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[转载]学地质学的三重境界

已有 2222 次阅读 2015-8-21 16:48 |个人分类:专业感悟|系统分类:科普集锦|文章来源:转载

学地质学的三重境界:

1、没学地质学前,看山是山,看海是海。

2、学地质学时,看山不是山,看海不是海。

3、学了地质学,看山还是山,看海还是海。

学地质学的三重境界

   对于一个初初进入地质系的新生来说,地质学似乎是一门既艰涩又枯燥的学科。在第一个学期开始上普通地质学时,老师会开章明义地说明“地质学是一门研究地球的科学”,以后在讲地球的组成时,就会说”地壳是岩石组成的,岩石是构成地壳的基本单位;岩石是矿物的集合体,矿物是构成岩石的基本单位”,于是以后在上实习时,就开始背一些岩石、矿物的名称,什么花岗岩、闪长岩、辉长岩、橄榄岩、流纹岩、安山岩、玄武岩,什么云母、石英、角闪石、辉石、橄榄石、斜长石、正长石等等,背得一个头个大,不知道为什么明明都是石头,却“天下本无事,庸人自扰之”地分成那么多奇奇怪怪的种类,还要给它们取名字,真是无聊。于是在不了解岩石、矿物的分类依据的情況下,为了应付考试,只有硬背,等考试过后不久,就大多还给老师了。差不多要经过一、两年的光阴,修过岩石学以后,一回生,两回熟,耳濡目染的结果,才能朗朗上口地说出一些岩石、矿物的名称,但还是不容易就一种岩石从它的组成与结构鉴定出它正确的名称。

   对一个沒有修过地质学的门外汉来讲,地质学更是犹如天书般地难于了解。也許,地质学之所以让人望而却步,是因唯有太多的专有名词的缘故。这些名词在一般人的日常生活中不容易看得到或用得到,因此第一次看到这些名词时,就会令人感到十分陌生。在无法了解这些名词所代表的意义的状況下,也就无法了解地质文章的內容,当然也就无法对地质产生兴趣。其实,每一门科学都有其领域內的专有名词,其所以会有专有名词,目的主要是为了便利陈述,便利沟通而已。有了专有名词,我们可以把需要用很多文字加以陈述的事态(state of affair),用简单的几个字就足夠陈述我门所要陈述的事态,使文章不至于太过于冗长。专有名词所代表的意义內涵是固定的,也就是说有它的定义。但要注意,定义是会随着研究的进步而更动,并不是一成不变的。如果我们能夠了解专有名词是给我们方便,而不是要增加我们的负担的话,也許,大家对专有名词就不会那么排斥了。  

   要大概地了解地质学的研究內容,其实不是一件很难的事,关键在于是否能把握地质学的定义、研究目的、与特色。首先我们先说明地质学的定义及研究目的,再来说明他的特色。

   “地质”这两个字,就字面而言,对不同的人有不同的意义。“地”可能是“土地”,也可能是“地球”,“质”可能是“性质”,也可能是“本质”或“物质”。因此,有的人把“地质”看成是“土地的性质“,有的人看成是“地球的性质”或“地球的质”。其实,地质是一个由外文翻译过来的名词,他的英文是”Geology”。依据原文的意义,”Geo-“是“地球”的意思,“-logy”是“研讨”(discourse)的意思,综合起来,“Geology”的意思就是“研讨地球的一门学問”。但不晓得为什么,翻译成汉文以后,就称为地质学,也就是专门研究地球的一门自然科学。国人一般喜好望文生义,比较容易理解“地质”的“地”是代表“地球”,是“质”所代表的是什么意义,就莫衷一是了。其实,就字面而言对“geology”比较好的翻译是“地理”,但可惜的是“地理”这个名词已经先有其他的用途了。也許,把geology 翻译为“地球学”,会比“地质学”或“地学”好一点也说不定。但“地质”这个名词已经沿用了一百多年,真要改它也不是一件容易的事。

   对一个地质学家而言,地质研究的目的大致可以分为靜态与动态两方面。靜态方面的目的,是要了解“现代“这个时期构成地球的物质的组成与结构;动态方面的目的,则是要了解在“过去“的时代里构成地球的物质的组成与结构如何地变化成现代这种组成与结构的过程。

