 最近一些年，我国发生了几次或大或小的地震，因此地震非常受关注。大家印象里，四川发生的地震特别的多。其实这就跟四川的地理位置和地质构造有关系。具体来讲，四川的地震多发和青藏高原有关系，青藏高原则和印度板块有关系。说到底，火山和地震都是地球内部能量的释放过程。 所以，这一次，我们开讲一个新的系列，我们讲讲地球内部的那些事儿，讲讲我们地球的过去。地球并不算大，直径也就1.28万公里。但是我们对地球内部的了解却非常少，多少光年之外的事儿我们了解很多，脚底下几十公里的事儿，到现在还没完全弄清楚。因为地球是实心的，我们的眼睛看不见。我们可以了解宇宙是如何诞生的，但是对于地球内部，我们仍然知之甚少。 大家知道，我是比较偏爱存在大框架的学科的，我讲相对论和量子力学，我讲进化论的诞生历程，其实都是在描述统领整个学科的大框架是如何建立起来的。建立一个新的知识框架的过程，可以被称为一场科学革命。物理学和生物学都是经历过这种脱胎换骨的革命的。同样地球科学也经历过一场革命，这就是板块构造理论的发展与完善。有了这个理论体系，过去那些支离破碎的知识体系现开始逐渐走向统一。这个学说的历史不长，只有几十年的时间。那么科学家们是怎么搞清楚地球内部的事儿呢，且听我慢慢道来。 地球科学研究史上发生过两次认知革命。第一次地学革命发生在18世纪末，这就是所谓的“水火之争”。当时的地质学家们遇到了一个问题，地球上的这些石头到底是怎么来的呢？为了回答这个问题，当时的德国学者沃尔那提出了一个“水成论”。他认为吗，所有的岩石都是在水里逐渐沉淀以后形成的，当年，地球肯定是被原始的海洋所覆盖。这话说的的确是有道理的。高山上也曾经发现过贝壳化石，甚至有鱼类的化石，说明这里过去是海底哦。 沃尔那号称德国地质之父 这是其中一个理由，还有一个理由是说，岩石中存在很多晶体结构。这种晶体只有在水溶液之中才能产生。岩浆只能形成玻璃态物质，没办法形成晶体。玄武岩之中是存在晶体结构的，因此不可能是熔岩冷凝下来形成的。我们现在都知道，玄武岩是岩浆冷却的产物。但是当时这位沃尔那是不知道的。其实他一辈子也没踏出过老家萨克森州。有关岩浆的知识，他是从16世纪的一位矿物学家阿格里科拉的书里看来的，这位阿格里科拉写了一本《论矿冶》，当年汤若望来到中国把这本书翻译成了中文，起名字叫《坤舆格致》，谨献给了崇祯皇帝，可惜崇祯皇帝没时间看，第二年，崇祯皇帝就上吊了，这本《坤舆格致》也就不知道哪里去了。到了1912年，赫伯特·胡佛把这本书从拉丁文翻译成了英文，到现在还在出版。赫伯特胡佛当年到开滦煤矿当过总工程师，讹诈了开滦的一大部分股份，从此发了财，日后成了美国总统。 扯远了，扯回来。阿格里科拉认为火山就是地下的煤矿着火了，他把火山和地下煤层的自燃混为一谈了。沃尔那信了他的说法，当然是会犯错误的。沃尔那口才非常好，算是一位“网红”教师，所以吸引了很多学生慕名而来，听他的课。他对岩石如何沉积提出了一整套理论，他和他的追随者就是所谓的“水成学派”。和他针锋相对的就是所谓的“火成学派”。代表人物就是英国的霍顿。 詹姆斯·霍顿 霍顿和沃尔那是差不多同时代的人。他写了一本书叫《地球论》，他提出。玄武岩这样的岩石一定是火山岩浆的冷却的产物。地球内部就是个炙热的岩浆池。霍顿也有霍顿的理由，花岗岩之中是存在石英的，也就是微小的水晶。这东西根本就不溶于水，怎么可能是在水里结晶的产物呢？这根本不可能。他们“火成学派”的人提出一个观点。那就是凡是能找到玄武岩的地方，你往前追溯，一定能在附近找到火山口。 1758年，霍顿在发现了一些奇怪的玄武岩，这些玄武岩插入了 石灰岩之中。而且插入的地方有被高温烧烤的迹象。这说明啥呢？玄武岩肯定曾经有过非常高的温度，这不是岩浆凝结成的是啥呢？这可是铁证如山啊，开心的霍顿手舞足蹈。