爱华网地球探赜索隐录：地质学思想史（第九章）
作者：（澳）奥尔德罗伊德 译者：杨静一
2006，上海科技教育出版社
DavidRoger Oldroyd. Thinking about the Earth：A History of Ideas inGeology. Harvard University Press, 1996,PP410
第九章认识岩石及其成因：岩浆、混合岩浆及其他地球物质
如果你与植物学家一起到野外，你可以预料到他会告诉你所见到的植物的名字。与此相类似，你可以预料到昆虫学家能鉴定出他们所见到的昆虫，或天文学家通过望远镜的观察会知道星座以及不同天体的名字。同样，也可预料地质学家能鉴定出各种岩石，讨论它们是如何形成的。就我的经验看，他们远不止仅仅胜任这种任务。就科学史家来说，极少有人撰写那些可能是地质学家工作的最为基础的方面：岩类学(对不同种类岩石的鉴定、命名、分类)和岩石学——岩相学、有关岩石形成的各种思想(岩石成因学)、岩石现在的状况、岩石的变化和退变等等。岩石学与山脉形成理论有关，归根结底与地球形成以及它的地质历史的最基本的思想有关。
除了像玻璃质岩石这样一些例外，岩石都是由矿物颗粒组成的，当然另有一分支学科——矿物学——是系统研究矿物的。矿物学研究要早于岩石学。有时矿物可能以又大又美丽的晶体形式出现。17世纪近代科学运动开始时或更早时期，这些矿物是“艺术鉴赏家”收集的天然物品。直至今日，它们继续被业余爱好者收集，仍旧是博物馆中为人们所熟知的展品。博物馆中展出的矿物标本常常使参观者感到迷惑不解，他们注意到有时看起来大不相同的矿物标本，可标签上却标明是同一种矿物。
这就提出了矿物分类依据的问题。分类时应该考虑化学组成还是晶体外部形态?什么是矿物种?甚至什么是矿物的单体?在自然史早期，人们常常试图像对待动物界和植物界那样对待矿物界，动物、植物和矿物被18世纪杰出的瑞典分类学家林耐(CarolusLinnaeus，1707—1778)看成是三大自然界。对于动、植物来说，通常什么是或什么不是单个个体理所当然是很清楚的，同一物种的生物看起来很相像，能够与其他个体进行繁殖、产生能生育的后代。
依据这些方面来辨认物种相对来说是直截了当的事情。根据达尔文学说，物种起源于分支(趋异)进化过程。矿物的情况则极为不同。在过去的历史中，矿物学研究方面存在的基本问题是，是外观(尤其是晶体形状)还是内部化学组成，或者是两者的某种结合，可视为矿物决定性的特征。某些具有相同化学组成的物质可能有不同的晶体形状(例如：方解石和文石是碳酸钙的不同形式)，而晶体形状相似却可能有完全不同的化学组成(例如：具有不同化学成分的许多立方晶体)，这一事实使得问题更加棘手。再者，在矿物里可能有少量的“杂质”，这样有理由根据矿物中的某些稀有的或珍贵的，但是是次要的成分(例如金或者银)来命名矿物种。或者某些矿物的组成可能表现出的是一个化学成分的系列。这样的问题不会困扰植物学家和动物学家。
18世纪植物学家的特征分类方法是考察植物有限的外部特征(例如：花的生殖器官的数量、比例、形状、位置)，利用这些资料并根据相同性和不同性来构建物种的排列表。这种排列能够用来确立相同和不同的分类等级，这样就可以命名植物了。人们有可能收集、保存、描述典型的植物种，然后其他的种可以通过与已定的典型物种的对比来确定。每次发现一个新品种，同样要加以描述、命名、为它建个新文件夹。这样已知物种就会增加。对林耐来说，传统的分类过程得到了形而上的假设的支持，这个假设是：根据基督教神话，不同物种在世界之初就在伊甸园由神创造出来了。
林耐试图提出一个与植物分类相类似的矿物描述和分类系统。采用与斯泰诺(1669；见图3．1)较早使用的类似方法，他在想象中将晶体表面展开成平面。然后对展开之后的图形给予描述，并简单地通过所得到的平面几何图形的数量来命名晶体。例如：可以想象石英晶体各个晶面展开后，所有的晶面都在一个平面上(Linnaeus，1770)。然后就可以把它放在分类夹中，保留在“18个面、6个直角、12个三角”那一档中。
这种做法与林耐的“外在论”或者现象论科学方法相吻合。但是，在矿物鉴定和分类上，由于与上面所提到的困难有关的多种原因，这种做法很不令人满意，即使它与18世纪自然史的认识论原则相吻合，在矿物学家中也没有什么追随者。可是，由于直到18世纪末化学分析还没有什么大的进展，尽管人们提出了不同的分析和分类系统，但还是没有其他更好的替代方法。在德国，维尔纳(1774，1962)作了英雄般的奋斗，提出了以矿物外部特征(如：结构、颜色、形状)为基础的、令人满意的矿物分类系统，但是，他和他的追随者却被引导到无可挽救的描述系统，正如从盖基的《地质学奠基者》摘录的一段话所表明的，盖基以揶揄而又精确的笔调写道：
[维尔纳]使用了母语，发明了专用术语，尽管是人造的、又很累赘，但是无疑暂时是大有用处的。然而，这些在德文中只是有些古怪的术语，在翻译成其他语言时几乎就是芜杂之词。如果有这样一位老师，他告诉学生，作为明确的特征，矿物可以分为“硬的、半硬的”、“软的或非常软的”、“非常冷、冷、相当冷、有点冷”、“堡垒式弯曲”、“不定弯曲状页片”、“普通带角的粒状”、“不特别难碎的”，现代讲英语的学生会如何看待这位老师呢?(Geikie，[1905]1962)
这段话明显会使人对维尔纳的矿物学产生不好的印象。然而，在还没有研究出适于对矿物质进行化学分析的方法之前，在还没有提出令人满意的晶体理论之前，盖基没有提到维尔纳时代矿物学家遇到的特殊困难，从这点来说，他的编史工作产生了时代错位。如果矿物按照外部特征进行描述和命名，人们就不可避免地最终要采用与维尔纳类似的系统。
18世纪下半叶，结晶学取得了重要进展，尤其是法国的两位研究者利塞勒(J B L Rome del'Isle，1736一l790)和阿维(Rene一Just Hauy，1743—1822)，或许应该说是他们建立了这门科学。最初遵循较早的化学思想，利塞勒提出了这样的思想：可能在晶体物质中有某种特殊盐类的“要素”使得它们有晶体特征。但这种“要素”不能通过化学分析被发现，因而这种思想没有实际用途。这样，和维尔纳以及其他18世纪的博物学家一样，利塞勒(1784)试图使用一系列的外部特征(晶体形状、硬度、比重)作为矿物种的决定因素。然而，利塞勒最有意义的做法是，他设想所有的晶体都是几种基本晶形的变形(Romedel'Isle，1772)。通过在头脑中对这些基本晶形做各种“斜切”和“平截”，就可能从概念上形成长长的晶形系列。然而，这样做的困难是，概念上的“斜切”没有物理基础，实际上，这个体系是特别假设的一种无穷延伸。总之，这个方法确实不是新的：斯泰诺曾经以简单的方式使用过它。
或许考虑到这种反对意见，阿维试图建立一种将晶体的外部形状与内部物理结构结合起来的理论。一个也许不可全然相信的故事说，一天，他把冰洲石晶体(方解石：碳酸钙)掉在了地板上，他注意到，碎块与他失手掉在地上的那块晶体的晶形一样。接着，他又敲打碎块，也有一堆同样形状的更小的碎块。不管这件逸闻是否属实，它使人清楚地了解到阿维晶体概念形成的方式。他在大脑中所假设的方解石分割过程可能一直继续到晶体变得很小，但形状仍与开始时的相同，不过不能再分割了。他把这种东西称为分子组成(moleculeconstituante或molecule integrante)。接下来阿维要想办法说明，根据不同的递减规则(rules ofdecrement)、怎样用不同的方法排列分子组成以形成物质的不同晶体形态。他(Hauy，1784)说，根据他提出的递减规则，譬如像方解石，原则上可能有不下于1019种的晶形，即使博物学家只知道有限数量的这种矿物。一个与经验发现相联系的研究晶体的普通理论就这样建立起来。它将外部晶形与所设想的内部组成合为一体。根据所设想的分子组分基本形状或者原始晶形数目最小的思想，以及采用某种递减规则，这个体系提供了实用的晶体分类方法。图9．1是对阿维方法应用的说明。(可以看到，阿维是怎样想象出以同样形状的立方“积木”为基底垒出两种不同形状的晶体来的。)
