地质学史

地质学是一门研究地球结构、起源和历史的学科。人类很早就开始观察地质现象，在古人类使用石器，开发矿物，进行农业生产的过程中不断积累了地质学的经验和知识。地质学的发展史就是人类对地球认识的一个过程。

## 前地质学时期（史前-1775年）

对地质现象的早期观察与记录广泛散见于各古代文明之中。公元前540年，色诺芬尼（Xenophanes）记述了在山地岩层中发现鱼类和贝壳化石的现象；希罗多德（约公元前490年）亦有类似的化石记载。公元前4世纪，亚里士多德对地质变化速率进行了批判性观察，认为大地的物理变化极为缓慢，在人的一生中难以察觉，并注意到了地震、火山以及海陆变迁等地质现象。亚里士多德在吕克昂的继承人、哲学家泰奥弗拉斯托斯（Theophrastus）在古代地质学研究方面取得了最大进展，其著作《论石》（On Stones）描述了来自雅典附近劳里翁矿区及更远地方的众多矿物和矿石，并按硬度等物理性质对矿物进行了初步分类，是古代矿物学最重要的系统性论著。在古罗马，老普林尼（Pliny the Elder）对当时广泛使用的众多矿物与金属进行了详尽讨论；他通过观察封存于其中的昆虫，最早正确推断出琥珀是树木的化石化树脂，并通过识别金刚石的八面体晶型为晶体学奠定了基础。早期的地质记载同样见于古埃及、古印度等文明的古籍，中国古籍《山海经》《尔雅》和《管子》等亦有大量关于矿物和岩石的记载。

阿拉伯学者比鲁尼（al-Biruni，公元973–1048年）是早期伊斯兰地质学家之一，其著述涵盖印度的地质学，他假设印度次大陆在地质历史上曾经是一片海洋。阿维森纳（Ibn Sina，公元981–1037年）在其百科全书著作《治愈之书》（Kitab al-Shifa）中，专章论述了山脉的形成与优势、水源的起源、地震的成因、矿物的生成以及地球地形的多样性，对矿物的形成和分类、山脉的隆起和侵蚀发表了许多正确的见解。中国科学家沈括（1031–1095年）是早期地貌学理论的先驱之一：他在其著作《梦溪笔谈》中，根据在距太平洋数百里的太行山地层中发现的海洋生物化石，推断大陆由山脉侵蚀和泥沙沉积形成；他还根据在今延安附近地下发现的保存完好的古代竹子化石，提出了气候逐渐变化的理论；并进一步论述了化石的成因和太行山的隆升等地质现象。

欧洲文艺复兴之后，随着工业的发展和对矿产资源的需求，矿物学和岩石学得到了很大的发展。德国科学家格奥尔格·阿格里科拉对矿物学和金属矿脉做了大量的研究，被誉为“矿物学之父”。丹麦科学家斯坦诺（Nicolas Steno）对层状岩石进行了研究，并于1669年提出了著名的叠覆律；他还质疑了化石在地层中自行生长这一流行观念，以及岩石成因的既有解释，因此被学界视为现代地层学和地质学的奠基人之一。（斯坦诺成年后皈依天主教，后晋升为主教，并于1988年被若望·保禄二世宣福。）

1687年，数学家和物理学家艾萨克·牛顿在《原理》（Principia）中，以一个与地球等大的铁球冷却为参照，首次通过实验估算地球年龄约为50,000年。在17世纪基督教信仰占主导的背景下，对大洪水的科学“证明”引发了对地球组成的更广泛探索，并带动了化石研究的兴起。当时流行的地球起源理论是Q452091（William Whiston）于1696年发表的《地球新论》（A New Theory of the Earth），该书援引《圣经》中大洪水的叙述，主张洪水形成了地球的岩石地层。宗教与科学对地球成因的双重探索，进一步推动了对地球地层进行系统鉴别的兴趣。

进入18世纪，采矿业的经济重要性日益凸显，对矿石及其分布规律的精准认识成为迫切需求，地质学研究随之升温。1741年，法国国立自然历史博物馆设立了首个专门针对地质学的教学职位，标志着地质学开始作为独立学科进入高等教育体系。法国博物学家布丰（Buffon）在其1749年出版的《Q3138032》（Histoire Naturelle）中，通过冷却球体实验推算地球年龄约为75,000年，对以《圣经》为据的4,000至5,500年估算提出了挑战。哲学家伊曼努尔·康德于1755年发表了《Q354217》，同样未援引上帝或《圣经》来描述地球历史。到18世纪中叶，质疑地球年龄已成为可接受的学术立场，为地质学作为独立科学的确立扫清了道路。“geology”（地质学）一词最早由日内瓦博物学家让-安德烈·德吕克（Jean-André Deluc）和奥拉斯-贝内迪克特·德索绪尔（Horace-Bénédict de Saussure）在技术性著作中正式使用，后经狄德罗（Denis Diderot）1751年起编纂的百科全书《百科全书》（Encyclopédie）的广泛采用而逐渐普及。

