石头是人类由蒙昧走向智慧的启蒙,彩石和矿物颜料开启了人类对美的认识和追求。人类在使用矿物岩石中相继出现的武器、农耕时代、陶器、金属冶炼、人类聚落和城邦,标志着人类智慧的爆发和文明根基的建立。遍布全球的规模性采掘和矿业活动为早期人类社会的发展奠定了工业和经济基础,给人类认识矿物岩石和探索地球的奥秘打开了大门。东西方先哲们最早观察和思索天地万物、物质组成和变化、探索石头和金属的形成,炼丹术和炼金术、早期博物学、早期医学对金属、矿物和岩石的进一步探索与实践,孕育了现代矿物学和地质学。中世纪矿业的繁荣带动了地质科学研究的复兴,矿床学和矿物学的确立、化石研究与地层层序的确立、岩石成因的水火之争、山脉成因的垂向升降和水平挤压之争导致了地质学的诞生和确立。

Stone is the enlightenment of mankind from obscurity to wisdom, colored stones and mineral pigments have opened up mankind's awareness of beauty and pursuit. The successive emergence of weapons, the agricultural age, pottery, metal smelting, human settlements and city-states in the use of mineral rocks marked the explosion of human wisdom and the establishment of the roots of civilization. Extensive extractive and mining activities all over the world laid the industrial and economic foundation for the development of early human society and opened the door for mankind to understand minerals and rocks and explore the mysteries of the earth. The first eastern and western philosophers observed and contemplated everything in heaven and earth, the composition and changes of matter, explored the formation of stones and metals, and the further exploration and practice of metals, minerals and rocks in spagyrical and alchemy experiments, early natural history and early medicine studies bred the modern mineralogy and geology. The medieval mining boom led to a revival of geoscience research, and the establishment of ore deposits and mineralogy, fossil research and stratigraphic sequences, the Neptunits and Plutonists debate over the genesis of rocks, and the vertical uplift and horizontal compression of mountains genesis led to the birth and establishment of geology.

石器石料 ； 手工采掘 ； 矿业活动 ； 矿物岩石 ； 矿物学 ； 地质学

lithic stone ； artisanal quarrying ； mining activities ； minerals and rocks ； mineralogy ； geology

“自有天地以来即有矿,亦自有生民以来即用矿”(章鸿钊,1954)。人类自石器时代始,使用石头(包括矿物和岩石),认识石头,发明创造新事物,开创文明,社会进展,至始至终都离不开石头。地质学是18世纪后期在欧洲诞生的,至今只有二百多年的历史。显然,人类对石头的使用和认识对于自然科学特别是地质学的诞生具有极其重要的作用。

中国迄今已发现的古人类遗址考古研究表明,中国由直立人(古猿人)向智人是连续进化的(吴汝康和吴新智,1999;韩汝玢和柯俊,2007;朱小丰,2014)。古人类遗址发掘出的石器清晰地显示了中国古人类演化进程中是如何认识并选择矿物和岩石的。

早期直立人制作的石器简单粗糙,石料主要来自于驻地周围能捡到的砾石或岩块,所用石料多样或单一(居住地砾石或岩块岩性单一)。如四川巫山龙骨坡(1.96~1.78Ma)、山西西侯度(1.8Ma)、云南元谋(1.7Ma)、河北阳原小长梁(1.6Ma)和河北阳原东谷坨(1Ma)出土石器的石料(表1)。

从直立人陕西蓝田人(1.15~0.60Ma)、湖北郧县人(0.87~0.56Ma)、北京周口店的北京人(0.69~0.23Ma),到智人如陕西大荔人(0.23~0.18Ma)、山西丁村人(0.114~0.075Ma)、河套人(0.050~0.037Ma)以及周口店的山顶洞人(0.034~0.027Ma)制作石器的石料以硬度较大的岩石占绝大多数,除了丁村人是用当地的角页岩外,其他主要是石英岩、石英(包括脉石英)、燧石和硅质岩(表1)。随着时间的演进,古人类对不同石头物性特点逐渐有了了解和选择,认知到根据石头的硬度和断口可以判断什么石头可以做什么工具,所以石英、燧石或者硅质成分为主的岩石砾石或岩块就成为中国古人类最早通过选择后利用的岩石和矿物。

周口店北京人遗址的沉积物剖面,还清楚显示了一段直立人选择石料的演进过程。出土的石器由早到晚,质软粒粗的绿色砂岩减少而优质硬度大的石英和燧石大量增加(裴文中,1987;吴汝康和吴新智,1999)。此外,北京人制作石器的石英,除了石英砾石以外多数可能是从其驻地附近石炭纪—二叠纪砂页岩岩层中直接获取的脉石英;河套人所制作石器的石料也是从居住地几十公里以外的砾石层获得的(表1),说明北京人和河套人为了获得相对优质的石料已经懂得寻找并进行简单的手工采集活动。

世界其他地区古人类认识和选择石器石料的演进与中国相同。非洲由肯尼亚Lomekwi3遗址发现了迄今最早的古人类(约3.3Ma前)制作的粗糙石器,到埃塞俄比亚Gona遗址(2.6Ma前)发现的简易石器,再到阿尔及利亚Ain Boucherit遗址(2.4~1.9Ma)发现的石器,石料多样化且来源于驻地附近的砾石(表2)。

东非在67~63ka后高质量石料占绝大多数,大约65ka前非洲智人学会了制作微型石器并将其置于武器尖端,中石器时代整个非洲普遍可以制作高质量的石器,并且开始从异地获取高质量石料(黑曜岩、燧石和石英)(Lombard, 2011;Brooks, 2018;Shipton, 2018; Bahn, 2021)。

南非南部角(Southern cape)的Klipdrift Shelter遗址(Henshilwood et al., 2014)也揭露了一个智人(年代:63.5±5.1~60.0±4.0ka)选择石器石料的演进剖面,从剖面最下部的三个沉积层(PCA、PBE、PBD)以硅质砾岩占绝对多数,到其上部两个沉积层(PBC、PBA/PBB)则以石英和石英岩(石英明显多于石英岩)占绝对多数,最顶层两个沉积层石英岩和石英占多数。考古发现,石料中的大部分石英岩和部分石英是直接从驻地岩石壁上采集的。

西班牙阿塔普埃尔卡遗址的格兰多利纳洞穴发现了上百件由石英和燧石制作的石锤、石片、石核(1.0~0.8Ma,海德堡人的祖先)、胡瑟裂谷的海德堡人(0.4Ma)遗址发现了石英手斧。西班牙北部Vasco-Cantabrian地区考古发掘出的35~21ka的轻型石制品,石料主要为燧石(表2)。

表1 中国古人类制作石器和选择石料的演进

Table1 Artifacts and their raw materials from Paleolithic sites in China

表2 世界其他地区古人类制作石器和选择石料的演进

Table2 Artifacts and their raw materials from Paleolithic sites in other areas over the world

在上百万年寻找和选择高质量石料的过程中,不同色彩石头的美丽外观吸引了古人类,有的可以用来装饰,有的还可以染色。于是,各类彩石以及具有染色功能的矿物就被古人类纳入了特殊选择的范围,并由此开始追求多彩生活。这就是彩石-玉石-宝石-(金银器)的选择和发展历程,中国也因此开启了世界上独树一帜的玉石文化历史。

