石头是咋形成的

马志飞

石头算得上是我们生活中最普通的东西，随处可见，很少有人真正去留意它们。不知道你有没有想过：石头究竟是如何形成的？对于这样一个看似极其简单的问题，在地质学史上曾经掀起过“水火不容”的激烈纷争。

古希腊的水火之说

在人們认识世界的过程中，当科学还没有成为一种有效的工具时，很多人试图从传说中寻找答案。关于岩石的成因，很多学者一开始就是从传说中的大洪水来研究的，如女娲补天、大禹治水、诺亚方舟等，在诸多古代文明中都出现过类似的传说，只是关于洪水灾害发生的时间不同而已。尽管传说扑朔迷离，亦幻亦真，但仍有很多人坚信不疑，并努力从传说中寻找科学的答案。

在回答“万物的本源是什么”这个哲学问题时，古希腊著名的思想家、科学家和哲学家泰勒斯提出，水是世界的本源。泰勒斯极度崇尚水，他在对埃及尼罗河水每年的涨退记录进行研究后发现，每次洪水退去都会留下肥沃的淤泥，还有无数的幼虫。于是，泰勒斯得出了这样的结论：“万物源于水。”即水是世界初始的基本元素，地球也是漂浮于水上的。按照他的观点，地球的岩石也是由水生成的。

后来，古希腊又出现了一位名叫赫拉克利特的著名哲学家。他认为，万物的本源是火，世界万物都是由火产生的，即使万物消亡，也要复归于火。从他的观点来看，地球的岩石应该也是由火生成的。

第二次“水火之争”

如果说，泰勒斯和赫拉克利特的争论属于第一次“水火之争”的话；那么，伍德沃德与莫罗的争论就算是第二次。

伍德沃德（1665—1728年）是英国格雷山姆学院的一位医学教授，也是一位地质学家。在1695年出版的《地球自然历史试探》一书中，伍德沃德以传说的摩西洪水说为依据论证了水成作用。他认为，洪水曾经把地球冲击得分崩离析，地表的岩石、土壤以及各种杂物都被冲垮，所形成的汪洋大海就是一片包含着各种物质的混合物。当洪水退去后，这些物质慢慢沉淀，现在的地层也是从洪水中沉积下来的，重的物质沉淀到底层，轻的东西沉淀在上层，之所以还能在高山上发现海洋生物的化石，正是由于它们比较轻。

安东·拉扎罗·莫罗（1687—1764年）是意大利威尼斯一所修道院的院长。他认为，地质变化的原因在于地球内部熔岩的运动，正是由于熔岩的运动，引起了火山爆发；待熔岩冷却之后，包裹着其中的生物遗骸堆积成了新的岩层；所以，高山上发现的海洋生物化石并不是洪水造成的，而是火山作用的结果。

用现在的观点来看，伍德沃德与莫罗的认识都存在明显误区，但与之前古老的哲学观点相比已经有所进步。尽管他们二人都过于强调水或火在地质变化中所起的决定性作用，但都承认世界物质的复杂性和变化性，突破了把世界的本原简单地归结为水或火这样具体的物质形态的局限性，这种思想与泰勒斯和赫拉克利特的古代朴素唯物主义有着本质的区别。

这两次争论都为第三次争论，即维尔纳和赫顿的争论做好了铺垫。

维尔纳的“水成论”

英国著名的化学家波义耳曾发现，盐能从溶液中结晶出来，这为德国弗赖贝格矿业学院的亚伯拉罕·戈特洛布·维尔纳（1749—1817年）教授的新观点提供了理论支撑。维尔纳出生于矿业家族，从小就对矿物学产生了浓厚的兴趣，他不仅狂热地收藏各种矿物，还对岩石进行过深入研究。通过对岩石的观察，维尔纳认为，地球上所有的岩石都是从大洋深处“结晶”或“沉淀”出来的。这就是所谓的“水成”观点，该观点支持的理论便是“水成论”。