到了18世纪，人们已经完全地确定下来结晶岩和机械成因的岩石之间的区别，它大致与我们对火成岩和沉积岩的划分相对应。然而，在18世纪时，结晶岩或是依据火成论／深成论／赫顿学说，或是依据水成论／维尔纳学说来加以说明。沉积岩石在当时或后来都没有出现重大概念上的问题(除了冰川沉积物和像中国风成黄上那样的某些特殊沉积物以外)，我这里不作进一步讨论，虽然在第十二章我们还要更多地谈到沉积岩。变质岩类只在赖尔的《原理》(1830-1833)中有介绍，后面将要讨论它。现在我们探讨的问题是火成岩或者说是结晶岩。
图9．1两种不同晶形的结构，它们是根据不同的递减规则，假设是用同样的立方“分子”垒起来的。(Hauy，1801)
(对讲英语的读者来说)维尔纳学说看来已决定性地被赫顿以及一般所说的英国地质学打败了。然而，如第五章所述，当有组织的野外制图兴起成为“英语地质学”的重要表现之时，19世纪前半叶岩石学的大部分基础工作是在欧洲大陆进行的，尤其是在法国和德国。这样，由弗赖堡学院和相似机构提供的称职的教育结出了硕果，虽则不该忘记的是，在维尔纳最初的系统中火成岩本身只占一小部分，并且认为，火成岩是火山地区下面的煤燃烧熔融了成层岩石后的产物。
岩石学中某些最重要的术语可追溯到古代，其中包括正长岩、斑岩、玄武岩、黑曜岩；或者它们是石匠使用的名字，如花岗岩或辉长岩。例如，正长岩(Syenite)是因埃及的赛伊尼(Syene)而得名，在古代那里用它来做石碑和方尖塔(Pliny，1962)。维尔纳(1788)赋予了这个词更精确的意义，他使用这个词指的是那种在德累斯顿附近出露的主要成分是角闪石、长石，次要成分是石英的岩石。阿格里科拉(1546)使用玄武岩一词[普林尼(1962)称其为“碧玄岩(basanites)”]，指的是暗色、细粒的火山岩或熔岩。古人将斑岩一词用于夹有长石浅色晶体的紫色岩石上。18世纪时这个词开始用于那种基质为细粒、含有大粒晶体的岩石，废除了颜色方面的考虑。花岗岩是古代词汇，可能来自意大利，显然是由AndreasCesalpinus(1596)首先在出版物中使用了这个词，一般指的是粒状岩石，Wallerius(1747)以更为限定的方式将这个词用在主要由石英、长石、云母组成的岩石上。阿维1813年前和布龙尼亚(1813)先后都曾使用过粗面岩一词，指的是那种在靠近莱因地区发现的透长正基粗面岩，它表面粗糙，中等粒度，含有碱性长石以及像黑云母、辉石这样的矿物。以前维尔纳曾经称它为暗色斑岩。阿维(1822)使用粒玄岩这个术语(这么称呼是因为手标本很难鉴定，足以使人叹气)，指的是那种与玄武岩相当、具有中等粒度、主要由长石和辉石矿物组成的岩石。辉长岩是古老的托斯卡纳语名字，用于暗色、粗粒、主要由辉石和长石组成的岩石，由塔尔焦尼一托泽蒂(GiovanniTargioni—Tozzetti，1768)首次作了较为详细的描述。
这样，我们知道了古代使用过的一些结晶岩的通俗名称，或者它们出现在18世纪末或19世纪早期文献中。当然，这里没有足够的篇幅来讨论岩石学家使用的大量岩石名称。肯定地说，19世纪初期普遍接受的命名法系统还没有建立起来。
结晶岩最简单的分类是以结构和矿物成分为基础的，主要考虑的是二氧化硅(石英)的比例。富含二氧化硅的岩石一般都是浅色的。随着氧化硅的比例减少，就会发现更多的较暗色的矿物，它们富含铁镁质(“mafic”)，例如闪石和辉石。由于钙含量的增多以及钠和钾含量的减少长石矿物种类也有变化。这样，可能就像表9．1所示，有个非常简单的(老式的)系统。
根据赫顿式的理论，细粒火成岩是在地表或靠近地表的地方以相当快的速度冷却形成的，常常形成的是熔岩。中等粒度岩石在地下中等深度的地方从适度缓慢冷却的岩浆中形成。它们被说成是“浅成岩”。粗粒岩石是由深部岩浆缓慢冷却而生成的(深成岩)。如果冷却非常快(比如在侵入体的边缘，那里炽热岩浆由于围岩快速冷却)就形成了玻璃(例如黑曜岩)。事实上，对赫顿来说，玄武岩“岩墙”的玻璃质边缘表明了那是熔融岩石侵入而造成的，他在索尔兹伯里岩崖处眺望爱丁堡时发现了表征这种活动的现象。根据赫顿的理论，岩石的颜色和组成是由侵入岩浆的特性决定的。
正如表9．1中的概括所表明的，我们对在野外可能发现的岩石与根据火成论者(深成作用论者)的理论所预料到的岩石之间的关系有了某种看法。但是，这样的“火成论”分类”绝不是那时地质学家使用的唯一分类。事实上，根据化学、结晶学或一些“外部”特征来进行矿物分类的问题还没有解决。
有了原子论，19世纪早期化学在理论上终于开始有了迅速的进步。在化学的理论发展和实践中较为重要的因素之一是引进了电解技术，用来分解不论是熔融状态的物质还是在溶液中的物质。与电化学发展相应的是，著名的瑞典化学家、矿物学家贝采利乌斯(JonsJacobBerzelius，1779-1848)提出了化学上的化合物理论。根据这个理论，物质被看作是正电荷组分和负电荷组分的结合，每种组分可能会有带电的次级组分，直到最终的化学物质形成为止(Berzelius，1811)。在此基础上，他把二氧化硅看成是带负电的矿物成分，在化合物中起着酸的作用。接着，根据矿物中的二氧化硅比例(由那时单调乏味的化学分析方法确定)，人们可以划分出“硅酸盐”、“偏硅酸盐”、“三硅酸盐”、“基性硅酸盐”、“重硅酸盐”等。”每种矿物都有一种或多种带正电成分，一种或多种带负电的成分。如果知道这些，就有矿物分类的化学依据了(Berzelius，1814)。
表9．1结晶岩简易分类
贝采利乌斯不是彻底的火成论者。他很清楚，地球中的许多晶体是从溶液中生成的，作为“电学家”，他(Berzelius，1814)提出，许多在通常情况下不可溶的矿物是在各种(假设的)电流影响下从地球内部的溶液中结晶出来。不过，这种思想并不特别重要。有意义的是，贝采利乌斯提出了概念框架和对矿物界进行化学分类的一套实际技术。事实上，他对矿物感兴趣主要出于化学。虽然他确实做了些野外地质工作，但他不称自己是地质学家(Bernhard，1985)回过来再看看德国，维尔纳的继承者莫斯(FriedrichMohs，1773—1839)在弗赖堡继续研究那种根据矿物外部特征进行分类的系统，他那著名的矿物硬度表为人们所铭记。他的《矿物学基础》(GrundrissderMineralogie)(1822—1824)和《矿物学》(Treatise onMineralogy)(1825)采用的是以外部特征为基础的分类，布赖特豪普特(Breithaupt)的《矿物学手册》(Handbuchder Mineralogie)(1836—1841)也是这样。1818年莫斯在爱丁堡邂逅詹姆森(Jameson)，两人在如何建立矿物学的自然史系统的基本原则上取得了共识。因此，当莫斯的学生用矿物分类手册这本小书在爱丁堡发行时(1820)，它为大家提供了试图与动植物分类相似的等级分类系统。这是循着准林耐的谱系建立起来的矿物界的“自然史”。福柯(1966，1970)的主张是：按外部特征分类是18世纪(或“古典”时期)的特色，而19世纪按“内部特征”分类的系统已成为准则，因此，莫斯的那本书是这一主张的反例。然而，贝采利乌斯的系统符合福柯的框架。
