地质学中的时间问题[*]_地质学论文

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时间，在辩证唯物主义哲学中被定义为物质运动的持续性，标示事物或过程持续的久暂、间隔的长短、出现的先后序次。并指出时间具有一维性的特点。在地质学中，有许多耐人寻味的时间问题，最突出地表现在如下三个方面：一是地球物质客体存在的持续性问题（主要是地球的年龄问题）；二是地球物质客体运动的可逆与不可逆问题；三是时间尺度的选择问题。围绕这三个方面问题，曾产生过或正在产生着许多观念冲突和方法论上的分歧。

1 无限的与有限的地质时间

关于地球物质客体（主要是地球整体）存在的时间问题。从来就有两种对立的观点，即认为地球年龄是有限的或无限的。可以说，在同位素测龄方法发现之前，有限论始终是占主导地位的。在不同的历史时期，这两种观点有不同的具体形态。在古希腊表现为“永恒论”（Steady State）与“循环论”（CyclicCosmos）的对立。前者以亚里士多德（BC 384－322）为代表，后者以芝诺等斯多噶派（BC 300－100）为代表。前者认为宇宙是无始无终的，而后者则继承了公元前五世纪赫拉克利特的“逻格斯”，认为万物源于火、终于水，每一循环约10800年[（1）]。形成于公元一世纪的基督教，其初衷在于组织犹太人民进行革命斗争，循环论恰能满足鼓舞人民革命斗志的需要。按照这种观点，世界末日已为期不远，届时救世主（基督）会重返人世，拯救人民，世界的最后1000年将是充满希望的“至福千年”（Promised Millenium）[（2）]。后来，基督教逐渐演变为奴隶主阶级、封建主阶级的统治工具。这种“循环论”便蜕变为麻醉人民、并且神圣不可侵犯的“天条”。而永恒论，却一直被认为是违背教义的，——尽管，亚里士多德的宇宙空间有限论、宇宙运动的“第一推动”说及目的论等倍受基督教神学的青睐。

16世纪中叶，哥白尼的《天体运行论》发表之后，尽管人们心目中的地球的地位彻底改变了，宇宙的尺寸大大地拓展了，然而关于地球的年龄仍然盛行的是“循环论”。人们普遍认为，整个世界的进程由6个“宇宙天”组成，每“天”包含1000年。按宗教教义，地球产生于公元前4000年，因此“地球已活了5000多岁，世界已不会有多少令人欣喜的征兆”，时间的春蚕不再会吐出象以前那么多的丝了。“世界已临近它的末日”[（3）]。许多基督教徒，甚至象开普勒等严谨的科学家对地球年龄都作过认真的考证，但他们的根据始终未超出圣经原文，其结论自然与圣经基本吻合。最有意思的是16世纪中叶的爱尔兰的大主教厄希尔（Usher），提出了一个极其精确的“创世日”，——认为地球诞生于公元前4004年10月26日早上9点钟，其工作之精细，态度之严谨，使得牛顿也对之深信不疑。

从文艺复兴开始，经过由伽俐略到牛顿几代人的努力，力学和数学取得了辉煌的成就，人们通过实验、观察的方法对声、光、电、磁、天文、地质等现象进行了一定程度的研究，深信存在着普遍的“自然法则”。然而，人们并不把这些自然法则视作自然界本身的内在联系，而是当作上帝的“设计原则”的体现。似乎科学的目的就是要再现造物主创世的蓝图。[（4）]从伍德沃德（J.Woodword 1665－1728）和史登诺（Nsteno，1631－1687）一直到魏纳（A.G.werner，1749－1817）、居维叶（D.G.Cuvier 1769－1832），他们多在方法论上崇尚观察、实验和力学原理，然而在自然观上始终不能摆脱宗教教义的影响，地层和化石被他们当成诺亚洪水的见证。[（5）][（6）]显然，在地球年龄问题上，他们是有限论者。

