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《普通地質學(上)(下)》內容試閱

0緒論(摘錄)

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0.1 地質學的定義與範疇

在浩瀚宇宙的億萬星球中,地球是人類至今所知唯一有生物的奇特星球,也是我們人類賴以生存的地方。地質學的英文geology 源自希臘文;geo- 代表earth 地球,-logy 代表science 科學。所以簡單而言,地質學等於地球科學earth science。

然而由於地球科學研究內涵包羅萬象,包括大氣、海洋、岩石等各層圈,且研究領域也日趨分工,故目前地質學一般指狹義的地球科學geoscience,是一門研究地球的起源、物質(material)、結構(structure)、地質作用(geological process)與演變歷史(history)的科學。時間上,探索距今約46億年前地球形成以來的演變過程。個別研究的時間尺度,可以很長,也可以很短;空間尺度可小自原子,大至整個地球,甚至外星球。除了極短暫的歷史有文字記載外,「地球歷史」幾乎全部記錄在「無字天書」──岩石裡,所以地質學可說就是解讀地球這部岩石書的科學。

進一步而言,地質學不只研究可觸及的實體物質,包括組成地球的礦物、岩石、土壤、有機物等,也研究非實體、與能量有關、使地球物質移動或發生變化的營力與過程,也就是「地質作用」。值得指出的是,雖然地質學主要以固體地球──岩石圈──為研究對象,但也涉及水圈、大氣圈、生物圈和岩石圈以下更深、更熱的部位,甚至其他行星和衛星(如火星和月球)。生命的起源與演化,以及人類生存與發展所需的資源也是地質學研究的範疇。

地質學的內涵一般可分兩大部分:一為自然地質學(physical geology;或稱物理地質學),另一為歷史地質學(historical geology)。自然地質學以研究現今或近代的地質作用與現象為主,通常再劃分若干領域,包括:與地球化學成分相關的研究,如礦物學、岩石學、地球化學、生物地球化學;與地球物理性質相關的研究,如地球物理學、地震學;與岩體構造相關的研究,如構造地質學;與能源及資源相關的研究,如石油地質學、礦床學、水文地質學;與地質環境及土木工程相關的研究,如物理地質學、工程地質學。歷史地質學以研究時間上的關係為主,研究地球的發生、生物的演化過程和海陸演變歷史,如古生物學、地層學、古氣候學、地史學。由於涵蓋範圍廣泛,如今「普通地質學」(general geology)一科的內涵主要為自然地質學方面,包括介紹地質學的發展與演變、地球的基本知識、內營力作用(internal process)與外營力作用(external process),也包括資源、環境與減災等方面,反映地質學適應經濟與社會發展的需要。

0.2 地質學史大略

地質學於十八世紀開始成為一門獨立的科學,並於十九世紀早期達到成熟階段。在此之前,地質學的知識,如尋找與開採金屬、黏土、煤和鹽等資源的知識,早已零星分散於一些古文明的礦工和有關土地利用的人們。自然學家對山川的形成與演變也有「滄海桑田」的觀察與思辨。

1790 ∼ 1830年這一段時期被稱為「地質學的英雄時代」。在這個時期,地質學家在工作方法上有一大進步,也就是做了大量考察岩層所含礦物和化石的工作,然後根據化石內容來進行岩層分類以及排列岩層先後順序。

此後,地質學史上先後有三個著名的爭論。其一為十八世紀末的水成論與火成論之爭。爭論的焦點在於岩石的形成理論,一方以德國科學家維爾納(Abraham G. Werner)為代表,強調水在岩石形成過程裡的作用;另一方以蘇格蘭科學家赫頓(James Hutton)為代表,強調火的作用。現今已經知道,岩石主要有三大類,除了水成為主的沉積岩和火成為主的岩漿岩,還存在一類變質岩。水成過程和火成過程在岩石的形成中都扮演了重要角色。