在美国，谢泼德(CharlessShepard，1835)力求使用莫斯系统，不过继而弃之而赞同使用烦琐的名称。在《矿物学系统》(Dana，1837)中，丹纳采用了莫斯式的自然史系统，但是他论证说，在结晶足够好的条件下，矿物种的化学鉴定应该与以外部特征研究为基础的鉴定一致。在1844年版中丹纳保留了自然史分类，但是也介绍了贝采利乌斯的化学分类。最终，该书的1850年版不再采用自然史分类方法，尽管作了将化学系统与结晶学原理结合在一起的努力。
即使在赫顿的故土英国，维尔纳地质理论以及岩石、矿物分类学在19世纪依旧有广大的读者群，这主要是由于爱丁堡的詹姆森的努力。例如，在《伦敦大百科全书》(LondonEncyclopaedia，Anon，1829)中，地质学这个条目告诉人们，结晶岩石有标准序列，它们的几何次序与(所设想的)从原始大洋结晶出来的次序相对应：11石膏；10石英；9老蛇纹岩；8原始灰岩；7原始暗色岩；6老斑岩；5黏板岩；4黄玉岩；3云母板岩；2片麻岩；l花岗岩。但是这个序列常常“不听话”，以至于(作为岩石学／几何学／发生学学说的)维尔纳的地球构成学在它自身异常的重压下，逐渐地崩溃了，尽管如我们将要看到的，水成理论的某些要素几乎持续到19世纪末，在某种意义上一直持续到现在。
从《伦敦大百科全书》所列的序列中看到，因为花岗岩一般都具有又大又好的晶形而不具层纹或叶片状构造，维尔纳学说将它看成是最古老的“原始”岩类。然后是叶理化的片麻岩和片岩，接着是有层纹构造的板岩。在这个表中，最难理解的正是片岩和片麻岩。片麻岩可以有与花岗岩同样的晶体矿物组分(主要矿物是石英、长石、云母)，但是某些矿物质显现出明晰的矿物层，片状云母相互平行，片麻岩的其他部分的分带就不那么明显了，这些部位的岩石看起来与花岗岩非常相同。在片岩中，通常云母显眼得多，常常有醒目的光泽，整块岩石成层状或呈叶片状。
正是赫顿学派的地质学家赖尔在《地质学原理》(Lyell，1830—1833)一书中提出了，将那种如片麻岩和片岩的岩石归入到一个新的主要岩石类别：变质岩。赖尔(1833)使用的是“hypogene”(深成的)一词，而不是“最初的”或“原始的”这类词。深成岩划分为不成层的(火成岩，如花岗岩)和“成层的”(变质岩，如片麻岩和片岩)。他否认深成岩有任何像维尔纳地质学所赞同的那种在几何形状上或年代上的固定顺序。原则上，这类岩石可以是任何年代的；但是，因为它们被认为是在热和(或者)压力作用下形成的，对赖尔来说，可以预料这些岩石会在每个系的底部生成：石炭系底部、志留系底部，等等。
据赖尔所说，变质岩是那些“变化了的层状”岩石，并且这种改变是热和压力的作用造成的。但是，对于岩石最初是否一定要成层状(例如，沉积岩)，或者无层的火成岩或深成岩是否被改造以致产生了层状构造的问题仍旧是模糊的。不论哪种方式，都有怎样说明热和压力是如何造成薄层状构造的问题。几年以后，在描述在南美洲所观察到的地质现象时，达尔文(1846)使用了如下术语“劈理”(cleavage)、“叶理”(foliation)、“层理”(stratification)。就劈理一词来说，我的意思是指那些造成岩石……剥裂的分割面。对叶理一词来说，我指的是那种具有不同矿物性质的层或是板(片)，大部分变质的片岩由它们组成。在这类岩石块中，常常也包括变化了的、均质的、可剥裂的层或者薄层，假若是这样的话，岩石既具有叶理、也具有劈理。对层理而言，我说的是那些不同组分的岩石交互出现、相互平行，其本身常常叶理化或易剥裂，如交替出现的所谓的云母板岩层、片麻岩层、光滑黏板岩层和大理岩层。达尔文的“叶理”一词一直到现在还在使用，但是我们用“层理”一词指的是沉积岩分层，而不是片麻岩等岩类由于结晶造成的分层。达尔文和某些同时代的人(如斯克罗普)主张：当岩浆在压力作用下结晶后仍处于运动中时，会生成有叶理的岩石(Scrope，1859，1862)。这样的叶状构造与火成岩相关。但是，根据赫顿原理，人们也可以预料在被火成岩侵入的地区，周围的岩石由于受热而不是由于运动或压力而变质。就英国地质调查所而言，直至19世纪80年代这还是个或多或少足以为凭的变质岩理论。在绘制地图时，勘察者常常在视为火成岩侵入的周围标上代表变质的光环(我们愿这样说)。譬如，在威尔士北部、什罗普郡、莫尔文山都是这样做的。不过，直到19世纪80年代，与变质岩地区制图有关的更为复杂的问题不是重大的问题，对它没有进行过很多的理论讨论。
美国和欧洲大陆的情况不同。丹纳(1843)否认片理是沉积作用的结果，但是他持有这样的思想：海水由于火山作用而被加热，使得花岗岩变质，生成片理，某些花岗岩可能最初就是沉积岩。这样，至少某些花岗岩可能源于变质。在法国，矿业部的首席工程师多布雷(GabrielAuguste Daubree，1814—1896)(Daubree1857，1859，1860)，进行实验，在有水的压力或没有水的压力条件下，给多种物质施加高温、高压，得出的结论是，物质不必完全熔化就可能变质(有新矿物形成)。特别是，他能用实验的方法仿制出叶理、片理的构造。
多布雷对均变论持反对态度。他论证道，在地层柱上，前志留纪(antesilurienne)岩石(是我们所说的前寒武纪)与地层柱上位于高处的岩石根本不同。他认为，有各种迹象显示出它们是在有水的情况下，而且可能是在高温、高压条件下，是在与现今大气截然不同的原始大气条件下形成的。他使用维尔纳的语言“原始大洋”，采取与赫顿对立的立场，他说，不会因为地质过程永无止境地循环进行而使我们这个星球的起源“遗失在无限久远的、过去了的黑夜里”。相反，我们可以回溯与现今大不相同的过去。然而，多布雷确实主张，由于地球收缩，变质岩的叶理表明了形成时的压力(Daubree，1860)。这样，岩石学与19世纪中叶受到拥护的、更为宽泛的地球认识方法相互结合起来。
毫不奇怪，水成论在德国也受到拥护。富克斯(JohannNepomuk vonFuchs，1839)是慕尼黑的矿业教授，他似有道理地主张，如果花岗岩是由于熔融物质冷却而生成的，石英晶体会首先分离出来，那样就不会有石英、长石和云母的完全混合。因此，他提出，片岩、片麻岩、花岗岩和斑岩是从原始水体或糊状体中分离出来的。正如维尔纳曾经设想过的，不是所有的矿物质都在水溶液里。硅质组分呈糊状，晶体从中逐渐形成。由于碳酸的溶解作用，水溶液里有大量的钙质和镁质，后来的沉淀作用使得石灰岩和白云岩岩层得以形成。这样的论证听起来是有道理的。但是，富克斯进一步提出，某些砂岩是由于沉淀作用形成的，而不是其他岩石的机械研磨造成的，这点几乎不可信。然而，他相信原始大气不包含氧，这是现代观点。
比肖夫(GustavBischof，1792一1870)是波恩化学和技术教授。他强调水在矿物质的沉积和变化方面的作用。他对大的花岗岩体是由于熔融岩浆冷却而生成的观点提出质疑，正如他所指出的，大簇晶体通常是在花岗岩岩脉中发现而不是在块状花岗岩中发现，他认为，这与块状花岗岩是由于液态熔融物质缓慢冷却而形成的看法相矛盾，因为如果是这样的话，人们就会期望在最大的花岗岩块里而不是在很小的岩脉中能发现最大的晶体
(Bischof，1854—1855)。科塔(BernhardvonCotta，1809-一1882)是弗赖堡矿业学院的教师。他认为，某些花岗岩可能是“原生的”，是地球最初地壳的残留物，深成作用涉及水(vonCotta，1866)。他设想，对于矿脉和矿体来说，某些是火成的流体喷射结果，某些是由于升华侵位的结果，某些是深部岩浆溶液沉淀的结果。根据压力和温度随深度而发生变化，矿体可能会成带分布。