   上面说过,地质是一门专门研究地球的自然科学,照理应該可以翻译成“地球科学”,也就是英文的“Earth Science”。但是,现代的地球依据它现在的组成与结构,一般分成大气圈(Atmosphere)、水圈(Hydrosphere)、与岩石圈(Lithosphere)。由于研究现代大气圈与水圈的组成和结构变化的学门已经各自成为专业的科学,分別称为大气科学与水文科学,因此,专门研究地球主要以固体构成之岩石圈的组成与结构变化的学门,称为地质科(Geological Sciences)。

   大气科学与水文科学研究的都是发生在现代的自然变化,对于过去发生在大气圈及水圈中的变化的研究,只能依据最多几千年来的历史文字记录,对更久远的过去所发生的变化,则须依靠地质学的理论。另一方面,大气与水组成与结构的变化速率是如此地快,因此,现在这个时刻的大气或水文现象与前一个时刻或下一个时刻的现象,都有很大的差別。基本上,要记录每一个时刻的大气或水文现象可说是非常地困难,因此,大气学家或水文学家若是要从现在这个时刻所观察到的现象去推论前一个时刻大气或水的组成与结构,以及期间变化的过程,是一件可说是不可能的工作。但是,专门以现在的岩石圈为研究对象的地质学家,就是要从现在的岩石圈现在可以观察得到的组成与结构的现象,去推论前一个时刻岩石圈的组成与结构。

   地质学家到底凭什么能夠做如此的推论呢?这是因为地质学家信“The present is the key to the past”(现在是打开过去之门的钥匙)。 地质学家是怎么去了解地球现在的组成与结构,又怎么从现在的组成与结构去了解造成

这种组成与结构的过程呢?

 2 在要了解地球现在的组成与结构之前,我们有必要先了解地质学家是如何去描述地球的组成与结构。

   一般我们在描述物质的时候,大多使用化学的或材料的名称,如金、银、铜、铁、碳酸鈣、二氧化硅或金属、木材、土、石等等之类。但是在地质学,却是用各种不同名称的石头来描述地球的组成。更创造出好几种名称来描述这些石头的结构。这些名称因为不是日常用語,因此对大多数的人都是很陌生的名词,当然也就不了解、不熟悉这些名词的含意。在这种情況下,人们要进地质学之门的时候,就碰到一大推这些看起来要死背的名词,把原本想入门一窥究竟的兴趣打得一干二净,只得怅然打退堂鼓。自此而讲对地质学敬而远之,不

但失去领会地球的奧秘的机缘,而且也就无法了解人类的生活与地球的实质关系。其实,只要稍微运用一些时空的想象力,了解地球组成与结构变化的法则,就可以轻易地打通任、督二脉,功力大增,要理解这些杂七杂八的名词是易如反掌,要进入地质学之殿堂,也就不用

费吹灰之力!

   首先,我们观察到现代地球表面上的物质可以分为生物与无生物。无生物的部份就是石头(stone)与泥土(clay)。地质学家再进一步詳細观察一些土壤剖面的结果,发现剖面的上层是松散的泥土或石塊,而下层则是完整的、固结得很好的土石,因此运用想像力,结合物理学与化学的知识,推论上层松散的土石是下层的土石在现代经过风化作用讲的产物。因此將上层的土石称为表土(regolith),而將下层未风化的石头称为岩石(rocks)。地质学家在从现在的组成与结构去推论造成这种组成与结构的历史过程的时候,常常省略表土的形成过程,而只注重岩石未受风化作用前的形成过程。地质学家特別称呼在地面上出露的岩石为露头(outcrop)。因为地质学家认定地球表面出露的岩石只有沉积岩、火成岩与变质岩等三种。这三种岩石的分法主要是依据岩石的形成过程。而岩石的形成过程也是地质学家运用想像力结合物理学与化学的知识推论出的!地质学家想像的事是什么呢?地质学家想像而且相信的是“The Present is the key to the Past”。