## 地质学初创时期（1775年-1830年）

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第一个使地质学系统化为一个学科的是德国科学家维尔纳（Abraham Gottlob Werner）。维尔纳于1774年出版了《化石外部特征》（Von den äusserlichen Kennzeichen der Fossilien），以外部特征为依据建立了矿物鉴别体系，赢得了广泛声誉。维尔纳是水成论（Neptunism）的创始人，主张地球上的岩石——包括玄武岩和花岗岩——都是从曾经覆盖整个地球的海洋中沉积析出而成的；接受其理论的人被称为水成论者或"尼普顿学派"。与之相对的是由苏格兰地质学家詹姆斯·哈顿（James Hutton）提出的火成论（Plutonism）。哈顿被誉为“现代地质学之父”，他提出岩石地层的形成源于地热作用，是地球从熔融状态缓慢固化并持续至今的结果，由此推断地球年龄不可估量，远超《圣经》编年所能涵盖的范围。火成论不否认水的沉积成岩作用，但强调火山喷发和岩浆侵入等作用形成火成岩的重要性；火成论者认为岩浆过程是岩石形成的主要机制，而非大洪水。这两种理论引发的“水火之争”是地质学史上的首次重大学术争论，最终以火成论胜利而告终，极大地推动了地质学的发展。

1811年，法国古生物学家居维叶与其同事、任职于巴黎矿业学院的亚历山大·布隆尼亚尔（Alexandre Brogniart）合作出版了《巴黎郊区地质描述》（Description Géologique des Environs de Paris），确立了利用化石内容鉴别不同地层并进行相对年龄测定的方法——即不同化石组合对应地层序列中的唯一位置。1812年，居维叶根据对巴黎盆地第三纪地层古脊椎动物化石的研究，提出了灾变论，认为古生物的突然消失是由巨大自然灾变所致。这种观点受到同时代的拉马克的反对。拉马克于1809年在《动物哲学》（Philosophie zoologique）中首先提出“获得性遗传”（Inheritance of acquired traits）和“用进废退说”（use and disuse），认为这既是生物产生变异的原因，又是适应环境的过程。

英国地质学家威廉·史密斯自19世纪初起，在从事运河测量的工作中发现化石是区分外观相近地层的高效手段，将化石系统地用于地层划分与对比，首次建立了不同地区地层划分对比的方法，为地质年代表的建立奠定了基础。史密斯于1815年编绘了最早的英格兰和威尔士地质图。

## 近代地质学时期（1830年-1954年）

1830年，英国地质学家查尔斯·莱尔发表了《地质学原理》（Principles of Geology）一书，汇集了来自英格兰、法国、意大利和西班牙的大量地质证据，标志着近代地质学体系的建立。查尔斯·莱尔正式提出了均变论，认为现在正在进行着的地质作用，同样作用于整个地质历史时期，地质变化在人类历史时间尺度上通常是极其缓慢的。这一理论作为地质学的基本原理，一直影响到今天。莱尔的著作广受欢迎，均变论在地质学界迅速确立了主导地位。

19世纪，许多地质学家致力于完善Q3172299（stratigraphic column）——即按形成时间排列的岩石地层序列。1833年，亚当·塞奇威克（Adam Sedgwick）在勘测他所确立的寒武纪岩石的同时，查尔斯·莱尔正在别处划分第三纪的次级单位，而罗德里克·默奇森（Roderick Murchison）则将塞奇威克“寒武纪”上部纳入他自己命名的志留纪地层。对地层柱的系统梳理，为全球性地确定各类岩石的相对年龄提供了方法，并进一步揭示了各国地壳组成之间的对应关系。

1831年，罗伯特·菲茨罗伊（Robert FitzRoy）船长受命领导Q1564366海岸调查探险，邀请查尔斯·达尔文担任随船博物学家以提供地质建议。达尔文在此之前曾随塞奇威克赴威尔士进行为期两周的地质调查，并在航行中得到了莱尔《地质学原理》的指引，成为均变论的坚定拥护者。他对所见地质作用进行了创造性的理论演绎，并据“大洋区域下沉而陆地隆起”的设想，提出珊瑚礁是由环绕沉降火山岛的裙礁发育而成的，该理论于1842年在《Q7767074》中得到发表和确认。达尔文发现的大型古生物化石使其在地质学界声名大噪，而对化石灭绝原因的思考，更推动了他于1859年在《物种起源》中提出自然选择的进化论。

19世纪，各国政府日益认识到地质资料的实用价值。加拿大、澳大利亚、英国和美国等国在这一时期相继发起大规模的地质调查工作，以编制本国广阔地区的地质图，为采矿和采石业提供支撑，政府与工业界的资金投入也推动了地质学的快速发展。