在讲英语的地质学界中，亨特(Thomas SterryHunt，1826—1892)提出了某些有趣的思想，这些思想便于人们认识19世纪下半叶水成论的发展。亨特是加拿大地质调查所的成员，1872年调到了麻省理工学院(MIT)任教，六年后退休从事咨询工作，他从历史上销声匿迹了(或许并不是真正地被湮没)。但是，正如我们将要看到的(第十二章)，他努力研究提出的某些思想在现代地球化学中正在恢复地位。亨特著作等身，是一位对自己专业的历史有着丰富知识的人，以英国皇家学会会员和剑桥的法学博士这样的荣誉为世人所知。但是，许多地质学家(如有影响的盖基)对亨特的工作评价不高，他们不希望看到水成论复活，而亨特的工作似乎是个信号。
尽管19世纪下半叶化学有了大踏步的前进，但是，根据那些因元素和矿物质的化学性质而必定发生的化学反应，亨特认为，他就可以讲述出似乎合理的、地球最早时期以来的历史，这还言之过早。不过，这就是他力求要做的。从学理角度上看，他的地球“生成”历史所涉及的研究比野外制图者更大胆，但是，与亨特同时代的人(如G·H达尔文或费舍尔)、或者与20世纪地球物理学家[如杰弗里斯(Jeffreys)或古登堡(Gutenberg)]所掌握的物理学比较起来，他在运用化学知识进行研究时，不得不依赖于那些建立在不那么可靠的基础之上的东西(见第十章)。布罗克(Brock，1979)曾经称亨特的工作是化学地质学，而不是地球化学。
在研究加拿大地盾的劳伦系古老岩石时，亨特不得不尽力去解释的事实之一是，在叶理化(变质的)岩石中有诸如石灰岩的沉积岩夹层。不可能采用“史密斯的”化石方法解决那些古老岩石的地层问题，因为在做这项工作时没有可以利用的化石。因此亨特(1858，1867)开始讲述可以称之为化学中的“如此这般”的故事。他想象，在原始地球上，大量的化学物质在炽热的条件下，根据化学亲和力相互发生作用。大气中的气体，如水蒸气、二氧化碳、氯化氢、二氧化硫、氮氧化合物、(或许还有)氧会释放出来，而逐渐冷却的地壳是由矿渣状的硅酸盐类组成。高密度的大气会导致酸性海水在薄地壳的凹地聚集，海水中的盐酸和硫酸与地壳中的硅酸盐相互作用，导致氯化物和硫酸盐在海水中形成，于是氧化硅作为“石英岩”沉淀下来(常常在太古宙或前寒武纪沉积物中发现)。这时大气主要由水蒸气和二氧化碳组成。随着部分原始地壳的出露，会有侵蚀和化学反应发生，硅酸盐就变成了铝硅酸盐或黏土。作为化学沉淀物，灰岩和岩盐沉积形成了。亨特声称，他的理论是水成论和火成论地质学之间的理性折衷物，他认为，花岗岩不像维尔纳所设想的那样是原始岩类或者是一切岩石的底层。
关于重大的变质作用问题，亨特(1858，1859)首次用化学来说明由沉淀作用而形成的这类物质。在考察了阿巴拉契亚山脉之后，他提出“结晶片岩是先前形成的沉积物固结的结果，它部分起因于化学作用、部分起因于机械作用”(Hunt，1871)这样的看法，这一观点完全与维尔纳的相投，但是很可能出自德拉贝奇(1834)。19世纪70年代的英语世界的大部分地质学家对这种观点甚为厌恶。但是，亨特强调，在加拿大的劳伦系能看到巨
大的灰岩建造中明显有片麻岩、石英岩、砾岩夹层，还有氧化铁、金属硫化物以及石墨的大型矿床。在他看来，如果在那习惯上称作为“无生纪”时有原始生命形式出现，才能理解这种矿藏。因此，早在1858年，亨特就预言了在这些非常古老的岩石中可能会发现生命的证据。
在太古宙(或无生代或前寒武纪)的岩石中可能有生命迹象的看法既有趣又激动人心，它激发了人们去进行大量的研究。很快就在1858年，加拿大地质调查所的一位化石采集者在渥太华附近的GrandCalumet灰岩中发现了看来最合适的候选研究对象。该所所长W·洛根(WilliamLogan)接受了将这种物质看成是真正的有机物的意见，并相继在美国科学促进会会上(1859年)和在英国(1862年)向大家展示。洛根在渥太华附近的格伦维尔灰岩发现了更多的材料。麦吉尔的地质学家道森(J．W．Dawson，1820—1899)也被说服了，承认所发现的是太古宙的生命遗迹。被宣称是有机物的那种化石起名叫Eozooncanadense(加拿大始生物)。
加拿大地质调查所对Eozoon的宣布引起了地质学家之间激烈的争论，这场争论一直进行了多年(O'Brien，1970)。在德国，加拿大人得到了支持，特别是得到冯·冈贝尔(vonGurnbel)的支持，他是巴伐利亚地质调查所所长，他本人是新维尔纳学派。他认为他能够从与巴伐利亚片麻岩(早海西)相联系的灰岩中找到Eozoon的证据(vonGurnbel，1866)。从波希米亚也传来了有利于这个观点的报告(Hoffmann，1869)。但是，当那
些看来是Eozoon的东西后来在火成岩中发现时，这一主张最终不光彩地溃败了。
Eozoon论文受到两位爱尔兰作者金(Khag)和罗尼(Rowney，1881)的粗暴批判。我想，这一溃败是亨特后来生涯鲜有成功的重要因素(虽然在加拿大地质调查所他也有某些个人关系不和的问题)。随着Eozoon的倒台，如亨特和冯·冈贝尔所追求的那种对新维尔纳研究纲领的支持也衰落了。相反，如下面所述，由于后来热和压力作用在原来岩石建造而使片岩和片麻岩得以生成的理论得到支持。不过，值得一提的是19世纪晚期新水成论的三个重要方面。第一，他们承认，生命在早期地球形成中肯定起了作用(第十二章将进一步讨论这一话题)；第二，他们的理解是，变质岩不全是热和压力的产物(因此，在某种意义上，我们可以将19世纪的新水成论者视为“混合岩派”的先驱，本章下面要讨论这一问题)；第三，他们想要讲述的是，在地球最早时期发生的化学反应中的那些有趣的“如此这般”的故事。在这点上，他们的努力肯定是过于早了些。但是，20世纪有人接续他们的工作，试图说明在非常早的地球历史时期内所发生的化学反应，这被看作是地质学家(或地球化学家)工作的重要组成部分。
19世纪时，像亨特所做的那样，要在用化学阐明地球历史方面取得成功很困难，也太困难了。毫不奇怪的是，大部分地质学家认为，关注野外地质制图而不是关注这种遐想是谨慎之举。如同多布雷那样采用实验方法研究岩石费用高、耗时间，有时还有危险，因为它涉及高压和高温。然而，偏光显微镜有助于最有成效地进行岩石学的研究，也有助于制图工作和对地球的认识。
岩石的显微镜研究是由苏格兰博物学家尼科耳(WilliamNicol，1768—1815)首创的。尼科耳发明了一种技术，在显微镜下观看薄片中的硅化木的碎屑。他将硅化木标本先研磨出个平面，然后用加拿大树胶将薄片粘到显微镜的载片上，接着把薄片突出的地方磨掉，成为薄膜状—薄到可以透光。标本也可以得到粘在标本上部的薄玻璃盖的保护。
不仅如此，尼科耳(1829)还发明了用方解石晶体产生偏振光的方法，其重要性无法估量。有了这种显微镜的帮助，他能够在化石植物学的研究、在现代的和化石植物种对比方面做出宝贵的贡献。但是，他没有将这项技术扩展到对岩石和矿物的一般性研究上去。19世纪50年代，这项工作由约克郡的索比(HenryClifton Sorby，1826-1908)来完成，虽然在他之前爱丁堡的布赖森(AlexanderBryson)取走了尼科耳的收藏品和仪器并且亲手做了一些岩石和矿物的薄片。
索比去爱丁堡拜访过布赖森，见到他收藏的标本，这激发了他开始在这个领域进行自己的研究。一开始(1851)，索比研究的是含有化石的沉积岩，不过紧接着([1856]1857)他的注意力就转到了变质岩。在云母片岩的石英质处他看到了含水的穴，这表明不论是什么样的变质作用都涉及某种有水参与的过程。当然，这使得倾向于水成论的地质学家感到欣慰，也得到了像多布雷那样的人的实验支持。
