现代地质学

谈到地质学，就不能不提到伟大的地质学家詹姆斯·赫登。赫登是经典地质学的奠基人，也是地质学上火成论的创始人，他在地质学领域以其独特的见解与具有开创性的学说内容，被人们称为“地质学之父”，他的一些创见和思想，至今仍对地质学有着极为重要的影响。

赫登于1726年6月3日出生于苏格兰首府爱丁堡，他的父亲威廉·赫登是爱丁堡城的名绅富商，他的母亲是该城富商的女儿。赫登的父亲共有四个子女，当赫登只有三岁时，他的父亲去世，于是他和他的姐妹们便只依靠父亲的遗产生活。
赫登是一个兴趣十分广泛的人，而且非常善于思考和研究问题。1740年，当他只有14岁时便进入爱丁堡大学攻读人文科学，同时对逻辑学、修辞学、哲学、数学、物理学和地理学都很感兴趣。1743年，他曾想当一名见习律师，1744-1747年，他又在爱丁堡大学攻读医药学，并对医药学和化学课程十分感兴趣。1747年底，他到了法国巴黎，在那里学习了两年化学和解剖学。在他学习化学课程期间，他的老师罗伊尔教授的化学课程中含有矿物学和地质学的内容，这可能对他以后对地质产生浓厚兴趣产生了一定影响。1749年，他从巴黎来到莱顿，同年9月，他以“血液与微宇宙循环”论文获医药学硕士学位。1794年年底，他又回到伦敦，同他的朋友戴维开始氨盐的生产，并取得了成功。
赫登是一位精力充沛、极富创造力的人。1750年，赫登从一部英国名著中得到启发，从此对农学产生了兴趣，于是他放弃了医药行业，回到苏格兰。在离爱丁堡60余公里的斯莱修斯，他开始经营父亲遗留下的一座小农场。为了经营好农场，他涉猎了大量有关农学方面的知识，并到英国考察农业。在考察农业的同时，他顺便开始观察地质现象，这可能是他对地质学产生兴趣并成为地持学家的开端。赫登在从事农业和以后从事地质学研究期间一直为撰写《农学原理》搜集资料，并完成了一千多页的手稿。此外，他在大气、流体、光、附着力、热、电与玄学等许多方面都有所涉猎并有独到见解。
赫登的生活中最重要的的活动就是进行地质旅行。1753年，他对英国各地的地质现象进行了认真的观察之后，第二年他又到荷兰、比利时和法国北部，进行农业和地质考察。第二年，赫登同他的好友克拉克一起到苏格兰北部作地质旅行，看到了许多地质现象，引发他对地质学更大的兴趣。于是，赫登又离开了经营良好的农场，于1768年回到了爱丁堡与他的三个姊妹同住。
爱丁堡是一座著名的文化古城，是各种科学技术人士云集的地方。赫登在这里参加了爱丁堡哲学学会（此学会于1783年改名为爱丁堡皇家学会），成为学会的一个会员。在学会的活动中认识了各行各业的许多学者，如蒸汽机发明家瓦特、数学教授–后来成为他的好朋友并给他极大帮助的普雷弗尔、经济学家史密斯等人，并从那些学者身上汲取到了丰富的思想营养，为他以后形成自己的地质学说打下了良好的基础。
在当时的欧洲，人们普遍认为地球上的岩石和矿石是从含矿的海水中沉积而成的，即所谓的水成岩论。那么，地球上的岩石和矿石究竟是怎样形成的呢？赫登就这个问题经常和朋友们一起进行讨论和观察，并从中获得了不少知识。爱丁堡近郊有着丰富的地质现象：从爱丁堡城向东走，就到了著名的阿瑟别墅和萨利斯堡崖，那里显示了火山喷发的景象；出城向西走，又可看到现代流水的地质作用的产物和石炭纪海底沉积物和生物化石。爱丁堡近郊丰富的地质现象，为赫登学说和学派的形成提供了条件。
1785年，赫登在爱丁堡皇家学会通报第一卷上发表了著名长篇论文《地球学说，或对陆地组成、瓦解和复原规律的研究》。在这篇论文中，他阐述了自己的地球火成论学说。他认为地球内部含有大量的熔融物质，它以侵入方式进入地壳，以喷出的熔岩溢出地表。他认为地球上的岩石，如玄武岩，片麻岩和花岗岩都是地下熔岩以火山的形式喷发出来，冷却而成的。为了证明这一学说，他和普雷弗尔详细观察侵入围岩的花岗岩类之间的接触关系，曾走过苏格兰的许多地方，看到了红色的花岗岩墙穿破暗色的云母片岩的地方，认为只有花岗岩的流体才能做到这一点。这就是说花岗岩是从熔体冷凝而形成的。对于矿岩，他认为是地壳中含矿的熔体自地下上升贯入裂隙冷凝而成的。他的学说很好的解释了火山地质的成因。