   为什么相信“The present is the key to the past”就可以从现在的岩石圈可以观察到现象去推论过去岩石圈的组成与结构的状态呢?经验上告訴我们﹑让我们相信现在岩石圈的现象﹑就像電影的停格一样﹑是从过去到现在这个时刻经过种种变化的结果。而且,自古至今,这些变化一直都在进行着。如果我们知道这种种的变化﹑我们就可以从现在的停格去推论前一个停格的样子一样,去推论前一个时刻岩石圈组成与结构的样子。接下来的问题是,究竟岩石圈中会有哪些变化会使其组成与结构改变呢?“The present is the key to the  past”就是说“现在,在改变岩石圈组成与结构的种种变化,在过去,不管多久远,也是由这些种种变化在改变岩石圈的组成与结构”。地质学家將这些变化统称为地质作用。经由体验与实验的结论,地质学家將地质作用分为內部地质作用与外部地质作用(Internal and External Process):

   1 . 內部地质作用(在地球內部进行的地质作用):在岩石圈內部,未与水圈与大气圈

接触的部位进行的作用。

   (1)变质作用(Metamorphism):在地球內部的岩石,受到热力、压力的作用,使岩石的矿物组成与结构改变。经过此种作用的岩石称为变质岩。

  (2)岩漿作用(Magmatic Process):在地球內部原本为固体的岩石,因为热力、压力的改变,变成熔融状态的岩漿。岩漿冷却后形成的固体,称为火成岩。

  (3)变形作用(Deformation Process):地球內部的岩石受力的作用,造成岩石结构的改变,形成裂面、断层、褶皺。

   2·外部地质作用(在地球外部进行的地质作用):

  (1)风化作用(Weathering):岩石在与大气、水、生物接触时,产生化学、物理变化,使得岩石的组成与结构发生改变。

  (2)侵蚀作用(Erosion):將地球外部的物质(风化过或未风化过的岩石)搬離原地的作用。

  (3)沉积作用(Sedimentation):地球外部的物质,随着风、水、冰川的流动,搬运到一个地点沉积或沉淀下来的作用。          

   现在大地的形貌,是自然的现代雕塑作品

         雕刻大地的手:自然、上帝、创物者

         雕刻大地的工具:水、冰川、风

         雕刻大地的能源:重力

         雕刻大地的手法:侵蚀

         现代的雕刻作品:现在的地貌

   不同的材料,不同的手法,展现不同的作品。现在陆地的形貌,是自然的现代雕刻作品。海洋、湖泊,是雕刻废料的垃圾场,是大地形貌的塑造场,也是往后雕刻材料的制造场。

   地质学家相信我们现在在地球表面上所看到的岩石,都是曾经经历过上述地质作用的一种或多种的结果,才造成今日这样的组成与结构。而且相信这些今日所看到的组成与结构都还保留着他经历过的地质作用的信息。如果我们能夠知道什么样的地质作用会造成怎么样的组成与结构的话,我们就可以从现在岩石组成与结构的观察,去推论它所经历的地质作用,解读出它所保留的信息。如果进一步我们能夠解读这些地质作用发生的顺序及年代的话,我们就能編制出这塊岩石的历史。地质学家是如何地解读地质作用发生的顺序及年代的那呢从“The Present is the key to the Past” ,地质学家发展出一套定律来解读地质作用发生的顺序(succession of events)及相对的年代(relative time)。这套定律包括:

       1.岩层层置定律( Law of superposition):

       任何一套沉积岩岩层,如果沒被断层作用或褶皺作用过的话,则下层的岩层一定会比上层的岩层早形成,即年代最老的岩层一定在最下面,最年輕的岩层一定在最上面。这个定律早在西元 1669 年即由 Steno 所定出。

       2.岩层截切关係定律( Law of crosscutting  relationship):当一岩层切入另一岩层当中时,则此切入的岩层形成的年代一定要比被切入者为老。如一火成岩体切(侵)入一套沉积岩当中,则此火成岩的形成年代一定是在沉积岩形成之后。

       3.动物族群顺序定律( Law of faunal succession):已变成化石的动物群与植物群(faunas and floras)一群接一群的排列是有一定的顺序,每一个时代的地层都有与其上或其下的地层不但不同而且獨特的动物或植物化石群。