但是，其他人发现在没有水参与的情况下仍然存在着压力和(或者)热、过热或其他作用的证据。美国地质学家H·D·罗杰斯(HenryD．Rogers，1858)认为，热以波的形式穿过了地壳，而热力波是在(所设想的)壳下液体的波动作用下而产生的，劈理和叶理正是这种热作用的结果。普鲁士地质调查所的洛森(KarlLossen，18692)提到过“错断变质”，他认为，在压力作用下沉积物会转变成片岩。接着，莱曼(Johannes GeorgLehmann，1851—1925)这位波恩的矿物学和地质学的讲师、萨克森地质调查所的早期成员发表了一篇文章，详尽阐述了靠近萨克森开姆尼茨这个地方的重要变质杂岩。莱曼在岩石显微镜下看到了，在一种叫做麻粒岩的岩石中有晶体受压力作用变形并且重结晶的证据，就像是在压力作用下矿物屈从了，但不必一定是受到热或水的作用。他也看到了由破裂或变形的晶体碎粒组成的基质，其中也有一些看来是原岩的碎块(Lehmann，1884)。但是有某些云母晶体全部都叶理化了。这样看来，岩石曾经被压碎、破裂，并出现一些重结晶，但是，片理与原始层理或沉积作用无关。这就是“动力变质”。
J．G．莱曼的思想很快在英国被伯明翰梅森学院的拉普沃思(CharlesLapworth，1842--1920)所接受。拉普沃思对苏格兰北部大面积片岩的解释是：它是由于侧向压力和“逆冲断层作用”而形成的。片岩被想象成是在侵位时由于压力和运动而形成的，而不是像沉积岩那样总会成层沉积下来或是作为沉积岩沉积下来之后发生了变质(Lapworth，1883--1834)。如同拉普沃思那样的思想也被官方的地质调查所所采纳，这些思想为认识苏格兰西北高地的复杂地质提供了一把钥匙(Oldroyd，1990)。
那么，什么是花岗岩?像在安第斯山脉、在加利福尼亚的约塞米蒂国家公园，在英格兰的达特穆尔高地，在坎布里亚湖区北部这些地区，它们常常呈巨大岩体出露，或组成了格拉斯哥附近的阿兰岛北部的大部分地区。在澳大利亚悉尼西部靠近巴瑟斯特的地方，有个花岗岩体，它就在我家附近。这样的花岗岩体对明了易懂的赫顿理论不成问题。依据这个理论，对它们的形成作出的解释是，大量的岩浆受到向上推的力的作用，进入到地壳。在那里冷却后，它们形成了粗晶质的巨大岩体，称为“岩基”。野外通常发现不了这种侵入岩的底部，但是，如果上部岩石被侵蚀掉，就可以看到它的顶部。现在，有了地球物理方法，可以发现岩基的一般形状。
但是，当人们开始将地球作为冷却着的旋转物体来考虑它的物理学问题时，理论遇到了严重困难。例如，剑桥数学家、物理学家、地质学家霍普金斯(WilliamsHopkins，1793—1866)通过用数学对冷却物体的物理研究、对地球的形状和岁差率的研究，力图说明地壳要比地质学家一般设想的厚得多(Hopkins，1838，1839，1840，1842)。他有个值得认真考虑的论点，假若——如赫顿理论所暗示的那样，如科迪埃明明白白所确认的那样—地球内部有大量的液态物质，有相对很薄的外层地壳，地球就会遭受到来自太阳和月球的巨大潮汐力。其结果是，如普遍所理解的赫顿式的地球生来就不稳定。所以，霍普金斯认为，火山与充斥地球内部空间的大量液态物质之间不可能有像经典赫顿理论所设想的那种直接联系。按照他的观点，根据地球外层地壳观察到的地热梯度外推(如科迪埃所做的那样)而得出地球内部是液体的结论是没有道理的。这种外推没有充分考虑到压力增加的作用。
因此，霍普金斯提出，巨大的结晶岩岩基(我们这样称呼它)的产状表明，它更像是固结了的熔岩湖而不像是侵入体，熔岩湖仍旧是行星原始熔融物质的残留物(Hopkins，1840，1842)。然而，在《地球的面貌》(Faceof theEarth)(1904—1924)一书中，修斯指出，他于1893年在Erzgebirge所观察到的现象表明，那里的花岗岩切过了山脉的走向和褶皱，这说明在围岩形成之后曾经有花岗岩侵入。修斯(1909)也看到过表明“熔融和吸收附近岩石物质”的证据。这又是赫顿理论。
事实上，争论的问题相当复杂，它使我们接触到岩石学理论的核心。19世纪末、20世纪前半叶，花岗岩成因问题在地质学家中引起了重大争论，而且某些方面的争论持续至今。首先，事实是花岗岩常常逐渐变成片麻岩，或者某些花岗岩似乎显出成层和(或者)有叶理的迹象。还有某些露头表明，通过平静的扩散而不是强有力的侵入，花岗岩物质总会弥散到之前已存在的变质岩中。因此，岩石呈层状可能代表了交代构造。依据简单的赫顿理论，不会有明显可见的层状。第二个重大困难在于这一事实：19世纪地质学家觉得，他们自己不论是直接熔融还是借助于水都没能按照组分成功地合成花岗岩(Fouqueand Michel—Levy，1882)，而在其他岩石合成上他们已取得了相当的成功，如玄武岩。
第三个难点可以称之为“空间问题”。似乎有时可能不用担心这个问题。譬如，阿伦岛的地质图表明，岛的北部大部分环绕花岗岩体的片岩在从高地被侵蚀掉之前曾经呈穹隆状隆起。但是在其他地方(譬如，在靠近新南威尔士的巴瑟斯特)，没有与之相当的穹隆状隆起。所以，在这种情况下，单是从几何角度考虑，人们就会怀疑熔融岩浆只不过是从下面侵入上来的、同时推开周围岩石的那种看法。那么，这表明不论花岗岩化的物质是什么，它都设法将围岩转变成花岗岩。根据这个观点，花岗岩事实上可能就是一种变质岩，它的形成过程叫做“花岗岩化”(Sederhoim，1923)。
上面我提到了压力变质思想。在大面积情况下，如果新岩石是在既有热又有压力的作用下形成的，这个过程通常称为“区域变质”，这个词是由多布雷(1860)引入的。19世纪的地质学家很难同意这种岩石的起源。几位法国地质学家，特别是法国地质调查所成员、博蒙的门徒米歇尔一莱维(AugusteMichel—Levy，1844-1911)争辩说，若在压力下有热水参与的话，在花岗岩边缘有时可见到片理和片麻构造，这是岩浆和围岩之间发生化学作用造成的(Michel—Levy，1893一1894)。法国其他一些地质学家也持这种观点，例如拉克鲁瓦(AlfredLacroix，1863-1948)和巴黎矿业学院的教授泰尔米耶(PierreTermier，1859)在某种程度上也持这种观点。然而，非常像这个世纪早些时候的斯克罗普，德国地质学家如罗森布施[HarryRosenbusch，1836—1914]论证说，变质构造(叶理)是由于在不断冷却的侵入岩浆边缘所发生的运动(动力变质作用)造成的(Rosenbusch，1896)。
泰尔米耶的思想要比米歇尔一莱维的更“极端”。P·泰尔米耶(1904)拒绝用动力变质的概念来说明像在阿尔卑斯山脉那样地区的普遍变质。他设想，变质过程与油滴扩散相似，这就是他所谓的油滴(tached'huile)机制说。他认为炽热、流动的岩浆渗透到围岩中并使其转变，直到全部变质为止，或许会变成花岗岩本身。这样，看上去花岗岩的确像是由于液态岩浆在深部缓慢冷却而生成的，即使岩浆的起源大相径庭。有了这种观点，经典赫顿学说要面对的就不是(有争议的)空间问题了。
这样的思想得到了来自北方的斯堪的纳维亚的地质学家所做工作的极为有效支持，如芬兰地质调查所的塞德霍姆(JakobJohanesSederholm，1863一1934)。这里我们可以注意到，区域观察似乎要比最初的专业训练更重要。因为尽管塞德霍姆在德国受教于罗森布什，但是他在变质作用的问题上没有采用他老师的观点。沿着芬兰海湾的一些海岸地方，”以及“波罗的海地盾”的其他一些地方，可以看到令人感到惊奇的岩石表面，它
