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地質學
第一章 概論
第十二章 河流與河流的地質作用
第十三章 地下水
第十四章 風的地質作用
第十五章 冰川與冰川的地質作用
第十六章 湖泊和沼澤的地質作用
第十七章 海洋
第十八章 海水的地質作用 - 海水的剝蝕和搬運作用
第十九章 板塊構造學說
第十一章 地質圖與地質圖的判讀
第十章 地層與地質時間
第二章 我們居住的地球
第三章 礦物
第四章 岩石概論
第五章 火山與火山作用
第六章 風化和土壤
第七章 地質作用、地殼變動與構造運動
第八章 化石與古生物學
第九章 地殼與生物進化的歷程概述
第二十章 環境地質學
- 首頁 > 地質學習教室
1-2 地質學是一門隨時演變的科學
地質學是一門隨時代改變而改變的科學,它因時代的不同,它的觀念,研究的對象與方向也隨之改變。
 
我們從地質界早期一些名人的想法與事跡,由他們的例子可以知道,古代及早期學者在不同時代,對地質學都有不同的了解與概念。早期是為探求瞭解我們居留所在為主導的地質學研究,是一種哲理式的書院科學,很少談到實用。工業革命之後,十九世紀到二十世紀初礦物、岩石、油氣的需要日增,所以漸變為以開發資源為主導的地質學,現今環境問題日益嚴重,以後很顯然會是以環境地質學的研究為最重要。由此我們也可以知道現今與不久的將來的地質學需要做的是什麼。但在實用之外,學者對地球本質瞭解的尋求仍然不變。工作方法與思考方式卻改變了。
 
中國古代「天圓地方」的觀念很早就有了,良渚文化中大量玉琮、玉璧的出土,就是很好的說明(張光直,1987)。這是五千年前的事。甲骨文中的文字常在人的頭上頂著一個圓圈或圓點,也可以使人推想史前與商代已有天圓之說。周禮中已有「蒼璧禮天,黃琮禮地」的說法,也是很好的證明。

 
從史前古玉的製作工藝研究知道(錢,1997)史前紅山文化、良渚文化(4000-6000年前)對玉石的開採、選料、琢玉砂的選礦已有極好的認識。相傳中國在黃帝時代(3500-4000年前)已發明了指南針,說明中國史前人已對礦物岩石已有很好的認識。
 
在三千年前希臘的哲學家也對陸地(Earth,那時還沒有地球的觀念)在太空中的位置有興趣,那時他們認為,地是平的、圓板狀的,中間有地中海
 
(Mediterranean;Medius + terra),天是圓穹球狀的。當時他們所不明白的是天如何支撐地?而太陽晚上又跑到哪裡去了?紀元前600年時代的哲學家達爾斯(Thales, 636-546 B.C.)主張萬物來源於水,認為水可以侵蝕海岸並將侵蝕下來的碎屑以堆積方式改變地表形狀。他認為陸地是浮在水上的,如受到海浪猛烈的衝擊,而會發生地震。他的學生亞納西曼德(Anaximander, 610-547BC)卻反對萬物來自水的說法,認為地球的一切是來自一種無所不在的原始物質,他並認為岩層中的魚化石是一度活過的。
 
在紀元前500年左右,航海人員在向南或向北航行時,就注意到星星的高度是會改變的事實。因而認為,他們是航行在曲面上的。就是因為這些事實,使畢達哥拉(Pythagoras ca. 580-500B.C)等學者認為地球、太陽、月亮都是球體,而太陽、月亮都是繞著地球轉動的,而且太陽的運動是黃道的(太陽在天球上的軌道),地球的軸是傾斜的。熱羅法(Xenophanes,540-510BC)由於看到西西里地方的魚化石及義大利亞平寧山脈(Apennines)中之貝類化石而認為海水曾經掩蓋過這些地方。黑羅多都士(Herodotus,484-424BC)被認為是歷史之父,由於見到尼羅河泥沙之堆積而提出「埃及是尼羅河所賜」之說。
 