       4.动物族群定律( Law of faunal assemblage): 含有相同动物化石或植物化石族群的岩层,一定是在同一个时代形成的。

   虽然地质学的研究,如前所述,志在揭开地球自形成到现在为止组成与结构演变的历史,而其研究的起点是现在地球表面所观察到的岩石。有问题的是地球表面的大部分地区是被海洋、湖泊、溪河、土石、植物所覆盖,真正含有历史信息的岩石出露的所謂”露头“并不多,只占地球表面很少的面积。要如何从这些極少数的露头去推论出地球表面全部岩石的组成与结构,是地质学家第一个须要解決的问题。为了解決这个问题,地质学家又发展出一些理论,用来推论现在沒有露头的地区的岩石组成与结构的状态。这些理论的基本課題大致可分为两种,一种是关于岩石形成时,岩石是如何地组成与结构及分布的理论,岩石学即是专门在建立、探讨这方面的理论;另一种是关于岩石形成讲,岩石的组成与结构及分布是如何地改变的理论。构造地质学即是在建立、探讨这方面的理论。


   在岩石学中,一般是依岩石的组成与结构將岩时分为三大类,即沉积岩、火成岩、变质岩。其实追根究底,此种分类所依据的主要是岩石的形成过程,岩石的组成与结构只是这种形成过程的结果而已。沉积岩是由一些原本分散的颗粒,经由风、水、或冰川等介质的搬运讲,聚集在一起,再经过压密、胶结作用而形成的。火成岩是由熔融的岩漿在地底或地表直接冷却形成的。变质岩则是火成岩或沉积岩在地底深处,经过热力、压力的作用,把原来是火成岩或沉积岩的组成与结构加以改变所形成的。地质学家归纳现在自然界的观察及室內的实验结果,认为不同形成过程所造成的岩石,会有不同的、特殊的组成与结构。

  因此地质学家一进入地质学之门,就要学习如何去认识这些特殊的组成与结构,从而运用这些知识去鉴定现在所观察的岩石是属于哪一类的岩石。由于岩石的分类是依据它的形成过程,因此当我们称呼一块岩石为沉积岩时,即意味着我们认为组成这块岩石的颗粒原本是一些分散在地球

表面的个体,只因为经过风、或水、或冰川的搬运,松散地聚集在一起,而且往讲还曾经再受到压密、胶结的作用,才紧密地结合成一体。这些颗粒在还未聚集在一起之前,它们可能原本是属于同一个地层的一分子,但更有可能是属于不同的地层,因此它们各自的年龄有可能差別不大,但更有可能差別非常之大。在地质学中,所谓岩石的年龄是指组成岩石的颗粒聚集在一起时的时代,并不是指每个颗粒单獨形成的时代。这就像我们計算一个机关的年龄5时,是从这个机关的成立开始算起,而不是计算这个机关成员的年龄或年资一样。因为地质学是一门具有浓厚历史学色彩的科学,因此在英文的地质文献中常常会用到“age”这个词像“the age of the Earth”、“the age of the rock”、“the age of the Formation”、翻译成中文的话,一般都翻成“地球的年龄”、“岩石的年龄”、“地层的年龄”。年龄,依照不同的定义,有不同的算法,以人的年龄为例,在西方,是从婴儿已经发育出人的形状,离开母亲的身体出生的那一刻算起到现在为止所经历的时间。在台湾,则是从精子和卵子结合的怀孕开始起算,把怀胎十月也算进去,因此一个人的年龄依照西方的算法跟台湾的算法会有一岁的差距。在地质学里,岩石年龄的算法是比较接近台湾式的算法,是从组成岩石的颗粒以固体的状态结合在一起的时刻开始算起,到现在为止的时间。

