地球探赜索隐录:冰川与河流

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地球探赜索隐录:地质学思想史(第七章)
作者:(澳)奥尔德罗伊德
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
第七章
第六章所讨论的灾变在某种程度上是地质“事件”的结果,即急速转入到人类得以进化的特殊时期,它发生在大冰期以及大冰期不久之后。正如书本上所记载的,地质科学于18世纪在北欧出现。地球上的这块地方大部分由所谓的泥砾覆盖。还有冰碛物和叫做鼓丘和蛇形丘的构造(尤其在爱尔兰),这些都被认为是冰川造成的。岩石上有能引起人们兴趣的擦痕,现在认为,这是岩块在冰川推动下对下伏岩石表面凿刻而成的。在距岩石(冰川漂砾)最近的原产地很远的地方,到处布满了松散的岩块,或者在山顶上有分布稀松的大块岩石,好像是某种大鸟把它们丢在那里似的(坡栖漂砾)。一些海岸周围有抬升的海滨。靠近大大小小的山的山顶处分布有松散的砾石,有时它们与化石混杂在一起。在苏格兰平底河谷留有古代湖畔的痕迹。有些河谷,其中的河水流量似乎太小,无论让这条河水的地质过程持续多长时间都挖掘不出河谷来—事实上,某些河谷(如在英格兰南部)根本没有河流却一直切穿到白垩山。
今天,这些现象作为晚近地质时期有大冰期的证据而被人们所接受。但是“解读”上面提到的证据在很大程度上是个理论过程。可以用完全不同的方式来解读,最初就是那样,这就是,这种迹象似乎表明曾经有过大洪水席卷了全球,在这个过程中沉积下大量的岩屑。这种“洪积论”的解释可以追溯到17世纪。如我们所看到的,伍德沃德想象在圣经洪水时期,地壳所有的物质都溶解了或以悬浮液的形式存在,一旦大洪水退却了,这些物质接着就根据密度成层地沉积下来。雷(John
Ray,1692,1693,1713)同样认为,今天地球表面所见到的大部分岩石都是由于大洪水的原因造成的。爱尔兰化学家柯万(Richard
Kirwan,1799)对化石是由于诺亚洪水而被带到地层中去的思想很满意。确实,他笃信这个思想。19世纪,在如科尼比尔和菲利普斯(Conybeare
and Phillips,1822)编写的权威著作中,将那种大洪水有确实的地质证据的看法当作公理。
人们持这种观点,有两大原因。首先,正如我们所看到的,早期地质学家认为,地球是年轻的,因此,可以在文字证据的基础上了解它过去的很多情况。文字证据中特别重要的是《圣经》,虽然在非基督教徒作家(如柏拉图和奥维德)的著作中,以及巴比伦的古代记录中也有对灾变洪水的记载,世界其他地方的神话传说似乎同样也承认某种普遍洪水。第二,地质学与神学相互交织在一起(自然神学)还是特别吸引人的事情,一直到了19世纪还很受欢迎,例如我们在前一章谈到巴克兰的工作时所看到的。即使这样,也没有必要将地质学建立在神学基础上以得出灾变地质学来。对于居维叶和巴克兰等人来说,似乎有确实的经验证据来确保灾变论的提出(Hooykaas,1970)。
事实上,在居维叶的灾变论和缓慢、稳定的均变论观点之间可以有一系列的立场供选择。譬如,大洪水可能是相对和缓的事情。或许确实曾经有过圣经洪水,但是大水上升得相当缓慢,退却也同样缓慢。如果人们不希望乞求奇迹来说明诺亚洪水退却之后留下来的东西,这似乎确实可能是最好的处理办法。但是,有彻底反对普遍大洪水思想的人,最突出的是赫顿,后来是赖尔。对于持自然神论的农场主赫顿来说,伟大的设计者上帝会做出那种毁掉他亲手创造出来的生命的事情似乎是不可思议的
(Hutton,1795)。这样,赫顿理论的主要特征之一是,由于设想地质过程可在无限长的时间内进行,因此,没有理由说河流不能挖掘出自己的河谷。这种主张叫做“河成论”(fluvialism)(Herries
但是,赫顿,一位河成论者,对本章开场时提出的一些现象能够说些什么呢?事实上,赫顿对这类问题解决得不太令人满意。尽管如此,在他的《地球的理论》(Theory of the Earth)中,还是有几页很有趣的阐述(Hutton,1795),他谈到了以前阿尔卑斯冰川范围更大的可能性,以此来说明,在远离山谷仍能发现现代冰川的地方曾有过巨大漂砾这一现象。但是,赫顿没有作出气候变化的推断来说明这种现象,而是设想了阿尔
卑斯山以前要比现在高,所以造成了较大的冰川。因此,赫顿将观察到的现象与他的山脉缓慢形成、缓慢侵蚀的思想结合在一起组成了他的总体理论的本质部分。
以前在欧洲阿尔卑斯山中有冰川分布的思想,以及最终得出的冰期思想都顺理成章地来自瑞士。早期提出冰川可能大大超出了现在终碛位置这种看法的人有:牧师B·库恩(Bernard Kuhn)于1787年,还有登山者和狩猎人佩罗丹(Jean-Pierre Perraudin),他能提出这种看法是1815年在Val de Bagnes观察的结果(Heries Davies,[1969])。这些最初的意见被工程师维内兹(Ignace Venetz,1837)和弗赖堡矿业学院的毕业生、贝