哲學家亞里斯多德(Aristotle, 384-322B.C)被認為是「動物學之父」。在普拉圖(Plato, 427-347B.C)與亞里斯多德時代,他們對宇宙的看法是,宇宙是球狀的,是有極限的,它的中央是地球,其他星球都圍繞著地球而轉動,且認為它們都有神性。他們的宇宙觀與他們的哲學思想,如絕對對稱(absolute symmetry)、單純(simplicity)、完美(perfection)等顯然有極大的關聯。亞里斯多德認為地球內部熱而多孔,地表常為地震所搖動,為火山所騷擾,並認為地震與火山互有關聯。尼羅河因沈積而將海堆到外地。認為礦物是地內上升的氣因凝固而造成。因而他認為組成自然物質的基本元素為火、空氣、土和水。德歐拉都斯(Theophrastus, 370-287BC)是亞里斯多德 的學生,著有「有關石頭」(Concerning Stone)一書,雖僅十四頁,卻描述了十六種礦物,分金屬,石頭,泥土(Earth)三大類,影響極大。

                                                            
 
 
不久之後,大約在250B.C時代,希臘學者就有人推翻了亞里斯多德的想法。如亞里斯塔蘇斯(Aristarclues)就正確地提出以太陽為中心的行星繞行理論
。並正確地說明了月亮的發光是因太陽光反射的結果。但當時認為地球為中心的想法似仍盛行。在這期間,學者們關心的是地球在宇宙間的位置及地球與其他星球間之關係。相當有興趣的是幾乎在同時,中國的東周時代,中美的Maya時代的學者們,也都在想著類似的問題。
 
普藍地(Plinty, 23A.D-79A.D)著有「自然科學史」(Natural History)一書共37冊。他引用了472篇著作。普藍地因研究維蘇威(Vesuvius)火山而死去。他的同事塞納加(Seneca,3A.D-65A.D)認為河流造成山谷,地震產生地殼變動。可說是對地球上的一些現象已有深入的了解。
 
地理學家及天文學家普多勒米(Ptolemy, 130AD)首先以亞里斯多得的地球中心理論作出以地球為中心的天體系統,可以精確地計算時間(圖1-1)。幾乎同時中國東漢張衡(78AD-139AD)也製成了精密的渾天儀和地動儀,當時稱為「候風地動儀」(圖1-2)。張衡是紀元後兩世紀間我國的第一位大科學家。渾天儀是我國古時研究天文最早的儀器。「候風地動儀」,則是最早研究地震的儀器。

                                                                  
 
 
隨著基督教教義的興起,人們一直深信地球,萬物與一切現象都是神所創造的,影響科學的研究極深(圖1-3)。在歐洲的「黑暗時代」(The Dark Ages,A.D500-A.D1100),基督教的教士是社會上僅有的學術人士,但他們因深受教義的影響而對地球科學的探討進展不大。反而是在回教文化中,亞魏申納(Avicenna,980-1037)對山脈、岩石的生成,頗有見解,他認為山脈的成因是因陸地伴隨地震上升作用而造成,並認為水是地形侵蝕的主因,風雨將軟質岩石侵蝕,而軟泥則可轉變為岩石。他認為山脈中的地層最少有一部份是曾被海掩蓋。歐洲的「黑暗時代」一直要到中世(The Middle Ages, A.D1100-A.D1450)之後文藝復興(Renaissance, 1450-16世紀末)期間達文西(Leonardo da Vinci, 1452-1519)才建立了一些新的觀念。達文西認為地球上一切地形都是由侵蝕所刻劃出來的。同時認為亞平寧山脈(Apennines)裡的石灰岩中眾多的化石,不是由諾亞時代的洪水沖進去的,而是早期海中生物的遺跡。晚明期朱熹亦有同樣的想法。但是達文西的想法在那時太超越時代,而不能為大眾所接受。等到日耳曼人亞格利哥拉(Agricola,1494-1555)於1546年發表自然化石(De Natura Fossilium)一書,可謂是地質學的復興。書中對新礦物與金屬礦床的發生,彼此間的關係都有敘述,並同時談到一些古生物學的問題。有人(如魏納,Werner;互格尚, Vagelsang)稱他為「礦物學之父」與「地質學的始祖」。

                                                                      
 
