在人类历史的长河中，石头一直是我们的重要伙伴。石头作为地球的记忆。每一块都记录了地球的历史，从熔岩的涌动到冰河的移动，从生物的繁衍到气候的变化。它们是时间的见证者，也是历史的讲述者。
例如陨石是从宇宙空间飞向地球的固体物质碎片。它们带来了外太空的信息，让我们得以一窥宇宙的奥秘。”陨石为我们提供了一个独特的视角，让我们得以探索宇宙的起源和演化。又比如黑曜石产于火山活动频繁的地带。它不仅是我们了解火山活动的重要线索，也揭示了地球深处涌动的力量。”黑曜石的形成过程就是一部地球的编年史，它让我们得以窥见地球的内部运作。
黑曜石
陨石
左右滑动查看更多图片
而石头又是如何形成的呢？
18世纪晚期，早期的博物学家受到“创世记”观点和诺亚洪水传说的影响。Giovanni Arduino等早期学者试图将他们所观察到的所有岩石均归类为过度简化的硬质结晶“原生岩”序列(花岗岩和片岩/片麻岩等变质岩)，并认为它们都是和地球同时形成的。这些岩石又被“次生岩”，即富含化石、常产生褶皱或变形的沉积岩层覆盖(如今我们知道，大部分“次生岩”的年代在泥盆纪到白垩纪之间)。根据一些博物学家的说法,“次生”岩层是诺亚大洪水时期的主要沉积物。“次生”岩层之上是松散的沉积物和沉积岩，被称为“三级岩’(第三系岩层)，它们被认为形成于大洪水之后。
倘若没有走到户外近距离观察真正的岩石，你可能也会接受这种过分简单的岩石分类。但当时的大多数地质学家都没有机会到别处考察，也无法验证他们对露头的认识是否正确，他们先入为主的教条强行解释北欧有限的岩石露头。这种认为所有岩石都是在水(通常被解释为诺亚大洪水)中形成的观点被称为“水成论(neptunism)。水成论者认为，即使是熔岩流也曾位于水中。然而，另有一些反对者认为，熔岩流曾经是炽热的熔融岩石，而非来自水中，这一观点被称为“火成论”(plutonism)。
最著名的水成论者是德国博物学家亚伯拉罕·戈特洛布·维尔纳。维尔纳是弗赖堡矿业学院的矿物学教授。据说他讲课风趣幽默，极具个人风格，几乎所有听过他演讲的人都成了他的信徒。维尔纳的理念在欧洲备受欢迎，这主要归因于他的雄辩能力和个人魅力，而不是基于对大范围露头的详细考察(不过，与当时的主流观点不同，他并没有明确指出沉积岩和熔岩流是诺亚大洪水的产物，只说它们形成于水中)。他的信徒遍布欧洲各大院校，包括爱丁堡大学。爱丁堡大学的罗伯特·詹姆森是坚定的水成论者也是詹姆斯·赫顿的主要竞争对手。即使是伟大诗人兼博物学家歌德也坚信水成论。在《浮士德》第四幕中，有一段水成论者与火成论者之间的对话，其中梅菲斯特(Mephistopheles，《浮士德》中的魔鬼)显然是邪恶的火成论观点的代言人。
亚伯拉罕·戈特洛布·维尔纳
有人可能会问:“怎么会有人认为火山岩形成于水中呢?”别忘了，当时化学还处于初始阶段，没人知道岩石的熔融与温度和压力有关。在欧洲，也几乎没有人见过熔岩流。如今，我们平常便能看到基拉韦厄(Kilauea)火山等活火山流淌的炙热熔岩的视频;但在赫顿所处的时代，几乎没有欧洲人离家远游。除非有人恰好在维苏威火山、斯特龙博利火山或者埃特纳火山喷发期间前往意大利南部，否则没机会见到火山喷发，而且这些火山的主要产物是火山灰，而非熔岩流。1774年，法国地质学家尼古拉·德马雷指出，法国南部奥弗涅地区的死火山群的火山锥和已风化的熔岩流表明，它曾是喷发过的活火山。仅凭这一证据就足以证明火成论的存在，虽然在很长时间里，水成论占据主导地位。
詹姆斯·赫顿思考山脉拾升并遭侵蚀等问题时，开始确信花岗质和玄武质熔岩流由被称为岩浆的炽热熔融岩石形成，而不是形成于水中。但是，当时北欧没有活火山，赫顿也从未见过熔岩流在地面流动的现象。由于缺乏证据，赫顿开始寻找花岗岩或玄武岩熔融或侵入原岩使围岩受热发生蚀变的露头。
詹姆斯·赫顿
而不久之后，他发现从爱丁堡北部高地凯恩戈姆山脉(Cairngorm Mountains)向南流的蒂尔特河(River Tilt)的砂砾中遍布花岗岩卵石和古老变质岩岩块。他由此推断出，河床中一定也有这两类岩石，向上游考察或许能找到二者的交界处。1785年的一天他沿蒂尔特峡谷而上，在洛奇森林(Forest Lodge)过夜。第二天他在洛奇森林附近的Dail-an-eas 桥的上游勘査了蒂尔特河河床上裸露的岩石，发现了他一直在寻找的东西:砖红色的花岗岩岩脉切穿年代较早的变质岩，并使其围岩发生蚀变（在现在地质学中这种野外的“穿切”关系也依然用来判断岩石形成的相对早晚，）。这些证据表明花岗岩曾是熔融的岩浆，而不是在水中形成!不仅如此，花岗岩的年代一定比变质岩更年轻，那么这也就说明并非所有岩石都形成于地球形成之初。