染色方面,最初引起古人类注意的是可以染手的红色和黑色(Brooks et al., 2018;Bahn,2021),红色是赭石(赤铁矿)、黑色是氧化锰(软锰矿)。这启发了古人类的想象力和对美的认识,开启了对美的追求历程:即简单装饰-符号和标记-岩画(绘画)-石雕(雕刻),乃至于文字的发明。

中国出土最早的玉器是在辽西(辽宁阜新查河)和内蒙东部(内蒙古敖汉旗兴隆洼)约8ka BP前的古人类聚落遗址和墓葬(周南泉,2008;卢兆荫,2011)。大致相同年代的河南新郑裴李岗文化墓葬中发现了绿松石项链和白色大理石管状石珠头饰、玉铲等饰物(唐锡仁和杨文衡, 2000;李宗山,2012)。

北京周口店山顶洞人的遗址,出土了有孔的石珠(白色钙质岩石)和砾石(绿色火成岩),以及鲕状的赤铁矿。其中一块赤铁矿的一个角已磨圆,显示要么像铅笔一样划,要么磨粉;还出现赤铁矿的染色痕迹,鲕状赤铁矿并非来自于周口店一带(裴文中,1935, 1987;吴汝康和吴新智,1999)。

非洲智人将赭石用做颜料和符号象征始于中石器时代的南非(Henshilwood et al., 2001, 2002, 2009; Watts, 2010; Bahn, 2021)和肯尼亚,并且原料多来自于异地(Dayet et al., 2013; Brooks et al., 2018)。澳大利亚北领地的马德杰贝(Madjedbebe)发现了可追溯至50ka前的赭石笔(Bahn,2021)。古埃及约在公元前5500~公元前3100年就流行用孔雀石和硅孔雀石的绿色做眼部化妆,约公元前2055年开始逐渐变为用方铅矿、软锰矿、磁铁矿、辉锑矿制作的黑色颜料(Duffin, 2013)。

在荷兰马斯特里赫特考古遗址,发现了250~200ka之前沉积层中存在赤铁矿,据推测赤铁矿是从几十公里之外获取的;法国佩钦.德.阿泽一号洞穴(Le Pech de' Azé l)遗址(60~50ka BP)中发现了大量的二氧化锰及氧化铁矿石,其中部分矿石的一端呈磨圆状类似于粉笔(Bahn,2021)。

旧石器时代,世界广大地区的古人类普遍学会了选择石料,这个过程是漫长的,选择的结果在全球具有高度的一致性,即以石英或石英为主要矿物成分,或者硅质成分居多以及含硅质成分的岩石砾石(如燧石、石英、石英砂岩、石英岩、蛋白石、玛瑙、黑曜岩、硅化的岩石等)成为了主选目标。伴随着古人类想象力和追求多彩生活欲望的增强,彩石和矿物颜料也同样成为了选择的目标。在选择石料的过程中,驻地附近没有则开始到稍远处寻找,砾石中没有就开始在驻地岩石壁中、附近岩层露头中采集,这种简单的手工采集就是矿业的萌芽。在这漫长的过程中,人类用石头敲碎了自身的蒙昧和野蛮,也敲开了智慧和文明的大门。

旧石器时代晚期到新石器时代,人类在选择石器的石料和改进石器制作技艺的基础上,大大增进了对矿物和岩石的认知,全球范围古人采掘和使用矿物岩石的事件在人类演化史中具有里程碑意义。

直立人制作的砍砸器、尖状器等简单石器是古人类狩猎最早的石制武器,在实际狩猎和应用武器中古人类逐渐摸索和认识到不同的石头可以制作不同种类(用途)和质量的武器,比如石球、石斧等。随着时间的演进,(狩猎)武器渐渐由工具中分离出来成为了专用武器。首先出现的是矛(如石矛),然后是弓箭,以及石钺、石戈等(李宗山,2012)。

我国已知最早的石(弓箭箭头的最早形态之一),是山西峙峪旧石器时代晚期遗址发现的(28ka BP前),是用燧石制作的。广西白莲洞遗址出土的石器中代表白莲洞Ⅱ期文化特点(大约28~10ka BP)的石器中也有燧石制作的石(李宗山,2012)。新石器时代,我国北方草原地带出现了用玛瑙、玉髓等制作的三角形箭头(夏湘蓉等,1980)。

300ka前,尼安德特人用燧石制作石片和狩猎武器;南非Howeieson's Poort遗址的石器表明大约70ka前已经开始使用综合武器系统(Bahn,2021)。非洲摩洛哥也发现了30~27ka BP前的“摩洛哥尖状器”,类似于石(李宗山,2012)。

石制专用武器是现代武器的雏形,从此,武器的演变历程即石制武器-青铜器武器-铁器武器(冷兵器时代)-火器武器(火药发明后)就拉开了序幕。

随着石器制作由打制向磨制过渡,石器制作技术有了质的提高并出现了凿孔、钻孔技术,古人类的狩猎和采集活动开始向农耕演进。我国广西白莲洞遗址出土的石器中代表白莲洞Ⅱ期文化特点的(大约28~10ka BP)、形体较大的穿孔砾石被认为是我国最早用于套在尖木棒下部挖取植物块根和刺穴点种的“重石”,“是农耕活动产生的重要迹象”(李宗山,2012)。20ka BP左右的山西下川文化遗址发现的石锯和距今8000多年前的裴李岗文化遗址发现的锯齿刃石镰、代表白莲洞Ⅰ期文化特点(大约10~8ka BP)的石器中的石斧、石铲和角锥等早期农业生产的简单工具(李宗山,2012),均表明了中国农耕时代始于10ka之前,起决定作用的关键因素就在于石器工具制作技术的进步和对石料的选择。

新石器时代早期内蒙古乌尔吉木仑河两岸的细石器遗址中发现了花岗岩和石灰岩制作的石犁(夏湘蓉等,1980)。甘肃秦安大地湾一期文化遗址中发现了主要用于收割稼禾等的半月形石刀及短柄双刃石刀,稍晚的分布于黄河流域及长江中下游地区众多考古遗址中出现了大量的石刀(包括双孔石刀、有柄石刀、半月形双孔石刀等)、石铲、石耜、石犁和耘田器等早期农业的各类工具(唐锡仁和杨文衡,2000;李宗山,2012),为农耕社会的发展和演进奠定了基础。

西亚的黎凡特地区,约旦河谷约18~12.5ka前凯巴拉文化遗址出土的凯巴拉刀、镰刀的刀刃是细石器制作的,处理植物食材用的是磨石;约10ka前以色列那图芬文化遗址有用石灰岩制作的磨石和玄武岩制作的研钵;约6ka前,埃及前王朝时期(Predynastic period)的木制镰刀的刀刃同样也是由插入木中的小石块制成锯齿状(Bahn,2021)。

