葛利普脉动理论的产生、发展及影响探究,大气科学论文

　　摘要：葛利普（Amadeus W.Grabau,1870~1946）的科学贡献主要在于古生物学和地层学，以及在此基础上所提出的全球性脉动和极控理论。因其着眼点在于整个地球之历史，故后者更受其重视。本文对葛氏脉动理论的产生、发展、影响及相关背景进行了新的探讨，指出该理论在1913年的《地层学原理》一书中即有发端，至1933年发表于《时事日报》（The Peiping Chronicle）的文章奠定基本框架，同年在美国的第16届国际地质大会正式提出。葛氏自美国返回中国后，在与国内学者深入讨论的基础上，对该理论进行了修正、发展，并与极控理论相结合，1940年以《年代的节律》（The Rhythm of the Ages）一书进行系统的总结。脉动理论以全球性的海进和海退解释规律性地层的形成，并对地层（尤其是古生界）作了新的划分；极控理论则以魏格纳大陆漂移说为基础，用来说明硅铝圈在地球自转的带动下围绕两极的运动，并作为脉动理论的补充，说明规律沉积中的不规则性。这两个理论虽引起不小的反响，但揆诸实际，还是因太过理想主义而未能得到进一步的发展。
　　
　　关键词：葛利普；脉动理论；极控理论；地质学；古生物学；海进；海退；大陆漂移；
　　
　　0 “沧桑”新解
　　
　　晋代葛洪（ 284 ~ 364）在《神仙传》中记载王远与麻姑的对话： “麻姑自说： ‘接侍以来，已见东海三为桑田，向到蓬莱，水又浅于往者，会时略半也，岂将复还为陵陆乎？’方平笑曰： ‘圣人皆言，海中行复扬尘也。’”[1]这可谓世界上最早关于海陆变迁的论述。后颜真卿（ 709 ~ 785）任抚州刺史时撰《有唐抚州南城县麻姑山仙坛记》，记述了此事，对抚州南城县麻姑山赞誉有加，并说麻姑山山顶古坛之“高石中犹有螺蚌壳，或以为桑田所变”,注意到山石中的螺蚌壳，并与葛洪的“沧海桑田”相呼应，堪为化石观念的最早萌芽。[2-3]
　　
　　宋代沈括（ 1031 ~ 1095）在其巨着《梦溪笔谈》亦记载北太行山崖之间的螺蚌壳之遗迹，并以此表明陆地常为河海所淹没。[4]朱熹（ 1130 ~ 1200）则采纳邵雍（ 1011 ~ 1077）十二万九千六百年为宇宙演化周期之说，进而指出： “常见高山有螺蚌壳，或生石中，此石即旧日之土，螺蚌即水中之物。下者却变而为高，柔者变而为刚，此事思之至深，有可验者。”[5]其中关于宇宙之演化虽多为思辨，但却以沧海桑田的现象加以说明，不能不说是难能可贵的。[6]
　　
　　这些或朴素或思辨的论述，反映了中国古人关于海陆变迁的思想，在世界上亦属地质学之萌芽。19 世纪上半叶，以赖尔的《地质学原理》为标志，地质学作为一个现代学科在西方得以建立。经过几代学者的探索与争论，所谓“沧海桑田”逐渐成为地质学中一个显然的事实。因此李四光1918 年在其伯明翰大学的硕士学位论文中开篇即以中国古代的“沧海桑田”（ blue seas change into mulberry fields）一语引申，进而展开关于中国地质学的论述，后发展为地质力学。
　　
　　“沧海桑田”更可用来反映葛利普（ Amadeus W. Grabau,1870 ~ 1946）[7-14]的主要地质学思想。1924 年，葛利普在其《中国地质史》（ Stratigraphy of China）第一卷卷首以《神仙传》和《朱子语类》中关于沧海变桑田的论述作为题记，引出是书主题，书中以海进海退理论解释地层的形成。后来，他的多篇关于脉动理论的文章均以“沧桑”一语作为中文的翻译，如1933 年在华盛顿第16 届国际地质大会上发表的“Oscillation or Pulsation?”即被翻译为“沧桑论中之轩轾”,1933 年11 月以“沧桑论及古生代地层之分法”宣读于中国地质学会第十次年会，1934 至1935 年在《国立北京大学自然科学季刊》（ Science Quarterly of the National University of Peking）连续发表的长文“Palaeozoic Formation in the Light of the Pulsation Theory”（后刊行成书四卷）则被译为“古生代地层之沧桑观”.地球的“沧桑”史通过脉动和极控理论获得了新的解释。
　　
