最近一些年，我國發(fā)生了幾次或大或小的地震，因此地震非常受關(guān)注。大家印象里，四川發(fā)生的地震特別的多。其實這就跟四川的地理位置和地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)系。具體來講，四川的地震多發(fā)和青藏高原有關(guān)系，青藏高原則和印度板塊有關(guān)系。說到底，火山和地震都是地球內(nèi)部能量的釋放過程。
所以，這一次，我們開講一個新的系列，我們講講地球內(nèi)部的那些事兒，講講我們地球的過去。地球并不算大，直徑也就1.28萬公里。但是我們對地球內(nèi)部的了解卻非常少，多少光年之外的事兒我們了解很多，腳底下幾十公里的事兒，到現(xiàn)在還沒完全弄清楚。因為地球是實心的，我們的眼睛看不見。我們可以了解宇宙是如何誕生的，但是對于地球內(nèi)部，我們?nèi)匀恢跎佟?/p>
大家知道，我是比較偏愛存在大框架的學科的，我講相對論和量子力學，我講進化論的誕生歷程，其實都是在描述統(tǒng)領(lǐng)整個學科的大框架是如何建立起來的。建立一個新的知識框架的過程，可以被稱為一場科學革命。物理學和生物學都是經(jīng)歷過這種脫胎換骨的革命的。同樣地球科學也經(jīng)歷過一場革命，這就是板塊構(gòu)造理論的發(fā)展與完善。有了這個理論體系，過去那些支離破碎的知識體系現(xiàn)開始逐漸走向統(tǒng)一。這個學說的歷史不長，只有幾十年的時間。那么科學家們是怎么搞清楚地球內(nèi)部的事兒呢，且聽我慢慢道來。
地球科學研究史上發(fā)生過兩次認知革命。第一次地學革命發(fā)生在18世紀末，這就是所謂的“水火之爭”。當時的地質(zhì)學家們遇到了一個問題，地球上的這些石頭到底是怎么來的呢？為了回答這個問題，當時的德國學者沃爾那提出了一個“水成論”。他認為嗎，所有的巖石都是在水里逐漸沉淀以后形成的，當年，地球肯定是被原始的海洋所覆蓋。這話說的的確是有道理的。高山上也曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)過貝殼化石，甚至有魚類的化石，說明這里過去是海底哦。
沃爾那號稱德國地質(zhì)之父
這是其中一個理由，還有一個理由是說，巖石中存在很多晶體結(jié)構(gòu)。這種晶體只有在水溶液之中才能產(chǎn)生。巖漿只能形成玻璃態(tài)物質(zhì)，沒辦法形成晶體。玄武巖之中是存在晶體結(jié)構(gòu)的，因此不可能是熔巖冷凝下來形成的。我們現(xiàn)在都知道，玄武巖是巖漿冷卻的產(chǎn)物。但是當時這位沃爾那是不知道的。其實他一輩子也沒踏出過老家薩克森州。有關(guān)巖漿的知識，他是從16世紀的一位礦物學家阿格里科拉的書里看來的，這位阿格里科拉寫了一本《論礦冶》，當年湯若望來到中國把這本書翻譯成了中文，起名字叫《坤輿格致》，謹獻給了崇禎皇帝，可惜崇禎皇帝沒時間看，第二年，崇禎皇帝就上吊了，這本《坤輿格致》也就不知道哪里去了。到了1912年，赫伯特·胡佛把這本書從拉丁文翻譯成了英文，到現(xiàn)在還在出版。赫伯特胡佛當年到開灤煤礦當過總工程師，訛詐了開灤的一大部分股份，從此發(fā)了財，日后成了美國總統(tǒng)。