无限论的第一个有意义的进展应归功于布丰（G.de.Buffon 1707－1788）。18世纪中叶，物理热学已比较成熟，摄氏百分温度计已经制成，温度、热量、潜热、比热等概念相继确立。[（8）]这使得布丰有可能以“科学”的方法对地球进行测龄，其做法是将一只烧红了的铁球来模拟地球的演化过程，由之推算地球由炽热状态冷却到适合人类居住时，需要74800年。尽管这是一个极不准确的数字，但却无疑对循环论是一个沉重的打击。再就是郝屯（J.Hotton 1726－1797），他是第一个以科学原理为依据强调无限论的人，作为瓦特的挚友，郝屯提出地球运动的“热机”模式似乎是顺理成章的。他认为地球深部蕴藏着巨大的能量，火山喷发炽热岩浆即是证明。地球的演化是循环式的，其建造作用与改造作用相抵销，因而地球的时间“既没有开始的踪迹，也没有结束的希望”。

真正使“无限论”盛行起来的是莱伊尔和达尔文。1830年，莱伊尔发表了他的《地质学原理》。在这本书中，可知论的现实主义原则被引入地质学，从而成为近代地质学全面发展的起点。莱伊尔把地质作用看作是绝对均一的过程，认为极其缓慢的地质作用可以造成任何令人惊异的地质现象。这样他就把地球的年龄看作是无限长。达尔文评价说：“有幸读过莱伊尔《地质学原理》的人，如果不承认过去的时间长的令人难以置信，那么不如立即把书合上。”[（9）]《原理》的影响在当时是空前的，当时英国一位女作家曾这样写道：“中产阶级一般人士宁愿买五本价钱很贵的地质学书籍，而不愿买一本当时很流行的小说”[（10）]。由于这种影响，使得无限论一下子流行起来。后来（1859年），达尔文《物种起源》的出版，更使得无限论的观念盛行一世。在该书中，达尔文对英国南部威尔德高地进行了研究，通过分别计算从窟窿高地上剥蚀下来物质总量及现代海岸的剥蚀速度，从而计算出搬运这些物质需要3亿年的时间。实际上，到了50年代末，绝大多数地质学家都相信地球的年龄是以万亿年计的[（11）]。

1862年，在欧洲享有盛誉的物理学家、热力学第二定律的创立人威廉·汤姆逊（William Thomson 1824－1907），发表了一篇题为《关于太阳热能的年龄》的文章。他的基本思路是，太阳是由大量陨星汇聚而成的，这些陨星在汇聚之前处于相对静止状态。在它们相互接近的活动中，引力势能转变为动能，在它们碰撞的瞬间又转变为热能。其中有一半热能很快散失了，这样就可以对太阳的全部热能有一个估计，进一步对太阳发光的历史有一个估计。他得出的结论是太阳的年龄在1－1.5亿年之间，1863年，他在另一篇文章中指出，地球最初处于熔融状态，接着便是冷却。地表冷却的岩石在结晶前便下沉，从而引起对流。这样就保持了整个地球的热平衡，直到由中心向外表的结晶开始，最后是地壳结晶，整个地球变为一个各处温度均一的球体。他运用当时最先进的数学和物理学知识，经过一系列复杂的计算，得出一个0.98亿年的地球年龄值。从此，在地球年龄问题上的有限论与无限论之间展开了一场旷日持久的激烈论战，在这场长达近40年的激烈争论中，地质学家、物理学家尝试了十余种不同的测龄方法和方案。其结果是以物理学家（汤姆逊等）为代表的有限论者大显威风，而以地质学家（莱伊尔、达尔文、赫胥黎等）为代表的无限论者一再退却（莱伊尔三番五次地修订他在《地质学原理》一书中的地球年龄数字）。最后地质学家们认识到，无限的时间是不存在的，但遗留的困惑是1亿年左右的有限时间实在难以满足地质作用和生物进化的要求。[（12）]