   因此,沉积岩的年龄是从组成的颗粒聚集在一起时开始算起;火成岩是从岩漿完全凝固成为矿物颗粒或矿物质的时候开始算起;变质岩的年龄则因为变质鹽市从火成岩或沉积岩变质过来的,而有两种年龄,一种是未变质前原来岩石(火成岩或沉积岩)的年龄,另一种是变质作用时候的年龄。岩石的年龄一般以百万岁(Ma)(million years before present)为单位,这种以实际岁数表示的年龄,称为绝对年纪(absolute time)。这种岁数需要利用仪器分析岩石中矿物內同位素的含量,运用放射性定年的理论去加以推算。火成岩的年龄跟变质岩的变质年龄比较可以利用放射性定年法測定出来,沉积岩的絕对年纪则由于其形成过程较为复杂,不容易利用这种方法測定,而且即使可以測定,也只是測定单獨颗粒的年龄,并不是颗粒聚集在一起的岁数。在放射定年法还沒发明之前,地质学常用的定年法,是相对(比较)(relative  time)定年法,用比较的方式来決定岩石形成的先讲顺序,先形成的岩石比较老(older),讲形成的岩石就比较新、比较年轻(younger)。要決定岩实形成的先讲顺序必须就在野外的露头上,运用层置定律、岩层截切关係定律当场加以判定。如果岩层中含有化石的话,也可以从化石种类的鉴定,依据生物演化理论及生物族群定律判定化石的时代讲,再利用这些化石资料来判定含化石的岩层形成的先讲顺序。

   因为地质学是一种历史科学,因此为了方便描述起見,將岩石形成的时代从古至今分为几个朝代,就像中国历史自古至今分为虞、夏、商、周、隋、唐、汉、元、明、清、民国一样。地质朝代的分法首先是依据生物的有无分为两个元(eon),即沒有生物存在的隱生元和有生物存在的显生元。显生元再依据生物种类的不同,分为古生代、中生代、新生代等三个朝代(era)。每个朝代再分为纪(period),每个纪再分为世(epoch)。每一个朝代、每一纪、每一世都有其世界通用的名号;如新生代(Cenozoic  Era) 分为第三纪Tertiary Period)与第四纪(Quaternary);第三纪由古而新分为古新世(Paleocene)、始新世(Eocene)、渐新世(Oligocene)、中新世(Miocene)与上新世(Pliocene);第三纪的前三个世(古新世、始新世、渐新世)又合称为古第三纪(Paleogene),后讲两个世(中新世与上新世)则合称为新第三纪(Neogene)。第四纪分为现新世(Pleistocene)与全新世(Holocene)。全新世是地质历史最新的时代,指的是从一万年前到现在的时期。在不同的朝代形成的岩石,地质学亦赋予不同的名称,命名的层序是与朝代的分法相对应的。譬如在古生代形成的岩石称为古生界(Paleozoic  erathem),在新生代的第三纪形成的岩石称为第三系(Tertiary system),在第三纪的中新世形成的岩石称为中新统(Miocene series)。

   学地质学三重境界:

      1. 沒学地质学前,看山是山,看海是海。

       2. 学地质学时,看山不是山,看海不是海。

       3. 学了地质学讲,看山还是山,看海还是海。

   1. 看山是山,看海是海 (欣賞现代雕刻品之美)

   在还沒学过地质学之前,我门到戶外,看到的是地面的高低起伏,隆起者为山,凹下而有水者为海。我们关注的是山的形状、海的范围。

   2.  看山不是山,看海不是海(了解雕刻作品的来龙去脉)        

   在学地质学的时候,我们关切的是地面以下的石头。在地质学家的眼中,地面之所以高低起伏(即地形),只是岩石界与大气界或水界接触的界面的形状而已。換句话说,地形是岩石界的外在表现。地形的变化其实是岩石界变化的结果。岩石界的变化就是我们所谓的地质作用。在戶外,我们先要看的不是山的形状、海的范围,而是构成山、构成海底的岩石是怎么样的成分与结构。也就是说,我们要看的是山的地质,海底的地质。因此在这个阶段,我们是不把山当山看,不把海当海看。

   3. 看山还是山,看海还是海 (了解自然在这里造山造海的原因)

   在明了了山的地质、海底的地质以后,我们还要进一步去了解为什么这个地区的岩石会隆起成为山、凹下成为海的原因。山与海是现在既存且不可抹灭的事实。因此,我们看山还是要把山当山看,看海还是要把海当海看。




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1 徐义贤

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