四、物理地质学

地壳中各主要类型地层的性质、成因和时序的问题，在十七世纪已经引起注意，尤其可以提到斯特诺的小册子（De solido intra solidum naturaliter contento，1669；H.O.英译为Prodromus，…，1671）。这个问题在十八世纪里引起了远为严重的关注，而这在很大程度上是由于布丰的推测激起了广泛的兴趣。总之，这一组问题构成了十八世纪地质学的主题。尽管水成学派和火成学派（或火成论者）间的无谓论争造成了障碍，但朝向这个问题的解决还是取得了相当大进步。进行这项工作的研究者中间，相当一部分人很熟悉矿山，尤其是英国的煤矿。这个世纪初，英国、意大利和德国都进行了对地层分类的值得称道的尝试。

约翰·斯特雷奇（1671—1743）研究了英国西南部的各种类型地层及其层序。他把研究成果发表于两篇文章和一本书之中。这两篇文章“对在萨默塞特郡门迪普煤矿观察到的地层作了令人啧啧称奇的描述”（Phil.Trans. ，1719），“对煤矿地层作了解释”，等等（Phil.Trans. ，1725）；那本书的题目则为《各种地层和矿物层等等的观察》（Observations on the Different Strata of Earths and Minerals，etc.）（1727年）。在这些著作中，斯特雷奇正确地描述了从煤到白垩的地层系列的主要门类，注意到这样的事实：煤层是倾斜的，红泥灰岩以上上层地层都是水平的，横穿过煤层边沿。

乔瓦尼·阿尔杜伊诺（1713—95），祖籍维罗纳，是威尼斯大学教授，专门研究意大利北部的岩石。他在“两封信”中解释自己所引出的结论。这两封书信是他在1759年写给安东尼奥·瓦利斯内里的，1760年发表于A.卡洛杰拉的《科学小册子新收获》（Nuova Raccolta d’Opuscoli scientifici）之中。这两封“书信”所以值得提及，是因为信中率先把岩石分为第一类、第二类、第三类和火山类四类。阿尔杜伊诺归入第一类的是片岩，它们构成山岭的核心，不包含化石。归入第二类的有石灰岩和泥灰岩、黏土和页岩以及其他包含大量海相化石的成层岩。第三类包括比较晚近的石灰岩和泥灰岩、黏土和砂等等，它们由第二类地层剥蚀而产生的物料形成，只包含陆相化石。火山岩构成一个单独的类或亚类，由火山喷发和洪水泛滥造成的熔岩和凝灰岩组成。

约翰·戈特洛布·勒曼（卒于1767年）约在同时倡言一种有些相似的地层分类法。他是柏林大学教授，后来是圣彼得堡大学的教授。他精心研究了哈尔茨山脉和埃尔茨山脉的岩石，在他的《论弗洛茨山脉的历史》（Essay on the History of Flötzgebirge）（或成层岩）（柏林，1756年）中发表了对这些岩石的说明。他把岩石分为三类，第一类是最古老的岩石或山脉，它们向下延伸到不知多少深，向上达到最大高度，种类很少变化，垂直或者倾斜，绝无水平的。第二类是成层岩，由水成层沉积形成，地层是水平的，按规则层序排列，纹理最粗的沉积物在底部，最上端是石灰岩。第三类是更晚近的地层，它们是在第一和第二类岩石形成之后，各时期里局域偶然事件所造成的结果。

我们现在考察的这批十八世纪先驱中，最重要人物也许是勒曼同时代的同胞格奥尔格·克里斯蒂安·富克泽尔（1722—73）。他原籍图林根的伊尔梅瑙，任鲁道尔施塔特亲王的医生。还在当学生时，他就发现了埃尔富特附近马堡的煤层，后来对图林根的地质发生兴趣。1762年，他发表了一篇拉丁文的长篇论文，题为《地球和海洋史，基于图林根山脉的历史》（A History of the Earth and the Sea，based on a History of the Mountains of Thüringen）（Trans.Elect.Soc.Mayence.Vol.Ⅱ），1773年，又用德文发表了《地球和人类最初历史概述》（A Sketch of the Oldest History of the Earth and Man）。这篇早期论文包含第一张图林根的详细地质图；它还谨慎地定义了许多地质学术语，例如地层、地层系（formation）（山系）等等。他说的地层系，是指依次相继形成的一些地层，它们在各方面都十分相似，足以代表一个地质年代。他识别出图林根有九个这样的地层系：

