作者/李易諭

年輕的赫登坐在大學的教室,仔細地聽台上教授說到:「王水是由硝酸和鹽酸混合調配出來的強酸,就連黃金也能溶蝕。不過,雖然王水是由硝酸和鹽酸調配而成的,但若只有硝酸或只有鹽酸,是無法侵蝕黃金的」,赫登深深地被這句話吸引,意識到科學的奧妙與力量,因此下定決心,走上科學之路,並且熱衷於實驗應證。

所以赫登和他的夥伴(James Davie)一起實驗出氯化銨Ammonium chloride(NH4Cl)的製作方式。當氯化銨開始被大量生產後,赫登賺進了不少財富,不愁吃穿的赫登有更多的心思可以放在他感到興趣的事物上。於是赫登開始將心力轉向他從父親手上繼承來的農場,並開始研究最佳的農業生產方式,周遊列國只為了尋得最佳生產秘訣。赫登發現增加農田肥沃度的關鍵在於土壤,於是赫登有事沒事就盯著土壤看,研究土壤。同時,也順便觀察土壤層附近的岩石,看著看著,赫登對岩石也產生了不少興趣。相當享受遊山玩水的赫登,就是天生的地質學家,不過在遊歷許多地方後,赫登對當前的地質學說-水成學派,產生了不少疑竇:

「奇怪!蘇格蘭的Siccar point的地層,底下居然是傾斜的,不過上面還覆蓋一層水平的岩層,究竟發生甚麼事情,導致岩層傾斜,而上方又覆蓋另外一層水平岩層?如果按照水成學派的水平沉積定律來看,不應該出現這麼奇特的岩層啊?所有的岩層應該都要是水平排列的?綜合我之前的觀察,也有許多是水成說無法解釋的現象,像是被烘烤過的岩石,以及岩層被扭曲產生的褶皺,只能用火成說來解釋了。」

在看到蘇格蘭Siccar Point的傾斜岩層後,赫登開始回憶起他之前在各地看到的不合理現象,而這些現象一步步地建構跨時代的學說-火成學說。在1785年時,赫登抵達了蘇格蘭高原的glen tilt,在高原上,赫登發現許多岩石,不論是破碎的岩石還是完整的岩石,都能找到花崗岩脈填充在岩石的各個方向上。

所以赫登開始思考,為什麼可以在這麼多岩層內找到花崗岩脈。所以他提出一個假設,會不會是花崗岩原先是炙熱的岩漿,在冷卻之前流入原先就已經存在的岩層的裂隙當中,過一段時間後才冷卻形成花崗岩,所以才會在這裡各處的岩層裏頭,均發現有花崗岩脈的填充。為了證實這個現象並非曇花一現,因此赫登在接下來的旅程中特別注意其他地區是否也有花崗岩侵入原先存在的岩石的現象。果不其然,赫登在Salisbury Crags、Dail-an-eas Bridge都觀察到了相同的現象。

由於水成學派可以完美地解釋占了地表大約七成的沉積岩,所以像是赫登觀察到的花崗岩貫入體,往往被視為例外,甚至沒有人發現它們的存在。再加上18世紀時,人們的思維還是被聖經宰制,水成學派在當時有著不可動搖的地位。

不過沒有發現這些"例外的岩層",不代表它們不存在。在拼湊新理論的路上,赫登看到了不少溫泉和火山,熱源不斷從底部湧出,於是赫登假設地球內部是炙熱的,所以能加熱溫泉與形成岩漿;同時,還有熱對流的效應,岩漿若連同物質一起向外噴發出地表,便造成火山爆發。

時間來到了1787年,赫登在Jedburgh,發現驚為天人的現象。他看到了近乎垂直排列的岩層,而且這些岩層還扭曲產生了褶皺,這個現象實在不能由水成說說明,勢必得提出新的理論來闡述,下圖為赫登當年所記錄的岩層排列:

在當時,科學界已經有了熱對流的概念,也知道物體在加熱之後會容易往上浮,甚至變成氣體逸散出去。赫登認為地球內部應該具有極高的溫度,所以在內部較為炙熱的區域,加熱覆蓋其上的物質,使物質的揮發性上升,並提供向上、向外擴張的力量。因此使得原先水平的岩層,受到地底下的推力而傾倒,甚至被推成近乎垂直地表的樣貌。至於扭曲的岩層,赫登同樣認為是地底下巨大的力量,扭曲了原先平整的岩層。