无限论与有限论争论的历史给人的启示是，古代无限论与有限论都是缺乏事实根据的猜测。后来由于宗教的影响，使有限论得以长期占统治地位，从18世纪中叶开始无限论抬头，到19世纪60年代无限论达到顶峰，60年代以后有限论又占据了上风。总之，在近代地质学史中，人们对于地层、岩石的相对年龄看法是容易趋于一致的，但由于原子大门尚未打开，人们对地壳下的物性状态、地内热源及生物演化速度等方面知识还十分肤浅，同时缺乏切实可靠的地球测龄方法，因而从根本上讲，无限论与有限论的争论是无法得到仲裁的。

2 可逆的与不可逆的地质时间

所谓可逆与不可逆问题包含两方面含义：一是地球物质客体是永远如是地存在着还是处于演变之中的；二是演变仅仅是一些简单的重复性的变化还是一个由低级到高级的递进过程。

可逆的时间观念在西方是根深蒂固的，其源头可追溯到德谟克利特（BC 460－370）的不变的原子、柏拉图（BC 428－347）“巨匠”（Artificer）的理念世界以及圣经中上帝的创世蓝图。历史不变的观念广泛地渗透在西方文化的各个领域，中世纪的绘画中人物的服饰不存在时代问题，莎士比亚戏剧中人物的服饰也不会存在年代错误[（14）]……。不论在社会科学还是自然科学之中几乎没有时代划分的概念[（15）]。在社会科学领域，17世纪的意大利学者维柯（Giambata Vico）最先把“发展”与“历史阶段”的概念引入历史学研究之中，但他的观点过了一、二百年以后才跻入欧洲的社会思潮中。而在自然科学领域，演化的概念远未露出端倪。文艺复兴对于自然科学具有至关重要的意义，然而，由伽俐略到牛顿所创立的机械自然观和方法论却同时给自然科学带来巨大的羁绊。从那时起自然科学各个领域充斥着对上帝的“自然法则”、“自然秩序”的虔诚呼唤。在人们看来自然界的任何变化，仅仅是上帝“设计原则”的体现而已。只要搞清了原理，任何结果都会在预料之中，只要给出初始条件，任何过程都可在时间上反演（即－t→t）不变。正如图尔明所说，由伽俐略到牛顿的科学革命所造成的直接影响是“自然秩序”的冻结[（16）]。

林奈（1730）的物种分类方案无疑对生物学和地质学具有至关重要的意义，然而另一方面却体现的是机械的自然观。事物之间横向上的相互孤立必然导致时间上的静止不变，这些鸽子洞式的、“是此非彼”的物种一旦溯其本源便只能归于上帝之手。

从伍德沃德、史登诺到魏纳、居维叶这些受宗教循环论影响的地质学家无疑应划入可逆论的范畴，而莱伊尔这位无限论者又怎样呢？这位倡导现实主义方法的先师，对近代地质学的发展是功不可抹的。然而，应该看到，他明显地混淆了方法论上的均变和本体论上的均变。在方法论上，将今论古无疑是一个巨大的进步，而他却同时把地质过程、各个地史时期的地质环境看成是亘古如一的，这无疑是一个巨大的时间观念上的错误。

还要提到布丰在1749年的那个模拟实验，他不仅提出了一个与宗教教义相对抗的74800年的地球年龄，而且把地球看作是一个逐渐演化的东西，并且划分出七个演化阶段。这一关于自然界演化的学说对第二次科学革命的意义不应在康德星云假说（1755）之下。对不可逆的地质时间观做出划时代贡献的自然应是达尔文。他在《物种起源》（1859）一书中不仅勾勒了一幅生物、群落、生态之间相互联系生动画面，同时也描绘了生物在时间上的进化图景。指出了任何物种都无非是变动不居的地质历史发展的产物。生物进化论的影响是巨大的，它影响到自然科学、社会科学的许多领域。如果说19世纪以前自然科学家的信条是“自然的固定秩序”，那么1859年以后自然科学的格言就变成了“进化”。人类学、文化史、比较生态学，甚至比较宗教学都开始积极地寻找与生物进化论的接合部位[（18）]。