（1） 最古老的是垂直岩脉系，构成图林根和哈尔茨山脉的顶峰。

（2） 按年代顺序的第二个地层系是石炭系。

（3） 第三个地层系是带大理岩层的板岩。

（4） 第四个地层系为红岩，夹有红色大理岩。

（5） 第五个地层系由白岩组成，带有黏土和砂层。

（6） 第六个地层系由含金属的地层系或二迭系和含铜板岩组成。

（7） 第七个地层系由颗粒石灰岩和白云泥灰岩或蔡希斯坦白云岩。

（8） 第八个地层系由砂岩系或斑砂岩组成。

（9） 第九个也是最晚近的地层系是壳灰岩统或上灰岩统。而且，富克泽尔还仔细观察了各个地层系中发现的各种化石，例如煤中的陆生植物、蔡希斯坦岩中的暧昧石、壳灰岩中的菊石。他还注意到，有些地层系只包含陆相化石，表明了古代陆地，而另一些只包含海相化石，表明了那里以往有海洋。

这样，这些先驱者表明了一门科学地层学的基本原理。但是，由于这样或者那样的原因，他们的著作在此后很长时间里很少或者说根本没有受到注意。因此，他们奠定的基础长期受到忽视。这期间出现了一个比较引人瞩目的地质学派，它主宰了十八世纪的余下时间，大大阻碍了科学的进步，同时也对地质学研究的流行和普及作出很大贡献。这个学派就是“地球构造学”的维尔纳学派，或称水成学派。

亚伯拉罕·戈特洛布·维尔纳（1749—1817）原籍萨克森的威劳，他一度在那里的一家铸工厂掌管一个熔铸车间，但为了到弗赖堡矿业学校上学，便离职而去。后来，他又进了莱比锡大学。1774年，他发表了一本德文小册子《矿物的外部特征》（The External Charaters of Minerals），这本书的论述特别讲究方法和条理，给人留下十分良好的印象。1775年，他就任弗赖堡母校的收藏馆馆长和采矿工程学教师，直至终老。他使这所学校成为世界最有名的地质学校，吸引了世界各国的大量学生。他生平著作不多。除了上面提到的那部矿物学论著而外，只有一本题为《各类岩石的简单分类和描述》（A Brief Classification and Description of the Different Kinds of Rocks）（德累斯顿，1787年）的小册子、几篇矿物学论文和一本薄薄的书，题为《矿脉起源的新理论》（A New Theory of the Origin of Mineral Veins）（1791年；Charles Anderson译，1809年）。然而，他的盛名并不仰赖于其著述。他是个极富魅力的演讲师，他那十足的教条主义促使他的学生热衷于他的观点，他们充当他的地质学信经的门徒和传教士，云游四方。维尔纳观点的完整阐述，只能从他的虔诚门徒的著作中去寻觅，其中尤其是弗朗茨·安布罗斯·罗伊斯、多比索·德瓦赞和罗伯特·詹姆森，后者是爱丁顿大学教授、《地球构造学基础》（Elements of Geognosy）（爱丁堡，1808年）的作者。他所以能引起听众的兴趣，不仅因为他对论题的讲述简洁明了、条理清楚，而且还因为他广泛涉猎人类感兴趣的各个领域。尽管他的演讲从矿物开始，但他结束时不停留于矿物，而是纵论矿物分布对民族迁移和特性、对人类生活的工艺美术、对历史、政治和战争，总之，对整个文明的命运的影响。无疑，对地质学研究的流行所作贡献最大的人，莫过于维尔纳。

虽然他醉心于演讲中这样驰骋思辨，但维尔纳还是宣称蔑视那些致力于“地球成因学”（即关于地球起源的理论）的思辨地质学家，而正因为这个缘故，他宁可把他的论题称为“地球构造学”，他把它定义为“探索地球构成、各种岩层中矿物的排列以及矿物的相互关系的科学”。他以尊重观察事实，避免一切思辨理论而自豪。然而，他根据自己在萨克森的十分有限经验便作出关于整个地球的一般结论，却又毫不为此感到内疚；像这里将可从他扼述其观点的一段引文可以看到的那样，他仅仅通过强调地断定他的全部假说，便把它们转变成“事实”即确凿的东西。