别人还以为他找到金子了呢！ 支持水成学派的人总是喜欢搬出《圣经》，《圣经》上不是有大洪水的说法嘛。上帝没事删档，弄得生物都死绝了。所以水成学派天生和《圣经》是兼容的。火成学派不兼容啊！传教士攻击霍顿是无神论者，弄得霍顿非常郁闷。这大帽子扣下来，在十八世纪还是够你喝一壶的了。霍顿不信邪，要留清白在人间啊。他对自己的书扩充了很多资料，在1795年出了个新版本。但是这本书写的太深奥，没人看得懂，弄得霍顿极其郁闷，两年之后，霍顿就去世了。 他的战友约翰文笔很好，给他的书出了一个解读版，向大家介绍霍顿的理论，一下子就传播开了。看来科普真的很重要啊，写东西没人看，那不跟没写一样嘛。霍顿要是能写到深入浅出就好了。 此后火成学派的证据越来越多，很多水成学派的人就开始逐渐反水了。英国有个著名的地质学家叫“塞奇威克”，还记得这个人吧。正是他领着达尔文到处去考察，把达尔文带进了地质学的大门，可以说此人是达尔文的开蒙师傅。他本来就是水成学派的铁杆粉丝。但是后来他也反水了，支持了火成学派。 马德拉岛的柱状岩石是典型的火成岩 现在我们知道，玄武岩和花岗岩都是岩浆岩，都是火山喷发出来的岩浆冷凝下来的产物。但是还有一大类是沉积岩。比如砂岩、叶岩、石灰岩都是沉积岩。还有一大类叫“变质岩”。其实就是在高温高压之下变性了，比如说石灰岩变成了大理岩。花岗岩变成了片麻岩，这都是变质岩。岩石无外乎就这三大类。不能单纯的说是火山搞出来的，或者是水泡出来的。 霍顿学说的一大特点就是尽量用自然界看得见摸得到的作用来解释地质变迁。比如阳光日晒，风吹雨淋。只靠这些自然的力量就能改变地形地貌。受到他的影响，莱伊尔写了一部书叫《地质学原理》，我们在讲达尔文的时候讲到过他。达尔文在船上看他的书，看得非常投入。莱伊尔最大的贡献就是所谓的“均变论”，也叫渐变论。达尔文是他的大粉丝啊。后来的进化论之中缓慢连续渐变的思想就来自于莱伊尔。 火成学派的理论后来发展成了均变论，这时候面对的死对头就是居维叶提出的灾变论了。我们在讲达尔文的专辑里面都讲过了。达尔文随着贝格尔号环球航行其实是以地质学家的身份去的，回来以后出版的书也有很多是地质学专著。从霍顿到莱伊尔，再到达尔文。形成了一个比较完整的均变论体系。达尔文受到莱伊尔的《地质学原理》影响，写了《物种起源》。莱伊尔这一辈子基本上就是在修订他的《地质学原理》，后来不断的往他的书里面掺杂达尔文的思想。反正莱伊尔不怕麻烦，跟的非常紧，达尔文有点什么新鲜的思想，莱伊尔马上写进自己的书里。所以，《地质学原理》连续升级了11个版本。 经过霍顿、莱伊尔、达尔文这一系列的推动，均变论得到大家的普遍承认，成了当时地质学的主流。形成了新的正统学派，很长时间内是没人敢去打破的。按照均变论，地球固然有沧海桑田的变化，但是都只能算是小打小闹。无外乎水位高一点还是低一点的问题。既然如此，受影响的也就只有靠水近的地方。 那么问题来了，地球上的高山又是从哪里来的呢？很多高山上发现了海洋生物的化石。说明这些山也曾经是海底，为什么如今他们变得这么高了呢？对于19世纪的科学家来讲，这个问题很棘手啊。火山固然是一个非常好的解释，火山不断的喷岩浆，从口上流出来，流不出多远就凉了，就凝固了，所以就把家门口越垒越高。于是火山就变成了一个口高四周逐渐降低的圆锥体。但是，世界上大部分山不是火山，而且山都是呈现带状分布的，往往是形成一连串的山头，组成一个山系。你如何解释这种现象呢？ 开尔文爵士 这时候，就需要物理学家出手帮忙了，来人正是开尔文勋爵。开尔文勋爵是个虔诚的教徒，打心眼里是看不上莱伊尔和达尔文的，他的目的是跟达尔文的进化论思想作对，他要证明地球的岁数没有那么大，根本不够慢慢腾腾的生物进化。开尔文勋爵用了一个自以为绝妙的方法来估测地球的年龄，那就是利用地温梯度和导热方程。 