趣说地质学--地质学中的“圈地运动”

作者：王清晨/中国科学院地质与地球物理研究所（已退休）

说到“圈地运动”，大家一定先想到清王朝初期的“跑马圈地”。

1644年，顺治刚入关当上皇帝就连颁三道圈地令，强占大量民田，安置八旗兵马，导致民不聊生。康熙亲政后，于1685年明令“嗣后永不许圈”，历时40多年的圈地运动正式告终。

和英国持续了400多年的“圈地运动”比起来，清朝的“跑马圈地”不过是小case。15世纪末，欧洲毛纺织业兴旺发达起来，英国的地主们开始圈占土地，通过养殖业获利，形成“羊吃人”局面。

资产阶级革命爆发后，英国政府于1688年立法公开支持圈地，导致更大规模的暴力圈地运动。直到完成资本的原始积累后，英国的圈地运动才于1876年被议会明令禁止。

地质学中的“圈地运动”差不多与此同时，也发生在欧洲。不过，地质学家们并不是真的去圈地，而是抢先去命名地层。这里就来说说它的始末。

NO.1缘起

1669年，丹麦业余地质学家史丹诺医生提出了三条地层学原理，其中的“地层叠覆原理”指出，未经变动的地层上层新、下层老。

火成论早期代表人物莫罗（A. Moro，1687～1764年）曾把见到的山脉分成两类：一类是层状山，另一类是非层状山，层状山盖在非层状山之上。

他按照史丹诺提出的叠覆原理，把形成较早的非层状山称为“第一代山（Primary mountain）”，形成较晚的层状山称为“第二代山（Secondary mountain）”。

阿杜诺于1759年手绘的地层剖面（图片来源：维基百科）

阿杜诺（G. Arduino，1714～1795年）被誉为“意大利地质之父”。

1759年，他把意大利北部的山脉分成三个时期的产物：

由片岩组成的山脉核部最老称为原始统（Primary series）；

山脉翼部坚硬的沉积岩称为第二统（Secondary series）；

山脚处不太硬的沉积岩称为第三统（Tertiary series）。

在同一时期，其他国家的地质学家都认识到山脉的分层性。

例如德国地质学家莱曼（J. G. Lehmann，1719～1767年）于1756年实测了层状岩石的实际剖面，建立的地层序列与阿杜诺的层序类似。

德国动物学家巴拉斯（P. S. Pallas，1741～1811年）在俄罗斯圣彼得堡科学院任教授期间，曾到乌拉尔山考察，在他1777年发表的考察报告中也指出了山脉的三分性序列。

莱曼于1756年实测的地层剖面（图片来源：维基百科）

地质学家们开始思考，各地山脉的三分性序列无疑代表了先后不同的年代，又都把它们叫做“老大”（Primary）、“老二”（Secondary）和“老三”（Tertiary）。

那么，“老大”们会不会是同一时间段形成的呢？

“老二”们或“老三”们呢？

于是，地质学家们开始在欧洲各地进行岩层的年代对比研究。

这就是本文要说的“圈地运动”。

NO.2“圈地法”

欧洲真颁布了关于地层年代对比的“圈地法”吗？

当然没有。那时候还没有“欧盟”呐！

只有一些区域性民间或半官方的科学学术组织，例如，意大利的齐曼托学院（成立于1657）、英国皇家学会（于1662年成立）、巴黎科学院（于1666年成立）、柏林科学院（于1700年成立）及彼得堡科学院（于1725年成立）等等。

再说啦，科学家的脑子是颁布什么“法”也束缚不住的，他们只认“死理”。

这些“死理”就是自然规律，就是科学定律。

对于地层年代新老关系的研究，当时各国的地质学家们已经先后提出了七大定律。

其中，丹麦的史丹诺于1669年提出三条：地层原始水平律、地层侧向连续律和地层叠覆律；

英国的赫顿于1795年提出“地层穿切关系律”；

法国的居维叶于1811年提出“生物群灾变更迭律”；

英国的史密斯于1815年提出“动物群顺序律”；

英国的莱伊尔于1830年提出“包含物律”。

这七大定律是地质学家们判断地层新老关系的重要依据。

其实，其中只有四条定律在远距离进行地层时代对比时最为实用。

这就是史丹诺的“地层叠覆律”与“地层侧向连续律”，史密斯的“动物群顺序律”和居维叶的“生物群灾变更迭律”。

地质学家先在一个地区根据“地层叠覆律”理清地层新老关系，建立起地层柱子；然后根据“动物群顺序律”和“生物群灾变更迭律”，鉴别地层柱中化石群的新老关系；再根据“地层侧向连续律”，按照化石层位进行侧向对比，把不同地区的地层柱子连接起来，建立起更大范围的地层年代关系；最后，把含相同化石的地层命名成一个地层单位。