　　葛利普综合中西方地层、古生物资料提出的脉动和极控理论是20 世纪重要的地质学理论之一。脉动理论发端于1913 年的《地层学原理》（ Principles of Stratigraphy） ,极控理论则主要源自魏格纳的大陆漂移说，1933 年正式将两者结合起来，至1940 年在《年代的节律》（ The Rhythm of the Ages）一书中进行系统的总结，并不断用来诠释地球的历史，发表了很多种论着。作为葛氏自认为最重要的科学贡献，脉动理论当时在国内外即引起广泛的关注，如计荣森和田奇随即分别发表长篇评论，对海进海退机制及其对地层的重新划分进行了分析。[15-17]西方学者亦多有评论。1 美国着名古生物学家舒克特（ Charles Schuchert,1858 ~ 1942）很大程度赞同规律性的海进海退，但对葛利普的地层新划分却颇多批评。[18]孙云铸则结合地壳运动、沉积相和古生物群等方面对脉动理论提出了修正。[19-20]
　　
　　阮维周从地层纪录和动力来源两方面正确地指出葛利普的脉动理论是后来兴起的海底扩张和板块构造学说的先声。[21]王鸿祯曾对葛利普的脉动和极控理论有过简要的论述。[12]约翰逊（ Markes Johnson）指出葛利普是在综合北美、欧洲和亚洲的地层信息提出脉动理论的。[22]马文（ Ursula B. Marvin）将葛氏的脉动和极控理论作为一个全球的框架进行阐述，作了高度且中肯的评价。[23]澳大利亚科学史家奥尔德罗伊德（ David R. Oldroyd）将葛利普的脉动学说置于世界地质学史的背景中进行评述，但表示该理论是在与西方隔绝的情况下提出来的，则与事实不符。（ [24],251 ~ 256 页）梅热（ Allan Mazur）为葛利普及其夫人玛丽·安亭（ Mary Antin,1881-1949）撰写了精彩的传记，其中对脉动和极控理论也作了适当的述评，指出葛氏坚持脉动理论很大程度上是基于美学上的信念。（ [13],353 ~ 355、361 ~ 364 页）然而，关于脉动理论的发展脉络、葛氏古生物研究与脉动理论之间的关系、脉动理论与极控理论之间的关系，以及极控理论与魏格纳的大陆漂移说之间的关系等，尚有不少讨论的必要。因此，本文将从科学史的角度对该理论的渊源、发展及其影响进行系统的梳理，以深入理解葛利普在地质学史和20 世纪地质学在中国本土化过程中的地位。
　　
　　1 海进海退：地球之脉动
　　
　　葛利普的脉动理论可分为两个部分：一是规律性海进（ transgression）和海退（ regression）的脉动机制，二是以此对地层的重新划分。规律性的海进海退可谓脉动理论的核心和基础。
　　
　　关于海进海退的现象很早就有人注意。最早对海平面升降进行系统研究的是法国外交官德马耶（ Benot de Maillet,1656 ~ 1738） .他综合笛卡尔地表聚集水和尘埃的理论，以及阿拉伯关于山崖海生动物贝壳的观察等，从而收集有关海平面逐渐下降的详尽证据，并提议建立水文观测站严密监测这种变化。（ [22]; [24],123 ~ 124 页）
　　
　　拉瓦锡（ Lavoisier,1743 ~ 1794）在从事化学研究之前，曾对地质学有过兴趣。受其化学老师鲁埃勒（ G. -F. Rouelle,1703 ~ 1770）的启发，认识到深海沉积和沿海沉积的不同，进而有过海进和海退的猜想。（ [24],102 ~ 103 页）
　　
　　法国着名科学家居维叶（ Georges Cuvier,1769 ~ 1832）和矿物学家布龙尼亚（ Alexander Brongniart,1770 ~ 1847）合作，通过对巴黎盆地沉积环境的考察，发现那些看起来相似的地层，有的能看到贝壳化石，有的却全无化石的痕迹，他们因此得出巴黎地区曾有过海进和海退的结论。（ [24],158 页）
　　
　　奥地利着名地质学家修斯（ Eduard Suess,1831 ~ 1914）进一步从地球整体的角度来看待海进和海退。在其着名的《地球的面貌》（ Das Antlitz der Erde）一书中，他将构造理论与地层记录中所揭示的全球地史联系起来，指出海底的塌陷将会造成世界范围的海退，随后出露的陆地被侵蚀，使得沉积物不断增加，填入洋盆，导致海水复侵入陆地。他将大陆与大洋盆地的消长看作一次次的循环，从而引致周而复始的海进海退，最终使地球再一次被一个统一的大洋淹没。[23]他还创造“海面升降运动”（ eustatic movement）这一术语，以解释大地构造与地层形成之间的关系，此即我们今天所常用的“海面升降”（ eustasy）概念之前身。（ [24],239 ~ 242 页； [25]）
　　
　　以全球的视角研究海面升降、地壳运动和地层对比的还有美国着名的地质学家钱柏林（ Thomas C. Chamberlin,1843 ~ 1928） .他相信地球历史中存在着“脉动”现象，强弱的地质构造相互间隔，形成一次次的脉动，因此引发海进和海退的循环。周期性的海进和海退，使得地层柱上的主要地层系统得以形成。（ [24],248 ~ 249 页）
　　