地質學發展初期的最大謎團:四處遊走的大圓石

地質學發展初期的最大謎團:四處遊走的大圓石
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我們想讓你知道的是

漂流石的英文源自拉丁文動詞errare,意為流浪。此外,這類石塊也被稱為「迷途羔羊」或「棄嬰」,因為它們就像遠離羊群的小羊一樣。

文:唐納德.普羅泰羅

冰河是上帝的犁多年前努力耕作,對地球表面又挖又犁又揉的結果。

—路易.阿格西(Louis Agassiz)

謎題一:四處遊走的大圓石

18世紀末和19世紀初地質學發展初期,最大的謎團就是許多出現在奇特地點或是看來很驚險但能維持平衡的大圓石(圖25.1)。不過,這些石塊的性質更令人費解。這類石塊的種類經常和周遭完全不同。在某些例子中,這類石塊往往可能來自北方數百公里某個獨一無二的地區。許久之後,蘇格蘭地質學先驅(也是赫頓的助手)蓋奇(Archibald Geikie)說這類石塊「往往是大如房屋的大石頭,被冰河搬運過來,安放在冰河河谷的顯著地點,或散落在山丘和平原上。檢驗它們的礦物組成,便可得知它們來自何處。」

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圖25.1 C 歐洲北部幾個微妙平衡的巨型漂流石案例:(A)芬蘭薩沃尼亞的庫馬基威(Kummakivi,芬蘭語「怪石」之意)。(B)英國約克郡奧斯維克附近的諾爾伯有一塊巨大的孤立圓石,疊在其他岩石上。(C)美國優勝美地國家公園中的冰河融化後,留下一塊微妙平衡的大石。(圖片授權:Wikimedia Commons)

地質學家越是研究這些石塊,就越覺得它們跟周遭格格不入。荷蘭中部的斯霍克蘭(Schokland)地表是一層相當新的沉積物,完全沒有硬質的基岩露頭,卻有一大群來自挪威的大圓石。在德國北部濱海平原中部的施特克塞(Stöckse)也有一群大圓石,稱為Giebichenstein。這些大石顯然不屬於當地,因為這個地區沒有硬質基岩,只有柔軟的濱海平原沉積物。這些石塊很可能來自於斯堪地那維亞。歐洲各地有許多類似的大石,其他大陸還有更多令人稱奇的例子,如加拿大亞伯達平原上的巨大圓石。

這些大石顯然不是出自周圍柔軟的白堊紀頁岩。1620年,清教徒在美國藉以登陸的普利茅斯岩(Plymouth Rock)也是這樣的例子。我在伊利諾州中部進行地質學田野調查時,經常停在某個道路切面,從地上拿起一大塊自然銅,但這種銅礦只有密西根州上半島才有。北半球各地都有類似這樣的例子,經常被稱為流浪石(wanderer)或漂石(erratic)。漂流石的英文源自拉丁文動詞errare,意為流浪(英文中的err﹝犯錯﹞和error﹝錯誤﹞字源相同,因為我們犯錯就是偏離真理。如果走路時走得像在漂流,就是在流浪)。此外,這類石塊也被稱為「迷途羔羊」或「棄嬰」,因為它們就像遠離羊群的小羊一樣。

不過,我們在第五章曾經介紹過,早期地質學家大多認為所有呈層岩石(不僅沉積岩,連熔岩流也包含在內)源自於洪水活動,而且就是諾亞時代的大洪水。這或許能解釋這些石塊的長距離移動,但卻忽視了重要細節,如洪水要如何抬起這麼大的岩石,而不會留下滿地碎石和小圓石(就像現在的大洪水一樣)。此外,這個理論也無法解釋有些這類大石有稜有角且相當尖銳,不像石塊和圓石在水中(尤其是在暴洪中)滾動撞擊後會變得圓滑那般。但當時地質學剛剛萌芽,聖經教條勢力龐大,極少人敢提出質疑。因此他們忽略各種矛盾,強行用這個簡單說法來解釋所有發現。1824年,著名英國自然學者巴克蘭(William Buckland)寫道:

我們有證據可以證明,來自北方的水流,沿著英格蘭東岸漂流到現在的位置,帶來原本位於北方、不可能出現在這個國家的石塊。其中有些石塊可能來自蘇格蘭海岸,但大多數顯然是從北海對岸漂流而來的。

因此,冰河漂礫是個謎團。這種卵石、泥沙和黏土混合物與洪水沖刷形成的沉積物相同,被早期地質學家稱為冰磧(dirft)。這類物質的另一個名稱是洪積物(Diluvium),意即洪水沉積物。同樣地,如果地質學家仔細觀察這類物質,就會發現水流無論能量強弱,都會形成明顯分層。即使洪水突然喪失能量,攜帶的圓石、碎石、沙礫和黏土也不會隨機混合,而會依照顆粒大小分成一層層,從分離的礫層到沙層、再到泥沙和黏土等。但如此重要的概念當時尚未出現⋯⋯

謎題二:岩石上的刮痕

基岩地質研究還有一件讓早期歐洲地質學家大惑不解的事,就是非常堅硬的基岩表面,經常有很長的平行刮痕和劃痕,有時甚至長達許多公尺(圖25.2)。這類劃痕有時相當淺,但通常非常深。在某些例子中,基岩上的平行刮痕面積非常大。究竟是什麼力量在如此堅硬的基岩上刻出這麼多痕跡?更重要的是,究竟是什麼原因使這些刮痕完全互相平行?

1830年代末,聖經大洪水再度成為解釋刮痕的現成答案。1824年,巴克蘭寫了一篇200頁的專題論文〈洪水的遺跡〉,又名〈有機殘餘物觀察結果證實大洪水活動〉。這篇論文以諾亞大洪水解釋漂礫、冰河漂移和平行刮痕。他指出,這些刮痕是「沉重的物體在水的巨大力量下快速移動的結果」。但無論當時或現在,只要認真觀察過洪水活動,就知道流水不可能推動岩石直線移動很長的距離並形成劃痕。不過當時還沒有做過實驗,因為當時的地質學家相當滿足於大洪水理論。

解答:阿格西和冰河期

然而,並不是每個歐洲人都把這些奇特的地質現象歸因於洪水。鄰近阿爾卑斯山的民族,曾經親眼目睹冰河活動,所以看法不同。冰河周圍的民族尤其如此。早在1787年,瑞士牧師庫恩(Bernard Friedrich Kuhn)就見過瑞士冰河攜帶這類石塊,因此主張漂石是冰河帶來的。幾年後,赫頓造訪瑞士和法國的侏羅山脈時也得出相同的結論,只可惜這個結論和他所有的革命性創新想法一同被世人忽視。1824年,挪威自然科學家埃斯馬克(Jens Esmark)主張,挪威的岩石刮痕和漂石成因都是冰河。他們觀察到冰的龐大重量壓在冰河底部的岩石,對岩石施加極大的力量,並能推動岩石前進。德國自然科學家伯納第(Reinhard Bernhardi)受到埃斯馬克影響,於1832年發表文章,主張全歐洲曾被極地冰帽覆蓋,甚至遠達德國中部。

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圖25.2 基岩上的冰河刮痕,成因為冰河底部的岩石在基岩上被拖曳移動。(圖片授權:Wikimedia Commons)

在此同時,近代對阿爾卑斯山冰河與相關影響的觀察心得逐漸增加,瞭解的人也越來越多。1815年,瑞士登山家和岩羚羊獵人佩羅丹(Jean-Pierre Perraudin)說明瑞士山谷中冰河產生的影響,並且提到這裡的冰河以往規模更大、流得更遠。1818年,因為工作而在瑞士待了許久的高速公路工程師維涅茲(Ignace Venetz)對他的想法很感興趣。維涅茲越來越相信,冰河曾經從阿爾卑斯擴散到各地,影響周遭的各個地區。他也相信,以往冰河曾經大幅擴散,並於1816年、1821年和1829年發表3次演講,推廣這個觀點。在此同時,貝克斯鹽礦場長德夏本提耶(Jean de Charpentier)聽過佩羅丹和維涅茲的說法後也支持他們,自己進行田野觀察,並於1829年至1833年間發表數篇更完整的文章。