像他的几个前驱（我们已介绍过他们的观点）一样，维尔纳相信，某些系列、“套”即岩层系规则地重复，每个这样的层系表征了地球史上某个时代。以他在萨克森的观察为指导，他列举出存在依下列时序产生的五个这种层系：

（1） 首先是不包含任何化石的原生岩。它们包括花岗岩、片麻岩、云母板岩、绿泥石片岩、原生绿岩和石灰岩、石英岩、蛇纹岩、斑岩、正长岩，等等。

（2） 按年代序，其次是包含化石的过渡岩。它们包括云母板岩系、结晶片岩、杂砂岩、过渡绿岩和石膏。

（3） 第三类由沉积岩或浮岩组成，包括砂岩、煤、石灰岩、含金属岩、沥青褐煤、壳灰岩、软性岩和白垩、玄武岩、褐煤、黑曜岩、岩盐，等等。

（4） 第四类由运积岩即导生岩组成，包括砂、黏土、卵石、石灰华、沥青木、皂石和矾土。

（5） 第五类也是最近的一类是火山岩，包括真正的火山岩（即熔岩、火山渣和火山灰、白榴拟灰岩和凝灰岩）和假火山岩（即烧黏土、碧玉、磨石和矿渣）。

按照维尔纳对这些各不相同的层系形成方式的解释，海洋起着至高无上的作用。因此，这个地质学派名为水成论。维尔纳认为，地球原先是个完全由海水包围的坚实核心，这海洋的深度至少等于山脉的高度。原生岩石由这大洋所熔解的岩石原料通过化学结晶而形成。过渡岩石中，有些（即板岩和页岩）由化学沉淀形成，其余的（例如杂砂岩）均由机械沉积生成。平静期和扰动期相互交替，海水时而消退而产生新大陆，时而泛滥而淹没现存陆地。这样，就生成了浮岩。运积岩或导生岩层系产生的条件与此相似。按照维尔纳的看法，火山岩最后出现。维尔纳认为，地球没有内部火或别的内部能量积储。因此，他只能把火山岩看做是晚近的偶然产物，并按旧的观点解释其原因。这种旧观点是说，火山岩乃因地壳中积聚的煤燃烧而产生，它们在海洋造成那四个主要地层系之后过了很久才问世。尽管德马雷斯含辛茹苦得来的证据恰恰反对这种观点，但维尔纳仍然倡言这样的观点：玄武岩不是火山的产物，而是水成的，像盖塔尔坚认的那样。

维尔纳的岩石分类法有条有理而又简洁明了，投人所好。任何人在他指导下考察了萨克森的一个矿山，也就能对地壳其余部分的矿山了如指掌。而成因解释甚至更加简单。一切基本类型岩石无非不是大洋的化学沉淀，就是其机械沉积。水能否溶解花岗岩、金属等等这类物理化学问题或者按下不提，或者就搪塞过去。这些基本学说是本着一种浅显自信的精神传授的。哪怕它们有些话说不大通，对它们提出疑问，似乎也是无礼的行为。维尔纳的下列一段话或许是令人感兴趣的，它既综述了他的理论，又表现了他那无以复加的自信。

“在重新扼述我们知识的现状时，显而易见的是，我们确凿无疑地知道：浮岩山脉和原生山岭是在覆盖地球的水中相继形成的一系列沉淀和沉积所产生的。我们还可肯定，构成山脉岩床和岩层的矿物都溶解在这遍布全球的洪水之中，并从中沉淀；因此，在原生岩和浮岩山岭岩床中发现的金属和矿物也包含在这遍布全球的溶剂之中，并从中沉淀而形成。我们还进一步断定，不同时期从中形成不同的矿物，时而形成泥土矿物，时而形成金属矿物，时而形成其他矿物。我们根据这些矿物上下重叠的位置，还知道如何以极其高的精确度确定，哪些矿物是最古老的沉淀物，哪些是最晚近的。我们还深信，地球的坚实质体是相继（以湿汽方式）形成的一系列沉淀所产生的；如此积聚起来的矿物的压力在全球不是到处相同的；由于这种压力差别和其他一些共同起作用的原因，地球物质、主要是地面上最高部分产生了裂缝。我们还相信，遍布全球的水之中的沉淀物必定进入水所覆盖的袒露裂隙之中。并且，我们现在确然知道，矿脉带有在不同时期里形成的裂隙的一切标志；由于那些导致矿脉形成的原因，矿脉物质的质地同山岭岩床和岩层绝对相同，这些物质的质地仅因它们出现的空腔的地点不同而异。事实上，那个大储存器（容纳遍布全球的水的那个大空腔）中包含的溶液必然要经历各种运动，而其局限在缝隙中的那部分则未受扰动，而以平静状态沉积其沉淀物”（Theory of Mineral Veins，英译本，第110页）。

