翻開大地史書的人

于鵬翔

地層

什么是地層

如果你去過山區(qū)，稍稍留意一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣的景象：很多山或懸崖看上去就像被切開的千層蛋糕，表面有層疊的紋路，而且每層的厚度不同，顏色不一。這些成層巖石被稱作“地層”。

在地質(zhì)學(xué)中，地層是指一層或一組具有某種統(tǒng)一特征和屬性，并和上下層有著明顯區(qū)別的巖層。地層是各種沉積物一層一層堆積而成的，有時(shí)候它的分布面積可達(dá)幾十萬平方千米，有時(shí)候地層痕跡又可能出現(xiàn)在一塊很小的石頭上。

巖層經(jīng)常出現(xiàn)在懸崖峭壁、河岸或修建公路時(shí)的挖掘地段。地層有的只有幾毫米厚，有的卻厚達(dá)幾千米，其中各層所含有的巖石、化石、礦物及其物理、化學(xué)成分都可能有明顯的差異。這樣一來，科學(xué)家就抓住了研究大地的重要線索。如果說切開蛋糕能讓我們知道里面的口味，那么切開大地就可以讓我們了解地球的過往。

地層如此明顯，科學(xué)家們應(yīng)該早就注意到了。但可能是因?yàn)椤笆煜さ牡胤經(jīng)]有風(fēng)景”，人們關(guān)注更多的是地震、火山這樣驚天動(dòng)地的變化或是巖石、礦物這樣與生活息息相關(guān)的自然資源，而關(guān)于地層的信息反而鮮見于古籍中。直到歐洲文藝復(fù)興之后，隨著工業(yè)的發(fā)展，人們需要從地下獲取越來越多的礦產(chǎn)資源，大家才發(fā)現(xiàn)，地層與各種礦產(chǎn)的埋藏、道路的開辟、河道的挖掘、建筑的穩(wěn)定都有關(guān)系，于是地層這本大地史書才逐漸被翻開。

尼古拉斯·斯坦諾

地層學(xué)的開創(chuàng)者

第一個(gè)翻開這本“書”的人是丹麥科學(xué)家尼古拉斯·斯坦諾。他出生于1638年，3歲時(shí)患病險(xiǎn)些喪命，于是他與醫(yī)學(xué)結(jié)下了不解之緣。當(dāng)時(shí)，醫(yī)生的主要工作就是做外科手術(shù)，因此1660年，22歲的斯坦諾前往阿姆斯特丹學(xué)習(xí)人體解剖。事實(shí)證明，斯坦諾是一位優(yōu)秀的醫(yī)生，幾年之后就出版了專著——《腺的解剖學(xué)發(fā)現(xiàn)》。他發(fā)現(xiàn)了今天被我們稱為“斯坦諾管”的腮腺管。1665年，斯坦諾獲得醫(yī)學(xué)博士學(xué)位，他本想在哥本哈根大學(xué)當(dāng)老師，但卻沒有成功。無奈之下，他離開丹麥來到意大利名城佛羅倫薩，成為費(fèi)迪南德二世公爵的私人醫(yī)生。

1666年10月，費(fèi)迪南德二世公爵收到兩位漁民捕獲的一條鯊魚。因?yàn)樗固怪Z是醫(yī)生，公爵就把鯊魚頭送給斯坦諾解剖。當(dāng)斯坦諾檢查鯊魚的牙齒時(shí)，他發(fā)現(xiàn)這些牙齒很像人們?cè)趲r石中發(fā)現(xiàn)的生物化石——“舌形石”。當(dāng)時(shí)，人們對(duì)于舌形石的解釋五花八門，有的人說這是從天上或月亮上掉下來的石頭，還有人認(rèn)為它是從石頭里長出來的。而憑借扎實(shí)的醫(yī)學(xué)功底，斯坦諾斷定“舌形石”就是鯊魚牙齒的化石。