叙利亚阿布胡赖拉地区的古人于约13ka之前开始种植裸麦。约10ka前撒哈拉沙漠东部乌为奈特山(Jebel Uweinat)中的艾因杜阿地区(Ain Dua)的岩画表明在那之前人类开始养殖家牛和家猪;约9ka之前墨西哥中部地区的先民已经种植出了玉米和南瓜,大约同时代希腊南部弗朗克提洞穴(Franchthi cave)的先民开始种植作物和养殖家畜(Bahn,2021)。

人类由狩猎和采集向农耕演进是人类演化史中的伟大变革,从挖掘和耕种(重石、石犁、石铲等)、收获(石镰、刀刃、石刀、石斧等)到食物制作(磨石、研钵等)无不需要相应的石器工具。因此,正是不同石料所制作的不同的石器才使得农耕时代和文化的演进和形成成为了可能。

中国山西西侯度发现了约1.8Ma前古人类最早开始用火的遗迹,四五十万年前的北京人遗址出现了烧石和炭块(表1),辽宁金牛山(0.28Ma之前)遗址也发现了烧土块和木炭(吴汝康和吴新智,1999)。中国的直立人在用火烤制食物和取暖的过程中发现了火还可以改变木头、石头乃至泥土的性状(裴文中,1987)。在由狩猎和采集向农耕时代过渡之中,智人吸取了早期古人类在选择石料过程中所积累的经验和认识、对火的控制和认识,发明了陶器,这是人类第一次通过化学过程改变黏土性状的伟大发明。这一发明的熊熊烈焰进而也点燃了用火熔炼矿物的伟大进程。

中国的先民在摸索中进而认识到通过淘洗黏土、添加砂岩粉末和石英粒可以提高陶器的质量,加矿物颜料可以增加陶器的色彩和美观,很难排除在这个过程中铜矿石也被尝试用火烧制的可能性。随着陶器的烧制,中国的先民又摸索出了陶釉、印纹硬陶,用高岭石黏土烧制白陶,最终发明了用高岭石黏土这种含铁低的黏土(即瓷土)在高温下(大约1200℃)烧制的原始瓷器(中国硅酸盐学会,1982;谢瑞琚和马文宽,2012),中国也因此而成为世界文明的陶瓷之国,同时也使人类进一步认识了火、陶土、瓷土甚至铜矿石的神奇。

中国江西仙人洞遗址的陶器最新的年代测定为20~19ka,并被认为是采集和狩猎者制作的(Wu Xiaohong et al.,2012);中国广西邕宁县顶狮山遗址的陶器年代为13.86~12.97ka BP,广西桂林市甑皮岩遗址一期的陶器年代为12.5~11.4ka BP(谢瑞琚和马文宽,2012)。约27ka前捷克的下维斯特尼采村的村民学会了陶艺,即下维斯特尼采的维纳斯赤陶雕像;美索不达米亚北部的哈苏纳先民约公元前7000年开始制作陶器;伏尔加河上游沿岸大约公元前6000年开始制作陶器,匈牙利巴拉顿湖区域的“线纹陶器”约公元前5500年开始出现,波罗的海周围发现的最早的陶器则可追溯至公元前5000年(Bahn,2021)。而中国山西夏县东下冯遗址发现的原始青瓷所在的文化层年代测定为公元前2289~公元前1989年(谢瑞琚和马文宽,2012)。

金属的使用始于大约10ka前,最早是金和铜,因其独特的颜色和光泽,开始可能主要用作装饰,即彩石。现土耳其安纳托利亚东南地区的先民是在公元前9000~公元前8000年开始冷锻自然铜以制作锥子、顶针和圆珠(Bahn,2021)。

最早冶炼铜的地区目前尚有不同表述(韩汝玢和柯俊,2007;Lynch, 2002)。符合逻辑的是最早出现制陶的地区最有可能是最早开始铜熔炼的地区。当然,自然火灾过后,可能会有出露地表的铜等金属矿被熔化的金属流出(Lucretius,2018),这也是先民得到熔炼金属的启发之一。由于铜矿石共生元素及矿物(常见锌、铅等)的特点,先民发现熔化含铜矿石可以得到比自然铜熔炼后更坚硬的黄铜(铜锌合金)或青铜(最早是铜铅合金,铜锡合金应该是在获得铜锌合金、铜铅合金之后才加入锡冶炼而得),这样,一个新的时代-青铜时代以及冶金术就诞生了。青铜时代,青铜逐渐替代了石器工具、礼器(包括祭祀用具)和石制武器,金属货币、青铜乐器和饰品等也从此诞生。

保加利亚的瓦尔纳市约公元前5000~公元前4450年的上百座墓穴出土了惊人的大批量黄金制品(包括象征权力的包金权杖)、铜器等;波兰北部大量约公元前5000~公元前4000年的墓穴中出土了铜制饰品,铜原料来自于喀尔巴阡山以南地区(Bahn,2021)。

古希腊公元前3000年及前后的古城遗址(如特洛伊和迈锡尼)发掘出大量金银珠宝、青铜器和陶器(Mackendrick,2000)。中国河南偃师二里头考古遗址(夏代)发掘出了大量制作精良的青铜器如铜爵、铜锛、铜凿、铜戈、铜钺、铜镞等以及坩埚片、铜渣和陶范(唐锡仁和杨文衡,2000)。甘肃东乡林家(马家窑文化,公元前3100~公元前2650年)出土了青铜刀(韩汝玢和柯俊, 2007),距今约4ka的北京昌平雪山遗址出土了金和铅首饰、甘肃玉门火烧沟墓地出土了金、银、铜首饰(唐锡仁和杨文衡,2000)。

当先民开始冶炼青铜之后,铁才逐渐被注意,因为冶炼陨铁或铁矿石的温度要远高于冶炼铜。西亚地区先民约公元前1200年开始冶炼铁(Bahn,2021)。中国最早的铁器是陨铁的锻造器物,而冶铁大约始于公元前900~公元前400年(韩汝玢和柯俊,2007)。由于铁器在工具和武器方面比青铜有显著的优点,在工具和武器方面迅速替代了青铜,铁器时代随之到来。

柏拉图笔下消失的岛国“亚特兰蒂斯”也许可以称为人类最早的城邦。幼发拉底河流域的阿布胡赖拉遗址(公元前11500~公元前7000年)的半地坑式房屋的墙基是用泥砖砌起来的,并且用石灰制作的灰泥铺制地板;巴勒斯坦的耶利哥古城(公元前10000~公元前7000年)的定居点用巨石和泥浆建造了外围的围墙,并用砾石和泥土建造了高塔;最早可以追索至公元前9600年之前的土耳其乌尔法省的哥贝克力石阵(神殿),是由数百个巨型石灰岩石柱建成的,并经过了精雕细刻;公元前5000年开始,马耳他群岛在两千多年内用石灰岩建造了几十座神庙,神庙的装饰则用抱球虫灰岩(Bahn,2021)。中国湖南澧县南岳村城头山古城址(6ka BP)的城墙是用土夯筑的(唐锡仁和杨文衡, 2000),中国仰韶文化的典型代表西安半坡的古人类聚落是由北方早期地穴-半地穴聚落建筑发展到地面聚落建筑的代表,其房屋主要由木骨草筋泥或者火烤草筋泥建成,木骨的加工主要靠石质工具完成(白云翔,2011)。