城(在沃州)盐岩矿矿长、洛桑大学地质学荣誉教授J·德-沙尔庞捷(Jean de
Charpentier,1834,1836,1841)所采纳。沙尔庞捷的书(1841)中有张地图,以来自隆河(Rhone)源头地区的漂砾分布为依据,说明了隆河冰川以前向瑞士中央平原的延伸。
但是,这些人相对来说都是小人物。直到纳沙泰尔的自然史教授、19世纪一流博物学家之一阿加西(Ixmis
Agassiz,1807—1873)从事这项事业时,这个思想才引起众多关注。特别由于在鱼化石、“多源发生说”上的研究。以及分类学方面的著述使得阿加西为人们所铭记。然而,对于他的重要的冰期思想观点,冰期这个词是由他的朋友植物学家席姆[Karl
Schimper]提出的。)是对科学的主要贡献这一观点还是有争议的。据信阿加两在1837年(前一年和J·德。沙尔庞捷在Bex度过了夏天)的某个夜晚他的理论成文了,第二天就向在纳沙泰尔召开的学会(Societe
Helvetique)会议提交了论文(Agassiz,1837,1838)。纳沙泰尔会议之后他立即组织了到侏罗山的野外旅行。一流地质学家如布赫(Buch)和博蒙(Erie
de Beaumont)对此都不相信。尽管如此,到1840年时,阿加西已完成了全面论述冰期的书 《冰川研究》(Etudes Sur les
glaciers)以及大量相关题目的论文。《冰川研究》是献给维内兹和J·德·沙尔庞捷的,它包括了对以前瑞士冰川范围的详尽证据。J.德-沙尔庞捷的书也是如此。
尽管有某些例外(如赖尔),19世纪人们普遍地蛮有道理似地假设了地球形成之后在变冷。但是,如果是这样的话,地球过去怎么会按照冰期概念所要求的那样比现在冷呢?阿加西并没有真正回答这个问题,只是断言说冷却以奇怪的方式发生过。他假设温度下降,又多少有些回升,然后一段时间气温保持不变。接着温度再次降到新低,然后又上升一点儿,再次保持稳定。这个过程不断重复—温度总体有所下降——气候比现在大为寒冷的时期是会到来的。这就是阿加西的“冰期”。我们生活在地球暂时变暖时期,但是人们预计将来一个更寒冷的时代可能会到来。
在某种意义上,这个理论有着居维叶灾变论的味道(虽然它超出了经验证据,信赖灾变论者所渴求的证据)。对于地球温度怎样和为什么以这种奇特的方式下降,阿加西没有说出理由。但是,如果接受了这个思想,那么就能对冰川漂砾等观察到的东西作出解释。温度的每次下降都紧跟着适度的回升,然后是一个环境条件稳定时期,每次气温下降可能与居维叶的一次灾变相对应。阿加西的学说到了1840年已经发展成全面的冰期概念,巨大的冰盖曾扩展到整个北欧。对此,有人曾经就英语世界接受阿加西学说的情况作过详尽考察(Herries Davies[1969])。1840年,阿加西带着他的想法参加了
在格拉斯哥举行的英国科学促进会会议。当然,他想要转变的大人物是赖尔。但是很难说服赖尔。
在《原理》一书中,赖尔(1830)曾经提出,那些今天所说的冰川岩屑物质可能就是在浮冰山融化时卸载下来的曾经携带过的石块和泥。在第3卷(Lyell,1833)中,他提出了猜测性的意见来解释山谷中出现的漂砾。由山崩拦起的湖中可能曾经有过小冰川漂浮。然后,在拦挡的东西被清除掉后,入水顺着山谷急流直下,在山谷的谷口或稍远处沉积了漂砾。1840年,赖尔见到阿加西并与之交谈,还和他一起在苏格兰做了些野外工作,这时他暂时转变观点接受了冰期思想。不过第二年,他又有了其他想法而收回前言。阿加西对赖尔的要求有些过分。冰期意味着过去的条件本质上与现在不相同,这样均变论原则将会遭到嘲笑。
然而,尽管赖尔很勉强,他还是对阿加西认识问题的方法让步了,他在《远古人类的地质证据》(Geological Evidences of the Ontiquity of Man,1863)中接受了阿加西的思想。赖尔对因果问题的解决与他的理论总体上是完全一致的。他假设,如果在任一一特定时期,在靠近极地地方碰巧有较多的抬升陆地,而在赤道附近这样的陆地较少,那么地球整体温度会降低。相反,如果在靠近赤道处有较多的高地而靠近极地处较少,地球就会变暧(正如他曾经以此来说明煤系所代表的广泛分布的植被)。这样,在均变论的框架内,他可以说明冰期。然而,困难在于用这个机制怎么理解晚近地质时期发生的这样重大的气候变化,在欧洲,证据显示的是近期的冰期状况。