其次為十九世紀早期的災變論(catastrophism)與漸變論(gradualism)之爭。災變論主要由古生物學創始人法國科學家居維葉(Georges Cuvier)提出。持災變論觀點的學者認為,地球歷史上曾發生過多次大災難,導致了舊物種的滅絕和新物種的創造。漸變論的基礎由被稱為現代地質學之父的赫頓於其《地球的理論》(Theory of the Earth)一書奠立,繼由萊爾(Charles Lyell)於其《地質學原理》(Principles of Geology)一書中加以衍生與普及。此漸變論觀點進一步演變成現今所稱的均變論(uniformitarianism),又稱「古今一致原理」,主張過去地球所發生的地質作用和現在正進行的地質作用方式相同,簡言之就是:「鑑今而知古」。持漸變論觀點的學者認為,物種演化的動力來自於地球歷史中微弱地質作用的長期累積,不依靠大型的災難也能夠發生。

第三個爭論是固定論(fixism)與活動論(mobilism)之爭。固定論學者認為地殼的位置是永遠不變的,其運動方式以垂直運動為主。傳統的地槽(geosyncline)-地臺(plateform)學說就是一種固定論學說。活動論學者認為地殼的運動是以水平運動為主,垂直運動雖然存在,卻是水平運動過程中衍生出來的;例如兩地塊水平張裂或擠壓,可造成地殼向上隆起或向下凹曲。活動論隨著板塊構造學說(plate tectonics)的發展,已普遍被學者認同;但依地殼均衡的原理,長久的侵蝕或堆積作用也確實會導致地殼的垂直運動。

地球何時以及經由何種過程而形成?大陸是否會移動以及如何移動?山脈如何形成、會長高或變矮嗎?地震、火山、洪水氾濫、山崩為何會發生?氣候與生物如何隨時間改變?何處可挖得金屬礦?何處可鑽得石油?海水面會大幅度升降嗎?地質學家曾致力於探討諸如此類的重要問題。但從十八世紀末建立地質學科直到二十世紀中葉,地質學家視這些問題各自獨立,沒有進一步思考它們彼此間的關聯。直到1960 年代開始,隨著科技突飛猛進,對廣大海底的地形、古地磁、地熱流、地震與岩石年代等探測資料迅速累積,才出現了「板塊構造學說」,以及隨之而來的「地球系統」這兩種整體概念。人類終於體認到地球物質在地殼表面與內部的岩石、海洋與大氣間,以及生物與非生物間,不斷互動與循環;地球上生物的歷史與自然環境的歷史緊緊相扣。

0.3 地質學的研究方法

地質學的研究需利用數學以及自然科學如物理學和化學的理論與方法。不過地質學的研究也有其特點,也就是它基本上是「地球自然歷史」的科學。探討的時間可從極長至極短,老至地球甚至宇宙的生成,短至以秒計的活動;探討的空間可從極大至極小,廣至整個宇宙,小至原子尺寸。地球本身就是極大、極久且複雜的「自然實驗室」,與人造的室內實驗室或野外試驗場的差異,主要是「空間大小」和「時間長短」尺度的不同,以及隨之而來的物理、化學、生物環境改變的複雜程度不同。

很多複雜的地質問題可以在實驗室得到類似的模式,但無法在實驗室中完全複製。所以地質學的研究常自野外觀察地球自然現象著手,須具備敏銳的觀察力與好奇心,實地觀察地球的現況。找尋地球如何持續演變至今的證據,探勘有用的珍貴資源,避免水與土壤受汙染,預測可能造成災害的大自然作用與變化。因此地質學者常至野外實地觀察地形地貌、岩層露頭並取樣。在工作過程中,有很多機會欣賞大自然多樣的景色、探索地球的奧祕與體驗各地的風土民情。