美索不达米亚的巴比伦尼亚和苏美尔地区的诸多古城,如号称史上第一座城市的伊拉克的乌鲁克(Uruk,今称为瓦尔卡,公元前4800~公元前2900年),今叙利亚境内的埃勃拉古城(公元前3000~公元前1600年)以及马里城和卡内什城(公元前2900~公元前1755年),其宏伟建筑大多用泥砖以及烧制的黏土以及异地的花岗岩等建成;古埃及的数十座金字塔(建于公元前4000~公元前1000年)外侧表面多是由石灰岩、花岗岩立方体垒起来的,金字塔内部有砂岩、灰岩、石英岩、玄武岩、花岗岩、闪长岩和方解石块体等石材(Pliny,1962;Rolinson,2018)。古埃及的古城(公元前3300~约公元前1100年)、印度河流域的当时世界最大的城市摩亨佐-达罗古城(公元前2600~约公元前1900年)则主要由泥砖和烧制的砖块建成(Bahn,2021)。

公元前5000~公元前2000年,欧洲由北到南建造了上千处巨石建筑,如遍布各地的巨石墓穴、石桌坟和巨石阵,所用石材是砂岩和砾岩,著名的英格兰南部Salisbury Plan的巨石阵(Stonehenge)就是由砾岩和砂岩建造的,这些巨石建筑的石材都是异地采掘的,有的采石场甚至位于二百多公里以外(Louboutin, 2001;Bahn,2021)。

古希腊、古罗马那些消失的古城以及尚存的残垣断壁,都是由采自异地的大理岩、花岗岩、火山岩及杂砂岩建造的(Caley and Richards, 1956;Pliny, 1962;Mackendrick,2000; Burgan,2014)。

石器时代人类广泛开展的简单采掘活动、使用矿物和岩石的这些划时代进展,标志着人类在对矿物岩石上百万年的选择和认知中,智慧的大爆发和人类文明根基的建立。

石器时代,从中国的北京人和河套人的异地采集石英、燧石,到非洲智人由驻地岩石壁中采集石英岩和石英、异地获取黑曜岩、燧石和赭石的矿业萌芽开始,人类一万多年前采掘和淘洗黏土烧制陶器、公元前9600年前采掘巨石,到新石器时代各类采石场,表明石器时代就存在了一定规模的采掘活动。

公元前7000年西亚地区开始熔炼铜矿石,欧洲东南部的先民大约在公元前6000年开始从矿石中冶炼铜(Bahn,2021),中国陕西临潼姜寨出土了大约公元前4675±135年的黄铜片(韩汝玢和柯俊,2007)。研究表明继西亚和东欧之后,冶炼技术是在诸如撒哈拉以南的非洲、东南亚、西欧以及中国北方各自独立发展起来的(Lynch, 2002)。公元前4500年前后,巴尔干半岛如保加利亚艾伊布纳尔和塞尔维亚鲁德纳格拉瓦开始开采铜矿,伊比利亚半岛大约公元前3000年开始开采和冶炼铜,爱尔兰的罗斯岛(Ross Island)大约公元前2400年开始开采铜矿(Bahn,2021)。

中国仰韶文化(公元前4515~公元前2460年)沿黄河流域诸多遗址,如河南新郑的裴李岗和河北武安的磁山,发掘出的烧陶窑址达数十座。商周时期开始在黄河流域和长江流域用高岭土烧制原始瓷器(中国硅酸盐学会,1982;谢瑞琚和马文宽,2012)。中国辽宁内蒙一带红山文化遗址(约公元前4000~公元前3000年)、长江中下游良渚文化遗址(约公元前5300~公元前4200年)以及河姆渡文化遗址(约公元前7000~公元前5300年)都有大量的玉器出土(唐锡仁和杨文衡, 2000; 卢兆荫,2011)。

中国发现的夏代冶铸遗址遗物(如河南偃师二里头、辽宁牛河梁、山东牟平照格庄、河北唐山小官庄雹神庙、北京昌平雪山和房山琉璃河、天津蓟县张家园、内蒙古宁城小榆树林子、甘肃玉门火烧沟)(韩汝玢和柯俊,2007),表明夏代就存在地表铜矿的采掘活动。《禹贡》记载禹帝时代青州(泰山)出产并进贡铅、扬州出产进贡金三品(金、银、铜)和玉石、荆州出产进贡金三品和丹砂、华山以南的梁州出产进贡金、铁、银和镂钢(周光华,2013)。

中国发掘出的商代铜矿旧址湖北大冶的铜绿山和江西瑞昌的铜岭,均由地表开采再转入地下开采,且都有较为先进的井巷开拓系统、井下支护、排水和通风等的技术(韩汝玢和柯俊,2007)。青铜业是中国商代最重要的手工业,生产规模和工艺技术已达到相当高的水平,以河南安阳出土的重达875kg的司母戊大方鼎,以及三星堆出土的高近4m的青铜神树和众多神奇的青铜人像等为代表,西周则达到了鼎盛时期(夏湘蓉等,1980;曹淑琴和殷玮璋, 2012)。

《山海经》五卷《山经》中提到最多的矿产是玉,包括白玉等各种玉约230处;其他依次是金(约135处)、铁(约49处)、铜(约42处)、银(约16处)、锡(约5处),以及雌黄、雄黄等数十种金属和非金属矿产地(袁珂,2014)。据章鸿钊(1954)、夏湘蓉等(1980)考证,《山海经·西山经》中陕西境内的符禺山(渭南)及以西的石脆山、石胞山(华县)、松果山(华阴)、阳华山(华阴)、蛊尾山(洛南)、羭次山(长安)、盂山(榆林)均有铜矿产出。

战国时代全国有据可查的金属矿(铁、铜、锡、铅、银、金、汞)有108处,井盐在四川也大量开凿,铜的产量可能已达数十吨(夏湘蓉等,1980)。公元前4世纪,中国开始利用石油和天然气(Shen Yonghe,2000)。煤在中国作为燃料使用,始于公元前1世纪,而作为冶炼用燃料的记载始于公元5~6世纪(韩汝玢和柯俊,2007)。

古希腊时代在其域内及周边地区存在众多开采的矿(许多历经数百年甚至更长的时间),其中古希腊域内有:Lampsakos的金矿、Mt.Tmolos的金矿、塞浦路斯的铜矿(古希腊人大约公元前1500年之前因为那里发现铜矿后大量移居该岛并称其为塞浦路斯,即铜矿)、Chalcedonians岛(可能是现在的Khalki)的Demonesos铜矿、Scythian(斯基泰)的Badakshan铜矿、Ceos(岛)的铁矿(如Spathi,Oriko)、雅典数处(如Agora)开采红赭石和黄赭石、Laurion地区和Attica的黄赭石、Lemnos岛的赭石、Sinope(Sinop)岛的赭石、Mt.Athos的石膏、Kimolos岛的海泡石、Melos和Samos(岛)开采白色的土以及高岭石、Euboea岛的Karystos石棉矿和塞浦路斯的Mt.Troodos石棉矿、Thrace(Thasos岛对面)的Scaptē Hylē矿区。小亚细亚地区:Cappadocia的铁矿、Iconium的辰砂矿。高加索地区:Colchis(科尔基斯)的辰砂矿。伊比利亚半岛除铜以外也在开采铅矿和银矿(Pliny, 1952, 1962; Caley and Richards,1956)。