从这时开始，“进化”问题似乎一劳永逸地解决了，地质学的各个领域（生物学、地层学、岩石学）似乎普遍地接受了演化的时间观念。然而概念的普遍使用并非等于对概念的深刻理解。最令人遗憾的是，在地壳（岩石圈）是如何演化的这一纲领性的问题上，演化的、不可逆的时间观念却经历了整整一百年，才真正地确立起来。1859年，美国古生物学家霍尔（J.HaLL）开始注意到阿巴拉契亚存在地槽这一特殊的构造单元，后来，丹纳（J.D.Dana 1873）完整地提出“地槽”这一概念。那时人们尚没有“地台”这一概念，只是揣测到通过地槽的演化可以造陆；80年代初，奥地利的冠伯（L.kober），首次明确提出地槽带在造山之后可转化为一种稳定的构造单元，提出“克拉通”、“陆台”（稳定低地）和高原（稳定高地）等概念；1885年，奥地利地质学家徐士（E.Suess）首先明确提出“地台”的概念，从而把地槽学说发展为“槽－台”学说。

此后的半个多世纪里，尽管人们（例如徐士、贝特朗、奥格、史蒂勒等）在地槽与地台的空间展布，形态组合、演变过程等方面做了大量的研究工作，但一种僵化的时间观念却一直束缚着人们的思维。即认为，在地壳中存在两种对立的、典型的构造单元“槽”和“台”，并且非“槽”即“台”或非“台”即“槽”，地槽一经转化为地台，就不再演化了。到了1954－1956年，苏联学者哈茵、别洛乌索夫、巴甫洛夫斯基先后注意到许多稳定的地台形成之后，又发生了中生代以来的强烈构造变动，由于其外在形态与地槽的相似性，于是提出“活化地台”的概念，即认为是地槽的“复活”。别洛乌索夫敏锐地指出，由于这一发现，那种期待“地壳变为死亡”（即认为地槽一经转化为地台就不再演化了）的观念便站不住脚了。并指出地壳演化会有很多周期。我们不能把这些周期比作一个一个圆圈，而应比作一条螺旋曲线[（18）]。

1956年，陈国达注意到华南的活化现象，并进而（1959）将之称为“地洼区”。1960年，黄汲清也注意到华北地台遭受燕山、喜山构造变动的情况，他把华北地台称为“准地台”。陈国达与黄汲清的区别在于前者意识到了地台上的“活化”并不是对地槽阶段的简单重演，活化会导致一个内容新颖的构造层，而后者这种不可逆的时间观念相对淡薄，其提法当时是“多轮回”。60年代以后，这一问题似乎比较清楚了，从晚太古开始便有两种相互对立的构造单元，即“萌地槽”和“萌地台”，元古代又有“原地槽”和“原地台”（马杏垣，1961）。地台并非最终的稳定单元，其上的活化区（地洼）也并非最终的活动单元，地壳的演化确实表现为一个递进的、不可逆的过程。

然而，这仍不是问题的彻底解决。在地壳演化问题上，时代模式任意套用的做法似乎还普遍地存在着，比如，把板块模式外推到前寒武，试图在元古界、太古界中寻找与现今相对应的种种板块构造证据，而不考虑当时地壳的圈层结构及地壳横向上的分化特征等；又如对于前寒武蛇绿岩套，似乎一见到蛇绿岩套，就说它代表的是一个深海环境，然而象秦岭宽坪群中的蛇绿岩套中却始终夹杂着陆源碎屑物质，这种现象又该作何解释？须知、元古代的壳幔分异还极不彻底，地幔位置并不象现今这样深，并且那时候地表也不大可能形成象现今这样宽阔的洋域。

总之，地球物质客体在时间上是不可逆的，它们总是处于不停的演化之中的，其演化在时间也表现为阶段性。每一阶段都有其特定的条件和环境，因而有特定的演化内容，总体上表现为简单到复杂的螺旋式递进程。特定的演化条件和演化内容决定了特定的规律性，人们尤其不要忘记，演化决非简单的重复，不可把现今的规律当作过去的规律。