另一个重大难题是得解决湖的问题。湖的分布相当特殊。除去在裂谷和火山口的湖之外,大部分大湖都是在像加拿大或斯堪的纳维亚那样的“地盾”区,或者在山区自然地形成,如在阿尔卑斯或新西兰山地。但是,除去在低纬度一些地区有湖泊外(例如著名的克什米尔地区),喜马拉雅山区令人奇怪地缺少湖泊。许多山区的大U形谷常常有相对小的河流。根据冰川理论,这其中的原因是,这些山谷主要不是被河流而是被冰川(现在已经远离这里)挖掘出来的,无论在何种情况下,河流挖掘出的山谷截面都呈V形。但是,这给冰川理论造成了严重困难。因为,如果山谷是被冰川挖掘出来的话,那么在山谷中怎么会有湖泊?这个问题引起了重大争论:冰川能不能挖掘出石盆地,或者它们是不是必然切削任何障碍物,从而没有机会使得湖泊作为冰川作用的结果而形成?实际上,作为赫顿同时代的评论家德吕克(J.A
Deluc,1790-1791)曾经反对说,如果河流下切出自己的河谷,怎么会有湖泊?同理,如果冰川下切出自己的谷地,怎么会有湖泊?戴维斯(Davies,[1969])曾经称这为“湖沼学的异议”。
在英国倡导冰川能够挖掘出石盆地并因此形成湖泊这一观点的重要人物,是地质调查所的资深成员拉姆齐(Andrew
Ramsay,1862)。他强调说,如果冰川在硬度不均的岩石上挖出山谷来,那么有时会有这种情况,冰川可能向下挖去而不必一定要向前推;或者冰川运动时越过了坚硬的障碍物,在这种障碍物的前方向下挖掘,使得洼地高高悬在谷地上;或者在冰川撤退时在冰碛物后面形成湖泊。然而,赖尔反对这些看法,他在《远古人类的地质证据》(Lyell,1863)中争辩道,根据冰川成因说,在那些预料有湖泊的地方很多情况下都没有发现湖泊。取而代之的是,他提出了地壳挠曲(“上升和下降不同一的运动”)是湖泊形成的主要原因。当然,今天确实把它作为湖泊的一个可能成因;或者说湖泊由于断层而产生(靠近堪培拉的乔治湖就是一个很好的例子)。但是,在特定的情况下,拉姆齐有关石盆地的理论也被认为是合理的。这样,德吕克针对赫顿的旧的“湖沼学论证”丧失了火力。
冰川理论也能说明长期困扰地质学家的海平面变化问题(Wegmann,1969)。可以用两种方法来阐述。美国地质学家麦克拉伦(charles
MacLaren)在评价阿加西的《冰川研究》时提出(MacLaren,1842),如果大量的水以大陆冰川的形式被封闭起来,海平面就会降低。贾米森(T.F.Jamieson,1865,1882)也提出,冰的纯重量会压低地壳,但是,在冰融化之后陆地表面会再次缓慢升起,或许有时是猛然一下升起。贾米森的理论说明了上升海滨的形成,也说明了波罗的海地区陆地相对海平面上升这一完全确定的事实。麦克拉伦思想后来得到人们的支持,如伍德(S
V Wood)在1865年9月9日的《读者》(The
Reader)中所作的评注。事实证明,麦克拉伦的思想对以后研究生物地理学极为重要,因为,在冰河时代随着海平面逐渐地下降,就会为动物通过现在被海水覆盖地区的迅速迁移提供机会。尤其是,这将允许人类从亚洲迁移到美洲,从东南亚迁移到大洋洲。冰川理论提供了负载理论的观察(Theory-ladenness
of
observations)这种现象的绝妙例子。英国地质学家多年来在自己国家的山地上走来走去,但是,直到阿加西于1840年访问英国,向他们介绍了冰蚀景观和冰川小规模作用的证据(像在岩石上发现的擦痕,若没有冰川作用,岩石会有很光滑的表面)时,他们才认识到这些特征的重要性,才知道要将它们记录下来。在阿加西访问之后,人们开始到各处寻找冰川作用的证据。戴维斯曾注意到一个很好的例子(1969):
今天,通过一套类似的理论观点,就很容易认识地球了,虽然大部分到那种山区去的探访者想象不到这块地方以前曾被大片的陆地冰川所覆盖,冰川雕琢出地形,使之呈现出我们今天所看到的样子。然而地质学家在遇到冰蚀地貌时就会立刻认出它,他们以及某些普通公众现在对地球的认识与他们的前人不同,这是冰川理论确立的结果。但是,我们仍旧有难题。按照科学哲学的行话说,阿加西的理论是“超定的”(overdetermined)(无论如何阿加西在提出它的时候是这样的)(Lugg,1978)o科学在某些情况下,人们可以想出许多用于说明证据的不同理论。在这种情况下,单单经验证据不能确定要选择哪个理论。所提供的任何一个理论可以说都有待于证据来确定,这种理论是“欠定的”(underdetermined)。但是,在阿加西的案例中,他确实没有理论来说明为什么会有冰期。所以我们可以说(或许是堂吉诃德式的),他的理论是“超定的”。
一旦赖尔勉强同意冰期思想,对以前有寒冷气候和在更新世有冰川作用(或不久以后认识到的有好几个这样的时期)的思想就不会有更多的反对。在其他地质时期,如二叠纪,在除欧洲之外的其他地区也发现了冰川作用的证据,例如在澳大利亚。所观察到的这些现象给阿加西有关地球冷却方式的猜测性思想造成了大混乱:因为根据他的模型,人们几乎不会设想地球在二叠纪会冷到再次遭受冰期。那么,冰川作用的可能原因是什么呢?似乎这个原因源自地外,或许是由于太阳产生的能量改变了或在对太阳能量的接受上有变化。但是,为什么会这样呢?