由于这个地层单位是在一定的时间段内形成的，因此，就有了时间属性，成了“年代地层单位”。

根据化石确定地层时代

史密斯（1769～1839年）

（图片来源：公共网络）

科学家们思想虽然难以用法律去束缚，但他们的行为有自己的道德底线。

那时的地质学家都是“科研个体户”，研究工作以单干为主。

不过，他们都在学术组织中参加学术交流和讨论，对于不同的认识会进行坦率的争论，但对于经过争论达成的共识都能接受。

涉及到研究成果的名称时，会默认约定俗成的“命名优先原则”。

例如，意大利阿杜诺1759年命名的Primaryseries（原始统）、Secondary（第二统）和Tertiary（第三统）就被大家接受了。

德国的维尔纳在1787年对萨克逊地区的地层进行研究时，就采用了阿杜诺命名的地层名称Primary、Secondary和Tertiary。

不过，地质学家们都感到Primary和Secondary的划分方案太过粗略，它们名下的地层中包含了不同的岩石和岩层，甚至还包含了不整合面。

因此，应该把Primary和Secondary进一步细分。

于是，“圈地运动”开幕了。

地质学家们争先恐后地建立和命名新的“年代地层单位”！

No.3群雄并起

德国地理学家洪堡（A. von Humboldt，1769～1859年）曾是维尔纳的得意门生。

1795年，在“水火之争”中，他到意大利、法国等地进行地质考察。

当走到法国和瑞士交界的侏罗山（Jura）时，他发现那里出露的都是灰岩，其中可以找到史密斯在英国鉴定出的同种化石。

但这些灰岩在老师维尔纳的“第二统”中并没有提到。

于是，洪堡就指山为名，把这些灰岩命名为“侏罗灰岩（Jura-Kalkstein）”。

侏罗山的灰岩（图片来源：公共网络）

布鲁塞尔科学院首任院长叫奥马利达鲁瓦（J. d'Omalius. d'Halloy, 1783～1875年），年轻时曾在法国和意大利进行了近20年的地质考察。

1822年，他在研究巴黎盆地时，识别出一套富含海相贝壳化石的灰岩。这些灰岩很容易风化成白垩土，奥马利达鲁瓦就用Cretaceous命名了这套地层。

词根“creta”是白垩的拉丁文名称。

英吉利海峡的白垩层（图片来源：公共网络）

在欧洲有一套产煤的地层，为第一次工业革命提供了重要的能源。

史密斯最早研究了其中的化石，但没给这套地层命名。

在1822年出版的《英格兰和威尔士的地质报告》中，英国地质学家科尼比尔（W. D. Conybeare，1787～1875年）和菲利普斯（W. Phillips，1775～1828年）直白地把这套地层叫成“含煤的”。

拉丁文的“煤”是carbō，“带有”是ferō，写成英文就是“Carboniferous”。

1829年，法国地质学家德努瓦耶（J. Desnoyers, 1800～1887年）在研究巴黎盆地沉积物时，发现在阿杜诺命名的Tertiary series（第三统）上还叠覆着更年轻的地层。

德努瓦耶按照年代顺序向上排，把这套地层称为Quaternary（第四统）。

德国盐矿老板阿伯蒂（F. A. von Alberti，1795～1878年）学过地质学。

为了扩大产业，他到处寻找岩盐，发现在侏罗灰岩之下，总有一套由红砂岩-白色灰岩-黑色页岩组成的地层，其中就有他渴望的优质岩盐。

这套地层红白黑三色十分引人注目，在德国和欧洲西北部广泛出露。

1834年，阿伯蒂发表专著，把这套地层称为Triassic岩系（三叠系）。

拉丁文trias的含义是“三分性”。

英国的莫企逊（R. I. Murchison, 1792～1871年）年轻时曾在军队服役8年，26岁退役后才开始学习地质学。

他很活跃，参加伦敦地质学会后和塞奇威克（Adam Sedgwick，1785～1873年），科尼比尔、莱伊尔、达尔文等都成了好朋友。

1831年，莫企逊和塞奇威克一起去威尔士，对“老红砂岩”之下的一套沉积岩进行研究，1835年联合发表研究论文《英格兰和威尔士的寒武系和志留系》。

莫企逊把这套地层的上部命名为Silurian系（志留系），词根Silures是威尔士一个古老部族的名称。

塞奇威克把下部地层命名为Cambrian系（寒武系），词根Cambria是古威尔士的英文名。

英国的老红砂岩不整合覆盖另一套沉积岩之上（图片来源：公共网络）

在德文郡（Devon），莫企逊和塞奇威克命名的志留-寒武系被“老红砂岩”覆盖着。

“老红砂岩”中化石很少，难以判断年代。

有人说“老红砂岩”就是志留系。

莫企逊当然不同意，他说服塞奇威克一起去寻找证据。

远征开始了。

他们从英格兰向东追索到德国的莱茵河谷，又继续向东一直追到俄罗斯。

他们发现，莱茵河谷有一套和德文郡“老红砂岩”完全类似的地层，夹在有化石的石炭系和志留系之间。

于是，塞奇威克和莫企逊就把这套夹在中间的地层命名为Devonian system（泥盆系），并于1840年联合发表了他们的研究成果《德文郡的物理结构和老地层的划分》。