另一方面,地質學者在實驗室內使用光學顯微鏡鑑定礦物種類與排列;用精密的X光儀與電子顯微鏡等觀察礦物的原子結構;使用質譜儀量測岩石與水的成分與年齡;使用超級電腦模擬地震波的路徑與地球構造。可以說,地質學者能充分發揮想像力,卻也需要找尋支持的證據,避免流於空談與臆測。對觀察到的現象要加以整理與歸納,試著提出合理解釋,並進一步在野外或室內驗證。既要有明察秋毫、一葉知秋的觀察、歸納與邏輯推理能力,也要避免落入只憑空想像、以偏概全的陷阱。因此地質學是一門極富挑戰性的學科。

0.4 為什麼要研究地質學

許多地質學者從事與地質能源(煤、石油、天然氣、地熱)、金屬與非金屬礦產、水資源、工程地質,以及環境相關的職業,另外較少數在大學、政府地質調查所和實驗室從事地質學術研究工作。近年來,地質學者在全球氣候變遷的研究上也做了顯著的貢獻。閱讀此書的學生不論是否會成為專業的地質工作者,可能難免都會問:「為什麼要研究地質學?」

首先,地質學也許是你可以學習與從事的最實用科目之一。在認真回答以下幾個問題時,你就可發現地質作用、地質現象和地質材料在日常生活中扮演重要的角色:
1. 你住在受山崩、土石流、火山、地震、洪水、海嘯威脅的地區嗎?
2. 你知道哪裡有豐富且優質的地下水嗎?
3. 你擔心能源價格變動或石油出口國發生戰爭嗎?
4. 你知道住家樓房的鋼鐵與水泥原料產自哪裡嗎?
5. 你知道臺灣地熱發電的潛力多大嗎?

回答前述這些問題需要地質學的基本知識。這些知識可以避免你把房子建在會發生災害的氾濫平原、斷層帶、不穩定的坡地、快速侵蝕後退或海嘯可能侵襲的水岸邊。對地下水有基本了解,你可以找到鑽鑿水井的適當地點與深度。若知道礦產資源分布與地熱能源的地質因素,你或許可以更明智地投資於資源與能源工業。其次,地質學研究比其他領域更能洞察地球,你將更能發現影響環境品質與生命財產安全的潛在地質因素,更能將人類文明發展脈絡用更寬廣的視野來看待。由大地震、火山、洪水、海嘯,或山崩、土石流等災害的規模來看,顯然天然地質現象的威力遠超過人類的能力。但另一方面,看到堆土機將一大片的森林砍除,炸藥將整個山頂炸平,顯然人類能以遠比天然地質作用快的速率改變地球的面貌。

地質學研究揭示地球的古老,它形成於約45.7億年(4.57 Ga)前,而且顯示在這段歷史中不斷改變面貌。當你讀完本書後,對這個世界的看法可能會永遠存有對地質的好奇,思慮也更為長遠與客觀。走在山區、平原、海岸,你將想到許多的力量不斷形塑地球表面。聽到一個大天災,你將能洞察造成災害的原因或過程,進而思考趨吉避凶之道。旅行時沿路看到的岩石,不再只是冷酷、枯燥的石塊或泥砂,而是述說著地球歷史的複雜彩色拼圖片段。最終體會地球萬物源遠流長,個人與人類都只是地球的新過客,有責任為人類與其他生物未來世代保留一個可持續發展的地球環境。

0.5 本書要旨

本書內容涵蓋甚廣,特別強調下列主題與觀念。
1.地球年齡非常老。現有的資料表明地球形成於約45.7億年前,因此有充足的時間讓地質作用造成及毀滅許多地景,讓各式生命形成並演化,讓世界地形顯著改變。板塊運動速率即使每年僅數公分,只要繼續移動數億年,也能夠使一個大陸移動數千公里;時間也足夠建造出大山脈、然後又夷平的輪迴出現多次。

2.地球是一個持續演變的複雜系統。地球內部、固態地面、海洋、大氣及各式各樣的生物以多樣的方式互動,形成各式各樣的地貌及我們生存的環境。在此「地球系統」中,化學元素在各類岩石之間,岩石與海洋之間,海洋與大氣之間,以及岩石-水-大氣與生物之間持續循環。