19世纪一些理论家殚精竭虑作出各种设想来解决这个问题,这项工作一直持续到现在。这是极为复杂和困难的问题之一。第一位试图根据天文因素来解决冰期理论问题的似乎是阿代马尔(Joseph—Alphonse
Adhemar),他的《海洋革命》(Revolutions
de la mer)于1842年在巴黎出版。在讨论地球运动时提到,它的轴有个周期为26
000年的缓慢旋转(如果从上往下看北极时,旋转看来是顺时针的)。但是,地球椭圆形轨道也在空间旋转(逆时针方向),两种运动结合在一起造成了所谓的岁差。法国的天文学家、数学家达朗贝尔(Jean
由于地球轨道是椭圆的,加之岁差运动,不同半球中的季节长短不一,并且还在慢慢改变。对于岁差的半周期来说,某个半球有稍微长些的夏季,就会有个稍长的冬季。(现在,南半球冬季超过南半球夏季168小时。)阿代马尔建议说,不论哪个半球,只要冬季长它就会遭遇到冰期。他颇为异想天开地设想,巨大的南极冰盖可能吸引来北半球的水,造成了南半球的水体膨出。然后,当南半球气候好转时,巨大冰帽的底部会被温水化掉,它会像是巨大的冰蘑菇那样地站立着。它的坍塌会导致载着冰山的巨大潮汐波向北横扫(Adhemar,1842)。这是19世纪灾变论的又一个例子。但是,洪堡在《宇宙》(cbsmos)第4卷中(1883)正确地指出,虽然季节的长短由于岁差会改变,但是每个半球实际接受的年热量是相同的:可以是较短、较热的夏季,或是较长、不太热的夏季。整体上能相互抵消、达到平衡。
不过,天文学理论确实受到了一位苏格兰自学成才者、不大可能对冰川感兴趣的克劳尔(James Croll,1821—1876)的进一步关注。克劳尔是石匠的儿子,曾做过学徒,但是一次受伤使得他试着做些非体力的工作,但没有成功。最终他落魄到了为格拉斯哥安德森学院做看门人的地步。不过,在那个岗位上工作使他可以进入图书馆,就是在那里,他碰巧看到了阿代马尔的奇书。这使得克劳尔自己尝试着提出有关冰期的天文学理论,并成功地在《哲学杂志》(Philosophical Magazine)上发表了几篇文章((Croll,1864,1867)。他的思想使得盖基如此印象深刻以至于克劳尔于1867年被接受为地质调查所苏格兰分所的成员。1875年他发表了重要的著作《气候与时间
》(Climate and
Time)。当年,他被选为皇家学会会员,后来被授予圣·安德鲁(St Andrew)法学博士。鲍尔爵士(Sir Robert
Ball)在他的《冰期的原因》(The Course of
我将略微详尽地讨论克劳尔的天文学理论。这个理论既有趣又重要。尽管在那些探讨地球的人中间对他的理论还有争议,但是这个理论的本质要素可能是非常正确的。他的基本思想是,除了上面提到的岁差运动外,地球轨道的形状(椭圆形)由于与太阳系中其他行星的引力相互作用而缓慢变化。有时候轨道几乎是圆形的,而在其他时间,轨道呈更扁的椭圆形。那么,让我们看一下,在地球轨道明显呈椭圆形时的情况,如图7.1所示,X和y代表二分点。
如泊松(Poisson)、赫歇耳、洪堡所指出的,不论轨道是什么样的椭圆,地球在通过XAY时接受的总热量与通过YBX时接受的热量相等。然而,在任意给定的半年内,由于地轴向黄道面倾斜,南、北半球接受的热量是不等的。在地球倾角(“黄道面的倾斜度”)大约是23度27分时的情况会是,在一给定的年份里,某一半球从太阳接受的总热量中,63%是在夏季接受的,37%是在冬季接受的(Ball,189l)。根据克劳尔的假说,将两个二分点连在一起的线(XY)是不固定的。可能这条线如图7.1所示。或者这条线沿着椭圆的主轴似聊,或者是介于中间的任何位置。这就是说,相对于椭圆轨道来说,地球自转轴的方向可能在慢慢改变。如上所述,地球轨道的椭圆率可能也在改变。因此,可能有一套复杂的几何关系随时间在缓慢变化。在任一设定的时间内,根据几何上的相对位置,热量分布会发生改变。这种改变是太阳系中所有行星轨道之间的所有空间关系长期改变的结果。
再来看一下图7.1的情况。假设地轴是倾斜的,这样就使得处于轨道XAY部分的北半球是夏季。那么,在北半球就会有短期炎热的夏季和长期寒冷的冬季。南半球却有长期温暖的夏季和短期寒冷的冬季。即便是这样,各个半球一年接受的总热量是相同的。然后,我们可以考虑这种情况:我们有两个主要变量,地球轨道的椭圆率和二分点连线(图7.1中的XY)的方向。如果两者都在缓慢变化,就会有复杂的相互作用,引起地球气候的综合变化。从根本上说,在地球轨道椭圆率很小的时候,也就是几乎是圆形的时候,两分点连线的改变不会造成多大的区别,南、北半球的状况会非常相同。但是,如果椭圆率很大,那么,对于任一给定的半球,它那里的长期寒冷的冬季不能被短期炎热的夏季所补偿,因此,随之而来那个半球就会出现冰川气候条件。这是因为水的性质,冰、雪融化需要时间。相比之下,另一个半球整体上会是温暖气候。
克劳尔的理论设想了地球轨道偶然会有高椭圆率时期,那时这个或那个半球会被冰川所覆盖。这样,我们可以解释更新世和二叠纪时发生的冰川作用。然而,我们也可以设想二分点之间的连线(图7·1中的XY)来回摆动,这样有时它可能在彳曰处或介于中间的任何位置。如果沿着爿B成一线,南、北半球之间的热量分布会是相同的,不会随之而发生冰川作用。然而,如果是在x】,的位置,假设那时轨道格外明显地呈椭圆状,依据地轴倾斜情况,可能在这个或那个半球有冰川作用。