正是在这次考察中，莫企逊熟悉了乌拉尔山的地质构造。他在乌拉尔山脉西坡的彼尔姆地区（俄文ПермЬ，英文Perm）发现了一套富含化石的地层。

这套地层覆盖在石炭系之上，具有双层结构，下部是砂岩，上部灰岩。

于是，莫企逊于1841年依据出露地点把这套地层命名为Permian。

这套具有双层结构的地层还有个德文名字Dyas（二元性），“二叠系”就是按照德文意译的。

No.4

“圈地”战火

莫企逊和塞奇威克虽然联合发表了包括《英格兰和威尔士的寒武系和志留系》在内的一篇又一篇重磅论文，但他俩对寒武系和志留系的界限却一直争论不休。

这两套地层的确切界限究竟在哪里？

莫企逊（1792～1871年）塞奇威克（1785～1873年）

（图片来源：公共网络）

于是，两人约定分头寻找。

莫企逊在北威尔士开始从地层顶部向底部工作，塞奇威克则在南威尔士开始从地层底部向顶部工作。

威尔士出露的这套志留-寒武系地层顶部含化石较多，底部含化石较少。

莫企逊仔细收集化石，一层层地划分地层归属，而塞奇威克只能靠岩性的差别划分上下归属。

莫企逊靠化石（星号）追索志留系（S）的底界

塞奇威克凭岩性（水平线段）追索寒武系（Cam）的顶界

没想到，当他们俩相遇时，各自追索出的地层界限竟然接不起来！

中间有一段地层，所含化石像上面的志留系，岩性又像下面的寒武系。

地层界限究竟应该放在哪儿？

中间这段地层到底归谁？

两人相持不下，互不让步。

中间这段地层化石像上面的，岩性像下面的，到底归谁？

他俩可都是辛辛苦苦仔细追索过来的呀！

然而，由于他们使用了不同标准去划分地层，一个凭化石，一个靠岩性，结果，就出现了这样的局面。

莫企逊和塞奇威克都认为，对方把手伸到了自己地盘里！两人进行了激烈的争吵。

莫企逊18岁参军，在军队服役8年，养成了倔强的性格和从不服输的脾气。

塞奇威克31岁就被剑桥大学聘为教授，在1831年和莫企逊开始野外考察之前，刚刚当选为伦敦地质学会主席。

他怎么会在莫企逊面前退却！

最终，他们的学术争论导致了私人友谊的破裂！

直到他们去世，两人也再没有来往，而他们的争论也没得到解决。

《英格兰和威尔士的寒武系和志留系》发表44年后，另一位英国地质学家拉普沃思（C. Lapworth，1842～1920年）最终解决了莫企逊和塞奇威克的争端。

拉普沃思一直致力于志留系地层和化石的研究，创立了使用标准化石研究地层时代的方法。

1879年，拉普沃思在威尔士地区进行详细的研究后，发表了题为《论下古生界岩石的三分性》的论文，指出莫企逊和塞奇威克发生争执的地层是客观存在的，既不是“寒武系上部”也不是“志留系下部”。

拉普沃思给这段地层起了个名字，叫Ordovician System（奥陶系）。

词根Ordovices是威尔士一个古老部落的名字。

拉普沃思把莫企逊和塞奇威克发生争执的地层命名为奥陶系（O）

No.5

尾声

从1759年阿杜诺命名“第一统”、“第二统”和“第三统”，到1879年拉普沃思命名“奥陶系”，“圈地运动”整整经历了120年。

不过，这些“圈地”成果还需要得到“官方”的认证。

另外，究竟是叫“××统”还是叫“××系”？

也还有待统一。

地质系的命名地点（据张守信，1992）

1-侏罗系；2-第三系；3-白垩系；4-石炭系；5-第四系；6-三叠系；

7-寒武系；8-志留系；9-泥盆系；10-二叠系；11-奥陶系。

1878年，第一届国际地质大会在巴黎召开了。

会议授权一个14人委员会去解决这些问题。

这个委员会制定了一个地层划分和单位术语名称的草案，提交给1880年召开的第二届国际地质大会。

草案经过激烈的辩论后表决通过，于1881年公布实施，史称“1881年方案”。

考虑到地层既有岩石属性，又有时间属性，“1881年方案”定义了两套术语，一套是岩石地层单位术语，一套是地质年代单位术语，把地层单位划分为界、系、统、阶四级，相应的时间间隔划分为代、纪、世、期。

这样，已经命名的地层从老到新划分为11个系：寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、第三系和第四系

相应的时间划分为11个纪：寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪、二叠纪、三叠纪、侏罗纪、白垩纪、第三纪和第四纪。

需要说明的是，这些地层的中文名称绝大多数是借用了早期日本学者的汉字译名，只有“奥陶系”是1916年由章鸿钊和翁文灏两位先生共译的。

“圈地”虽近尾声，但在寒武系之下，还有很多岩石地层哦！

早在1841年，英国地质学家菲利普斯（J. Phillips，1800～1874年）就发表了一个全球地质年表。

他给寒武系之下更古老的岩石地层起了个名，统称Precambrian。“pre-”是个前缀，意为“先于”、“在…之前”。

那时人们还不知道地球有46亿年的历史，更不知道前寒武纪的时间跨度竟占了地球历史的88%！

那是一片更广阔的“荒地”......