德威克(Rudwick)所指出的(1962)，  1805年当英国一流的地质学家格里诺((George  Greenough)，这位享有盛誉的伦敦地质学会奠基者在不列颠进行地质旅行考察时，在是选择赫顿学说，还是选择维尔纳学说的问题上，他不能以野外证据为基础作出令人满意的决定。结果，在地质学会早期论文中表现出了一种理论上的不可知论，这是人们对双方的一种诅咒。大家都试图避开理论问题。这样，人们对维尔纳派和赫顿派争论造成的激愤情绪很不满意。

 

那么，很清楚，在维尔纳学派鼎盛时期，从直觉明显感到维尔纳学说似乎是没有错误的。在某种意义上，这两个理论可以与天文学上的托勒密(Ptolemaic)理论和哥白尼理论相比，而且一个理论只是另一理论的一种镜像反映。可以有两种十分不同的方法来探讨某个像阿伦岛这样的地方。有限的证据本身不能迫使人相信这种或那种方法。就英语世界中曾经盛行的对维尔纳的看法，我们讨论一下史学方面的某些观点。我认为，对维尔纳的看法在很大程度上与A·盖基(Archibald Geikie)的《地质学奠基者》(Founders of Geology)这部很有影响的书有关。盖基继续谴责维尔纳，说他的体系以对有限地区(即萨克森)的了解为基础，抱着僵化的“洋葱皮”模型，这个模型在面临着相反证据时要改来改去。根据盖基所说，维尔纳对“写作很反感”，虽然他是出色的教师(正如盖基所愿意承认的那样)。另据盖基观点，维尔纳学派或水成论甚至在他的创始者去世之前就很快声名狼藉了。

 

这种断言为那些进行具有时代错位性的史学或辉格科学史研究的行家提供了绝好的材料。但是，奥斯波瓦特(Alexander Ospovat)对在英语世界恢复维尔纳的声誉做了大量的工作，他曾经指出，维尔纳的理论不是简单的“洋葱皮”模型。维尔纳的大洋时升时降(虽然整体是下降)，在不同时期处于风暴状态或平静状态(Werner，1971)。可以从两个方面看这个问题：在库恩的意义上， “这是一种范式的表现”；或者是像波普尔之类的人那样认为，这样启用特设性假说的方式应该受到谴责。任何一种观点都不会指责维尔纳工作的科学性，虽然就波普尔的意义来说，维尔纳的地球构成学可能不是“好”科学。

 

奥斯波瓦特(Ospovat，1980，)进一步指出，维尔纳的地理学知识要比盖基所说的丰富得多，维尔纳所发表的东西要比盖基诱导读者所相信的多很多。更为重要的是，要注意到，虽然19世纪30年代，水成论由英国的地质学所取代，但是，各种形式的水成论在德国、法国、还有加拿大(以修改了的形式)都持续了较长时间。这主要与为了认识如片岩、片麻岩、矿脉和矿体这些变质岩本质方面而做的工作有关。变质岩有纹理和叶理，有时划分为沉积岩或划分为如花岗岩那样的结晶岩。因此，像赫顿所认为的那样，花岗岩仅仅是巨大的岩浆体在地表之下冷却结晶的产物，这一思想过于简单化了。这个问题将在第九章更充分地加以讨论。

 

暂不谈编史学问题，让我们探讨一下19世纪早期赫顿一维尔纳派争论的结局。普遍认为，火成论赢得了胜利。在某种意义上确实如此，尽管许多源于水成论的思想(如在第九章将要说明的)在19世纪后半叶继续被人们采用并发展了。如果现在所说的火成论者的胜利是昔日的胜利，这种胜利得到了两方面的特别的支持，而不只是在奥弗涅这种地方所作的野外观察。

 

首先是赫顿的好友詹姆斯·霍尔爵士(Sir James Hall，1761—1815)所做的实验研究(1805，1812，1826)。反对赫顿理论的一个意见是，大理岩不可能通过对石灰岩加热而生成，因为二氧化碳(我们现在这么称呼它，而不是“碳酸气”或某些类似的词)会散失，留下生石灰。赫顿争辩说，在压力下，气体不可能逃逸，这样，石灰岩可能熔融转变为大理岩。通过对封闭枪管中的粉状白垩加热，詹姆斯·霍尔爵士得到一种石块，推想它转变为大理石了。在这个实验中，他或多或少地成功了。或者，如休厄尔(William Whewell，1832)相当风趣地说：“詹姆斯·霍尔爵士从他的烘炉中得到了由白垩面粉制成的大理石面包。”水成论者不信服。或许，白垩按照这种办法会固结。不过，这不意味着这是制造大理石的唯一办法。水成成因并没有被排除。

 