可以看出,克劳尔理论考虑到地球在高椭圆率时期会偶有冰川时代的情况。但是,对于任一给定的半球,冰期可能被间冰期所断开,因为在高椭圆率时期二分点连线摆动了几次。在低椭圆率时期,这种摆动几乎不影响气候。应该注意的是,克劳尔假设的是,与北半球(譬如)冰川时期相伴随的是南半球的温暖气候,反之亦然。
克劳尔的理论有很高的独创性,在19世纪,这一理论所提供的似乎正是所需要的、用以说明冰期和间冰期经验证据的东西,并且它令人满意地将地质学和天文学理论结为一体。曾经有人反对说,虽然确实有天文因素的作用,但是它微不足道。克劳尔的回答是,天文因素诱发的变化可以通过反馈机制放大,事实上,他的书(Croll,1875)大部分讲的都是这样的问题。如果某一特定的半球较寒冷,信风会吹得更强,这样会带来更多的湿气加入到降水和冰川作用中去。后来,就是因为这个看法,他得到美国权威地质学家钱伯林(T.C.Chamberlin)(我们在第十二章还会遇到他)的支持。钱伯林(1899)抱有这种思想[它来自物理学家廷德尔John
Tyndall]:大气中二氧化碳的增加会造成全球变暖(用现在的话说是“温室效应”),这使得大气中有更多的水蒸气,然而,这样就把太阳辐射热挡了回去。因此,可能有个气温的循环,它会与由基本原因,即地球轨道和地球自转轴的变化造成的气候变化相互影响。钱伯林(1898)还持有这样的思想:大气中的二氧化碳与封闭在石灰岩中的碳有关。因此可以说,他是首先考虑沉积旋回问题的人之一,在第十二章我们还要讨论这个问题。
在克劳尔的同事、苏格兰地质调查所的J·盖基(James
Geikie)来看,克劳尔的理论很有说服力。J·盖基后来接替他的哥哥A·盖基成为爱丁堡的地质学教授。他专门研究冰川地质或更新世地质以及古人类学(Geikie,1874,1914)。冰期这个理论显然既需要抽象理论的确认,也需要野外地质的确认。J·盖基提出,处于不同高度的河流阶地可能表明了更新世时的气候循环。这样,人们可能希望发现不止一次大冰期(如阿加西所设想的那样)的野外证据,而是有一系列的这种“冰期”的野外证据。
由钱伯林和莱弗里特(Frank
Leverett)领导的美国地质调查所的工作似乎提供了这种一系列冰期的证据,他们认为,以四次冰川“冰碛物”序列为基础,他们有北美四次大冰期的证据,并称它们是内布拉斯加冰期、堪萨斯冰期、伊利诺伊冰期和威斯康星冰期,最后一个冰期受地质侵蚀最少(Imbrie
and Imbrue,1979)。
彭克也估算了冰川沉积物的年龄。考虑到瑞士湖沉积物沉积的速率和它们的厚度,似乎这个沉积过程进行了大约20
000年。然后通过比较,人们可以估计出其他间冰期的时间,提出了里斯一武木间冰期为60
000年,民德一里斯的间冰期为240
000年。这样就诞生了一直延续到第二次世界大战以后的有关冰川发生阶段的理论。看来它与美国地质学家研究的结果、还有克劳尔的理论一致。但情况表明,很难在阿尔卑斯山南面发现相对应的砾石系列和阶地。然而,多年来当冰期和间冰期理论表明是强有力的学说时,克劳尔的天文学解释却很难重整旗鼓,原因是:看来在南半球同时也有更新世冰期,这与冰期的天文学理论完全矛盾,天文学理论要求与一个半球的冰期相对应的是另一个半球的间冰期。但是,事情并没有完结。
另一位致力于创立冰期天文学理论的,是贝尔格莱德大学的应用数学教授、塞尔维亚人米兰科维奇(Milutin
Milankovich,1879—1958)。他探讨精确确定每个行星轨道的几何学问题,指出多少个世纪以来行星轨道是如何演进的。如果你打算准确估计地球轨道随时间而变化的运动历史,这样做是必要的。他当时正设法理解地球椭圆轨道的偏心率、地球自转轴与黄道面的斜交、二分点的位置等是怎样全都随时间而发生变化的。这样,在投入了大量精力进行数学计算之后,米兰科维奇(1920)能够公布对过去几十万年的期间内两个半球所接受的辐射热的计算结果。
米兰科维奇的书很不受人关注,但是它吸引了德国著名气候学家柯本(Wiadimir
Koppen)的注意,两位科学家开始通信。柯本认为,引起冰川作用的决定性因素可能是在夏季月份中高纬度地区接受太阳辐射的量。据此,米兰科维奇计算后得出了在过去60万年内不同纬度接受辐射的统计图表。令他们感到高兴的是,高纬度的最小值看来与彭克的贡兹冰期、民德冰期、里斯冰期和武木冰期相对应。米兰科维奇继续进行工作。他得出了那种看来控制极地接受太阳辐射的黄赤交角变化的周期是41
000年,影响低纬度接受辐射的岁差周期是22
000年的结论。接着他又力求计算出由于辐射改变而产生的效应,并将克劳尔曾经提出的各种反馈过程都考虑进去,通过考虑不同纬度的已知雪线的高度解决了上述问题。最后,他发表了一个图表,图表上表示的是估算出的在过去65万年内的任意时间段冰盖的范围(Milankovich,1938)。
自从20世纪30年代以后,米兰科维奇理论的遭遇既有趣又复杂,这里无法详加论述。由于放射性碳素断代的出现,有可能直接对更新世沉积物的年龄和米兰科维奇计算出的辐射曲线作对比。最初,结果并不令人鼓舞。在美洲,在应该是米兰科维奇确定的一次冰期的中间发现了温暖气候的证据。总之,在对较古老的沉积物作对比时,米兰科维奇的结果似乎是不适合的。但是,放射性碳素断代对较古老沉积物的测定就可靠吗?