英国很早就进入到工业革命时期了，最早就是从开采煤矿开始的，他们发现，地下远比地上要热。这说明什么呢？地球在向外散热呢。地球内部热，外部冷，形成了一个温度梯度。如果利用当时傅里叶推导出的热传导方程，就可以构建一个散热模型，计算出地球从早期高温冷却到现在需要花费多久。 这进行计算需要三个参数：地球初始温度、岩石导热系数、地温梯度。导热系数可以测量，地温梯度也可以测量，最后粗略取一个平均值，毕竟各地有差异。初始温度只能靠估计；开尔文估计是3870摄氏度，因为他认为这个温度或许接近岩石的熔点（实际上没有那么高）。 开尔文爵士估算出地球年龄大概是9800万年。他知道，数据不是太靠谱儿，比较粗糙，所以他最后说了一句，地球的年龄应该是比2千万年要长，但是不会超过4亿年。如今我们都知道他算错了，地球内部是有热源的，并不是一直在自然冷却。但是他误打误撞的推动了地球物理的进步。 我们顺着开尔文爵士的思路想一想，要是地球正在不断的散热，不断的变冷，难道不会热胀冷缩吗？这种热胀冷缩是否就是造成地球表面变得皱皱巴巴的原因呢？想想由葡萄变成葡萄干的过程，不就是因为体积的缩小导致表面变得皱皱巴巴的嘛！ 地槽学说 哪里最容易出现褶皱呢？当然是在陆地和海洋的边缘。陆地和海洋的收缩速度不同，最容易在边缘部分出问题嘛。美国的霍尔和丹纳针对阿巴拉契亚山的情况，提出了地槽理论。那就是大陆边缘出现过巨大的地槽，被浅水覆盖着。然后各种沉积物就一层层像千层饼一样填充在这个槽里。后来因为地壳的运动，这个地方被两边挤压，中间的沉积层就被挤出来了，变成了一个个皱纹。因为被挤压变形了，才导致这个地方隆起成了一座山。这个就是著名的地槽理论，的确是可以解释很多现象。后来还和地台学说一起构成了所谓的“槽台说”，地台是稳定的，地槽是不稳定的。这个理论在上百年的时间内都是地质学的比较重要性的理论。 不管怎么样，当时的科学家认为，地面会有起起伏伏的升降，但是没有大幅度的水平移动。为了解释地面的升降，在槽台说的基础上总结出了五花八门的理论，这就跟中医开药方差不多，千人千方。这座山是这种理论，下一座山可能要换一套说法。但不管怎么说，大家都认为，造山带就是过去的地槽，至于为什么地上会有那么大一个坑，天知道啊！ 阿尔卑斯山 地槽理论传到了欧洲，当时欧洲的地质学家正在对阿尔卑斯山进行考研究，他们发现北美流传过来的这个理论是有问题的，和欧洲这边的情况是对不上的。假如地槽理论是对的，地槽一般出现在海陆交界处，或者大陆边缘。那肯定不会出现在深海大洋。即便在山顶上发现水生生物的痕迹，也不可能是深海生物吧。可是阿尔卑斯斯山这边经常发现深海的东西哦，难道阿尔卑斯山是从深海大洋里升起来的？理论对不上啊！欧洲和美国两边的地质学家之间没少吵架。总的来讲，欧洲人的思想还是比较超前的，毕竟他们见到过的山比美国人多多了。 敢于离经叛道的人一直都是存在的，而且还由来已久。1620年，大思想家培根就发现，大西洋两岸的地图好有意思，一边是鼓出来的，另一边就是凹进去的，而且形状上看能够拼到一起。英国生物学家爱德华·福布斯就发现，某些动物的迁徙路线不正常。 北极燕鸥的迁徙线路 我们现在知道，有一种动物叫洋鹱（这个名字查不到，可能是指北极燕鸥），他们总是在南极和北极之间来回的迁徙。但是它们飞行的路线很奇怪。他们是从南极大陆飞到南非，然后飞到巴西，然后飞到北非，再飞到芬兰，然后再到到格陵兰，这一路飞下来，多次穿越大西洋，它们脑子笨，不会抄近道吗？对当时的人来讲这是一个谜。 这一切的谜都要等待一个聪明人，给出一个惊世骇俗的答案。而且这个家伙并不是搞地质学专业的。所以他的路才走的格外的艰难。 下回再说！ |
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