人类对矿物和岩石早期的采掘和开采、烧陶烧瓷、金属冶炼及锻造熔铸等,尽管是以作坊式及手工业为主,但显然已具有了一定的规模并且遍布全球。正是它们奠定了早期人类社会发展的工业和社会经济基础,同时也为人类认识矿物岩石及其变化、认识和探寻天地“孕育”矿物和岩石的奥秘打开了大门。

历经了上百万年石器时代、青铜器时代和铁器时代的漫长演进,人类逐渐摆脱了野蛮和蒙昧。这一切无不得益于对矿物岩石的选择和认知、得益于对金属的利用和认知,得益于通过火使矿物及矿石转变为新物质的这一神奇过程的认知。也正是矿物岩石上百万年以来所呈现在人类面前的神奇和千变万化,使得人类对矿物岩石及其赖以存在的天地产生了无比的好奇和崇拜。仰望星空,俯瞰大地,日月同辉,广博地球,自然万物,山脉江河,矿物岩石,这一切究竟由何而来?

中国的先哲们对天地万物的观察和认知是与人的生命紧密相关的,从《周易》之阴阳八卦象征和代表大自然以及指出万物依序而变,到老聃(公元前571年~?)的“有物混成,先天地生。”、“人法地,地法天,天法道,道法自然。”(冯友兰,2010),再到庄周(公元前369~公元前286年)的“天有六极五常”(东南西北上下,金木水火土;曹基础,1982),中国道家先哲观察和思索天地自然、崇尚并顺应天地自然。

《尚书·禹贡》(成书于西周)最早画出了黄河长江主要江河自西向东流入大海,提到了海盐、铅矿、怪石、五色土、金三品(金、银、铜)、丹砂、锡、玉石、铁等矿物(周光华,2013)。《山海经》按照东西南北中罗列了山川大海、动物、植物和矿产(袁珂,2014)。

刘安(公元前179~公元前122年)在《淮南子》中论述宇宙和天地成因时指出,宇宙大气中“重浊者凝滞而为地”,大地接受积水和尘埃,并指出大地西高东低,西部山高谷深,江河冲刷深切大地;刘安进而测天测地,指出“东西为纬,南北为经”(陈广忠,2012)。

公元前六、七世纪,古希腊的先哲们同样也在思索,他们几乎都关注和思索石头、矿物和金属,关注地球变化。

泰勒斯(Thales,活跃于公元前585年)认为水是万物的本源,大地是浮在水之上的;阿纳克西美尼(Anaximenes,活跃于公元前535年)认为气乃万物之源;赫拉克利特(Heraclitus,活跃于公元前500年)则认为世界既没有开端,也没有结束,而是最终由火构成;恩培多可勒(Empedocles,活跃于公元前450年)提出宇宙物质的本原是四种元素(或所谓的“根”):火、气、土、水。留基伯(Leucippus,活跃于公元前440年)和德谟克利特(Democritus,活跃于公元前410年)则认为世界是由随机运动的无穷多个微小原子构成的(Lioyd,2015;Lindberg,2019)。

毕达哥拉斯(Pythagoras,约公元前570年~?)常常隐居于山洞,坐在石头上思考石头究竟是由何构成的,他从空间、时间、事物的结构和相互关系多维度,悟出了“万物皆数”的结论(李斯,2017)。毕达哥拉斯根据河谷的切割注意到了地面的抬升和沉降,并且指出了地球内部的热状态(Woodward,1911)。罗马诗人Ovid在其《变化》(Metamorphoses)中引用毕达哥拉斯关于自然变化时的描述:昔时陆地,今为海水淹没,新陆地乃由深海露出。······爱德纳火山今日虽如硫炉喷发,然在昔日必有静止之时······(叶良辅,2011)。

柏拉图(Plato,公元前427~公元前347年)在其对话录Timaeus中持有与中国先哲们相同的生命与宇宙相通的思想,他提出大地是球形的、被球形的天体所包围。他在天球上定义了不同的圆,标出了太阳、月亮、和其他行星(金星、水星、火星、土星、木星)的运行轨道。他将宇宙物质四元素表达为数学组分,用当时已认知的五种几何多面体来对应这四元素和宇宙,以解释物质的变化、多样性,以及相互间的转化(Jowett,2008;Lioyd,2015;Lindberg,2019)。

亚里士多德(Aristotle,公元前384~公元前322年)则在其《天象论》中提出了以地球为中心的宇宙模型,由地球(中心)向外划分了水圈、气圈、火圈、以太、恒星天。亚氏根据山中观察到的鱼化石和埃及尼罗河的变迁,以及柏拉图Timaeus里提到的消失的亚特兰蒂斯岛国,认识到(卷一章十四):“大陆与海洋也更换位置,一个区域不永久是陆地,另一个区域也不永久是大海;现今正乃汪洋之处,在另一时期,那里却是旱陆”,“大地的增长与消失,整个自然变化的过程是缓慢的······既然没有谁能着录这一过程的何始何终,世人于这样的演变,就总是失察的”。亚氏对于(卷四章一)火、气、土、水物质四元素,认为火和气具有主动性,是阳性的;土和水具有被动性,是阴性的(Aristotle,1999)。

古罗马的卢克莱修(Lucretius,公元前99~公元前55年)反驳了有关物质四元素构成论以及以地球为中心的宇宙论,继承并发展了早期的原子论,认为物质必由“初始基”即原子构成,并论述了原子的形式、结合和运动,他还认为宇宙无中心无边界但有终结、还存在与地球相同的新的天地(星球);卢克莱修对于生命和天地的论述(天为父、地为母)也与中国最早的哲学思想是相同的(Lucretius,2018)。

显然,东西方的先哲们都在思索天地万物及其变化,观察山川河流以及矿物岩石。中国大陆作为欧亚板块的一部分,自印度板块与藏滇板块于新生代早期拼接以来即为陆内发展阶段(现代板块体制范畴)(Shen Yonghe,2000;Cheng Yuqi,2000),渤海、黄海和东海均为陆缘海,中东部在地质上相对要稳定得多。中国的先哲们身处中国的中原以及长江中下游地区,遵循着天人合一的理念和秉持着顺乎自然的思想去思索和认识天地万物。

古希腊古罗马的先哲们身处地中海沿岸及爱琴海周边地区,地中海是欧亚板块与非洲板块、阿拉伯板块的边界地带,是板块边缘的地震活动带和岩浆(火山)活动带,其西侧濒临大西洋。板块边缘地震带的地震发生频率比较高,而板内的沿深大断裂带发生的大地震其间隔时间一般很长,可能是数百年甚至数千年(Kearey et al.,2009)。所以,地中海沿岸及爱琴海周边地区地质上十分活跃,火山和地震活动频繁,海啸、风暴甚至海陆变迁等等地质灾变频发且多样,如叶良辅(2011)所说,古希腊以及古罗马的先哲们居于观察自然界及变化的十分优越的位置。当然,他们不仅思索宇宙万物起源,也思索物质组成,更探究其原因。