人们采用了更多的技术来研究冰期:如对含有浮游生物的深海岩芯的分析;海面升降的对比(由于在冰期高峰时水被封闭在冰帽中),测定深海岩芯中的有孔虫体内18O/16O同位素的比例,以此估算有孔虫活着的时候的地球温度。人们也对不同纬度的海洋阶地进行了研究,结果表明,对不同纬度来说,黄赤交角变化周期以及岁差周期的作用不同。珊瑚礁的年龄也得到了认真的研究。对确立海底扩张思想(见第十一章)如此重要的地磁学以及地磁极性倒转方面的工作变成了在年代对比研究上的成就,因为可以确定岩芯不同部位的岩石磁力线,并对这些磁力线进行对比。1948年,国际委员会规定了以意大利南部冷水物种的出现作为更新世的开始,那是在180万年前,这与彭克和布吕克纳粗略确定的更新世年代差别很大。还有,深海岩芯表明有9个以上的冰期,而不仅仅是彭克和布吕克纳所确定的4个。
库克拉(George
Kukla)在波希米亚一个采石场所做的工作表明,那里的黄土与在间冰期生成的土壤交替出现,用古地磁极性倒转的方法可以测出它们的年代。然后,库克拉回过头来重新审查了彭克和布吕克纳所研究的阶地。阶地依旧,但是发现在某些地方有间冰期的产物。事实上,在武木阶地甚至发现了生了锈的自行车。彭克的理论真的垮台了,同时在古人类学方面做的大量理论化研究随之也消失了,不过那是后话。以柯本所见,所设想的在米兰科维奇循环和彭克的冰期之间的对应也同时垮台了。
20世纪60年代以来做了大量这方面的工作,进一步工作的目标是,要使对深海岩芯的研究—可以用放射性方法来测定年代、用古地磁方法来作对比、用氧同位素比来估算海底岩石形成时的温度—与用米兰科维奇方法计算出的辐射曲线相匹配,比利时天文学家伯杰(Andre
Berger,1977)对此作了评论。到了1976年,经过好长时间人们最终才使得所有的证据似乎都能吻合在一起(Hays,1976):由于地球椭圆轨道的偏心率变化造成的100
000年辐射周期变化;由于地轴倾斜变化而造成的41
000年周期变化l由岁差而产生的23 000年以及19
000年周期变化。看来所有这些都能从深海岩芯中辨认出来,也与天文学的要求相符。
或许,这些可以使我们结束对地球气候问题的讨论,或许还不行。
除了与冰川假说有关的进展之外,19世纪地貌学理论的发展也相当重要,这里应该给予关注。地貌学的大部分工作是在北美完成的,在那里19世纪的大勘察揭示了地形学和地形方面如此多的新情况。干旱的西部各州的地形曾经适合于、现在也特别适合于对地形的研究,正是在如科罗拉多、犹他、亚利桑那和内华达等地的大勘察才使得有关地形形成的新思想得以确立,用来对这些地形进行描述以及对其形成进行阐述的新术语才得以诞生。
在许多到西部工作的美国科学探险家和考察者中,鲍威尔(John
Wesley Powell,1834—1902)、吉尔伯特(Grove Karl
Gilbert,1843—1918)、达顿(Clarence Edward Dutton,1841一1912)、戴维斯(William
Morris Davis,1850—1934)由于他们提出了在地形发育方面以及地形随时间变化的思想而成为突出的重要人物。在接受了多少有些不正规的教育(包括一些科学教育)之后,鲍威尔加入了联邦军队,参加了美国内战。1862年在夏伊洛(shiloh)的血腥战斗中他失去了右臂,但是他仍继续在部队工作,并晋升为少校。战争结束后,他在伊利诺伊的韦斯利大学谋得了地质学教授这一职位。其后,他承担了专业勘察工作,1881年升任了美国地质调查所的领导职务。
1869年,鲍威尔顺科罗拉多河而下,途经大峡谷,可说是单臂进行了史诗般的乘船考察旅行。第二次探险是在187l一1872年。有关这些探险考察的报告书于1875年出版。作为考察的结果,鲍威尔下结论说,他考察过的地形主要是流水对地表侵蚀的结果。(因此,像赫顿一样,我们可以称他为河成论者。)他引进了侵蚀“基准面”的概念:“在主干河流能将地表剥蚀后的产物搬运走而在它下面的山谷不可能遭到侵蚀”(Powell,1875:163)。
这个“基准面”不是一个在野外能观察到的实际自然地形,而是一种抽象概念,或如鲍威尔所称,是个“想象中的地面”。借助于这个概念,人们就可以对所观察到的现象给予解释,就可以设想那些使眼前地形得以形成的过程。侵蚀过程会使所有的陆地都降到这个唯一的基准面,从根本上说这就是海平面。但是,因为地球不时地发生运动,显然从没有达到过这种状态。因此,在不同地点、不同时间可能会发现次级的、暂时性的基准面。依据这种观点,不整合可以按照鲍威尔所绘制的大峡谷岩壁的剖面来理解(图7.2)。
特别重要的是鲍威尔提出(1875),有时水系型可能要比河水流经的山还要老。在河水向下切割的速度与陆地抬升的速度差不多相同时,就会发生这种情况,这可以说明那种非作如是解释就使人感到很奇怪的景观特征。譬如,发源于山脉一侧的河流可能切割了山脉,并在山脉的另一侧流向大海。于是,人们就可能谈论“先成谷”和“先成水系型”。鲍威尔也提到过“顺向谷”,一开始,它的形成是地球表面挠曲的直接结果