確定了“舌形石”是鯊魚牙齒的化石，但是新的問題來了：鯊魚牙齒怎么會(huì)跑到巖石中去呢？

于是，斯坦諾到處搜集化石，觀察巖石結(jié)構(gòu)。通過觀察，斯坦諾發(fā)現(xiàn)，巖石里不僅有動(dòng)物的牙齒，還有礦物、晶體、巖脈等。由此他大膽推測(cè)：組成巖石的一些物質(zhì)形成于水中，這些物質(zhì)在水中沉淀的時(shí)候會(huì)呈現(xiàn)一層一層的狀態(tài)，所以要是在這樣的沉積物中發(fā)現(xiàn)一個(gè)被包裹住的東西，那這個(gè)東西一定是先于巖石形成的，絕不是從巖石中長出來的。

鯊魚牙齒化石

地層結(jié)構(gòu)圖

化石層序律示意圖

斯坦諾還提出：蓋在上面的地層的形狀往往受到下面地層的影響。因此，從時(shí)間上看，最上面的一層是最年輕的，最下面的一層是最古老的。這個(gè)定律被稱為“地層層序律”，是后人研究地層學(xué)的基礎(chǔ)。斯坦諾第一個(gè)認(rèn)識(shí)到地殼中記錄了各個(gè)年代的地質(zhì)事件，他認(rèn)為通過對(duì)地層和化石的研究可以破譯地球歷史，他也因此被后人稱為“地層學(xué)的開創(chuàng)者”。

不過，遺憾的是，斯坦諾雖然成為開拓者，但是在時(shí)代的局限下，越是深入研究， 他發(fā)現(xiàn)用當(dāng)時(shí)的科學(xué)知識(shí)解釋不了的問題就越多，最終這些現(xiàn)實(shí)與思想的矛盾把他推向了神學(xué)的一端，他成為一名虔誠的天主教士，并以此身份過完了自己的一生。

用古生物化石測(cè)量地層的人

雖然斯坦諾有了自己的選擇，但是大地史書既然已經(jīng)翻開就一定會(huì)有人繼續(xù)“閱讀”。下一個(gè)接棒的奇才是英國的河道測(cè)量員威廉·史密斯。史密斯出生于一個(gè)普通的農(nóng)民家庭。年少時(shí)的史密斯并沒有顯示出什么過人的才能，但是他有一個(gè)愛好：搜集各種石頭。于是他的叔叔建議他學(xué)習(xí)一些測(cè)量、幾何學(xué)的知識(shí)，未來可以做一名測(cè)量員。

當(dāng)時(shí)，英國的工業(yè)革命正在如火如荼地進(jìn)行。英國的煤炭工業(yè)蓬勃發(fā)展，挖出的煤需要運(yùn)輸，因此各種運(yùn)河紛紛開挖，這就需要大量的測(cè)量員對(duì)運(yùn)河途經(jīng)地區(qū)的地形地貌進(jìn)行測(cè)量。史密斯成為一名河道測(cè)量員后，參與了薩默塞特煤運(yùn)河工程的測(cè)量工作。在此期間，他發(fā)現(xiàn)這一地區(qū)的巖層呈現(xiàn)一種非常有規(guī)律的傾斜狀態(tài)。在隨后的日子里，他跟隨測(cè)量團(tuán)隊(duì)東奔西跑，同時(shí)擴(kuò)大了自己的科學(xué)觀察范圍，搜集到大量的化石標(biāo)本。

我們剛才說到了斯坦諾的“地層層序律”，但是這個(gè)定律只對(duì)辨識(shí)那些非常規(guī)整的地層有效。但其實(shí)很多地層早就被幾萬年的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)弄得支離破碎。此時(shí)，史密斯發(fā)現(xiàn)，雖然地層亂了，但是地層之中埋藏的化石不會(huì)亂，每一種古生物化石都會(huì)對(duì)應(yīng)不同的地層，比如三葉蟲大量出現(xiàn)在寒武紀(jì)，所以某些三葉蟲化石所對(duì)應(yīng)的就是寒武紀(jì)地層，而菊石對(duì)應(yīng)的就是侏羅紀(jì)地層。發(fā)現(xiàn)了這樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系，史密斯就有了一把研究地層的標(biāo)尺。