德夏本提耶於1834年發表演講時,極有潛力的年輕瑞士古生物學家阿格西(Louis Agassiz,圖25.3)也是台下聽眾之一。當時他已經因為魚類化石研究而在歐洲許多地區相當出名。1836年夏天,他前往貝克斯鹽礦場造訪德夏本提耶,想證明德夏本提耶的冰河理論是錯的。然而,最後他反而接受了冰河理論,並且亟欲把這個理論傳播給不那麼瞭解冰河的其他地質學家。與早年冰河地質學支持者只提出阿爾卑斯山河鄰近地區冰河證據不同,阿格西極富想像力、演說能力、寫作能力,更是積極認真且極富進取心。

1837年,阿格西在家鄉納沙泰爾(Neuchâtel)主持瑞士自然科學學會年度會議。他起身發表開場演說時,聽眾原本以為演說主題是魚類化石,然而他卻發表了一篇激進的演說,主張以往歸因於諾亞大洪水的地質特徵,其實都是冰河的傑作。他研究過佩羅丹、維涅茲和德夏本提耶的理論後,認為他們的想法適用於歐洲大部分地區,因此主張歐洲在冰河期(Ice Age)曾被冰雪覆蓋。他的演說實在太讓人意外,導致會議立刻陷入混亂,漫長的爭論完全打亂原本排定的演說。其中一場演說的講者是格瑞斯利(Amanz Gressly),主題是現在相當有名的沉積相(sedimentary facies)概念,但在阿格西的演說掀起的混亂之中,他沒有機會發表這場演說。

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圖25.3年輕時的阿格西。(圖片授權:Wikimedia Commons)

大多數聽眾對阿格西的理論十分懷疑和排斥,因此他在會後立刻舉辦田野觀察行程,前往距離最近的阿爾卑斯山冰河(這在現在是不可能的,因為現在專業科學會議的一切行程都在數個月前就排定,與會者的機票和住宿不可能更改)。當時歐洲的頂尖科學家包括德博蒙(Élie de Beaumont)和馮布赫(Leopold von Buch)等人,都坐上馬車和他一同前往。如果阿格西以為他們一看到現場證據就會立刻轉變立場,那麼他顯然對人性過度樂觀。他們在這趟田野行程後並未改變,地質學界大多數人依然反對他的想法。傑出的自然科學家及探險家馮洪堡(Alexander von Humboldt)甚至要阿格西回去研究魚類化石,「對真正的地質學做出更大的貢獻,好過以這些粗略想法(而且有點冰冷)思考遠古世界的重大變化。這些想法除了提出者之外沒人相信。」

歐洲大陸科學家對阿格西相當冷淡,其他地區的接受程度則高出得多。在英國,巴克蘭聽說他的想法,開始對自己以諾亞大洪水解釋一切的作品感到懷疑。巴克蘭曾於1835年在牛津接待前來訪問和研究魚類化石的阿格西,兩人成為好友。1838年,巴克蘭到德國弗萊堡加入德國自然科學家協會,聽阿格西推展他的冰河理論並聆聽他的觀點。後來他和阿格西前往紐沙特,和富有的自然科學贊助者波拿巴(Charles-Lucien Bonaparte)一起壯遊冰河地質(波拿巴在叔叔﹝譯註:原文為堂兄,經查證後應為叔叔﹞拿破崙於1815年在滑鐵盧戰役中敗北並遭到放逐後,就沒有什麼事可做)。

巴克蘭完成這次壯遊後,並未完全接受這個理論。他反覆思考所見,直到1840年阿格西在格拉斯哥的英國科學促進會上演講,巴克蘭總算改變態度,成為第一個支持冰河理論的英國人。其他英國地質學家大多相當驚訝他態度的突然轉變,同時表示輕蔑。當時一幅著名的諷刺漫畫(圖25.4)描繪巴克蘭穿著常見的高帽和長袍,帶著地圖、鎚子等地質學研究裝備,站在有平行刮痕的地表上。刮痕上標示著「冰河在3萬3330年前萬物尚未創生時造成的刮痕」,以及「前天推車車輪在滑鐵盧橋上刮出的刮痕」。

