一塊岩石的生成:水成說與火成說的爭論(中)

Share

Storyteller / 蓋瑞

相較於水成說承襲了自古以來富有宗教意味的洪水理論,火成說看來像是從外星球突然誕生的想法。但是,仔細研讀當時的歷史,會發現火成說的誕生合情合理,而在野外的「幸運觀察」幫助這套學說奠定其地位。在這一篇中,我們將介紹火成說如何誕生、它又是如何描述地球形成的機制。

 

來自農業與工業的啟發

火成說的開創者為蘇格蘭地質學家詹姆斯.赫頓(James Hutton)。他的爸爸威廉(William Hutton)因為從商,家中非常富裕,擁有兩塊非常大的農場。只是在赫頓兩歲時,父親因故過世,母親只得一人獨力扶養赫頓與三個妹妹。

圖、赫頓的畫像。(圖片來源:wikipedia

 

一七三六年,赫頓進入愛丁堡高中就讀,當時他年僅十歲,卻已開始學習拉丁語、希臘語和數學;十四歲時,他進入愛丁堡大學就讀,並於一七四三年畢業。雖然赫登於畢業後隨即應徵了一份律師學徒的工作,但他的心卻一直不在法律,而是化學實驗。最終,他決定追隨自己的喜好,再度回到大學學醫(當時的醫學會碰到很多化學實驗),並於一七四九年畢業、轉往至倫敦居住。

一七五〇年的夏天,赫頓與他的大學同學詹姆斯.大衛(James Davie)在愛丁堡開啟了化學事業,這事業意外成功,並讓赫頓獲得龐大的財富,他開始有餘力去經營從父親那裡繼承而來的農場。又為了好好研究當代農業技術,赫頓搬到位於諾福克郡(Norfolk)的農場,一住就是兩年,這兩年將成為他開始對地質感興趣的轉捩點。

務農期間,赫頓注意到土壤主要來自於地表岩石的風化,這過程中也包含生物的作用;此外,他也注意到土壤會持續受到侵蝕、帶往海洋。他思考,如果這些土壤最終都會被侵蝕、沖刷至海洋,那麼應該有個機制讓海裡的土壤再次回到地表,否則,地表將因侵蝕作用逐漸變得低平,農地無法生成、生命最終也將消逝。那麼,赫頓想,有什麼機制能讓地表作用不斷循環?

理解地球內部動力的機制是解決赫頓疑惑的關鍵,幸運的是,赫頓當時認識許多在歷史上赫赫有名的人物,像是布萊克(Joseph Black;重要化學家,發現鎂、二氧化碳的人,也了解潛熱和比熱)、瓦特(James Watt;發明了實用的蒸汽機),以及經濟學家史密斯(Adam Smith)等人。尤其是瓦特,他是啟發赫頓最多的學者之一,因瓦特帶他認識了蒸汽機的運作原理,這些新知融合赫頓在大學學醫時獲得的血液循環概念,幫助赫登提出了地質循環的理論。

圖、赫頓認識的重要人士:布萊克(左)、瓦特(中)、亞當斯(右)。(圖片皆已附上來源連結)

 

大熱機與火成說

一七八五年,赫頓受愛丁堡皇家學院邀請發表地質循環的理論。在理論中,赫頓將蒸汽機的結構融入,假想地球具有很熱的內部,且富含植物吸收陽光後儲存而成的燃料。緊接著,地球內部的物質會因為受熱漸漸的向地殼膨脹、使地表地層彎曲;熔融的岩石也可能衝出地表形成火山。有時岩漿不會衝破地表,只讓表面形成一座小丘或是一座山,這些沒有噴發的岩漿在地底下逐漸冷卻結晶成花崗岩。

地表的侵蝕作用使花崗岩裸露出來,岩石受地表長期風化後,逐漸變成人類可使用的肥沃土壤。接著,沉積物逐漸堆疊,因壓密膠結成岩;同時間,其本身的荷重也會促使底部的溫度上升,岩層夠厚的時候,地底溫度甚至高得可讓岩石再次熔融成岩漿,使得新的循環再次誕生。

當時他的演講題名《Concerning the system of the Earth, its duration, and stability》,雖然提出了一套完整的地質循環理論,但因衝擊著聖經的基礎,受許多人嚴厲的反駁。為了證明自己的理論正確,赫頓決心在自然界中找到支持的證據。

 

來自地層中的證據

在赫頓的理論中,他預測如果被花崗岩岩漿向上推升、傾斜的地層,受到侵蝕作用、並因某種地質作用帶入海底,新的沈積物可能會堆積在傾斜的岩層之上。這樣的地層結構如果經過幾次地質循環再次抬升到地表,我們可能有機會看到下層地層與上層地層之間形成交角,而且暗示著該地區經歷的地質時間很長。

事實是他成功了。在一次蘇格蘭海岸調查中,赫頓與夥伴普萊費爾(John Playfair)、哈爾(Sir James Hall)於貝維克郡的西卡角(Siccar Point)海岸,發現了近乎垂直的雜砂岩(greywacke)上覆接近水平成層的老紅砂岩(Old Red Sandstone),這現象在現今稱為「不整合」(unconformity)。後續的地質調查也發現,蘇格蘭地區有諸多地點也都有類似的不整合現象,說明不整合是廣泛存在的。

圖、西卡角真實露頭(左)以及哈爾的素描(右)。(圖片皆已附上來源連結)

 

圖、赫頓針對蘇格蘭傑德堡地區(Jedburgh)地層的描繪(左)、以及後來考究出的真實露頭(右)。(圖片來源:wikipedia

 

赫頓理論的成功預測案例不只這個,依照他描述岩漿噴發至地表的方式,地表上應能找到岩漿噴發後於岩隙中冷卻而成的花崗岩脈。這項地質證據於一七八五年被發現,當時赫頓於蘇格蘭高地的蒂爾特河谷(Glen Tilt)中,發現到河谷兩旁的灰綠色片岩(現稱Dalradian Schist,他當時稱之為schistus)被紅色的花崗岩脈侵入的現象。

圖、赫頓針對蒂爾特河岸之岩層繪圖(左)、以及真實露頭樣貌(右)。(圖片皆已附上來源連結)

 

赫頓的理論、以及相關的地質證據,都被收錄在一七九五年發表的著作《地球理論》(The theory of the Earth)之中。這套理論,首次完整描述「地質循環」的概念,而且理論預測可與現實的結果相符,堪稱地質學的經典之作。

然而儘管證據充足,這本書在當時並不賣座,主要原因在於這本書的描述方式晦澀難懂,一般人很難理解;再來就是這本著作捨棄宗教的概念,以純粹的自然推演與觀察當作基礎,在當時的社會中並不被看好;最後就是有關火成說提出的岩石形成機制,水成論的擁護者都仍有辯護的方式,也就是說,火成論的觀點在當時並非無懈可擊。

水與火的爭辯中,運用了很多岩石作為案例,儘管現代的教科書並不會提起這段歷史,但我認為這段歷史的確影響了現代岩石學的教學模式。在最後一篇,我們將一一檢視十八世紀的水成與火成之爭,究竟針對哪些岩石案例做討論。