此時(shí)，史密斯還發(fā)展出一個(gè)本領(lǐng)——用化石證據(jù)把那些支離破碎的地層重新組合起來，并且排列成序。掌握了方法的史密斯決心畫出整個(gè)英國的地質(zhì)圖。之后，他足足在野外勘測(cè)了14年，最終在1815年實(shí)現(xiàn)了自己的目標(biāo)。一份長2.4米、寬1.8米、注釋厚達(dá)50頁的英國全彩地質(zhì)圖橫空出世，這是世界上第一份現(xiàn)代地質(zhì)圖。大地史書終于被破譯出新篇章，但這份地質(zhì)圖也耗盡了史密斯的家產(chǎn)，因?yàn)榍穫?，他還遭受了10個(gè)月的牢獄之災(zāi)。在此期間，有人剽竊了他的地質(zhì)圖。幸好在經(jīng)歷了諸多不幸之后，他的付出得到了世人的認(rèn)可，倫敦地質(zhì)學(xué)會(huì)將首枚渥拉斯頓獎(jiǎng)?wù)率谟枇耸访芩?，國王威廉四世為他頒發(fā)了終生養(yǎng)老金。

查爾斯·萊爾

啟發(fā)了達(dá)爾文的地質(zhì)學(xué)家

通過對(duì)地層的研究，人們對(duì)于大地的認(rèn)識(shí)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。英國地質(zhì)學(xué)家查爾斯·萊爾與前兩位出身寒門的地質(zhì)學(xué)家不同，萊爾出身于書香門第，他的父親是一位小有名氣的植物學(xué)家，因此他自小就接觸到很多自然知識(shí)。19歲時(shí)，他進(jìn)入大名鼎鼎的牛津大學(xué)學(xué)習(xí)古典文學(xué)和數(shù)學(xué)，后來又改學(xué)法律和地質(zhì)學(xué)。畢業(yè)后，萊爾開始專攻地質(zhì)學(xué)。

當(dāng)時(shí)，關(guān)于地質(zhì)變化，有一種理論叫作“災(zāi)變論”，開創(chuàng)了古生物學(xué)的法國科學(xué)家居維葉就很支持這種理論。災(zāi)變論是說地球在很短的時(shí)間內(nèi)曾發(fā)生多次巨變，而且每次都是滄海桑田：陸地上升、洪水泛濫、物種被大面積毀滅，因此形成了今日的地球面貌。對(duì)此，萊爾有不同的看法。1828年到1833年，經(jīng)過在意大利、法國、西班牙、德國等地的考察之后，萊爾完成了他的巨著《地質(zhì)學(xué)原理》。在這本書中，他提出了“均變論”，他認(rèn)為地質(zhì)的變化是緩慢而勻速發(fā)生的，雖然其間有火山、地震這樣的突發(fā)事件，但是過去發(fā)生的一切地質(zhì)作用和現(xiàn)在正在進(jìn)行的方式相同，所以研究現(xiàn)在正在進(jìn)行的地質(zhì)作用，就可以了解過去的地球歷史。

萊爾的“均變論”使人們多了一種認(rèn)識(shí)大地的方法，且這個(gè)方法被沿用至今。同時(shí)代的達(dá)爾文在乘坐“小獵犬號(hào)”進(jìn)行環(huán)球航行的時(shí)候隨身就帶著這本《地質(zhì)學(xué)原理》，這本書啟發(fā)他寫出了《物種起源》。后來，萊爾被世人譽(yù)為“現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)之父”。

當(dāng)然，翻閱了大地史書的人遠(yuǎn)不止斯坦諾、史密斯和萊爾這三個(gè)人，還有許許多多的地質(zhì)學(xué)家、生物學(xué)家甚至物理學(xué)家、化學(xué)家為人類透析地球歷史做出了貢獻(xiàn)。地層這本大地史書由那些偉人開啟，而今我們依然在學(xué)習(xí)、翻閱。