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圖25.4 著名諷刺漫畫描繪巴克蘭站在冰河刮痕上。(圖片授權:Wikimedia Commons)

巴克蘭後來說服了當時最具影響力的批評者萊爾(Charles Lyell)。萊爾立刻寫了一篇論文支持他的想法。後來阿格西、巴克蘭和萊爾一起前往蘇格蘭高地,阿格西在那裡向其他人說明許多一直無法解釋的地質特徵都源自蘇格蘭地表曾被冰河覆蓋。1841年,福布斯(Edward Forbes)寫信給阿格西:「你讓這裡所有的地質學家都因冰河而瘋狂,他們把英國變成大冰庫。有一、兩個偽地質學家試圖以好笑又荒謬的行為來反對你的觀點。」

冰河期戰爭持續延燒多年,但阿格西越來越厭倦於沒有結果的衝突。他於1846年坐船前往美國,原本是為了研究魚類化石,但後來得到很好的機會留在哈佛大學並設立比較動物學博物館。後來他一直留在美國,在哈佛大學教學及研究了27年之久,之後於1873年去世。更重要的是,他運用這樣的改變,到北美洲東北部各地進行田野觀察,發現許多冰河地質特徵,進一步證實北極冰帽曾經覆蓋北半球所有大陸。此外,他還教出幾位傑出學生,後來都成為美國新一代動物學和地質學家,包括古生物學家華爾克特、海耶(Alpheus Hyatt)和夏勒(Nathaniel Shaler)、古生物學家及昆蟲學家派克(Alpheus Packard)、自然科學先驅英格索爾(Ernest Ingersoll)、魚類學家喬丹(David Starr Jordan)、探險地質學家勒康特(Joseph LeConte),以及著名哲學家及心理學家詹姆斯(William James)。

教授、政治人物和詩人。瑞士教授阿格西創立冰河期理論,政治家及地質學家萊爾大力支持,在1842年時說服許多地質學家。但直到詩人及探險家肯恩的另一項發現問世,才終於說服了全世界。

相關書摘 ►科學家為何相信恐龍滅絕,是因為一顆飛向地球的小行星?

書籍介紹

《改寫地球史的25種石頭故事:人類如何破解地質學上的重大謎團》,八旗文化出版
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作者:唐納德.普羅泰羅
譯者:甘錫安

石頭可以透漏的訊息比我們想像的更多!對大多數人而言,石頭就只是石頭,但對學有專精的地質學家而言,石頭蘊含豐富又珍貴的資訊,但前提是必須懂得怎麼看。

《改寫地球史的25種石頭故事》是一本既專業又生動好讀的地質書,作者的功力在於,訴說各個石頭組成和形成的特殊地貌之餘,也還原每種石頭形成之初的地質場景,將讀者帶回礦石形成的古老時代,逐一看到地球太初之時如何從一塊火熱熔岩,逐漸冷卻,形成溫熱海洋與古老地殼,直到地函與地殼分離,無氧地球逐漸析出氧氣,更多樣的生命型態出現,然後一路演變成現在的地球……作者也不忘寫有人味的故事。每個發現背後都有為了尋找答案努力不懈的科學家身影,而作者也不忘寫下每種岩石,特別是礦石以及礦物,在人類文化發展上各自擁有的起落興衰。

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責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航


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例如:人道救援第一線的世界展望會,總是在第一時間搶救因遭受氣候變遷影響的區域和家庭,並針對緊急程度分別訂定短、中、長期的執行策略,恢復家庭與社區生活的韌性,提升居民災變的應變力與經濟彈性,以及促進兒童的長期福祉與發展。具體來說,世界展望會三大行動策略,包括:

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關於《國際大風吹|行動講堂》

由《國際大風吹》李漢威、金鐘主持人蔡尚樺聯手主持,每集《國際大風吹|行動講堂》直播節目將邀請重磅來賓,帶大家深入淺出、探討急需人們重視的國際議題,並呼籲各界付出實際行動,向需要幫助的人伸出援手,展開即刻救援。


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