3.板塊構造學說解釋許多地球演變作用。地球並非均質的球體,而是由同心球狀層圈組成,從中心往外依次為:地核、地函及地殼。人類生活於與大氣圈及海洋相鄰的地殼表面。在1960年代,地質學家確認地殼與最上部的地函形成一個100 ∼ 150公里厚的半剛性殼體。巨大的裂隙將此剛性殼體分為數個如拼圖般互相銜接的厚板狀塊體,稱為「板塊」(plate);板塊間很緩慢地相對移動。描述板塊運動及其結果的理論稱為「板塊構造學說」,是了解大部分地質現象的基礎。雖然板塊移動極慢,通常每年小於10公分,卻造就了地震、火山、山脈與海洋,長久下來使地球表面的景象顯著改觀。

4.地球的內營力作用與外營力作用驅動地質現象。內營力作用指由地球內部的熱驅動的現象,板塊運動就是一個例子。因為板塊運動形成山脈、地震及火山,這些現象也稱為內部作用。另一方面,外營力作用指由太陽射至地球輻射線提供的熱能所驅動的現象。此種熱能驅使空氣及水運動,磨蝕、刻劃地球表面並將碎屑搬運到他處堆積,這些現象也稱為外部作用。內部作用與外部作用之間的互動造成地表面貌,而重力在其中扮演重要的角色。

5.地質現象深深影響我們的環境。火山、地震、山崩、洪水氾濫、地下水、能源,以及礦產與地球上的每個住民密切相關。若沒有地球合適的物理與化學性質,生物無法存在;反之,若沒有生物,地表可能變成冰凍的荒地或籠罩在像金星一樣的雲霧中。

6.科學來自於觀察,科學發現不是由主觀的猜測或隨意武斷的教條、信條所構成,而是用科學方法獲得的一套互不矛盾的客觀論述。每一科學概念或構想必須經完全檢驗測試,只有被充分證實的觀察所支持時才能成立。此外,科學概念不是憑空出現,而是人類共同努力的結果。本書將盡可能簡介主要地質概念的起源。

7.研究地質學能增進一般科學的知識與對科學的樂趣。地質學提供學習化學與物理學基礎觀念的機會,因為那些基礎觀念可在真實的地質現象中直接應用。在閱讀此書時,不要將地質學看作是要死記的長篇文詞,而要將它當作一套要消化、理解、互相關連的觀念。最重要的是:在知道浩瀚宇宙中最迷人的行星的奧祕時,能享受其樂趣。

8. 地質學的研究,常自野外觀察地球自然現象著手,需要腦力與體力並用、野外與室內並重。因各處的地質現象常有獨特性,故本書所用圖片與範例除了取材國外,也盡可能以國內的地質現象為例,讓讀者方便就近體驗、觀察與驗證。

9. 地球是太陽系的一顆行星,像太陽系其他行星一樣,由環繞太陽生成初期外圍的塵埃與氣體聚集而形成。一方面地球與其他內太陽系行星(水星、金星與火星)類似,另一方面卻與它們顯著不同:只有地球有板塊構造運動、氧氣富集的大氣層、液態水的海洋,以及豐富的生物。

專有名詞

地質學、地質作用、自然地質學、歷史地質學、普通地質學、內營力作用、外營力作用、災變論、漸變論、均變論、固定論、活動論、地槽、地臺、板塊構造學說

問題與思考

1. 造成各種地質現象的能量主要來源是什麼?
2. 舉例說明地質學發展史上的「以偏概全」與「一葉知秋」引起的主要爭論。
3. 舉例說明與日常生活相關或有幫助的地質學知識。
4. 地質學與物理學及化學雖同屬自然科學;然而與物理學及化學相比,地質學研究有其特殊之處,試說明之。

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