在维尔纳及其门徒高擎水成论大旗胜利前进的同时，不列颠群岛却在默默无闻地进行细致的地质学研究工作，旨在消除弗赖堡学派造成的危害，把地质学引向一条更加科学的通路。这个抵抗运动的领袖是赫顿。赫顿表明，地下热源是实际存在的，参与造成地壳的某些地层系。因此，这个地质学派用上了火成论（Vulcanism或Plutonism）的名称，恰同维尔纳学派的水成论成为对比。

詹姆斯·赫顿（1726—97）出生于爱丁堡，上过当地的中学。他17岁时跟一个律师当学徒，但不久就为了攻读医学而离去，先是在他家乡的大学，然后在巴黎，最后在莱登，1749年从那里毕业，成为医学博士。但是，他从未行过医。他一度进行各种化学实验，包括硇砂的实验。他最后从硇砂的制造中挣得足够收入，从而得以从事那些他的名望所系的无利可图的地质学研究。1752年，他去到诺福克的一个农场研究农业，从1754到1768年，他经营自己在贝里克郡的农场；但后来他又离开那里，到爱丁堡定居。他在这里结交了约瑟夫·布莱克、约翰·普莱费尔（数学教授）以及詹姆斯·霍尔，全身心地致力于自己的研究。这些研究绝不局限于地质学。在他那经典的《地球理论》（Theory of the Earth）问世之前，他已经发表了关于物理学和形而上学的论著。虽然他对地质学的兴趣已有很多年，但他直到1785年才撰写这门学问的著作。在这之前，他已到苏格兰、英格兰、威尔士和欧洲大陆进行过地质旅行，实际上已构思了他的地球理论，并口头告诉过他的朋友。那年，他接受劝说，向当时新建立的爱丁堡皇家学会报告工作。他呈交了两篇论文，发表于该学会《学报》第一卷，题为《地球理论；或地球陆地的组成、离解和复原的可观察规律的研究》（Theory of the Earth；or an Investigation of the Laws observable in the Composition，Dissolution，and Restoration of Land upon the Globe）。这理论似乎没有引起多大注意。但是，1793年，后来的爱尔兰皇家科学院院长理查德·柯万（1733—1812）相当激烈地抨击了它。于是，赫顿致力于把他的理论搞得更精致，并提供更充分的证据支持它。其结果便是1795年出版的两卷本《地球理论，附证明和插图》（Theory of the Earth，with Proofs and Illus trations）。计划的第三卷共有六章，于1899年由伦敦地质学会出版。

赫顿深入思考了科学方法的问题，发表了一部关于知识问题的多卷著作（An Investigation of the Principles of Knowledge，and of the Progress of Reason from Sense to Science and philosophy，3Vols. ，4，1794）。因此，他进行研究的方法不是随意的，也不是不自觉的，而是经过深思熟虑选定的。这些方法主要可以说是自然主义的方法。地球的既往史必须根据那些现在仍可观察到的或者晚近观察到的自然作用来解释，而不能诉诸任何超自然原因的作用。不管怎样，在科学中，自然现象必须被看做为形成一个不受超自然干预的自成一体的体系（Theory of the Earth，Vol.Ⅱ，p.547）。