在野外觀察,提出假設之後,赫登還需要實驗室的研究分析,以佐證他的理論。因此赫登分析許多在玄武岩與花崗岩中的礦物,有了驚人的發現。那就是:有些岩層中的礦物,居然含有不溶解於水的化學成分,例如長石(KAlSi3O8)與燧石(SiO2),這說明了他們並不是從水中沉澱而來的,重重的將水成學派反降一軍。此外,這些礦物的化學成分,甚至要在高溫與高壓的環境下才會形成,這恰恰符合赫登心中的理論模型,地球內部是相當炙熱的,而且由於地表上覆蓋了許多的物質,累積了許多重量,赫登認為這造成地球內部相當大的壓力,也能提供這些化學成分形成時所需要的高壓。所以這些礦物物質的來源,最源頭可以追溯至地球內部。

有了實驗室的資料後,赫登繼續野外考察,希望能蒐集更多可以和實驗室呼應的證據。精誠所至,金石為開,赫登在野外發現了具有烤焦痕跡的沉積岩,而這些沉積岩的周圍,圍繞著玄武岩。這代表了玄武岩的確曾經是高溫的岩漿,才能將沉積岩烤焦,等到岩漿冷卻後,就形成了玄武岩。而在同一個時代,赫登的好友John Playfair發現,在玄武岩內都沒有發現化石,可見玄武岩的並非由洪水沉積而來,下圖為玄武岩的烘烤痕跡:

有了另外一個輔佐的依據後,赫登推論出:花崗岩與玄武岩等火成岩的形成不用靠水,高溫的岩漿冷卻之後,就能形成岩石顆粒間相當緻密、礦物間彼此緊緊鑲嵌的火成岩。

回憶完之前的野外觀察,以及實驗室證據,赫登回過神,望著眼前的Siccar Point,微微一笑,得出了跨時代的理論-火成學說。

「如果地球內部是炙熱的岩漿庫,那麼我就能解釋蘇格蘭高原上的花崗岩侵入體、以及Jedburgh近乎垂直而撓曲的岩層,以及Siccar Point底下為什麼出現了傾斜的岩層。」

「因為地球內部高溫產生的熱對流,使加熱膨脹之後的物質,密度變小,產生了向上以及向外擴張的推力。在炙熱岩漿上浮的過程中,若貫入上方存在的岩層裂隙當中,冷卻之後就形成了蘇格蘭高原上的花崗岩侵入體」。這也是赫登著名的"截切定律",被貫入的岩體必然先存在,因此其形成年齡必定在貫入的岩層之前。這個定律也成為後續地質學家解釋地球歷史的依據之一。

至於Jedburgh的彎曲地層,赫登則認為是岩漿在貫入岩層裂隙時,擾動了周遭的岩層,對他們施加不少外力,使這些岩層不再以平整的方式出露;Siccar Point的傾斜岩層,赫登則認為它們原先沉積時也是水平的,因為沒有受到任何的外力影響。只是因為地球內部的熱量產生對流,不停將岩層往上推,熱量比較高的區域推動的幅度較大,造成岩層漸漸傾倒。

在赫登眼前的每個證據,都指向一個可能:"火成學說",唯有這個說法,才能解釋奇形怪狀的地層是如何形成的。不過赫登的理論太過先進,和當時人們所相信的大洪水事件背道而馳,水成學派認為整個地球都是由岩層一層層堆疊起來的,地球內部不應該是炙熱的岩體,而應該是無數層岩層。所以赫登的理論在18世紀時,並沒有受到太多的重視,直到仰慕他的地質學家-萊爾-集大成之後,才總算讓赫登的理論重見天日,成為現今地質學家們看待地球歷史事件的準則。

參考文獻:

Rossetter, T. (2018). Realism on the rocks: Novel success and James Hutton's theory of the earth. Studies in History and Philosophy of Science Part A, 67, 1-13.

Dennis Dean(1992), James Hutton and the History of Geology 

James Hutton - Wikipedia

James Hutton - Biography, Facts and Pictures

Siccar Point,the world’s most important geological site

James Hutton: The Founder of Modern Geology | AMNH

James Hutton | Encyclopedia.com

Edinburgh: Arthur's Seat, Salisbury Crags and Hutton's Section - Magma Cum Laude - AGU Blogosphere

Geochronology - James Hutton’s recognition of the geologic cycle | Britannica

Plutonism - Wikipedia

讀「發現時間的人」,認識地質學之父—赫登 – 生活筆記

Cross-cutting relationships - Wikipedia

Science in the Scottish Enlightenment: 5.4 Hutton's geology: The Jedburgh unconformity - OpenLearn - Open University - AS208_2

Neptunism - Wikipedia