3 时间尺度的选择问题

作为物质的存在形式，从本质上讲，时间离不开物质的运动，它的持续性是靠物质运动、靠不连续的事件表现出来的，同时也是靠物质的运动来测度的。也就是说，人们对时间的把握实质上是凭一种（或多种）运动对另一种（或多种）运动的把握。

从18世纪中叶开始到同位素方法确立之前，人们尝试过许多种地球物质客体绝对年龄的测龄方法，如布丰的铁球模拟实验、达尔文（1859）、菲力浦（1860）、里德（T.Mellard Read）用剥蚀与沉积速度测龄的方法，汤姆逊（1862，1863）通过太阳和地球总能估计地球年龄的方法，泰特（Tait）用潮汐摩擦对地球自转的影响进行估算的方法，霍福顿（Samuel Haughtoy 1875）的古气候测算法，约翰·约利（Joho JoLy 1857－1993）利用海水中NaCl浓度估算地球年龄的方法……。这些仅仅是对经验方法的总结，一个重要的问题却从来被人们忽视，即人们对各种地质作用过程的理解方式。可以说，人类在任何时期都是在自己的生命时间里，凭借自己的生命历程来理解地质时间的。每一个人的生命持续，甚至整个人类社会的历史，相对于地质史却只不过是短暂一瞬，谁也不曾亲自目睹任何一个完整的地质过程。即使是现在正在发生的一些地质作用，人们也是难以觉察、难以理解的。所以在诸如黄土成因、板块运动方式诸多问题上存在争议便毫不奇怪。当人们用精密仪器、人造卫星测得某一板块向某一方向运动的年速度时，我们能由此推测板块在地史时期内的漂移规模吗？我们能由此断言板块在某一巨大的时间尺度内一如既往地这样运动吗？当我们研究了人类对地震数千年的记录，便可由此得出可靠的、规律性的认识吗？时间在诸如构造蠕变、岩石的相变中所起的作用更令人费解。原子晶格的错移、许多岩矿的形成过程是我们在实验室中永远无法观察到的。

另一方面，地质运动的迭复性、递进性也给人们对地质时间的认识和理解带来许多困难，似乎通过某些化学元素的半衰期测得的同位素年龄是可靠的，然而由于地质运动的迭复性，人们所得到的往往不是原岩的年龄而是变质年龄。我们现在普遍承认的地球年龄是46亿年，然而是古老的变质岩的年龄只有38亿年（格陵兰伊苏群）—41亿年（南极比涅尔杂岩）。此外，在同一地层甚至在同一露头采得的标本，用不同的方法测得的绝对年龄几乎都不一样，有些差距还相当大，即使是用同种方法在同一露头上所做的两次结果也绝少雷同[（19）]。在用地体的截切关系所判断的相对年龄与用精确的同位素方法测定的绝对年龄两者面前我们宁愿相信前者。[（20）]

还有一个易为人们忽略的问题，就是地质时间中“年”的概念。现在的每“年”以365天计算，而地史时期的“年”并不等于这个数字。如由中泥盆世的珊瑚生长线所反映的那时的“年”为400天左右，而晚石碳世的珊瑚生长线所反映的“年”为385天左右。地史时期，太阳由于能量损失引起质量不断损失，而地球由于外来物质的加入，质量则在增大，加上热膨胀效应，自转速度及轨道肯定不是固定不变的，这样；当我们说寒武纪的始限距今590百万年时，这绝非意味着从那时起地球绕太阳公转共计5.9亿圈[（21）]。

总之，地球物质客体的运动属于宏观低速运动，不存在相对论效应问题，然而对地质时间的认识、对地质过程的理解确有一个尺度和参照系的选择问题，存在一个观念和思想方式问题，切不可把在有限的人类历史中所总结出来的规律任意外推，把从有限的、片段的地质事件中得到的认识绝对化。

* 本文系国家自然科学基金项目“地质学思维研究”部分内容。

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