在地球年龄的估算上，19世纪末地质学界展开了重要争论。1862年，物理学家开尔文勋爵发表计算结果，认为地球年龄介于2,000万至4亿年之间。他假设地球起初为完全熔融状态，据此估算表层冷却至今所需的时间。许多地质学家认为，开尔文的估算不足以解释沉积岩的观测厚度、生命的演化历程以及基底结晶岩的形成。20世纪初放射性的发现为地球内部提供了额外热源，并开创了地质事件年代测定的新方法，进一步修正了开尔文的估算。

从19世纪中期到20世纪上半叶，地质学在很多方面都取得了重大进步。在地壳物质方面，美国矿物学家詹姆斯·德怀特·丹纳提出了矿物化学分类，挪威学者戈尔德施密特建立了地球化学的理论和方法。在构造地质学方面，詹姆斯·德怀特·丹纳提出了地槽的概念，奥地利地质学家徐士提出了地台的概念。1912年，德国学者阿尔弗雷德·魏格纳（Alfred Wegener）提出了轰动地质学界的大陆漂移学说，认为各大陆形态与海岸线地质的相似性表明它们在地质历史上曾连为一体，即“盘古大陆”（Pangaea），此后分离漂移至今。然而，魏格纳未能提出令人信服的大陆漂移驱动机制，其学说在他生前未获广泛接受。

1911年，阿瑟·霍姆斯（Arthur Holmes）利用铅同位素对来自斯里兰卡的样品进行测年，得到16亿年的结果，成为放射性衰变测年法应用的先驱之一。1913年，时任职于帝国理工学院的霍姆斯出版了著名著作《地球的年龄》（The Age of the Earth），力主以放射性测年方法取代基于沉积作用或地球冷却的传统测年方法，估算最古老的太古宙岩石年龄为16亿年。此后数十年间，霍姆斯持续推广放射性测年，赢得了“现代地质年代学之父”的声誉。1931年，霍姆斯进一步提出地幔对流作为大陆漂移的驱动机制，为魏格纳学说提供了有力的理论支撑。1921年，英国科学促进会年度会议对地球年龄达成初步共识，与会者普遍接受地球年龄约为数十亿年，并认可放射性测年方法的可信度。

## 现代地质学时期（1954年-现代）

1954年，英国古地磁学家帕特里克·布莱克特及其学生通过对自三叠纪以来英格兰的古地磁结果，发现英格兰从三叠纪到现在发生了34°的顺时针旋转。这项发现复活了一度沉寂的大陆漂移学说。英国地球物理学家Q1235635（S. K. Runcorn）从他发现的大陆相对于地球磁极移动的证据中，提出了古地磁学这一概念，即记录在磁性矿物中的地球磁场方向信息，为大陆漂移提供了进一步的地球物理证据。

1947年起，对海洋底部的新探测开始积累新的证据。1960年，布鲁斯·希曾（Bruce C. Heezen）提出了洋中脊的概念。随后，美国学者Q733667与哈里·哈蒙德·赫斯提出了海底扩张假说，认为新的洋壳沿洋中脊不断形成，并向两侧扩展。这被视为对地幔对流的确认，移除了大陆漂移学说长期面临的主要障碍。

约翰·图佐·威尔逊（John Tuzo Wilson）是海底扩张假说和大陆漂移学说的早期倡导者，他为模型补充了转换断层的概念，完善了使板块在地球表面运动所必需的断层类型体系。1965年10月28日，英国皇家学会召开了关于大陆漂移的专题研讨会，应被视为科学界正式接受板块构造论的起点。会上，Q261269（Edward Bullard）及其合作者以计算机计算演示了大西洋两岸大陆如何最佳拼合以闭合大洋——这一成果被称为著名的“布拉德拼合”（Bullard's Fit）。至1960年代末，支持大陆漂移的证据已足够充分，该理论成为普遍接受的地质学说。1968年，法国学者泽维尔·勒皮雄（Xavier Le Pichon）提出了板块构造论的综合模型，在地学界引起了轰动。板块构造学说能够较为圆满地解释已知的地质现象，广泛应用于岩石学、沉积学、地震学等领域，成为现代地质学的主流研究方向。

进入现代，地质学继续深化对地球性质与起源、地表特征和内部结构的研究，同时视野得到了显著拓展。尤金·舒梅克（Eugene Merle Shoemaker）将地层学原理应用于月球上撞击坑的分布研究，几乎一夜之间将月球的研究从天文学家手中转交给了月球地质学家。20世纪后期，地质学开始采用更具整合性的研究方法，将地球置于涵盖大气层、生物圈和水圈的更广泛背景中加以考察。1972年，美国国家航空航天局与美国地质调查局联合管理的陆地卫星计划（Landsat Program）启动，开始提供可供地质分析的卫星影像；这些影像可用于绘制大规模地质单元图、识别和对比广大地区的岩石类型，并追踪板块构造的运动，极大地扩展了地质研究的空间视野。