毫无疑问,东西方先哲们的观察和思索为探索地球和岩石矿物成因、以及地质学的最终的诞生奠定了认知和思辨的基础,正如Julius Schvarcz(1868)指出:这些哲学家“Contributed,for the most part of course unwillingly, or at least unconsciously, to the foundation of geology, by collecting data of modern changes within the range of their own observation”(在他们所观察的范围内积累的有关现代变化的资料,实非他们所愿望地或至少并非有意识地为地质学的奠基作出了贡献)(Woodward, 1911)。

中国战国时代的《山海经》将金属和矿物的产出与山关联,引大禹之言“天下名山,经五千三百七十山······出铜之山四百六十七、出铁之山三千六百九十”。《山经》中提到了黄金(包括产于河中的沙金)、磁石、赤铜、雌黄、雄黄、文石、朱砂、石墨、石膏、白垩(黄垩、青垩)、陶土、磨刀石、砭石、磐石(乐石)、石涅等金属和非金属矿物60多种,还指出了矿的上下、阳坡阴坡的产出特征,比如上金下铜、上玉下金、上铜下银、阳坡有金阴坡有铁等等(唐锡仁和杨文衡,2000;袁珂,2014)。西汉时期的刘安在《淮南子》中指出矿物的形成是五方之土所成的气形成的(陈广忠,2012)。

柏拉图在对话录Timaeus中论述了固体的熔化(Melting)和流体(Fluid)的形成、冷却和固结。他认为石头和土是水凝结的产物,石头和土熔融并过热后形成火,火转化为空气,再转化为水,这样相互转化和循环。他进一步论述金和铜都是可熔的液体在岩石中渗滤并凝固而成,而形成铜的液体比金的密度大或更稠(One of the bright and denser kinds of water)。柏拉图在不同的著作中还论述了具有磁力的磁石和琥珀、试金石以及用火检验金(Jowett,2008)。

迪奥真尼斯(Diogenes,公元前412~公元前322年)未保存下来的著作曾论述过矿山;出生于叙利亚的古希腊哲学家Posidonius(约公元前135~公元前51年)研究过西班牙的金属矿,并对岩石感兴趣,但遗憾的是他的著作(古罗马的卢克莱修的《物性论》引用过)也未保留下来(Caley and Richards,1956)。

亚里士多德在其《天象论》中认为(卷三章六):大地内部有两种嘘出物(此为希腊语汉译本,原著英译本中用的词语是Exhalation),一为蒸汽物质(湿的),另一为烟气物质(干的);干嘘气产生所有各种“石质矿”,例如各种不为火所熔融的石块——雄黄(或雌黄)、红赭石(黄赭石)、红矿粉、硫磺,以及所有这一种属的其他矿石;大多数的石质矿是具有相似成分所形成的有色灰尘或石块,例如朱砂。“金属矿”则是湿嘘汽的产物,是可以火熔的,且可压延的,例如铁、金、铜,它们都是湿嘘汽被封闭了的产物,特别是封闭于石块内的、为石块的干性压得紧实之后,使之结成为固体,即金属在湿性分离以前就凝固了;所以一切金属亦涵有干嘘出物,都可用火炼,唯金例外,金不怕火炼。亚氏认为(卷四章六),铁经过反复冶铸和去除杂质后就炼成了钢(Aristotle,1999)。

泰奥弗拉斯托斯(Theophrastus, 公元前371~公元前286年)相信亚里士多德关于金属矿和石质矿的成因说,在了解和观察已有的银、铜、金、铁和石膏等矿和开采出的各种石头(矿物),以及采自河床重砂矿物的基础上,写成了史上第一部论述岩石矿物的《石头论》。他提出金属形成于水、石头形成于泥土,包括金属和石头在内的大地上的质料(Substances)通常是由纯净而均匀的物质以汇流(Conflux)或渗滤(Percolation)方式形成的,有些可能以热的方式固结而有些则以冷的方式固结。石头的颜色、光滑度、密度、光泽度、透明度等特质取决于形成和固结的精确性,石头的某些特质还取决于质料之间相互的作用力,比如(磁)吸力、吸水性、可熔性以及是否可以被铁所切割等(Caley and Richards,1956)。

《石头论》以类似于现代矿物学分类的方式,按照“石头”和“土”两大类(石头中又可分出金属与石头),并根据矿物的特征、成因及产出特点逐一的论述了各种矿物及其名称,如孔雀石、蓝铜矿、赭石、辰砂、雌黄、雄黄、水晶、玛瑙、石榴石、刚玉(尖晶石)、碧玉、祖母绿、大理岩、黑曜岩、浮石(浮岩)、(石质)沥青、褐煤等。《石头论》论述了地下开采的金属矿脉、露天采坑中的石膏脉以及许多矿物的产出特点(如朱砂与汞的共生等)。有些石头(矿物)的命名含有成因意义,如泰氏认为水晶是冷凝固结而成,像冰一样,因此称其为水晶;赤铁矿的名称则是因为其颜色而来;他还描述了部分石头(如石榴石/尖晶石)的六面体特点。泰氏可能是最早注意褐煤并认识到其可燃性的。

泰氏根据石头中所见的鲕状结构以及有些矿物的大小晶体相连(如晶洞中所见)的情况,还提出石头最大最重要的力量(Power)是可以生小石头。他认为有的石头是由另一种石头转化而成的,比如对于塞浦路斯有种石头一半呈现绿色一半无色时认为这是石头在其液态中(Watery state)尚未完全转化。泰氏还提到了一种石化的印度竹子或芦苇(Indian reed),与红色珊瑚一起归为特殊的石头(泰氏在描述珊瑚时尚不能确定其是否应归为石头)。泰氏对于某些石头的形成也似有新的思考(不同于亚里士多德),他提到有人亲眼所见而认为产于火山口的浮石完全是燃烧所成,所以泰氏认为不同产地和是否燃烧的浮石特点不同。

中国的炼丹术,是在道家哲学思想影响之下产生的(Davis,1930; Holmyard,1957;Needham,2010, 2018c),最早可以追索到公元前4世纪的春秋战国时期(Needham,2010)。炼丹术包括了三个方面:炼金丹(长生不老药)、炼金银、炼丹药;中国的古人一方面浪漫地追求与天地同在,期望化腐朽为神奇,一方面又期望从石头中炼化得金银。需要说明的是,炼丹术各种著作中的“黄金”和“白银”其含义与今天的黄金和白银并无二致,但古人所述的金和银在成色或纯度上自然不能与今同日而语。当然正如我们所知,尽管他们(也包括炼金术士)从来没有炼得真正的黄金和白银,但却执着探索了两千多年。