扯遠了，扯回來。阿格里科拉認為火山就是地下的煤礦著火了，他把火山和地下煤層的自燃混為一談了。沃爾那信了他的說法，當然是會犯錯誤的。沃爾那口才非常好，算是一位“網(wǎng)紅”教師，所以吸引了很多學生慕名而來，聽他的課。他對巖石如何沉積提出了一整套理論，他和他的追隨者就是所謂的“水成學派”。和他針鋒相對的就是所謂的“火成學派”。代表人物就是英國的霍頓。
詹姆斯·霍頓
霍頓和沃爾那是差不多同時代的人。他寫了一本書叫《地球論》，他提出。玄武巖這樣的巖石一定是火山巖漿的冷卻的產(chǎn)物。地球內(nèi)部就是個炙熱的巖漿池?；纛D也有霍頓的理由，花崗巖之中是存在石英的，也就是微小的水晶。這東西根本就不溶于水，怎么可能是在水里結(jié)晶的產(chǎn)物呢？這根本不可能。他們“火成學派”的人提出一個觀點。那就是凡是能找到玄武巖的地方，你往前追溯，一定能在附近找到火山口。
1758年，霍頓在發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的玄武巖，這些玄武巖插入了 石灰?guī)r之中。而且插入的地方有被高溫燒烤的跡象。這說明啥呢？玄武巖肯定曾經(jīng)有過非常高的溫度，這不是巖漿凝結(jié)成的是啥呢？這可是鐵證如山啊，開心的霍頓手舞足蹈。別人還以為他找到金子了呢！
支持水成學派的人總是喜歡搬出《圣經(jīng)》，《圣經(jīng)》上不是有大洪水的說法嘛。上帝沒事刪檔，弄得生物都死絕了。所以水成學派天生和《圣經(jīng)》是兼容的。火成學派不兼容??！傳教士攻擊霍頓是無神論者，弄得霍頓非常郁悶。這大帽子扣下來，在十八世紀還是夠你喝一壺的了?；纛D不信邪，要留清白在人間啊。他對自己的書擴充了很多資料，在1795年出了個新版本。但是這本書寫的太深奧，沒人看得懂，弄得霍頓極其郁悶，兩年之后，霍頓就去世了。
他的戰(zhàn)友約翰文筆很好，給他的書出了一個解讀版，向大家介紹霍頓的理論，一下子就傳播開了?？磥砜破照娴暮苤匾?，寫東西沒人看，那不跟沒寫一樣嘛?；纛D要是能寫到深入淺出就好了。
此后火成學派的證據(jù)越來越多，很多水成學派的人就開始逐漸反水了。英國有個著名的地質(zhì)學家叫“塞奇威克”，還記得這個人吧。正是他領(lǐng)著達爾文到處去考察，把達爾文帶進了地質(zhì)學的大門，可以說此人是達爾文的開蒙師傅。他本來就是水成學派的鐵桿粉絲。但是后來他也反水了，支持了火成學派。
馬德拉島的柱狀巖石是典型的火成巖
現(xiàn)在我們知道，玄武巖和花崗巖都是巖漿巖，都是火山噴發(fā)出來的巖漿冷凝下來的產(chǎn)物。但是還有一大類是沉積巖。比如砂巖、葉巖、石灰?guī)r都是沉積巖。還有一大類叫“變質(zhì)巖”。其實就是在高溫高壓之下變性了，比如說石灰?guī)r變成了大理巖。花崗巖變成了片麻巖，這都是變質(zhì)巖。巖石無外乎就這三大類。不能單純的說是火山搞出來的，或者是水泡出來的。
