地質學史

地質學是一門研究地球結構、起源和歷史的學科。人類很早就開始觀察地質現象，在古人類使用石器，開發礦物，進行農業生產的過程中不斷積累了地質學的經驗和知識。地質學的發展史就是人類對地球認識的一個過程。

## 前地質學時期（史前-1775年）

對地質現象的早期觀察與記錄廣泛散見於各古代文明之中。公元前540年，色諾芬尼（Xenophanes）記述了在山地岩層中發現魚類和貝殼化石的現象；希羅多德（約公元前490年）亦有類似的化石記載。公元前4世紀，亞里斯多德對地質變化速率進行了批判性觀察，認為大地的物理變化極為緩慢，在人的一生中難以察覺，並注意到了地震、火山以及海陸變遷等地質現象。亞里斯多德在呂克昂的繼承人、哲學家泰奧弗拉斯托斯（Theophrastus）在古代地質學研究方面取得了最大進展，其著作《論石》（On Stones）描述了來自雅典附近勞里翁礦區及更遠地方的眾多礦物和礦石，並按硬度等物理性質對礦物進行了初步分類，是古代礦物學最重要的系統性論著。在古羅馬，老普林尼（Pliny the Elder）對當時廣泛使用的眾多礦物與金屬進行了詳盡討論；他通過觀察封存於其中的昆蟲，最早正確推斷出琥珀是樹木的化石化樹脂，並通過識別金剛石的八面體晶型為晶體學奠定了基礎。早期的地質記載同樣見於古埃及、古印度等文明的古籍，中國古籍《山海經》《爾雅》和《管子》等亦有大量關於礦物和岩石的記載。

阿拉伯學者比魯尼（al-Biruni，公元973–1048年）是早期伊斯蘭地質學家之一，其著述涵蓋印度的地質學，他假設印度次大陸在地質歷史上曾經是一片海洋。阿維森納（Ibn Sina，公元981–1037年）在其百科全書著作《治癒之書》（Kitab al-Shifa）中，專章論述了山脈的形成與優勢、水源的起源、地震的成因、礦物的生成以及地球地形的多樣性，對礦物的形成和分類、山脈的隆起和侵蝕發表了許多正確的見解。中國科學家沈括（1031–1095年）是早期地貌學理論的先驅之一：他在其著作《夢溪筆談》中，根據在距太平洋數百里的太行山地層中發現的海洋生物化石，推斷大陸由山脈侵蝕和泥沙沉積形成；他還根據在今延安附近地下發現的保存完好的古代竹子化石，提出了氣候逐漸變化的理論；並進一步論述了化石的成因和太行山的隆升等地質現象。

歐洲文藝復興之後，隨著工業的發展和對礦產資源的需求，礦物學和岩石學得到了很大的發展。德國科學家格奧爾格·阿格里科拉對礦物學和金屬礦脈做了大量的研究，被譽為「礦物學之父」。丹麥科學家斯坦諾（Nicolas Steno）對層狀岩石進行了研究，並於1669年提出了著名的疊覆律；他還質疑了化石在地層中自行生長這一流行觀念，以及岩石成因的既有解釋，因此被學界視為現代地層學和地質學的奠基人之一。（斯坦諾成年後皈依天主教，後晉升為主教，並於1988年被若望·保祿二世宣福。）

1687年，數學家和物理學家艾薩克·牛頓在《原理》（Principia）中，以一個與地球等大的鐵球冷卻為參照，首次通過實驗估算地球年齡約為50,000年。在17世紀基督教信仰占主導的背景下，對大洪水的科學「證明」引發了對地球組成的更廣泛探索，並帶動了化石研究的興起。當時流行的地球起源理論是Q452091（William Whiston）於1696年發表的《地球新論》（A New Theory of the Earth），該書援引《聖經》中大洪水的敘述，主張洪水形成了地球的岩石地層。宗教與科學對地球成因的雙重探索，進一步推動了對地球地層進行系統鑑別的興趣。

進入18世紀，採礦業的經濟重要性日益凸顯，對礦石及其分布規律的精準認識成為迫切需求，地質學研究隨之升溫。1741年，法國國立自然歷史博物館設立了首個專門針對地質學的教學職位，標誌著地質學開始作為獨立學科進入高等教育體系。法國博物學家布豐（Buffon）在其1749年出版的《Q3138032》（Histoire Naturelle）中，通過冷卻球體實驗推算地球年齡約為75,000年，對以《聖經》為據的4,000至5,500年估算提出了挑戰。哲學家伊曼努爾·康德於1755年發表了《Q354217》，同樣未援引上帝或《聖經》來描述地球歷史。到18世紀中葉，質疑地球年齡已成為可接受的學術立場，為地質學作為獨立科學的確立掃清了道路。「geology」（地質學）一詞最早由日內瓦博物學家讓-安德烈·德呂克（Jean-André Deluc）和奧拉斯-貝內迪克特·德索緒爾（Horace-Bénédict de Saussure）在技術性著作中正式使用，後經狄德羅（Denis Diderot）1751年起編纂的百科全書《百科全書》（Encyclopédie）的廣泛採用而逐漸普及。