中国炼丹术的重要人物葛洪(283~343年)所著的《抱朴子内篇》被称为自西汉迄东晋中国炼丹术早期活动和成就的基本概括和全面总结(赵匡华和蔡景峰,1992),《抱朴子内篇·金丹卷》介绍了《皇帝九鼎神丹经》与《太清神丹经》中的丹方和炼制方法,《抱朴子内篇·黄白卷》则主要介绍了如何将铜、锡、汞、铁等金属炼制为黄金和白银的方法(张松辉,2011)。中国的炼丹术士显然也受益于金属冶炼术的启发,相信多种矿物一起通过火炼可以转变为新的物质(矿物)。《抱朴子内篇·金丹卷》论述到:“凡草木烧之即烬,而丹砂烧之成水银,积变又还成丹砂”(张松辉,2011)。这就是硫化汞与氧反应生成汞、反之汞与硫结合生成硫化汞的化学反应。早在葛洪之前,西汉时期的《淮南子》就曾根据炼丹所用矿物论述了它们之间的转化(陈广忠,2012);东汉时期的《神龙本草经》中有丹砂“能化为汞”的论述,其中上品药和中品药有近三十种矿物,大多数都是炼丹所用的矿物(杨鹏举,2007)。

中国的炼丹术前后持续了上千年,它无疑开创了人类实验科学和化学的先河,产生了许多著述和大量的试验配方(包括中药丹方)。大约3~4世纪发现了含硝石、硫磺、雄黄等的可燃丹方,7世纪发明火药配方(Needham,2005)。据称,约702~765年间阿拉伯人从中国获得炼丹术(张觉人,2009),但目前尚未发现确凿的文字记载。然而,5世纪阿拉伯人就与中国开始了交往,第一批波斯使节是公元455年到达中国的,整个唐代中国与阿拉伯人的交往是非常密切的,并且有波斯人在中国招募炼丹家炼丹的故事记叙,波斯的医学家拉施德丁·哈姆达尼(Rashïd al-Dïn al-Hamdänï, 1247~1318年)编著的《伊尔汗的中国科学宝藏》中就有八卦图的应用(Needham,2018b),而阿拉伯的炼金术士们普遍受中国道家哲学思想的影响(Holmyard,1957;Needham,2010, 2011, 2018c)。

据Principe(2018),大约3世纪古埃及的先人们受古希腊先哲有关物质起源、变化和转化思想的影响,从探索金属的染色开始,进而期望得到贵重金属特别是黄金,开启了持续千年的炼金术。大约750年之后炼金术传入阿拉伯,大约1144年后炼金术传入欧洲,在欧洲炼金术主要开展的方向是期望将贱金属变为金和银,即所谓的金属的嬗变(Lindberg,2019)。期间也有无数炼金术士、科学家(包括英国的牛顿、德国的大Albertus等)甚至医生著述了无数的有关炼金术及相关的著作。实质上,中世纪以后阿拉伯和欧洲开展的炼金术与《抱朴子内篇·黄白卷》中的将铜、锡、汞、铁等金属炼制为黄金和白银的实践完全类同,不同的是后来欧洲的实验条件和设备有了极大的改进。大约1543年,德国炼金术士在实验中发明了金属的熔离分离技术(Lynch,2002)。

阿拉伯炼金术士们进行了长期不懈的探索(Holmyard,1957;Nasr,1993;Principe,2018)。最著名的阿拉伯炼金术士Jabir ibn-Hayyan(约720~808/812/815年,据称有好几位同名者)坚信金属形成于天体影响之下的地球,是硫(干和热的“性质”)和汞(冷和湿“性质”)结合的产物,提出了著名的汞-硫理论。他认为之所以有不同的金属,是因为硫和汞的纯度、比例不同,如果二者以完美的纯度结合并能达到完全的自然平衡,其产物就是最完美的金(Holmyard,1957)。而Jabir的理论尤其是汞-硫理论不仅对另一位伊斯兰世界的医学家和博物学家Abu Ali al-Husayn ibn Abdallah ibn Sina(欧洲称为Avicenna:约980~1037年)产生了重要影响(见后),而且对欧洲中世纪至十七世纪的炼金术活动和矿物成因的探索也影响深远。Avicenna也曾是一位炼金术士,但是他明确的否认可以人为地改变金属(即金属的嬗变),最多是可以改变金属的表面颜色。

有理由相信阿拉伯的炼金术士们是从中国炼丹术所采用的多种矿物(包括丹砂、水银、硫磺等)一起烧炼之中得到启发,悟出了汞硫理论和金属成因理论,是中世纪早期地质科学探索中最有价值的理论。实际上,将汞替换为金属特别是贱金属和贵金属,就是现代金属矿床成矿理论中成矿物质的核心内容:金属与硫。无容置疑,炼丹术、炼金术及东西方先人们为此而付出的探索(包括无数人为此付出的生命),为现代实验科学和化学、矿物学及成矿理论的建立都做出了不可磨灭的贡献。

古罗马的卢克莱修在《物性论》中认为物质的性状由构成物质的原子的大小、形状、姿态、排列和运动方式决定,也与原子的形式及其结合方式有关。比如固体物质中最硬的金刚石、其次燧石、铁块、铜必是因其原子结合的紧密程度不同而坚硬程度不同,而流体、烟、火由于构成的原子的形式不同而可以穿透石头,如伊特那峰(火山)喷出的火焰,它的喷发还带来了黄金(Lucretius,2018)。

古罗马的普林尼(Pliny the Elder, 23~79年)查阅了前人约2000部著作,摘录了20000条信息,写成了《自然史》,他本人则在意大利维苏威火山爆发中前去营救被困者而身故。普林尼《自然史》第33~35卷(Pliny,1952)从实用的角度详细论述了金属(金、银、铜、铅、锌、铁、锑)的性质和用途特别是在医学和艺术方面的应用,以及金属矿物、金属矿床、金属的熔炼和焊接、矿物颜料及其制备和染色、试金的来历。他指出金主要来自沙金、竖井开采和长距离平硐开采,竖井开采主要采分布于大理岩矿物晶粒间的金,山金开采中常常遇到燧石,而且金往往是被其他金属矿物所焊接(即金嵌布于其他金属矿物中或晶粒间);银矿和铅矿共生,采银时遇到明矾就会终止,但后来又发现明矾下面往往存在铜矿脉。

普林尼在论述山脉时写道:自然为了本身的利益,用最坚硬的物质构成了山脉,作为地球的格架牢固地把持住地球内部各部分,并抵御江河的暴虐、冲破大洋的威力,使其能够抑制自身最不稳定的因素。《自然史》第36卷论述了许多岩石如斑岩、蛇纹岩、杂砂岩、珊瑚灰岩、花岗岩、大理岩等以及众多矿物,对于火的神奇给予了特别论述:火改变物质的性状几乎是无限度的,有些物质通过火而变得有价值(Pliny,1962)。普林尼在论述西班牙人用竖井开采地下深处的云母时指出,云母在地下大致呈独立的块体被包在岩石中,易于采掘;他进而指出这是由液体如同水晶一样因地球的嘘气被冷凝固化而成。

普林尼在《自然史》第37卷着重论述了各种宝石,他指出萤石是液体在地下通过热(作用)而固结,相反水晶则是极度冰冷下固结,有专家熟悉哪些标志可以指示水晶的存在(Pliny,1962)。在描述金刚石时,普林尼认为就宝石而言它是最有价值的,他描述了金刚石的六方面形。普林尼在描述祖母绿时,提到了包体;在描述水晶时提到了固结在晶体内的汽(液)泡。