“水成论”的主要观点认为，地球上的一切岩石都是在水中沉积形成的—注意，这里说的是“一切岩石”。维尔纳认为，在地球早期，地表全部被原始海洋（混沌水）所淹没，从海水中不断沉淀、结晶出来的物质慢慢形成了岩石。它们按照先后顺序进行沉积，早沉积的位于下面，越往上的沉积越晚。首先沉积的是花岗岩，被称为“原始层”，它们是覆盖在地球表面的第一批岩石，也是地球上数量最多的岩层。后来，原始海洋的水位逐渐降低，“原始层”露出水面，遭受侵蚀，然后再次沉积，这便是第二批岩石，主要为粗砂岩、石灰岩等，为“过渡层”。最后，“过渡层”上面再沉积下来一些含有化石的岩层，为由松散泥沙组成的“冲积层”。

总而言之，在维尔纳的观点里，水是形成岩石的根本力量。可是，火山活动又该如何解释呢？维尔纳解释说，那是因为煤和硫磺在地下燃烧，玄武岩则是它们燃烧之后的灰烬。

维尔纳是一位能言善辩之人，他不仅是一位科学家，还称得上是一位演说家，他总能自圆其说，滔滔不绝，妙语连珠，让听众沉浸于他的理论中如痴如醉。据说，当年很多人慕名而来，投奔到其门下学习地质科学。维尔纳由此培养了一大批人才，当然，基本上都是自己学术理论的追随者以及维护者。维尔纳被后人尊称为“德国地质学之父”。

实际上，维尔纳是一个只注重理论思考而不善于进行野外考察的地质学家，这也可能与他一生体弱多病有关。维尔纳的一生几乎都是在弗赖贝格度过的，他的脚步从未踏出过德国萨克森州以外的任何地方。对于地质学家而言，如果不到野外进行实地考察，只凭自己的想象和空泛的理论去解释地质现象，总会出现一定的偏差，甚至是错误。

根据现代地质学的观点，说岩石是水成的确实具有一定道理，只不过，并非所有的岩石都是水成的。地质学界曾经有过“水成岩”的称呼，但现在我们称这种因沉积作用形成的岩石为沉积岩。它们的覆盖范围很广泛，大约占地球表面的73%；但沉积岩只是地壳上部薄薄的一层而已，实际上，它们占地壳岩石总体积的比率很小，只有8%左右。

赫顿的“火成论”

在很长一段时间里，“水成论”统治着学术界，不过，还是有一些问题用该理论无法解释清楚：既然岩石是洪水和海洋沉积的结果，那么，洪水过后，这些水都去了哪里呢？

1726年，在苏格兰一户富裕的家庭里，一位名叫詹姆斯·赫顿（1726—1797年）的男孩诞生了。这是一位怪人，他在少年时期就表现得与众不同。最初，他喜欢的是医学，学了不久就心生厌倦而改学农学。在继承了父亲的一座农场之后，赫顿有了大量的时间到野外进行观察；于是，他对地质学表现出了极大的兴趣，经常好奇地观察见到的每一个洼坑、沟谷和河床。最终，赫顿将自己的目光盯在了地球的岩石上。到了晚年，赫顿最终自学成才，取得了丰硕的成果。

1785年，年近60岁的赫顿在苏格兰高地的凯恩戈姆山进行考察时发现，这里的花岗岩呈岩脉状，具有从一个大岩体向外侵入围岩的分枝，围绕着花岗岩的围岩石灰岩还出现了变质现象。这表明，当时的花岗岩是在上覆岩层形成以后才侵入的。也就是说，花岗岩的年龄应该比围岩年轻，而且这里出现了熔融现象。这说明，花岗岩是炽热的熔岩冷却之后形成的，而不是从水中结晶出来的。这与当时流行的“水成论”明显不符。

经过详细的研究，赫顿写了一篇很长的学术论文，并在爱丁堡皇家学会的会议上宣读，题目是《地球学说，或对陆地组成、瓦解和复原规律的研究》。遗憾的是，没有人对他的论文感兴趣，原因并不是赫顿的研究内容没意思，而是他的语言表达实在令人着急。赫顿那蹩脚的文字和枯燥的叙述让每一个听众都昏昏欲睡，没有人听得懂赫顿到底在讲些什么，甚至有人毫不客气地说他“几乎完全不懂得怎么使用语言”。

后来，赫顿的朋友劝他将自己的理论再丰富一下，讲得更透彻一些。于是，赫顿花了整整10年时间，于1795年写出了两卷本的巨著《地球的理论及其证据和解说》。没想到，事情还是很糟糕，这部将近1000页的鸿篇巨著依旧没有人能读懂—确切地说，是没有人愿意去读。就这样，直到1797年赫顿病逝，也几乎没有人理解他的伟大理论。