霍頓學說的一大特點就是盡量用自然界看得見摸得到的作用來解釋地質(zhì)變遷。比如陽光日曬，風吹雨淋。只靠這些自然的力量就能改變地形地貌。受到他的影響，萊伊爾寫了一部書叫《地質(zhì)學原理》，我們在講達爾文的時候講到過他。達爾文在船上看他的書，看得非常投入。萊伊爾最大的貢獻就是所謂的“均變論”，也叫漸變論。達爾文是他的大粉絲啊。后來的進化論之中緩慢連續(xù)漸變的思想就來自于萊伊爾。
火成學派的理論后來發(fā)展成了均變論，這時候面對的死對頭就是居維葉提出的災(zāi)變論了。我們在講達爾文的專輯里面都講過了。達爾文隨著貝格爾號環(huán)球航行其實是以地質(zhì)學家的身份去的，回來以后出版的書也有很多是地質(zhì)學專著。從霍頓到萊伊爾，再到達爾文。形成了一個比較完整的均變論體系。達爾文受到萊伊爾的《地質(zhì)學原理》影響，寫了《物種起源》。萊伊爾這一輩子基本上就是在修訂他的《地質(zhì)學原理》，后來不斷的往他的書里面摻雜達爾文的思想。反正萊伊爾不怕麻煩，跟的非常緊，達爾文有點什么新鮮的思想，萊伊爾馬上寫進自己的書里。所以，《地質(zhì)學原理》連續(xù)升級了11個版本。
經(jīng)過霍頓、萊伊爾、達爾文這一系列的推動，均變論得到大家的普遍承認，成了當時地質(zhì)學的主流。形成了新的正統(tǒng)學派，很長時間內(nèi)是沒人敢去打破的。按照均變論，地球固然有滄海桑田的變化，但是都只能算是小打小鬧。無外乎水位高一點還是低一點的問題。既然如此，受影響的也就只有靠水近的地方。
那么問題來了，地球上的高山又是從哪里來的呢？很多高山上發(fā)現(xiàn)了海洋生物的化石。說明這些山也曾經(jīng)是海底，為什么如今他們變得這么高了呢？對于19世紀的科學家來講，這個問題很棘手啊?；鹕焦倘皇且粋€非常好的解釋，火山不斷的噴巖漿，從口上流出來，流不出多遠就涼了，就凝固了，所以就把家門口越壘越高。于是火山就變成了一個口高四周逐漸降低的圓錐體。但是，世界上大部分山不是火山，而且山都是呈現(xiàn)帶狀分布的，往往是形成一連串的山頭，組成一個山系。你如何解釋這種現(xiàn)象呢？
開爾文爵士
這時候，就需要物理學家出手幫忙了，來人正是開爾文勛爵。開爾文勛爵是個虔誠的教徒，打心眼里是看不上萊伊爾和達爾文的，他的目的是跟達爾文的進化論思想作對，他要證明地球的歲數(shù)沒有那么大，根本不夠慢慢騰騰的生物進化。開爾文勛爵用了一個自以為絕妙的方法來估測地球的年齡，那就是利用地溫梯度和導(dǎo)熱方程。
英國很早就進入到工業(yè)革命時期了，最早就是從開采煤礦開始的，他們發(fā)現(xiàn)，地下遠比地上要熱。這說明什么呢？地球在向外散熱呢。地球內(nèi)部熱，外部冷，形成了一個溫度梯度。如果利用當時傅里葉推導(dǎo)出的熱傳導(dǎo)方程，就可以構(gòu)建一個散熱模型，計算出地球從早期高溫冷卻到現(xiàn)在需要花費多久。
這進行計算需要三個參數(shù)：地球初始溫度、巖石導(dǎo)熱系數(shù)、地溫梯度。導(dǎo)熱系數(shù)可以測量，地溫梯度也可以測量，最后粗略取一個平均值，畢竟各地有差異。初始溫度只能靠估計；開爾文估計是3870攝氏度，因為他認為這個溫度或許接近巖石的熔點（實際上沒有那么高）。