在爱丁堡附近的利斯玻璃厂曾有过大量的玻璃从熔炉中流出，缓慢冷却成了结晶质的块体。受到这一事件的启发，在另一个实验中，霍尔取了块熔岩，使熔融的样品冷却，一块缓慢冷却，另一块迅速冷却。快速冷却的成了玻璃，而缓慢冷却的成了结晶质物质。水成论者再次对此作了回应。在重复了霍尔的实验后，詹姆森(R．Jameson)论证说，某些碱性成分受到热的作用而散失，所以在加热前后，这些物质在化学上是不相同的(Sweet and Waterston，1967)。

 

在第三系列的实验中，霍尔对砂和盐水混合物加热，成功地得到了某种接近固结了的砂岩的物质。对赫顿学派来说，可以预见到，海底沉积物受到地下热的作用就会发生这种情况。然而，水成论反对说，由于有盐，就涉及化学过程，原始热盐水可能会完成同样的任务。因此，仅仅在霍尔实验的基础上，争论不可能得到解决，或许这个故事的教训是，实验地质学或实验室地质学轻视地质学理论或野外地质工作的话，必定不会成功。然而，霍尔的实验因其(几乎)是“实验地质学”的首例而具有其重要性。

 

肯定给予赫顿理论支持的另一证据线索是，用矿井的温度测量来说明越接近地球的内部，地球确实变得越热。这是早期理论家如基歇尔、笛卡尔和莱布尼茨的观点，但却由于18世纪“水成论”范式的成功而黯然失色。维尔纳和他的追随者主张，地热的主要来源是太阳向地球日常发出的辐射热、原始大洋中所存储的热，以及由于局部煤的燃烧造成的地表火山的偶然活动等等。但是，19世纪早期几位法国研究者用实验的方法对此作了更仔细的研究(d’Aubuisson de  Voisins，1803，1807；Cordier，1827)。拉格朗日(Lagrange)、拉普拉斯(Laplace)、傅里叶(Fourier)等法国理论家都主张，天文学和物理学理论会使人想到地球内部是热的。
 

 

法国矿业工程师科迪埃(Lxmis Cordier，1777一1861)将他的经验结果发表在许多杂志上(例如，Cordier，1827)，人们认为这些结果特别可靠，尽管也有人在康沃尔(Cormwall)的矿上做了类似性质的大量工作，并在该国的地质学会会刊上作了报道。科迪埃将温度计带到井下，置放在实实在在的岩石上而不是矿井下开阔的通道上，他发现温度以l゜F／25米这样非同寻常的高速率增长。以此推算，他得出结论说，地球内部必定是液体，它由厚度只有100公里的、薄的固体地壳所覆盖。这与笛卡尔、莱布尼茨的早期思想一致。科迪埃认为，薄地壳具有挠性，这可以从地震的发生得到证明。然而地球正在冷却和收缩，这导致了外部地壳呈破裂的状态。但是，由于地壳比地球内部热散失得更快，地壳就有了向内作用的压力，这种压力间或通过火山活动而释放出来。然而，这个理论很难对地壳的成层作用给予令人满意的说明，也几乎不是赫顿地质体系所要求的循环理论。

 

正如当时大部分法国地质学遵循着布丰的传统一样，科迪埃体系完全是定向论的。冷却是个单向的过程。因此，一方面科迪埃理论确实支持了强调火的火成论而不是强调水的水成论，而从另一个方面看，这个理论绝不能说是赫顿学说。作为赫顿学说，它一定是循环理论，而科迪埃的理论则不是。相反，它与法国物理学家傅里叶(Joseph Fourier，l768一1830)对地球冷却所作的理论阐述相吻合，傅里叶提出的理论与拉普拉

斯的宇宙理论(见第十二章)相关联。傅里叶的工作(当然不是那种爱丁堡地方乡土式的赫顿学说)确实激发了科迪埃的探索。在理论的“输出”方面，科迪埃的工作与博蒙(Ehe de Laumom)提出的有影响的重要造山理论联系在一起，这一造山理论依赖于冷却收缩着的地球。我们将在第八章进一步讨论这个问题。

 

正如吉利斯皮(Gillispie，1959)所作的充满激情的描述，火成论者与水成论者争论十分激烈。就是在这一时期，争论的重大问题似乎在于是火还是水在地球理论中应该优先考虑。任何一方都不能说“赢”了这场争论。火成论者声称他们胜利了，但是这只是在很狭窄的战线上，即在玄武岩成因方面取得了确定无疑的胜利。有关一些更重大的问题，包括花岗岩的成因问题一直争论到现在。然而，人们可以说，在地质学家中，那些专门研究坚硬岩石(火成岩和变质岩)的与那些在软岩石(沉积岩)上花费时间的地质学家的最大分别可以追溯到地质学早期，追溯到那个火与水的世界。随着历史想象力的延伸，20世纪的“混合岩学派”与“岩浆学派”的争论(见第九章和图9．3)仍可看作与遥远的水火之争有关。当探索地球的过去时，在理论上哪种是最适合的营力?