赫顿所发现的花岗岩脉穿切片岩
但是，赫顿需要更有力的证据:熔岩流侵入在水中形成的层状沉积岩的迹象。有赫顿在爱丁堡南部山丘上漫步时，发现这座高耸于城市之上的山脉-亚瑟王座山（Arhur's seat一座古老火山的喉部）;山脉北侧的索尔兹伯里峭壁(Salisbury Crag)则是古老火山岩凸出来的断崖。最终他在峭壁的西南坡上发现了他所寻找的东西:玄武质熔岩侵入沉积岩层，使沉积岩变形。这个地方现在非常有名，被称为“赫顿剖面”(Hutton'sSection)。在很多地质学课程教授过程中，老师都会定期带学生来这里考察实习。后来，赫顿又陆续在加洛韦和阿伦岛均找到过类似的剖面。
“赫顿剖面”
赫顿和约瑟夫·布莱克、詹姆斯·霍尔爵士等化学家朋友对岩石化学成分的了解也远超同代人。赫顿知道通过化学作用从水中沉淀形成的矿物(如盐)是什么样的，因此知道岩浆并不是在水中形成的。1768年，赫顿搬到爱丁堡和布莱克一起工作，他们俩都热爱化学，而化学是理解高温对岩石影响的关键。布莱克推断出了潜热（物质相变过程中，如固-液、液-气、固-气之间的转变时吸收或放出的热量）的存在及压力对物质熔点的重要影响。例如，水在一定压力下加热时，即使加热温度高于沸点仍会保持液态。对热量和压力的认识成为赫顿研究埋藏沉积物如何变成岩石的关键。1792年，霍尔做了一个实验。他将一块玄武岩加热至800~1200℃之间，再慢慢冷却，结果岩石重新结晶成玄武岩。这是最早的地质学实验，呈现了熔融岩石在自然界中的样子。这对火成论学派是极有力的支持，从而也开创了实验岩石学，“岩石火成论”也由此形成。
赫顿认为，地球中心灼热且处于熔融状态，由他所称的“地球热引擎”提供动力。他曾说过:“火山的存在并不是为了恐吓迷信的人，也不是为了让他们沉浸在虔诚和奉献之中。它应该被看作是熔炉的通风口。”这个热引擎导致地壳抬升、高山隆起，后者再遭受风化剥蚀变为沉积物。沉积物又随水流进入海里。抬升、侵蚀、沉积、再抬升，这些过程循环往复，永不停止。所有这些观点都是动态地球理论的一部分。该理论认为，地球非常古老，且不断地被重塑和循环，而不是一个自6000年前创始以来就一直保持不变的年轻星球。
赫顿的文章于1788年出版，他的《地球理论》一书也于1795年出版。自此，他的观点在世界各地传播。然而，赫顿的想法并没有被大众立即接受，部分原因在于他的著作文字晦涩，难以阅读和理解。赫顿于1797年去世时，他的理论仍未被广泛接受。直到一个名叫査尔斯·赖尔的年轻人出现，赖尔生于1797年，也就是赫顿去世的那一年。他起初学习法律，立志成为一名律师，但很快感到厌倦，转而将新兴的地质学作为爱好。赖尔游览欧洲各地，以赫顿均变论的眼光观察了许多地质现象。最终，赖尔完成了他的杰作《地质学原理》(Principles of Geology)，分成三册于1830年至1833年间出版。这本书以类似诉讼案情摘的写作方式，整理了他在旅行和阅读中收集到的所有观察结果，并运用律师的技巧，提出地球均变论这一明确结论。和许多优秀律师一样，他使用了各种战术打击灾变论者的可信度，同时为自己的观点提供强有力的证据。他提出多处(尤其是意大利南部)火山喷发或热泉记述，证实了赫顿的“地球热引擎”理论。其后短短几年内，最后一些保守的灾变论者和水成论者陆续去世或放弃，地质学终于成了一门现代科学。
《地质学原理》
当然，以如今的眼光来看，水成论和火成论各有其正确之处：水成论在一定程度上解释了化石的成因和地层的排布，但过分强调虚无的“上帝的力量”，并且在证据不足时试图通过臆测进行弥补；火成论很好的解释了岩浆岩的形成原因，并且相较于水成论，它承认了多种动力因素对地质地貌的影响，强调自然的力量。在地球演化过程中，地球内部的热能是引起地质作用的主要能量，而外部能量主要来自太阳辐射能。从这个角度，火成论更具优势。同时，水成论强调洪水发生和地层形成的突然性，火成论强调火山和岩浆作用的持续性，二者又与“匀变论”“灾变论”交织，从这点上看，二者也存在一定的片面性。
但是赫顿、赖尔等一系列地质学家他们对真相的执着、对科学坚定的追求，即使隔着几百年的尘埃，却依然如阳光般闪耀，并指引我们攀向更高的山峰。
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院地质地球所立场
如需转载请联系原公众号