。他还引进了各种其他术语用来对河谷进行分类。
图7.2鲍威尔绘制的大峡谷岩壁剖面(1875)
这些思想多少只是赫顿旧的河成论的发展而已(更具体地说,正像普莱费尔在《赫顿理论的说明》(Playfair,1802)中所做的那样)。但是,这些思想极为重要,因为它们支持了地面侵蚀是在地形雕凿成形过程中的主要因素这一设想,比较来说,海洋侵蚀就没有这样重要的营力。此外,鲍威尔还教地质学家如何通过研究与岩石构造有关的水系来重建一个地区的自然史。事实上,由于鲍威尔的工作,人们看到了一门新的交叉学科:地貌学,或称自然地理学正在出现。
吉尔伯特服务于俄亥俄州地质调查所,后来与惠勒(G.M Wheder)在100度经(西)线以西做勘测工作。其后,成为鲍威尔在落基山地区工作的助手之一。在联邦地质调查所于1879年成立时,吉尔伯特进入到调查所工作直到他工作生涯的结束。在研究西部各州的“盆地和山脉”地区时,他提出很多地形起源于“断块”,而不是像地质学家对阿巴拉契亚山脉的大量研究(Gilbert,1875)所表明的那样是由于侵蚀作用于褶皱表面的结果。尽管如此,吉尔伯特像鲍威尔一样,非常强调地面侵蚀的意义,他引进了“均夷”(grade)的重要概念,这个思想就是,河道呈持续下降的曲线,并且这种下降的程度正好使河流能搬运走水中的负荷。河流的均夷平衡剖面就像图7.3所示。但是,如果抵抗侵蚀的力不均,那么河流的坡降也会因此而变化,能量会集中在能承受得住侵蚀的地点(如在险滩或瀑布)。这样,在侵蚀力和地球的地貌之间不停地有动力调整。用另外一种方式表达就是,当河水快速流动时,它具有的能量要比搬运悬浮物负荷所要求的能量人,它就会“磨蚀”河床。流动缓慢的河流会使沉积物沉积下来。在介于中间的情况时,即当河流既不沉积也不磨蚀时,它就处于“均夷平衡”状态或已达到了均夷平衡。吉尔伯特(1877)提出,所有的河流都向着均夷平衡状态发展。这个原则事实上可以应用到所有的搬运坡度上。
图7.3河流均夷平衡剖面图。
图7.3所示的剖面也表明了山脉分水岭的一般形状:越向山顶越陡。在植被覆盖好的地区尤其可以预见到这样的形式,在那里搬运的速度是对侵蚀的一种限制因素。另一方面,在干旱地区,在没有剥蚀物质堆积的情况下,侵蚀速率受到风化速度的限制。这样侵蚀会依赖于岩石结构的多样性,于是,岩石结构体现在地形上(Gilbert,1877)。这就是在美国西部十分常见的现象。如吉尔伯特所说:“在很潮湿的地方,分水岭法则最为重要;在干旱的地方,岩石结构法则最重要。”吉尔伯特按照平衡和比率,特别是力和阻力之间的平衡和比率来思考地球问题。在时间的进程中,作为力的相互作用的结果,各种地形逐渐出现。在某种意义上,赫顿和普莱费尔的工作隐含着这种思想。但是,现在吉尔伯特试图要发现侵蚀力和沉积力起作用时所要依据的法则。这样,地貌学成为有自己特定法则的一个分支学科。把自然力对地球表面的刻蚀过程当作定律一样看待,因此易于进行科学描述和分析。这样,地球科学的一个新领域被置于人类智力活动的控制之下。一座岩盖山(埃尔斯沃斯穹隆)的对称构造”为吉尔伯特研究新抬升地区的水系发展提供了教科书案例。
和鲍威尔一样,达顿在内战时也是个军官。后来他开始对地质学感兴趣,在鲍威尔赞助下,他领导了在科罗拉多的野外探险考察,后来他成为联邦地质调查所科罗拉多分部的负责人。正是科罗拉多为达顿的理论思想提供了重要的灵感,当然,就对地形的认识来说,他主要受到鲍威尔工作的激励。显然,达顿(1880--1881)采纳了鲍威尔的先成水系思想(达顿称之为“河流持续性”)和基准面思想。像在美国西部沙漠地区工作的其他
地质学先驱一样,达顿是个彻底的河成论者。从他1882年的报告《大峡谷地区的第三纪历史》(Tertiary History of the Greed Canon District),Dutton,1882)中的一幅图可以看出(如图7.4所示),显而易见,他具有山谷是由于河流侵蚀而挖掘出来的思想。
图7.4达顿绘制的峡谷发育的剖面图
在达顿的图解中,峡谷的形状决定于岩石的硬度。在河流切过上部A时,A这个地方是“顽石一块,或者说非常能抵御风化”(Dutton,1882),这样就形成了很狭窄的峡谷,形成了几乎是直立的谷壁,因为河水能很容易地将从坚硬岩石剥蚀下来的岩屑搬运走。但是当侵蚀远达口处时(“显然那里的岩石较软,抵抗风化的能力也减小了”)岩屑的供应增加了,由于河流的倾斜度减小,搬运的速度也就放慢了。这样形成了由山麓堆积组成的和缓斜坡。一旦河流切割到C和D,地形形成过程可以说又将重演。如达顿所指出的,山麓堆积或岩屑是悬崖剖面形状的校准者。这些思想再简单不过了,但是,达顿做了有益的工作,使它们具有某种普遍原理的形式。例如,在悉尼离我家很近的蓝山(Blue
Mountains)