 
需要知道在當時,化石(Fossil)一詞,是指一切從地下挖掘出來的東西,包括礦物與動植物的遺骸。16世紀蓋斯納(Gesner, 1516-1565)就認為化石一部份是由動物轉變而成,另一部份是地球本身的產物。史坦諾(Nicolaus Steno, 1638-1687)是居住在義大利翡冷翠的丹麥自然科學家,他創立了地層層序律或地層疊置定律(Law of Superposition)與面角角度不變定律(Law of the Constancy of Inter-facial Angles),他在觀察地層時提出了,地層沈積時是水平的(原始水平定律),如層序(Sequence)正常時,在下的地層較在上的地層為老的定律(地層疊置定律)。他發現不論晶體的大小形狀如何,不同石英標本的相同結晶面間,都具有相同的角度,而提出了面角角度不變定律。
 
文藝復興(Renaissance)是指歐洲14-16世紀末的新文化運動,源自義大利。它的後期在科學上極為重要,先後有哥伯尼古斯(Nicholas Copernicus, 1473-1543),達文西(Leonardo de Vinci),哥伯肋(Johann Kepler, 1571-1630),加利洛(Gabilei Galileo , 1564-1642)和牛頓(Newton, 1643-1727)等人,地質領域中則以Georgius Agricola (1494-1555)為最有名。G. Agricola是他德文名字George Bauer的拉丁名。姓Bauer是農人的意思。當時的學者都習慣以拉丁文,拉丁名寫著。Agricola的論著De Re Metallica (拉丁文英文譯為Concerning Things Metallic)於1556年出版,是今後200年的金屬礦產名著(圖1-4)。哥伯尼古斯推翻了亞里斯多得的地球中心理論,確定地球環繞太陽運轉。後來哥伯勒又利用布拉漢的計算建立了他的行星運轉定律(Law of planetary motion)。
 
                                                                 
 
十八世紀下半期到十九世紀初期這一段時間,對地質學的進展來說,無疑是重要的。拉馬克(Jean Baptiste de Lamarck, 1744-1829)(圖1-5)被認為是無脊椎動物學的創始人,在19世紀初期就提出了完整的進化理論,他是第一位畫出了由單細胞生物一直演變到人類的進化樹的人。可是他的進化論完全是建立在一種哲學觀念上,並沒有事實與野外的證據,因而沒有受到大家的重視。

                                                                
 
 
維納(Abraham G. Werner, 1750-1817)是德國人,他認為地殼的物質的組成是由連續的層系(Formations)組成,因而創立了地質岩層柱(Geological Column)的觀念。他將地殼的岩層分作 1.原始岩層(Primitive Rock),2.過渡岩層(Transitional Strata),3.水成岩層(Floetz Strata)與4.河床沈積物(Alluvial Deposits)等幾種。每一層系中又含有一系列的岩層,由下而上隨時間逐漸堆積起來。他認為地質學是一門觀察的科學。並主張一切岩石都是來自海水,故被稱為水成理論(Neptunian Theory)者。他是第一位鑑定中國玉為Nephrite的人,他認為中國玉與墨西哥玉是同樣的礦石。他的學生極多,所以影響力極大。但後來他的主要弟子如凡布黑(Leopold Von Buch)、凡洪堡(Alexander Von Humbolder)等都反對他們的水成理論,而主張火成論(Plutonism)。
 
先是凡布黑在觀察及研究義大利火山,法國、挪威與非洲的岩石時,發現玄武岩與花崗岩原是火成岩,並不是由海洋中的水所沈積來的。後來凡洪堡與多比松(D'Aubuisson de Voissins)也是因為研究火山與地震,使他們深信火的重要。因而他們在不斷增加反對老師維納的痛苦下放棄了維納的水成說而主張火成說。
 
從這兩學說可以清楚知道,觀察方向與角度的重要。觀察沈積岩為主時,水是重要的,即形成水成論。從另一角度觀察火成岩為主時,自然就形成火成說。這也說明我們對事物的觀察與研究應該力求全面。
 
居維唉(Baron George Cuvier, 1769-1832)的主要成就是古脊椎動物,可稱為是「古脊椎動物學之父」。他觀察到同一類的生物化石,僅出現在某些特定的地層中,他們突然消逝而改變為另一群生物化石,因此他認為地質時間可以用這些使生物毀滅的災變加以區分。並認為地球最近的一次災變的發生是在五、六千年前與聖經上的摩西洪水相吻合。這就是早期所謂的災變學派(Catastrophic School)。
 