像前人一样，赫顿也观察到，土壤覆盖下的岩石通常由按一定顺序排列的并行岩层组成，虽然各岩层在组成上不同，但它们看来全都由更古老岩石的碎屑组成。并且，在海洋的下面，可以形成完全一样的岩层。因此，看来像我们现在所知道的那样，陆地大都可能是由以往存在的陆地的碎屑组成，像沉积物那样水平地展布在海底上，变为坚实的岩石。因此，我们有理由设想，地球一度为水的海洋所包围，而在海底，原生岩石核心的碎屑密集而成为坚实的岩层。但是，赫顿不认为，仅仅压力就能解释软性沉积物之固结为坚实岩石。他坚持认为，固结需要地下热的作用，但他也认识到，热对岩石的通常效应要受它们所承受的压力作用影响。他的观点似乎为斯特诺早已注意到的一个事实所证实，即陆地岩层往往偏离它的作为海相沉积物所应处的水平位置，而且所处位置极不规则——倾斜、折叠、扭弯、断裂，沿垂直位置则端未都截平。像他所指出的，偶尔还发现紧密并列的岩层，它们通常离得很远，分属迥然不同的岩层系。按照赫顿的意见，这些都只能用地球内部蓄积的热所引起的灾变来解释，这种灾变为受热作用的物质产生的抵抗所缓和，结果，在地壳中产生了形形色色的扭曲和不规则性。赫顿认为，火山是地球的通气孔和安全阀，地球的内热不时通过它逸出，从而“防止陆地不必要地升高以及地震的毁灭性后果”（Theory，Vol.Ⅰ，p.146）。

于是，赫顿形成了这样的观念：地球内部可能包含“一种流动物质，它被热的作用熔融，但不发生变化”；他进而还解释了其他各种地质现象。为此，他假设，这种熔融的物质有一部分被从地球内部挤入地壳，从下面侵入各种地层。赫顿认为，粗玄岩（包含颇多争议的玄武岩）、斑岩和花岗岩就是这种侵入岩。因此，他提出，花岗岩和粗玄岩的岩脉是火成物质从下面外流的结果，而不是在上面的海洋沉淀所形成。

赫顿明确认为，玄武岩起源于火山。他首先解释了玄武岩（和类似岩石）同普通熔岩流之间的差异。玄武岩所以具有结晶结构，是因为组成它的熔岩没有到达地球表面，而是留在地下，并在上面岩石的巨大压力下固结。溢出地面的熔岩没有受到这种压力，因此，具有囊状结构。赫顿的假说后来由詹姆斯·霍尔爵士用实验加以证实。

虽然赫顿是个火成论者，但现在应当可以明白，他并不否认像热一样，水在地质演变这场戏剧中也扮演着重要角色。相反，他对地面在水以及空气和热的作用下不断变化的方式作了精彩的描述，给人留下深刻印象。大气的风化作用和化学剥蚀作用使岩石分解；雨和流水把岩屑冲入海洋或其他储水的场所，岩屑在那里蓄积起来，形成新的岩层，它们在适当时候由于某种内部灾变而隆起。这样，旧的陆地被冲掉，新的陆地崛起；这种变化现在仍缓慢但不停地继续进行；“没有显现出开端的踪迹，也望不到终结的尽头”。

就自然地理学而言，特别令人感兴趣的是赫顿关于流水刻蚀地面的思想。这个思想的最精彩表述见诸普莱费尔的《赫顿理论例话》（Illustrations of the Huttonian Theory），其中的有关段落录引在第488—489页上。

赫顿的文字表达能力很差。因此，要不是他的朋友普莱费尔的帮助，他的思想的传播本来还要大大延迟。普莱费尔的《赫顿理论例话》（1802年）竭力把赫顿的思想表达得通俗易懂而又生动有趣。然而，他在书中也贡献了自己的思想。其中最有独创性的，是他认识到冰川的地质学功能。他指出：“无疑，大自然用以搬移巨大石块的最强大动力是冰川，即那些在阿尔卑斯山脉和其他一等山脉的极深峡谷里形成的冰河或冰湖”（Illustrations，p.388）。地质学家和其他人长久以来已对巨大漂砾怎么会令人难以料想地搬移到阿尔卑斯山脉的山坡和平地的问题，感到困惑不解；但是，在普莱费尔想到以往和现在冰川这种潜在可能性之前，人们一直提不出说得通的解释。他还给欧洲陆地高度升降不居找到了最充分证据，并表明了，苏格兰海岸某些浅滩的升高，必定是因陆地高度上升所致，而不是海面下降的缘故。