们被以前的冰川刮得千干净净，还受到海水作用的侵蚀。岩石看上去好像曾经发生褶皱、受到挤压和拍打，就像是厨师在做油酥薄饼那样。你也许可以说，这种岩石看上去像是有花岗岩物质渗透过的片岩。但是，如果是这种情况，岩浆必定极具流动性。确实如此，这里的岩石看上去像是有花岗岩物质如同水湿透了书页一样地渗进来。岩石的构造可能由于褶皱变得更复杂，如图9．2中的例子所表明的那样。
塞德霍姆在考察斯堪的纳维亚前寒武纪岩石的过程中对这类岩石进行了多年的艰辛研究。他称它们是“混合岩”，该名出自希腊migma一词，意思是“混合物”(Sederholm，1907)，他还引入了“肠状褶皱”一词，意思是“流动状褶皱”(Sederholm，1907)。“混合岩”的名字恰如其分地表明了这种岩石成分不一的特征。不过，在1907年写的那篇早期论文中，塞德霍姆倾向于把混合岩的形成看成是多少有些按照赫顿循环方式进行的过程，由于花岗岩质岩浆的渗透作用使得围岩发生改变。晚年时他讲到向其他岩石渗透的花岗岩质“浆液”或“岩汁”，它表现出“在水溶液到冲得非常薄的岩浆之间逐渐变化，最后是包括了大量气态水的岩浆”(Sederholm，1926)的性状。
至此，由于许多混合岩在特征和组成上与花岗岩接近，把花岗岩看成是某种变质岩已经为时不远了。在这样的情况下，我们头脑中的花岗岩的概念与赫顿派将花岗岩看作是大量液态岩浆缓慢冷却后的产物这一最初概念相差甚远。可以非常容易地辨别出波罗的海地盾上的岩石从片岩过渡到片麻岩再到花岗岩，由于这个原因，似乎必定要有某种理论上的变化。在许多情况下，可以见到初始片岩所具有的飘忽不定的构造，即使岩石部分地转变成花岗岩。
图9．2赫尔辛基东南30公里Soderskar岛上的混合岩
图9-3混合岩化所经历的变化的例子
正如现代教科书(如Holmes，1965)所指出的，通过研究处于不同过渡阶段的岩石，人们可以设想出由于混合岩化而造成的整个变质系列，尽管初始矿物很不相同，但在各种不同情况下，最后的产物都是花岗岩，这是值得注意的。图9．3举了些例子。如果人们想到的变化因素不仅仅是熔融岩浆，而是与含矿溶液中的水或者以气态形式存在的水相关的岩浆，这种成系列的变化是可以理解的。当沉积物最初被掩埋，在地槽深部的高温高压作用下，驱逐掉了其他更具挥发性和流动性的物质，这时从沉积物中就可能得到液态物质。像水渗透到书页里一样，液态物质的渗透或浸渍就变得容易理解了。它产生了一种交代作用。塞德霍姆的本质思想是：在混合岩化的过程中会注入某些物质。但是，这一思想受到他的斯堪的纳维亚的同事、瑞典地质学家霍姆奎斯特(P．J．Holmquist，1916)的挑战。霍姆奎斯特认为，带状构造可能要归因于化学变质的分异—可以说是
“内部分泌”，这是在极高的温度、压力条件下造成的分异，在那种情况下不是全部、而是部分岩石熔化了，并且整体发生变形。虽然这种思想与塞德霍姆所愿意考虑的思想相比不那么合理，但是，回想一下，那些推测是在高温高压的深部条件下正在发生的过程，人们不会料到，在那里能遇到含水的矿化蒸气。
大量的有关混合岩的后继工作已经完成。瑞士地质学家韦格曼(C．EWegmann，1935)对混合岩化的思想如此喜爱以至于将它延伸到本质上均质的深成岩的建造上：它们是混合岩，因为它们是“当地的”和“外来的”岩石有时通过熔融，有时也通过溶液的作用结合在一起而形成的。这些说的都挺好，可是仍旧没有回答(至少说)花岗岩是不是简单地由大量岩浆冷却而生成的问题。混合岩的研究表明，花岗岩可能是通过改变先前存在的固体岩石而形成的。但是，所有的花岗岩都真的是这样形成的吗?可能有类型繁多的花岗岩吗?对于赫顿的旧思想—大量流体状岩浆从深部用力上拱，然后冷却以至生成花岗岩岩基—是否应该仍旧保留一席之地?
是岩浆还是混合岩浆在花岗岩和片麻岩的形成中占首要位置的问题，成为20世纪中叶地质学最有争议的话题之一。新的争论者们愿意采纳岩浆学派和混合岩派的诨号。在岩浆派中，或许鲍温(NormanBowen)是带头人，下面会对他的一些思想做一个概述。在英语世界中混合岩派的重要人物是里德（Harold HerbertRead，1889—1971)，他是伦敦帝国学院的教授。这场争论在岩石学家之间吵闹了30多年。在某种意义上，这是19世纪水成论和火成论之间的旧争论的重演。肯定地说，争论者喜欢这样看待这场争论，如同图9．4所清楚表明的那样，该图是里德的《花岗岩争论》(GraniteControversy，1957)的卷首插图。但是，要评价这场争论，我们必须再回到19世纪。
我们曾经认为对赫顿式的岩浆冷却、结晶的争论已经解决了，毫不成问题了。事实上，赫顿的岩浆过程即使没有引发混合岩化的思想，也决不是简单的或无争议的。因为从基性辉长岩一直到酸性花岗岩有许多不同种类的粗粒火成岩。为什么会是这样的呢?是否或许只有一种岩浆，随着冷却和结晶它会因某些未知原因自我分异?或者有两种或更多种的地下岩浆，按各种比例混合生成了不同的火成岩体?
图9．4里德的《花岗岩争论》中的卡通画，将岩浆学派—混合岩学派的争论与火成论水成论的争论作了比较(Read，1957）（Neptunus水成论；Vulcanus火成论；Pluto Plutuque深成岩；Per Migma ad Magma混合岩浆和岩浆；HicAcademicus淹没在混乱理论的海洋中；The Rocks Display’d岩石形成理论示意图
达尔文(1844)有这样一种想法，单一类型的岩浆在引力作用下可能会自我分异，因为设想某些晶体会先从熔融体中形成，在自身重量的作用下下落。残余液体会排到其他的裂隙或洞穴中，因此会有不同于第一批晶体的组分。丹纳(1849)在思考了与美国探险考察队一起工作时(1838—1842)观察到的太平洋岛屿上的火山岩后，他提出，岩浆可能在结晶之前就开始分异了—这个过程就叫做“熔离作用”。
化学家本生(RobertBunsen，1811—1899)(本生灯的发明者)于1851和1853年提出了基本上有两种地下岩浆的思想。1845年他考察了冰岛，收集了很多岩石样品带回德国分析。发现有两种主要的岩石类型，他称之为“粗面岩类”(富含二氧化硅)和“辉岩类”(二氧化硅含量低)。作为化学家，或许本生不太关注在对分析结果的解释中所涉及的地质问题。他仅仅假设了，在冰岛底下有两个大的岩浆室，他发现的各种岩石都是由这两种岩浆按不同方式混合而生成的。
另一思想是由冯-瓦尔特斯豪森(W．Sartorius vonWaltershausen，1809—1876)提出的(1853)。他从事对西西里和冰岛的火山岩的研究。他设想，地下岩浆按照不断增加的密度呈带状分布，喷发岩来自不同地质时代的不同带，越古老的、含硅质越多的、越轻的岩石越靠近地表。当地壳还不像后来那样厚时(由于地球冷却，更多的基性岩结晶出来)，这类岩石喷出来了。这个学说可以说符合水成论长期以来所持的信念：组分与地质年代有关。然而，从所谈的这个例子来说，这个理论具有火成论特征，而不具有水成论的特征。
因此，在19世纪中叶，实际上有三种竞争的火成论：区域分异，如达尔文和丹纳所设想的；本生的“合成说”；存在有原始或最初的分异岩浆，如冯·瓦尔特斯豪森所提出的学说。迪罗谢(JosephDurocher，1817一1860)作了将这些理论综合在一起的尝试，他提出，可能有两种岩浆，但是如冯·瓦尔特斯豪森理论所说的那样是按“带”排列的。然而，这两个带一直是变动着的，这样在岩石类型和年代上没有特定的关系。从金属合金冷却时所观察到的现象类推，迪罗谢支持岩浆的熔离作用思想。他还有以下的思想：金属矿脉的形成可能是两类物质升华的结果，这两类物质是金属性的物质和硫磺类。这几乎是将地球的思想又带回到亚里士多德理论中。