赫登(James Hutton, 1726-1797)(圖1-6)是蘇格蘭愛丁堡人,他認為花崗岩來自火成作用,他反對當時流行的災變說,並認為火與水兩者同為地質現象發展的主要因素。因為他後期反對水成論,而被人稱為是火成論者(Plutonism)。
 
                                                                       
 
赫登認為地球的變遷是逐漸而持久的,所以主張地層中每次不整合就代表了一次地殼運動(Revolution)。他認為支配今日地球自然一切現象的改變的法則、程序和作用都曾在過去的地質時代中發生過。並且產生同樣的結果。因此他認為要了解過去必先了解現在,而提出了有名的「現今是開啟過去一切知識的鑰匙」(The present is the key to the past)的均變學說(Uniformitarianism)。但現在因對過去及現在已有充分的了解,這名言已改為「現今是開啟過去一切知識的一把鑰匙」(The present is one of the key to the past)。赫登於1795年出版「地球理論」(Theory of the Earth)一書,但他的理論因著作之敘述太過簡略,文字也較差,因而沒有流傳開來。後來經他在愛丁堡的同學普萊菲爾(Playfair)加以改寫出版了赫登理論的例證(Illustrations of the Hutton's Theory)一書,他的理論才得以光大,被後人稱之為「現代地質學的創始者」。
 
他由實驗與觀察結果得到結論,認為過去與現今的現象在本質上與程序上,並無不同,支配現今與過去的各種現象的物理機理與化學反應的原則也始終如一。但他的均變學說也有反對者。反對者認為宇宙間所發生的事件都是唯一的,不會重覆的。認為時空關係是不斷地在改變。
 
                                                                       
 
史密斯(William Smith, 1769-1839)(圖1-7)自小清寒,畢生從事古生物與地層的研究,指出化石可以辨別地層年齡,因而確立了地層學,曾被尊稱為「英國地質之父」,「地層學之父」,外號「Strata Smith」(意為地層史密斯)。
 
十九世紀初期萊耳(Sir Charles Lyell, 1797-1875)(圖1-8)出版了地質學原理(Principles of Geology)一書,是第一本完整的敘述地質現象與原理的書,
深受當時學者的重視,在地質學界的影響頗深。
 
                                                                          
 
 
西特(de Zittel, 1901)認為1790至1820之間為地質學的英雄時代(The Heroic Age of Geology)。
 
達爾文(Charles, R. Darwin, 1809-1882)(圖1-9)是第一位用事實與野外證據來說明演進過程的人。他與一位叫華勒士(Wallace)的年輕人同時出版進化論,因為達爾文的工作較為深入,在與當時學者文件的交往上較早,因此大家認定進化論是由他提出的。
 
                                                                           
 
戴納(James, D. Dana, 1813-1895)是有名的礦物學家,他確定了礦物的分類與命名法則,同時認為地殼運動與地形變化有密切的關連。

                                                          

19世紀中葉之後,地質學開始快速發展,不論是歐洲與美洲,成功的地質學者人數極多,很難一一提出介紹,這時期,歐洲的殖民主義興起,地質學家在歐洲對外的發展上起了一定的作用,如比利時征服剛果,法人佔領越南,德人努力進入山東半島等,都是地質人員打先鋒所作的建議。在這段期間一直到第2次世界大戰,地質的主要工作是在礦產的開發。
 
第二次世界大戰之後,能源的開發,引起了石油地質的快速發展。美國、加拿大在古礁岩中發現大量石油,因而引起了對碳酸鹽岩研究的革命性改變。之後到七十年代、八十年代,隨著世界人口的急增,工業的發達,環境地質就成了一新興且極為重要的地質學分支。
 
很明顯的在這章的佈局上可以看出,我們對早期地質學形成的過程談的較多,而對近100年來的地質發展提的極少,但我們並不難看出,地質學的發展演變過程,一方面它因為我們對地質學的了解,領域的擴大而發揚光大,另一方面,我們也明顯地看出它因隨著時代的需要,研究的重點方向都在改變。

 
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