赫顿另一个朋友詹姆斯·霍尔（1762—1831）的工作，对于地质学的进步和火成论之战胜水成论，甚至具有更为重要的意义。我们可以言之有理地把霍尔说成是实验地质学之父。诚然，以往已有人做过一些这种实验。我们前面已经提到过布丰和德索絮尔的实验。然而，霍尔的实验远为广泛和带有系统性，并且在进行实验时，他还具有远为深刻的洞察力。赫顿本人并不十分推重实验，因为他不信任那些“推理能力差的人”，他们“拿着一支烛炬，往一只小坩埚底下瞧瞧，凭此就给矿物界的大规模作用下判断”（Theory，Vol.Ⅰ，p.251）。当人们重提德索絮尔根据不充足的实验推断，玄武岩不可能由熔融而成时，赫顿表示疑虑，看来不无道理。但是，霍尔具有与众不同的能耐。他从布莱克和赫顿那里了解到诸如物体加热时压力变化或者冷却时冷却速度变化等因素的潜在重要性。以这种思想为指导进行的实验，自然比早先那些零散而又相当粗糙的实验更有其价值，结果也更其确定。

霍尔的主要实验结果驳倒了维尔纳派水成论对赫顿火成论所提出的诘难。这种反对意见主要有以下两点。

（1） 首先，它反驳赫顿的火成论说，花岗岩和粗玄岩之类结晶质岩不可能由熔融的岩浆形成，而只能由海洋沉淀形成，因为如果这种熔融物质冷却，则它将成为玻璃质的和无定形的，而不是结晶质的。

（2） 其次，它反对说，石灰岩不可能由熔融态的类似物质形成，因为当这样加热时，一切碳酸均将变为游离的而逸散，其结果将生成生石灰，而不是石灰岩。

霍尔用实验否证了上述第一个论据。他表明，采自维苏威和埃特纳的粗玄岩和熔岩样品可加热使之熔化，然后，可让其冷却，于是，它们便变成玻璃质岩或结晶质岩，视让熔融岩浆迅速还是缓慢冷却而定。他在这些实验中应用了一家铁工厂的反射炉。不过，这实验是利思玻璃厂的一次事故提示他做的。让一定量绿玻璃缓慢冷却，结果它失去玻璃特性，成为不透明的和结晶质的；但当其中一部分重新熔融并使之迅速冷却时，它便又呈玻璃性质。这样，他就做了大量实验，研究冷却速率变化的效应，证实了赫顿关于结晶质岩石是火成岩的观点，否证了水成论的主张即结晶质岩必定起源于水。这些实验还附带也解释了赫顿所注意到的下述两种熔岩间的差异。从一条冷裂缝中升起的熔岩，在敞露的表面处迅速冷却，成为玻璃质的；内部的熔岩则缓慢冷却，变成结晶质的。

同样，第二条反对意见也用适当的实验加以反驳。他把一些粉末状石灰岩放进瓷管、枪筒和由实心铁钻孔而成的管子，仔细把它们密封，然后，让它们经受当时所能得到的最高温度。在被限制的超温加热的空气的巨大压力作用下，石灰岩熔化而又未失去它的碳酸，貌似大理岩。

霍尔做了数百次实验来支持赫顿的理论。这里必须再引述一个实验，他用它表明，一个盛有海水的铁容器底部的砂，只要把它们加热到赤热即可使之变成坚实的砂岩。

霍尔对他的实验的说明载于1790年起的爱丁堡皇家学会《学报》（Vols.Ⅲ—Ⅶ等等）。他一度是这学会的会长。

当然，十八世纪还有许多别的地质学家。然而，他们的工作虽然不无重要之处，但在一部科学通史上没有必要加以叙述。十八世纪末年，还有一些人做了初步的研究工作，他们终将扬名科学史，不过，他们的劳动只是到十九世纪初年才结出硕果而闻名于世。因此，他们理应属于十九世纪。

（参见 A.Geikie：Fownders of Geology，第2版，1905；K.A.von Zittel：History of Geology and Palaeontology，1901；F.D.Adams：The Birth and Development of the Geological Sciences，Baltimore and London，1938；K.F.Mather and S.L.Mason：A Source Book in Geology，New York and London，1939。）