## 地質學初創時期（1775年-1830年）

第一個使地質學系統化為一個學科的是德國科學家維爾納（Abraham Gottlob Werner）。維爾納於1774年出版了《化石外部特徵》（Von den äusserlichen Kennzeichen der Fossilien），以外部特徵為依據建立了礦物鑑別體系，贏得了廣泛聲譽。維爾納是水成論（Neptunism）的創始人，主張地球上的岩石——包括玄武岩和花崗岩——都是從曾經覆蓋整個地球的海洋中沉積析出而成的；接受其理論的人被稱為水成論者或"尼普頓學派"。與之相對的是由蘇格蘭地質學家詹姆斯·哈頓（James Hutton）提出的火成論（Plutonism）。哈頓被譽為「現代地質學之父」，他提出岩石地層的形成源於地熱作用，是地球從熔融狀態緩慢固化並持續至今的結果，由此推斷地球年齡不可估量，遠超《聖經》編年所能涵蓋的範圍。火成論不否認水的沉積成岩作用，但強調火山噴發和岩漿侵入等作用形成火成岩的重要性；火成論者認為岩漿過程是岩石形成的主要機制，而非大洪水。這兩種理論引發的「水火之爭」是地質學史上的首次重大學術爭論，最終以火成論勝利而告終，極大地推動了地質學的發展。

1811年，法國古生物學家居維葉與其同事、任職於巴黎礦業學院的亞歷山大·布隆尼亞爾（Alexandre Brogniart）合作出版了《巴黎郊區地質描述》（Description Géologique des Environs de Paris），確立了利用化石內容鑑別不同地層並進行相對年齡測定的方法——即不同化石組合對應地層序列中的唯一位置。1812年，居維葉根據對巴黎盆地第三紀地層古脊椎動物化石的研究，提出了災變論，認為古生物的突然消失是由巨大自然災變所致。這種觀點受到同時代的拉馬克的反對。拉馬克於1809年在《動物哲學》（Philosophie zoologique）中首先提出「獲得性遺傳」（Inheritance of acquired traits）和「用進廢退說」（use and disuse），認為這既是生物產生變異的原因，又是適應環境的過程。

英國地質學家威廉·史密斯自19世紀初起，在從事運河測量的工作中發現化石是區分外觀相近地層的高效手段，將化石系統地用於地層劃分與對比，首次建立了不同地區地層劃分對比的方法，為地質年代表的建立奠定了基礎。史密斯於1815年編繪了最早的英格蘭和威爾斯地質圖。

## 近代地質學時期（1830年-1954年）

1830年，英國地質學家查爾斯·萊爾發表了《地質學原理》（Principles of Geology）一書，匯集了來自英格蘭、法國、義大利和西班牙的大量地質證據，標誌著近代地質學體系的建立。查爾斯·萊爾正式提出了均變論，認為現在正在進行著的地質作用，同樣作用於整個地質歷史時期，地質變化在人類歷史時間尺度上通常是極其緩慢的。這一理論作為地質學的基本原理，一直影響到今天。萊爾的著作廣受歡迎，均變論在地質學界迅速確立了主導地位。

19世紀，許多地質學家致力於完善Q3172299（stratigraphic column）——即按形成時間排列的岩石地層序列。1833年，亞當·塞奇威克（Adam Sedgwick）在勘測他所確立的寒武紀岩石的同時，查爾斯·萊爾正在別處劃分第三紀的次級單位，而羅德里克·默奇森（Roderick Murchison）則將塞奇威克「寒武紀」上部納入他自己命名的志留紀地層。對地層柱的系統梳理，為全球性地確定各類岩石的相對年齡提供了方法，並進一步揭示了各國地殼組成之間的對應關係。

1831年，羅伯特·菲茨羅伊（Robert FitzRoy）船長受命領導Q1564366海岸調查探險，邀請查爾斯·達爾文擔任隨船博物學家以提供地質建議。達爾文在此之前曾隨塞奇威克赴威爾斯進行為期兩周的地質調查，並在航行中得到了萊爾《地質學原理》的指引，成為均變論的堅定擁護者。他對所見地質作用進行了創造性的理論演繹，並據「大洋區域下沉而陸地隆起」的設想，提出珊瑚礁是由環繞沉降火山島的裙礁發育而成的，該理論於1842年在《Q7767074》中得到發表和確認。達爾文發現的大型古生物化石使其在地質學界聲名大噪，而對化石滅絕原因的思考，更推動了他於1859年在《物種起源》中提出自然選擇的進化論。

19世紀，各國政府日益認識到地質資料的實用價值。加拿大、澳大利亞、英國和美國等國在這一時期相繼發起大規模的地質調查工作，以編制本國廣闊地區的地質圖，為採礦和採石業提供支撐，政府與工業界的資金投入也推動了地質學的快速發展。