在一部有影响的著作中，李希霍芬(1868)将注意力集中在火山喷发岩上而不是深成岩上。以在匈牙利境内的喀尔巴阡山和美国的内华达山脉(SierraNevada)所观察到的露头为基础，他提出了三叠纪岩石喷出顺序一般依赖于岩浆先已存在的垂直顺序，即绿磐岩、安山岩、粗面岩、流纹岩、玄武岩。他的思想是这样的：早期喷发岩一定是富含硅质的岩石，但是到了三叠纪，硅质岩浆大量损耗掉，这样，第三纪大面积火山喷出的主要是玄武岩(譬如，在爱尔兰形成了著名的巨人堤道，在捷克共和国也有类似的岩石)。流纹岩的量次之，它总是在继发性过程中生成。
随着19世纪的进步发展，部分通过化学分析、部分通过显微镜下的薄片研究，确定下来的不同类型的火成岩数量以惊人的速度增长，这样早在19世纪末之前，似乎不可能再持有那种特定的岩浆与由某种化学组分组成的岩石相对应的思想，特殊类型的火成岩专属某个地质时代的看法似乎更不合理。罗森布施采取化学的方法来解决问题。他(1890)认为，根据熔融体中元素的化学亲和力，岩浆在反应时发生了分异。我们这里不关注它的详细情况，不过这里要提到的是，罗森布施认为，五种基本的岩浆类型可能是由于岩浆中的化学反应而生成的，它们是流霞正长岩、花岗岩、花岗闪长岩、辉长岩、橄榄岩的岩浆。这些基本岩浆类型有五种基本的化学分子或“核”，推测它们仍然能够溶解不同的氧化物或金属，生成不同种类的喷出岩。最初的分异能在深部生成不同的岩浆，而再次分异会在地表形成不同的岩石。
但还有另一种观点是由斯德哥尔摩大学的地质学和矿物学教授布勒格(WaldemarBrogger，1851--1940)表述的。在一本长达663页的研究报告中，布勒格（1890）描述了奥斯陆地区的喷出岩(许多岩石只在这里才有)，它们在外貌上呈融合在一起的连续系列。因此，似乎在奥斯陆地区曾有过共同的岩浆室，而不是地球内部那个遍及各处的岩浆层。为了试图对所观察到的现象给予说明，布勒格启用了被称之为“梭列原则”的定律。假设将盐溶液的两部分置于不同的温度下，则由于渗透作用，溶剂会从较冷较为稀薄的部分趋往较热较浓的部分。然后，如果将它们全部冻结的话，人们会发现系统中原来较冷部分的盐的浓度会增加。布勒格设想，他所研究的挪威某些复杂岩套就有类似的情况发生。岩浆室的不同部位温度自然不同，较冷区域靠近边缘，这样可以应用梭列原则。
可以看到，到了19世纪末，虽然人们广泛接受火成论或深成作用的一般原则，但是要发现一套用来说明在火成岩(不论它是侵入岩还是喷出岩)生成时地球内部状况的协调一致的原则还存在很大困难。除了化学和物理上的问题之外，还有基本的几何上的问题：岩浆侵位的空间从何而来?如上所述，似乎不是所有的深成岩(主要是深部形成的花岗岩体)都会显现出上覆岩层呈穹状突起的，如同根据旧式的赫顿理论可能会预料到的那种穹状突起。哈佛大学的加拿大地质学家戴利(ReginakdA Daly，1871—1957)对这个问题给予了特别关注。
在那本名著《火成岩及其成因》(Igneous Rocks andTheirOrigin)中，戴利(1914)回忆了，1893年他还是哈佛的学生时，他是怎样被派到佛蒙特地区绘制那里的地质图的。这个地区有一系列的火成侵入体，戴利自己感到很难解释他在野外所观察到的现象。终于在1902年，他提出了这样的思想：部分地壳可能向下坍塌，融入到下面的熔融物质中，这使得岩浆向上涌起。他称这个过程为“岩浆顶蚀作用”。这个模型合理有效地解决了“空间问题”(Daly，1903)。戴利也设想了，岩浆中不同的液态成分根据其不同的密度可能会有某种分离(“熔离作用”)。在分离结晶的过程中可能有进一步的分异：某些晶体比其他晶体要早形成，在重力作用下下落，这样就改变了熔融体上部的组分。本质上这就是以前达尔文(1844)提出的思想。戴利的建议是，基性(铁镁质)晶体趋向于先生成，然后沉到岩浆室内，这样岩基或岩株上部相对来说具有酸性的特点，也就是说呈现出花岗岩的特性。总的思想如图9．5所示。
这是对罗森布施(1882)经验总结的解释：火成岩结晶的顺序是：(1)铁矿和诸如锆石和榍石等副矿物；(2)铁镁硅酸盐(橄榄石、辉石、闪石、云母等等)；(3)长石；(4)二氧化硅。这样戴利设想“原始的”岩浆具有基性或玄武岩质的特点，先结晶的基性矿物(如普通辉石和橄榄石)在重力作用下下沉，造成基性矿物减少而使花岗岩在岩基中生成。然而，对于如岩墙这样小的侵入体以及许多相对薄的熔岩流来说没有分异过程，结果这种构造常常由基性物质组成，生成了玄武岩。
图9．5戴利(1914)绘制的岩基里的物质分异S=硅铝；F=铁镁
在冷却过程中岩浆可能会分离为不同的组分，这一思想在原则上容易引导人们按照物理和化学的基本原理进行实验室以及野外的研究。19世纪晚期和20世纪早期许多研究者从事这类工作，这样的研究持续到现在。华盛顿的卡内基研究所地球物理实验室于1906年建立，他们设计出仪器以对岩石熔融体进行高温高压条件下的研究，这样，岩石的实验研究才开始有了真正的进步。正如我们所看到的，19世纪的化学分析方法、用薄片研究岩石的方法、野外制图都没有真正解决火成岩和变质岩的岩石学问题。人们所得到的一切就是过多的相互冲突的理论。华盛顿研发出新的“高技术”方法使得有重大意义的进步成为可能。理论研究仍在继续进行，不过可能要在实验测试的控制之下。
卡内基早期的权威人物是美籍加拿大人鲍温(Norman LBowen，1887—1956),，他多年来研究的是，在实验室的条件下在岩浆冷却和结晶中可能出现的过程。他将各种矿物的混合物都熔在一起，对那些随着冷却和结晶作用而形成的产物进行审慎的研究。其中采用的一项技术是，使混合物快速淬火，然后在显微镜下研究所形成的晶体以确定它的成分。用这种方法，人们就会知道在结晶前以及在冷却的条件下全部或部分结晶之后的熔融体中物质的比例。
熔融体中溶解有“杂质”时熔点就会降低，这是物理化学中常常提到的话。假设有人研究有两种物质成分(譬如说，组分为A和B)的熔融体，在组分排列中，人们可以认为在其一端A作为B中的杂质，在另一端B作为A中的杂质。由于有另一种物质存在于熔融体中，因此，这种物质的熔点会降低，杂质越多，熔点越低。可以用图解说明这种情况(见图9．6)，可以看到图中的一点(E)，它是最低熔点处。在这个最低熔点处的混合物组分称为“共结组分”。因此如果A和B的熔融体缓慢冷却，根据哪种物质一开始就是过量的，人们可以预计是A还是B会首先结晶出来。就这样慢慢改变了熔融体的组成直到达到共结点。然后液体作为共结混合物整体固结。这种特殊的混合物实际上就像是单一的物质。这里所叙述的思想在原则上可以应用到三种或更多组分的混合物中去，当然，图解要复杂得多。
图9．6两种组分混合物的熔点变化，对共结组分思想的阐述
至此，鲍温在一系列的论文中(但是最重要的是发表在1922年的那篇)以及《火成岩演化》(Evolutionof the IgneousRocks([1928-1956)一书中提出了本质上不同于分离结晶作用的模式(如戴利所阐述的)。他也反对那种认为梭列原则能够完全说明所看到的火成岩体特征的意见。在一个如图9．6所示的简单共结体系中，每次都有一种晶体从熔融体中分离，可以说会是这样的。但是鲍温设想，在结晶过程中早已形成的晶体与仍处在液态状的熔融体物质之间可能会有反应。例如，冷却着的长石熔融体中正在发生反应，这样结晶出的长石晶体在组分上有一个连续的系列，这些物质形成了一种“固溶体”。