在赫登的地球理论中有许多在当时相当大胆的创见，如他已经有了岩石循环的观念、认为地球历史不止6000年及创立了均变论。有趣的是，赫登的文笔是有名的结构松散、冗长，所以他的读者很少，这使他在生前并有得到他应有的荣耀。今日我们得以认识赫登的思想要归功于他的好友–前面提到过的爱丁堡大学数学教授、著名地质学家普雷弗尔的热心传播与耐心阐述。据历史记载：“赫登对于著作，素非所长，故其内容之布置与叙述，均不足引起读者兴味，幸有知友普雷弗尔与之相处甚久，熟晓其所持之地质学见解，故在赫登死后之第五年(1802年)乃著有《赫氏地球论之说明》一书，全书叙述之简明，文章之美妙，均为后之读者所称许（叶良辅，《地质学小史》）。”正是经过这样的普及，赫登的观点才逐渐为人们所理解和接受。
1791年，赫登患上了膀胱结石症。手术后，他在妹妹的照料下从事著述，继《地球学说，或对陆地组成、瓦解和复原规律的研究》之后，他又于1795年抱病出版了《地球学说：证据和说明》(第三卷是在他去世两年后于1799年由友人帮助整理出版)。
1794年，赫登的病症复发，1797年3月26日，赫登病逝于苏格兰爱丁堡城，终身未婚。

赫登在地质学领域中主要的学说内容有均变论、火成论，并提出了地质循环、交角不整合的概念。
一、均变论
均变论，又称渐变论、天律不变说，是由赫登首创的(赫登用“uniformity in time”称之，而“uniformitarianism”则是由19世纪中期的Whewell所创)。这个学说的要旨是：现在是通往过去的一把钥匙(The present is the key to the past)，意思是说，过去一切发生的地质作用都和现在正在进行的地质作用方式相同，所以研究正在进行的地质作用，就可以证明过去地质作用的成因。赫登认为，书写地球历史的原则在今日与过去是相同的，而未来出会与今日相同，“不必借用地球所没有的力量，除了慎选正确的原理外，其余的均可一律摒除不睬。”
以今日的观点来解释就是，支配地球所发生种种现象的物理、化学、生物原理在过去、现在与未来都是均一不变的，了解现在在正进行的地质作用的原理，便可推测地球的过去或未来的演变。不变的是原理原则，但不同时代的背景不同，因此相同的事件不一定会重演，例如：前寒武纪沉积了大量的铁矿，但是现在大气化学组成已经发生了很大的变化，因此同样的化学作用不会再次大规模发生。
18世纪时，关于我们现在的地球从何而来，绝大多数人对《创世纪》中所描述的地球历史深信不疑。通过多年的地质考察和深思熟虑，并综合当时已有的一些新看法，赫登认为现在的地貌是经过多年的地质运动形成的，在漫长的时间里，海底上升为陆地、陆地隆起成山峰、山脉被夷为平地、平地又沉入海底；并且岩石的层化与化石的埋藏现今仍在海、河、湖沼之内进行。
在这种观点的基础上，赫登对地球年龄的作了推测。1645年，爱尔兰的总主教詹姆斯·尤阎根据圣经创世纪所提到的上帝创造地球、同时也创造了人类的说法，认为应当以亚当、夏娃的出世为起点测算地球的年龄。他推测地球大约创造于西元前4004年10月26日早上9点，地球的年龄大约为6000年。当时绝大多数人相信地球就是在那时一次性形成的，并且之后极少有改变，惟一一次较大的变化只发生于圣经里所到的大洪水时期。对此，1785年，赫登出版了《地球理论》一书。他认为，西元200年罗马人在苏格兰建造的哈得连墙(Hadrian’s Wall)历经1500年后并无太大变化，因此应该认识到风化侵蚀作用进行的速度是相当缓慢的，所以要形成今日地球的地貌，地球的历史应该不止6000年。
虽然赫登无法正确推算地球的年龄，但是他认为，高山隆起岩石也会不断受到风化侵蚀，地球处于持续不断的变动中，而支配的物理、化学原则是古今一致的。
20世纪，人们利用放射性同位素的半衰期测定岩石或矿物的年龄，目前测量到地球最古老的岩石约为39.6亿年，最古老的陨石与月岩约为46亿年。
二、火成论
18世纪初期的地质学家普遍认为，水对地表的改变起决定因素，全部岩石都是在水中沉积形成的，也就是说是海水造就了今天地表上的一切岩层，人们将这样的主张称之为“水成论”。由于《圣经》中有关于诺亚大洪水的记载，水成说在很长一段时期里成为不可动摇的信条。
1746年，盖塔尔送给巴黎科学院关于矿带和岩石分布的记录。他发现了地层的连续性和空间分布的规律性，并据之作出法国的地质图。显然，岩石只有形成在水中才具有连续性和分带性，对奥费涅火山的玄武岩，他也认为是水溶液的结晶作用形成的。