在地球年齡的估算上，19世紀末地質學界展開了重要爭論。1862年，物理學家開爾文勳爵發表計算結果，認為地球年齡介於2,000萬至4億年之間。他假設地球起初為完全熔融狀態，據此估算表層冷卻至今所需的時間。許多地質學家認為，開爾文的估算不足以解釋沉積岩的觀測厚度、生命的演化歷程以及基底結晶岩的形成。20世紀初放射性的發現為地球內部提供了額外熱源，並開創了地質事件年代測定的新方法，進一步修正了開爾文的估算。

從19世紀中期到20世紀上半葉，地質學在很多方面都取得了重大進步。在地殼物質方面，美國礦物學家詹姆斯·德懷特·丹納提出了礦物化學分類，挪威學者戈爾德施密特建立了地球化學的理論和方法。在構造地質學方面，詹姆斯·德懷特·丹納提出了地槽的概念，奧地利地質學家徐士提出了地台的概念。1912年，德國學者阿爾弗雷德·魏格納（Alfred Wegener）提出了轟動地質學界的大陸漂移學說，認為各大陸形態與海岸線地質的相似性表明它們在地質歷史上曾連為一體，即「盤古大陸」（Pangaea），此後分離漂移至今。然而，魏格納未能提出令人信服的大陸漂移驅動機制，其學說在他生前未獲廣泛接受。

1911年，阿瑟·霍姆斯（Arthur Holmes）利用鉛同位素對來自斯里蘭卡的樣品進行測年，得到16億年的結果，成為放射性衰變測年法應用的先驅之一。1913年，時任職於帝國理工學院的霍姆斯出版了著名著作《地球的年齡》（The Age of the Earth），力主以放射性測年方法取代基於沉積作用或地球冷卻的傳統測年方法，估算最古老的太古宙岩石年齡為16億年。此後數十年間，霍姆斯持續推廣放射性測年，贏得了「現代地質年代學之父」的聲譽。1931年，霍姆斯進一步提出地幔對流作為大陸漂移的驅動機制，為魏格納學說提供了有力的理論支撐。1921年，英國科學促進會年度會議對地球年齡達成初步共識，與會者普遍接受地球年齡約為數十億年，並認可放射性測年方法的可信度。

## 現代地質學時期（1954年-現代）

1954年，英國古地磁學家派屈克·布萊克特及其學生通過對自三疊紀以來英格蘭的古地磁結果，發現英格蘭從三疊紀到現在發生了34°的順時針旋轉。這項發現復活了一度沉寂的大陸漂移學說。英國地球物理學家Q1235635（S. K. Runcorn）從他發現的大陸相對於地球磁極移動的證據中，提出了古地磁學這一概念，即記錄在磁性礦物中的地球磁場方向信息，為大陸漂移提供了進一步的地球物理證據。

1947年起，對海洋底部的新探測開始積累新的證據。1960年，布魯斯·希曾（Bruce C. Heezen）提出了洋中脊的概念。隨後，美國學者Q733667與哈里·哈蒙德·赫斯提出了海底擴張假說，認為新的洋殼沿洋中脊不斷形成，並向兩側擴展。這被視為對地幔對流的確認，移除了大陸漂移學說長期面臨的主要障礙。

約翰·圖佐·威爾遜（John Tuzo Wilson）是海底擴張假說和大陸漂移學說的早期倡導者，他為模型補充了轉換斷層的概念，完善了使板塊在地球表面運動所必需的斷層類型體系。1965年10月28日，英國皇家學會召開了關於大陸漂移的專題研討會，應被視為科學界正式接受板塊構造論的起點。會上，Q261269（Edward Bullard）及其合作者以電腦計算演示了大西洋兩岸大陸如何最佳拼合以閉合大洋——這一成果被稱為著名的「布拉德拼合」（Bullard's Fit）。至1960年代末，支持大陸漂移的證據已足夠充分，該理論成為普遍接受的地質學說。1968年，法國學者澤維爾·勒皮雄（Xavier Le Pichon）提出了板塊構造論的綜合模型，在地學界引起了轟動。板塊構造學說能夠較為圓滿地解釋已知的地質現象，廣泛應用於岩石學、沉積學、地震學等領域，成為現代地質學的主流研究方向。

進入現代，地質學繼續深化對地球性質與起源、地表特徵和內部結構的研究，同時視野得到了顯著拓展。尤金·舒梅克（Eugene Merle Shoemaker）將地層學原理應用於月球上撞擊坑的分布研究，幾乎一夜之間將月球的研究從天文學家手中轉交給了月球地質學家。20世紀後期，地質學開始採用更具整合性的研究方法，將地球置於涵蓋大氣層、生物圈和水圈的更廣泛背景中加以考察。1972年，美國國家航空航天局與美國地質調查局聯合管理的陸地衛星計劃（Landsat Program）啟動，開始提供可供地質分析的衛星影像；這些影像可用於繪製大規模地質單元圖、識別和對比廣大地區的岩石類型，並追蹤板塊構造的運動，極大地擴展了地質研究的空間視野。