要不是后来赫顿有一位文笔极佳的好友来帮忙，恐怕我们永远都不知道他的成就有多么重要。爱丁堡大学的数学教授普莱费尔（1748—1819年）称得上是赫顿的人生知己，为了传播赫顿的学术思想，他对赫顿的著作进行了深入研究，并亲自到很多国家进行野外考察，重新整理了赫頓的理论，普莱费尔在1802年写出了著作《关于赫顿地球理论的说明》。这是一本数学家所写的关于一位地质学家的地质理论的简写版，竟然比原著者本人阐述得还要清楚，其中还著述了一些普莱费尔自己的地质发现，可谓是一部奇书。从此之后，赫顿的理论才被慢慢传播出去，不仅形成了“火成论”的系统学说，吸引了越来越多的支持者和继承者，而且为赫顿带来了巨大的荣誉，后世尊称他为“现代地质学之父”。

“火成论”的主要观点包括：火成作用是主要的地质作用，陆地上的花岗岩和玄武岩是由岩浆形成的；水成作用也是一种重要的地质作用，陆地上的岩石受到风雨和流水的侵蚀，然后流向海洋并沉积下来，固结以后形成岩石，升出海面以后才形成了陆地。这也就意味着，虽然赫顿提出了“火成论”的观点，但并没有完全否认“水成论”。

地质学的研究过多地依赖于观察，缺乏实验研究，所以当某种新的理论提出以后很难得到证实。不过，在“火成论”提出后，有人通过实验帮了赫顿一个大忙。苏格兰的詹姆斯·霍尔（1761—1832年）原本是赫顿的反对者，虽然曾与赫顿一起多次到野外考察，但他仍然怀疑赫顿的理论。后来，霍尔做了一些实验，逐渐转变了原来的看法，成为赫顿的重要支持者。

维尔纳“水成论”的追随者认为，熔融的岩石不会结晶，只能像火山喷发那样，变成玻璃状的东西。但是，霍尔在玻璃厂中观察到一个奇怪的现象：如果让熔融的玻璃非常缓慢地冷却，它就会变成白色不透明的结晶体；再次熔化之后，如果让其快速冷却，它就会变成透明的玻璃状态，重新恢复玻璃光泽。霍尔由此认为，熔岩应该也是这样。他从火山附近取回来一些暗色的岩石，放在铁厂的高炉里熔化，结果正如他所料：如果让其缓慢冷却，这些岩石会结晶成与原来一样的暗色岩；如果让它们快速冷却，岩石会变成玻璃状的东西。霍尔的实验证明了那些暗色岩就是熔岩缓慢冷却的产物。

维尔纳“水成论”的追随者还认为，石灰岩在受热时会分解，而不会变质成为其他岩石。针对这样的观点，霍尔花了六七年的时间，做了500多次实验，证明了石灰岩在低压加热时并没有分解，而是的确变成了别的岩石—大理岩。

根据现代地质学的观点，地球上的岩石有很大一部分都是火成岩，它们是岩浆在地下或喷出地表后冷却凝结而成的，大部分为结晶质，只有小部分为玻璃质。火成岩是组成地壳的主要岩石，从地面到深达16千米的地方，火成岩的体积几乎占了90%。

究竟谁是胜利者

“水成论”与“火成论”针锋相对，水火不容。特别是在1790—1830年间，争论最为激烈。在1807年成立的伦敦地质学会中，13名会员无一赞同“火成论”；第二年，该学会增加了4名会员，也只有1名会员支持“火成论”。后来，越来越多的人加入到支持赫顿的阵营。据说，这两种学说各自组成了学派，为了一争高下，他们在苏格兰爱丁堡的一座古堡里展开了现场辩论。让人意想不到的是，这场学术辩论最后竟然演变成了一场“骂战”，双方相互指责和谩骂，甚至还发展到了斗殴的地步。这场看似可笑和有辱斯文的争斗，其实恰恰反映了那个时代人们执着的科学追求。正所谓“乱世出英雄”，当时的确是一个英雄辈出的年代，涌现出了一大批优秀的地质学家。