18世纪后半叶到19世纪初，德国地质学家魏尔纳为首的弗莱量学派也倡导水成论，即认为地球初期地表均为原始海洋所淹没，现在地表所有的岩石都是从海水中沉淀、结晶形成。最先沉积的是花岗岩、片岩，并称其为原始层；其次沉积的叫“过渡层”；再上为含有生物化石的岩层；最上为松散泥沙等组成的“冲积层”。他认为自原始海洋开始到诺亚洪水结束，水的力量营造了一切地质系统，自原始海洋到现在，水面在不断地下降，原始岩石露出水面后开始发生风化、堆积而形成新地层。但他的学生达步松和布赫，在考察了玄武岩和花岗岩之后，都发表了不同于魏尔纳的观点。
赫登通过对加里东造山带的典型露头区苏格兰高地的考察和审慎的推理，认为地层的固化和海洋上升为陆地是地热的作用，火山活动是释放地下能量的出口，有点象瓦特的蒸汽机（当时瓦特正在进行这方面的试验）。赫登在其发表的《地球学说》中指出，玄武岩和花岗岩都是由地球内部火成岩浆冷凝而成，片岩、片麻岩等则是受地球内部热力影响而变质的火成岩。他指出了火成岩岩脉穿插水成岩地层以及水成地层被火成岩接触时烤焦的现象。赫登提出：“雨水持续冲刷土壤，流到河流，最后又带到海里，那里的沉积物受到上层重量的压缩形成坚固的岩石；地球内部的热又将这些岩石抬高，耸立突出海面形成高山。熔融的岩浆也能受挤压到达地表。冷却硬化就形成火成岩，这类岩石一旦曝露于空气中，也属于被风化侵蚀的一份子，这些风化侵蚀作用的产物，土壤或沉积物，随后又走回原来的循环路子。不断反覆的过程已经经历很久的时间，且将来还会持续下去，永无止境。”
火成论的观点受到水成学派的强烈反对，赫登的地质理论长期被说成火成论，其实他本人并不认为所有的岩石都是火成的，而是主张水与火同为地质现象的主要成因，但因其致力于反对“水成论”，故仍被世人称之为火成论者。
水成论与火成论的论战在19世纪初达到高潮。由于赫登学说的发展，一系列新的地质事实证实了赫登阐述的观点，火成论者终于取得了胜利。
三、地质循环或称岩石循环
除火成论学说外，赫登还提出了“地质循环”的概念，这是他对地质学的又一个重要贡献。他认为地层不整全表征固结的地层曾从海底抬升而形成干燥的大陆，经过漫长而缓慢的过程，崎岖的山脉被夷为平地，随着地面下沉而接受新的沉积，构成了地球历史上造山-夷平-沉积-造山的循环，这种循环迄今已发生了不知多少次。是什么力量使地壳发生这种变化呢？赫登将这种动力归结为“地下火”，但他否定了魏纳关于火山的热力来自地下煤层的燃烧的说法，认为地球的核心是熔融的流体，而且不因热的作用而改变，许多巨大的花岗岩体都出现在中央，说明地下熔浆从这里涌出，从而把低处的岩层推起成为山脉。
四、交角不整合概念
赫登指出，所谓“不整合”指的是区分不同时代沉积岩层的侵蚀面，不同于断层造成岩层的不连续。“不整合”依照岩层的叠置关系，一般可分成三大类：交角不整合、假整合与非整合。交角不整合是指不整合面上下岩层层理不平行而有某个角度相交；假整合是指不整合面上下岩层层理看似平行或接近平行，但是由两个不连续的地质年代沉积的岩层接触组成，显示期间曾经发生沉积物供应中断或地壳抬升发生侵蚀作用；非整合是指沉积岩层与下方的火成岩或变质岩的接触面形状不规则。赫登曾与普雷弗尔到过苏格兰的西卡角，他们发现，在近乎垂直的黑色片岩之上，覆盖着平躺的红色砂岩层（交角不整合），他们认为岩层不可能垂直沉积成层，显然地球曾经历过长时间的地壳变动，而非一次形成目前所见到的地貌，与其同时代地质学家的想法迥异，从而开创了现代地质史新的一页。

由于赫登的理论与当时流行的见解相悖，加上他的写作风格又不易为人所了解，因而许多人对他的论断意见纷纭，竞相反对。后来，好友约翰·普雷弗尔结合他自己的研究心得著书对赫登的地球理论加以说明，简明扼要地进一步阐述了赫登的“均变论”，使“均变论”更加严密和无懈可击，从此，赫登的思想在地学界赢得了广泛的支持，并成为地质科学的基础。
赫登提出的地质循环等概念都是具有独创性的见解。他对不整合面的发现和解释为18世纪的地质学增添了光彩的一笔。赫登的学说很好地解释了火山地质的成因，他也因此成为现代火山学的鼻祖。由于这些贡献，他被称为现代地质学之父。