開爾文爵士估算出地球年齡大概是9800萬年。他知道，數(shù)據(jù)不是太靠譜兒，比較粗糙，所以他最后說了一句，地球的年齡應(yīng)該是比2千萬年要長，但是不會超過4億年。如今我們都知道他算錯了，地球內(nèi)部是有熱源的，并不是一直在自然冷卻。但是他誤打誤撞的推動了地球物理的進步。
我們順著開爾文爵士的思路想一想，要是地球正在不斷的散熱，不斷的變冷，難道不會熱脹冷縮嗎？這種熱脹冷縮是否就是造成地球表面變得皺皺巴巴的原因呢？想想由葡萄變成葡萄干的過程，不就是因為體積的縮小導(dǎo)致表面變得皺皺巴巴的嘛！
地槽學說
哪里最容易出現(xiàn)褶皺呢？當然是在陸地和海洋的邊緣。陸地和海洋的收縮速度不同，最容易在邊緣部分出問題嘛。美國的霍爾和丹納針對阿巴拉契亞山的情況，提出了地槽理論。那就是大陸邊緣出現(xiàn)過巨大的地槽，被淺水覆蓋著。然后各種沉積物就一層層像千層餅一樣填充在這個槽里。后來因為地殼的運動，這個地方被兩邊擠壓，中間的沉積層就被擠出來了，變成了一個個皺紋。因為被擠壓變形了，才導(dǎo)致這個地方隆起成了一座山。這個就是著名的地槽理論，的確是可以解釋很多現(xiàn)象。后來還和地臺學說一起構(gòu)成了所謂的“槽臺說”，地臺是穩(wěn)定的，地槽是不穩(wěn)定的。這個理論在上百年的時間內(nèi)都是地質(zhì)學的比較重要性的理論。
不管怎么樣，當時的科學家認為，地面會有起起伏伏的升降，但是沒有大幅度的水平移動。為了解釋地面的升降，在槽臺說的基礎(chǔ)上總結(jié)出了五花八門的理論，這就跟中醫(yī)開藥方差不多，千人千方。這座山是這種理論，下一座山可能要換一套說法。但不管怎么說，大家都認為，造山帶就是過去的地槽，至于為什么地上會有那么大一個坑，天知道??！
阿爾卑斯山
地槽理論傳到了歐洲，當時歐洲的地質(zhì)學家正在對阿爾卑斯山進行考研究，他們發(fā)現(xiàn)北美流傳過來的這個理論是有問題的，和歐洲這邊的情況是對不上的。假如地槽理論是對的，地槽一般出現(xiàn)在海陸交界處，或者大陸邊緣。那肯定不會出現(xiàn)在深海大洋。即便在山頂上發(fā)現(xiàn)水生生物的痕跡，也不可能是深海生物吧?？墒前柋八顾股竭@邊經(jīng)常發(fā)現(xiàn)深海的東西哦，難道阿爾卑斯山是從深海大洋里升起來的？理論對不上啊！歐洲和美國兩邊的地質(zhì)學家之間沒少吵架?？偟膩碇v，歐洲人的思想還是比較超前的，畢竟他們見到過的山比美國人多多了。
敢于離經(jīng)叛道的人一直都是存在的，而且還由來已久。1620年，大思想家培根就發(fā)現(xiàn)，大西洋兩岸的地圖好有意思，一邊是鼓出來的，另一邊就是凹進去的，而且形狀上看能夠拼到一起。英國生物學家愛德華·福布斯就發(fā)現(xiàn)，某些動物的遷徙路線不正常。
北極燕鷗的遷徙線路
我們現(xiàn)在知道，有一種動物叫洋鹱（這個名字查不到，可能是指北極燕鷗），他們總是在南極和北極之間來回的遷徙。但是它們飛行的路線很奇怪。他們是從南極大陸飛到南非，然后飛到巴西，然后飛到北非，再飛到芬蘭，然后再到到格陵蘭，這一路飛下來，多次穿越大西洋，它們腦子笨，不會抄近道嗎？對當時的人來講這是一個謎。
這一切的謎都要等待一個聰明人，給出一個驚世駭俗的答案。而且這個家伙并不是搞地質(zhì)學專業(yè)的。所以他的路才走的格外的艱難。
下回再說！