德国著名的科学家亚历山大·冯·洪堡（1769—1859年）当年在弗赖贝格矿业学院学习时曾是维尔纳的学生，深受老师的影响，原本是“水成论”的坚定支持者；然而，随着参与野外考察的次数越来越多，洪堡对火山的认识也越来越深刻，最终意识到自己老师的观点存在问题，于是洪堡抛弃了原来的观点，成为“火成论”的支持者。

克里斯蒂安·利奥波特·冯·布赫（1774—1853年）也是维尔纳的学生。在进行野外考察时，他亲眼目睹了火山喷发时熔岩从火山口流出的情形，后来还发现了熔岩流普遍存在的事实。这些现象都无法用维尔纳的“水成论”进行合理的解释，最后，布赫也不再坚持维尔纳的观点，转而支持“火成论”。他还因此被人讥讽说：“1789年，以一个‘水成论者离开了德国；1802年，却以一个‘火成论者回到了家中。”

多比松（1769—1841年）是另外一位“倒戈”的科学家。他先前也极度推崇维尔纳的观点，但是后来，他观察到玄武岩直接覆盖在花岗岩之上，根本没有什么煤层的存在，顺着这些玄武岩查找源头，最后发现的就是火山口而已。后来，多比松公开发表学术论文，勇敢地承认了自己的错误。

在真理与师生情谊面前，这些科学家并没有被学术权威吓倒，而是毫不犹豫地选择了真理，因为真相只有一个。在科学研究面前，在自然、客观规律面前，一时之间出现错误认识在所难免，如果能意识到自己的错误并及时纠正，而不是固执己见，才算是掌握了科学的真谛。

18世纪末至19世纪初，“水成论”一度占据下风，差点被完全击败。在这关键的时候，德国著名文学家歌德（1749—1832年）站出来帮了它一把，补充和发展了“水成论”。歌德的文学造诣很高，他创作有《浮士德》《少年维特之烦恼》等享誉世界的伟大作品；不过，很多人未必知道，他也是一位喜欢探索自然的科学家。在歌德的文学作品中，我们经常能够看到他对山川的描述，言语之中渗透着他对自然变化的认识和思考。在他的代表作《浮士德》中，就突出描绘了水神和火神的矛盾冲突，借此来表现“水成论”与“火成论”的斗争。歌德是“水成论”的支持者，在他写作的《论花岗岩》这篇论文中，花岗岩被认为是地球上最古老的岩石，是“原始岩石”，早于一切生命，超越一切生命，亘古以来毫无变化，其他一切岩石和地形都是在围绕着原始花岗岩的海洋退去以后由剥蚀的碎片沉积而成的，所有这一切都是“在海水广阔的怀抱里”发生的。不过，后来，随着地质学知识的不断拓展，歌德开始觉得，“火成论”似乎也有些道理，于是，他就试图调和这两种对立的观点。

从表面上看，地质学历史上的“水火之争”以“水成论”完败而告终，但实际上，还有很多问题值得我们思考。

“水成论”为何能够长期占据优势？一方面，这主要是受到了当时某些势力的压抑，毕竟，“水成论”的观点更符合“神创论”思想，关于远古洪水的传说大多来自于这些思想；另一方面，赫顿对他的理论解释和宣传做得不够。维尔纳和赫顿的故事告诉了我们这样一个道理：在关键时候，“能说会道”是多么重要。

那么，“火成论”真的胜利了吗？用现在的视角来回顾一下他们的观点，我们会发现，其实，这些观点都存在片面性，都是从不同侧面揭示了一些地质现象的成因而已。以维尔纳为代表的“水成论”过分强调地球的外力作用，甚至把花岗岩和玄武岩都理解为原始海水结晶的产物，忽视了地球的内力作用；“火成论”则强调内力作用，即火山和地震的作用，就连地表的起伏与地壳变迁都被理解为洋底在地球内部地下火的作用下上升运动的结果。

这场“水火之争”真的结束了吗？其实并没有。我们现在已经搞明白了，地球上的岩石不仅仅只有沉积岩和火成岩，还有第三大岩类—变质岩，它们彼此之间可以相互转化，不断循环。虽然现在地质学界已经没有纯“水成论”和纯“火成论”的说法，但在某些具体问题上还存在着争论，岩石学中的“花岗岩化论”和“岩浆论”之间，矿床学中的“热液矿床”和“同生矿床”之间的争议，也还是“水火之争”。