鲍温也设想了这样一种情况，(譬如说)玄武岩浆析出了晶体，然后这些晶体与剩余熔融体相互反应，但是整体效果(若承认最先生成的晶体与剩余熔融体会发生反应的话)会是晶体从岩浆中有秩序地析出。这就是后来众所周知的“鲍温反应系列”。它得到了卡内基实验室实验结果的支持，因为在熔融体冷却的不同阶段可以淬火，并对结果加以分析。这样，在地质学家对地壳中的岩浆结晶过程进行思考时，就有了有价值的辅助实验手段。(但这样或许会将更为基本的问题，即热的来源、因此还有地壳中岩浆起源的问题撂置一旁。)
除了进行实验和理论上的研究外，鲍温有关“反应系列”的论点还得到了野外证据的支持，如英国岩石学家哈克(AlfredHarker，1909)早期发表的著作就给予了支持。该书指出，在靠近洛蒙德湖一个叫做Garabal山的地方，某些矿物在不同层位可能出现也可能不出现。正如根据共结混合物原理可能预料到的，它们是按着某种顺序出现的。但是它们也会按着某种顺序消失，这是依据共结原理所不能料到的。正如鲍温([1928]
1956)所指出的，在共结体系中从不会有矿物消失。一种又一种矿物加入到先形成的矿物中，直到所有的剩余物质都出现在最后的共结产物中。不过，鲍温在实际研究中(即根据哈克的野外证据)所发现的是，在结晶过程中连续生成的矿物成规则系列。这样，我们就有了他的著名“反应系列”(见图9．7)。
图9．7鲍温的“反应系列”示意图(Bowen，1922)
那么，怎样将鲍温理论应用到花岗岩岩基问题上来呢?他的思想与戴利的思想不无相似。像戴利一样，首先他相信，实质上只有一种岩浆：玄武岩浆或暗色基性岩浆。如果在地壳下有大量的这种岩浆冷却，暗色的基性铁镁质矿物会首先形成，并由于重力下沉而不见了(好比这样说)，虽然它们会在这个过程中与熔融体反应，形成了上面谈到的完整的“反应系列”。这样，如戴利理论中所阐述的那样，花岗岩岩基代表了由于大量的岩浆冷却而形成的上部较轻的酸性残留物质。暗色的基性物质在首先生成之后在重力作用下下落到了地球深处，人们看不到它们，也想不到它们(Bowen，1948)。对于“空间问题”，这个理所当然地使里德和其他混合岩派感到困惑的问题，鲍温只是简单地论述道，他们对于这个问题的解决并不比他的好：在化学作用下物质向上推进后所占据的空间同机械力推进占据的一样。
这样，“花岗岩争论”争吵了多年，是在板块构造理论(见第十一章)出现之前的岁月里地质学家之间最重要的争论之一。争论过如“顶蚀作用”问题，当然还有长期存在的变质岩类(如片麻岩)的成因等问题。在对野外证据的解释以及抽象理论方面充满了唇枪舌剑的争论。争论的双方所做的贡献依旧站得住脚。鲍温的“反应系列”的概念仍是正统岩石学理论的一部分，混合岩化思想用以说明像塞德霍姆在波罗的海地区研究的那些现象，也为人们所接受，至少它适合于说明某些岩石的形成。
另一方面，地质学家现今普遍看中花岗岩岩基起源的岩浆说。他们觉得鲍温和宾夕法尼亚州立大学的塔特尔(O．F．Tuttle)的工作具有特别强的说服力(Tuttleand Bowen，1958)。这些研究者对含有不同比例水的人造熔融体以及天然产出的岩石物质(包括花岗岩)进行实验，他们能获得两者之间的对应关系。这就是：与普通花岗岩或流纹岩的组分相对应的、仅含少量水的人造系统似乎有最低熔点。他们下了结论：花岗岩可能是在有水参与的情况下，由硅酸盐熔融体冷却形成的。就我们目前的讨论来说，用另一种方式看，19世纪研究者没能取得成果的方面，塔特尔和鲍温成功了：从冷却着的液体中制成了“人造花岗岩”。按照他们的观点，不是在岩浆温度下生成的花岗岩是罕见的。他们假设，在沉积物被搬运到地槽深处并埋在那里时就发生了熔融。
然而，值得注意的是，塔特尔和鲍温(1958)主张，可能与含水的花岗岩液体处于平衡的蒸气，实际上会从系统的液态部分带走氧化硅和长石物质，并把它们输送到有压力的较冷地方，有时钙、镁、铁和磷的氧化物以浓度更大的形式留下来。在一次实验中，蒸气显然几乎把所有的长石和石英都带走了，只剩下石榴石、辉石、磷灰石这些更为基性的残留物。这样看来，可能有化学、物理过程使得熔融体内形成了基性带。这为岩浆分异问题提供了一个解决办法，这个问题曾经备受19世纪研究者关注，同时，是有一种还是有多于一种的原生岩浆的问题也曾经困扰过他们。
我认为，混合岩派、花岗岩派争论的问题在某种意义上是由19世纪的一些概念引发出来的：是赖尔的地壳“升升降降”运动的理论以及旧的“火与水”的理论引发出来的，而不是侧向力的思想、板块构造运动或活动论引发出来的。然而，随着板块构造理论的确立，这些旧有的争端包括在新的更为博大、更为恢弘的理论中(第十一章对此要做一番研究)。也就是用新的宏大理论来说明，相对密度低的、富含氧化硅的沉积物向下进入到密度大的地球内部的运动。当熔融时，这样的沉积物就会上升，因冷却而形成巨大的花岗岩岩基。但是，这并不意味着花岗岩的问题被解决了。相反，当前在思考地球问题时它仍是地质学家争论的根源。有关花岗岩侵位的一个理论引起大家关注并得到支持，这就是“底辟说”，对这个问题我要说几句。可以按照前一段中的评论来思考这个概念。显然，不是所有的岩石都具有相同的密度，尽管在我们看来它们呈固体状，但是它们具有自己的(高)粘度，在热和压力作用下可以流动。总体看，与其他岩石相比花岗岩不那么致密，这样，人们可以想象到花岗岩浆的“团块”缓慢地从地壳中升起，十分像可能会升到蜂蜜罐表面的气泡。
倒回到1945年，明尼苏达大学的F·格劳特(FrankGrout，1880—1958)想将这种过程模型化，他把飞机或汽缸中的油这种常备物质作为岩浆相似物，又软又湿的黏土或者玉米浆汁作为地壳围岩的相似物(Grout，1945)。他能看到一滴油形成了圆包，然后穿过黏土，像气球那样升起。他的某些实验结果如图9．8所示。这些泡状物叫做“盐丘”(希腊语diapeirein=穿过)，这个过程叫做底辟。这是与岩盐矿床相关的十分确定的现象，正如根据底辟理论所预料到的，大量低密度岩盐似乎会上升穿过地壳。
A和B室温条件下玉米浆汁中的汽油；C冷浆汁中的冷油；D较温浆汁中的冷油；E冷浆汁中的温油；F浆汁中的水，留下了稀释浆汁的尾巴；G尾随着像F中那样的早期液滴运动的水；H在水中或者薄浆汁中的大空气泡；K小空气泡
图9．8F-格劳特实验模拟花岗岩岩浆的侵位(Grout，1945)
地质学家作了大量的努力来绘制花岗岩露头地区的地图，以确定地图上呈现出的岩体形态是否与根据某些建模者(诸如格劳特)的工作所预测的形态一致。这样做，取得了某些成功，但是很有限。约翰一霍普金斯大学的马什(BruceMarsh，1982)从理论上使底辟概念模型化。他认为，单单是底辟作用几乎不足以说明花岗岩岩浆的上升，虽然他同情底辟模式。为了从深部上升到足够高而又不失去上升的势头(可以这样说)，即在冷却之前以及粘度太大不能运动之前，似乎需要某种易行的通道，根据马什的意见，断层可以提供所要求的通道。多尼戈尔的某些花岗岩在花岗岩争论中成为特别有意义的焦点。里德(Pitcherand Read，1960)将它们看作是支持顶蚀作用的证据。然而，都柏林三一学院的D·赫顿(DonnyHutton)提出，花岗岩实际可能是底辟，显现出“不顾围岩而使劲挤”的样子(Hutton，1977)。这样，如同在地质学的历史上经常发生的情况，野外证据表现得不明确，而且还被地质学家所赞同的理论以及他们所进行的争论不断地加以调整。这里，我不可能为各种花岗岩起源思想得出个满意的结论：这是个正在展开的长篇故事，地质学家仍旧有大量的问题要思考。