仔细看图7.5,就会对那种不可思议的岩区产生想象,这种想象极大地激发人们去研究在认识地形发育方面的新方法。这张图是从达顿探险后发表的出版物中复制下来的。这幅气势磅礴的画卷画的是从Sublime
Point所看到的大峡谷地区的凯巴布河谷(着的是原色)。毫不奇怪,这样的景观会激发出认识地球表面特征的新方法(Pyne,1982),美国西部的大开发导致了地质学新分支——地貌学的出现。
达顿将成层岩石来自于陆地剥蚀这一概念视为“地质学的基本前提”。确实,它“对于地质学来说,就像是万有引力定律对于天文学”(Dutton,1880—188l)。在这一点上,他再次表达了那种自从赫顿和普莱费尔以来就已在文献中得到确认的地质学观点。但是,美国西部的探险和考察所得到的大量的经验证据,也赋予了过去的思想以更大的力量。达顿还提出(或命名)地质学上具有根本性的均衡概念,不过,将推迟到下一章讨论它,在那一章,我们将研究19世纪有关大规模造山过程的思想。
图7-5 大峡谷地区的Sublime Point所见凯巴布河谷景观(Dutton,1882)
戴维斯(William M
Davis)将我在上面已经讨论过的与地貌学和地形形成有关的一些思想收集到一起进行了大综合。戴维斯借用了达尔文学派,特别是“德国的达尔文”海克尔(Ernst
Haeckel)进化论中的一些概念,成功地将这些材料组成了统一的整体。戴维斯认为地形的发育与生物发育相类似。这样,地球的研究得到了发展的思想方法的支持,19世纪许多理论家觉得那种思想方法特别有吸引力。1870年,戴维斯毕业于哈佛大学,获工程硕士学位。这使他一开始就从事了勘察工作,包括为通过蒙大拿的北太平洋铁路路线所做的准备工作。这个时期他产生了一些地貌学上的思想,1885年他获得了哈佛大学助教的职位,最终于1898年晋升为地质学的正教授。
地球表面以与有机生物类似的方式发展和演变的思想为戴维斯提供了用于思考地球问题的透镜。事实上,他喜欢称他的方法是“地文学上的个体发生学。在年轻的山地地表上,山谷的截面呈V形,因为河流流经高地时挖掘相对快。但是,当河谷变老时,谷地就变宽了,这样终有一天,除了山顶和山脊之外,受到切割的原始平原将不复存在。最后,当河流流入大海时,两边的陆地可能几乎完全是平坦的,河流造成了环形沙嘴,或许它要流过三角洲。通常都有河口泥质浅滩。戴维斯称第一个发展阶段为少年期,第二个是成年期,第三个是老年期或衰老期。他也提到过介于中间的青春期(Davis,1889)。整个河流系统就这样地“演变”着。这个图景像是花蕾“绽开”成花,而不是由于自然选择而发生的某种过程。
戴维斯的语言中有很多用有机生命来作的比喻。河流“活着和残喘着”。它们有“生命的历史”和“生命的循环”。它们在“做工”、“完成(侵蚀陆地的)任务”。河源“在啃咬源头”。在“幼儿期”,河流可能对原始地表不平而“困惑”,以致由于最初没有足够的力量铲除这些不平,在低地形成了湖泊。河流甚至是“抢劫者”,有时会捕获其他河流(Davis,1889)。此外,河流可能会“回春”。假若在发展的某个阶段,相对于河谷向下切割,陆地表面抬升得很快,就可能发生这种情况。这时,V形谷可能一直切到新抬升的高原,已经回春了的山谷,侵蚀作用又深又陕,有时在这种山谷和旧的高原地表相遇处会有瀑布。但是,如果由于陆地抬升,河流可能“复活”或“回春”,那么由于陆地下降它们也可能会被“溺死”,从而形成了像悉尼海港或旧金山那样的河谷。或者,如果靠近大海的某些地区有弯弯曲曲的“年迈”河流被淹“死”,那么就可以发现像在悉尼南部著名的植物湾一样的环形海湾。如果河流通过瀑布直接落入到大海,那么,陆地的抬升就一定是在近期了。这样的情况不多见,但是我在爪哇南海岸见到过一
个很好的例子。
戴维斯充分利用了鲍威尔的“基准面”的概念。当河流逐渐地“变老了”的时候,它的活动一直达到它的基准面。从根本上说,这一定是海平面,不过,大河可以作为支流的暂时基准面。戴维斯同样也使用了“均夷”的概念:直到河流只搬运它们所负载的沉积物,既不沉积也不再向下切割的时候,侵蚀活动就结束了。在这种情况下,河流的曲线或剖面达到了均夷平衡状态。
最终,戴维斯在达尔文主义的道路上走完了全程,他设想了河流之间的“生存竞争”:(陆地)抬升得更高的结果,河流恢复了丧失掉的活力,又开始了侵蚀,使得河道降低,在将陆地再次降到合适高度的过程中,河谷得到发展。……在进行这样的调整过程中,每一条河流都为自己的生存而搏斗……较陡地区的河流对陆地的侵蚀要比平坦地区的快得多,相互抗争的河流之间的分界线结果被推向了软弱无力的那一支河流。按照这样的方式,由美国人戴维斯将在美国西部工作过的前辈们(如鲍威尔)提出的地貌学思想置于19世纪进化论(evolutionism)的总的世界观的保护之下。这是个吸引人的综合,很快就吸引来了无数的支持者。戴维斯在人类认识地球所使用的语言上(或许现在还没有意识到)永久留下了印记。