中世纪的欧洲涌现了较多的博物学论著,比如《物性论》、《自然史》等,石头、矿物和金属等是这些著作的一个主要部分。其他的学者主要包括:塞维利亚的Isidore (约560~636年),德国的Rabanus Maurus Magnentius(约780~856年),英国的Venerable Bede(卒于735年),法国的Hildgard von Bingen(约1098~1179年),比利时的Thomas Cantimpratensis(约1201年~?),德国的Bartholomaeus Anglicus(出生于英国,约12世纪末~?)、Vincent de Beauvais(约1194~1264年)和Albertus Magnus(约1193/1206~1280年),英国的Alexader Neckam(约1157~1227年),法国的Konrad von Megenberg(约1309~1374年)等(Adams,1938;Duffin,2013;Lindberg,2019)。中世纪后期直到十七世纪欧洲和阿拉伯还出现了众多的宝(玉)石(Lapideries)著作,描述金属和宝石等的医用、魔力以及神秘特点(Adams,1938;Duffin,2013)。

迄今为止,已发现的历史记载最早的,是在古埃及时代矿物就被用于医药。古埃及莎草纸就有矿物药用的记载,如Ebers莎草纸(写于约公元前1534年或更早)(Lindberg,2019)。古印度矿物药用的历史可以追索至约公元前1700~公元前1100年,中国矿物药用最早可以追索到约公元前1600~公元前1100年的商代,古巴比伦地区的矿物药用则可以追索至公元前912~公元前612年(Duffin,2013)。中国周代的《周礼.疡医》、汉代的《神农本草经》、魏晋南北朝时代的《吴普本草》和《本草集注》、唐代的《金石簿五九数决》和《石药尔雅》以及《本草拾遗》、明代李时珍的《本草纲目》等都有矿物(所谓金石)药用的具体描述;《金石簿五九数决》还记载有金属矿物共生组合:如黄铁矿(黄花石)与铜矿、蓝铜矿(空青)与孔雀石(绿青)共生,《本草拾遗》记载了粉子石(氧化带的铁和铜的氧化物)与黄金的上下共生关系(唐锡仁和杨文衡,2000;Duffin, 2013; Needham,2018a)。

据Duffin(2013),古希腊的医学家Dioscorides(活跃于40~80年)在其医学著作《药物论》(The Materials of Medicine)中描述了近百种矿物和部分金属、部分矿物的结构以及矿物的治疗功用;Galen(约129~200年)在其《基本药物的混合和特性》(On Mixtures and Properties of Simple Drugs)中描述了石头和金属;Damigeron(活跃于公元前2世纪)写了描述石头奇妙特性的论著The Virtues of Stones。Diodorus(活跃于公元前1世纪)受Posidonius的启发,提出了石头(矿物)的成因(Caley and Richards,1956)。

伊斯兰世界早期的医学家如Muhammad ibn Zakariya Razi(Rhazes:约865~925年)、Abul Qasim Khalaf ibn al-Abbas al-Zahrawi(Abulcasis: 约936~1013年)、Abu al-Rayham Muhammad ibn Ahmad al-Biruni(Alberonius: 约973~1048年)、Abu Ali al-Husayn ibn Abdallah ibn Sina(Avicenna)、Ahmad ibn Yusuf al-Tifachi(约1184~1253年)都在其医学著作中描述了矿物(金属)的治疗功用,Avicenna对矿物和金属乃至于地质学方面进行了详尽的成因探讨(见后),Ahmad ibn Yusuf al-Tifachi则专门写了一本贵重石头特性的论著Best Thoughts on the Best Stons(Duffin,2013)。

来自波斯的Avicenna是伊斯兰最伟大的医学家和博物学家,也称得上是中世纪最伟大的科学家之一。Avicenna深受阿拉伯地区广泛开展的炼金术的影响,尤其是完全接受前述Jabir的汞-硫理论。他继承和发展了古希腊自然哲学思想,同时也结合了来自中国的哲学思想而形成了他自己的宇宙论,也正是在这样的宇宙观的基础上,他开展了广泛的包括医学、自然、生物、陨石、山川地震、矿物和岩石及其变化的研究,并自己进行实验。他在其《诊疗论》中论述了矿物、岩石以及金属的成因,并对矿物提出了明确的分类(Holmyard,1957;Nasr,1993;Junaid, 2015)。

Avicenna认为石头有两种成因:通过黏土的硬化或由水域的凝结。大的石头是大量的黏土在突然的强烈的热作用下形成,或者是经过漫长的时间一点一点形成。他提出山脉与石头成因相同,即黏土经过长久时间的胶合、干化和石化并沉入大洋之下,然后逐渐暴露出海平面;或者是在水下受海底之下的强烈的热作用下石化;他还认为化石是动物和植物石化的产物,是在石头的局部或者突然的地震和沉降引起的增强了的强烈的矿化和石化作用(Mineralizing and petrifying)下形成的(Holmyard,1957;Nasr,1993)。

Avicenna坚信亚里士多德的地球喷气说,认为矿物是地球喷出的气(烟气)或蒸汽作用的产物。部分矿物如硫磺和卤砂(Sal-ammoniac)含气占多,绿宝石和红宝石含蒸汽占多。对于金属的成因,他完全赞同Jabir的理论,认为是硫和汞以不同的比例和纯度结合的产物。硫对于Avicenna而言,正如现代矿物学中的化学元素一样是他理论的基础,所以他进而将矿物进行了明确的分类:① 石头;② 可熔的;③ 硫磺;④ 盐。它们之间的不同取决于构成物质的强度(Holmyard,1957;Nasr,1993;Junaid, 2015)。

早期的博物学家和医学家尤其后者是继东西方先哲之后,主要通过观察和实践(包括实验)研究探索矿物和岩石的性质、功用以及成因的自然科学家,为现代医学、矿物学和地质学的诞生积累了宝贵的基础资料和实践经验,可以认为早期的博物学和医学是现代医学、矿物学和地质学的前身。

中世纪,在整个欧洲以及拜占庭时代的希腊,自然科学的发展处在一个黯淡无光的时代,值得庆幸的有两点:一是保存、翻译(翻译古希腊的著作和阿拉伯的著作)和继承传统未间断;二是金属和煤炭矿业并未停顿不前。

十世纪后半叶金属矿业在欧洲获得了长足的发展,德国(或者德语区)是当时的引领者和矿业发展的中心。中世纪中后期欧洲存在许多重要的矿业集中区域:比如不列颠西部的锡,西班牙小方山地区的铜银铅汞,法国的阿登高地的铅,东阿尔卑斯和巴尔干半岛的银铅金,斯堪的纳维亚的铜银,德国北部哈尔茨山的铜铅银,撒克逊的Erzgebirge、波西米亚和斯洛伐克的银铅汞铁等金属矿业。中世纪欧洲第一个矿业高峰是在1170年前后随着撒克逊的Freiberg发现了富银矿而开始,持续到十四世纪。撒克逊的Erzgebirge也成为了辐射整个欧洲的矿业技术和培训中心,到十六世纪冶炼技术(特别是鼓风炉、金属分离等)、采矿技术(特别是矿井通风、井下排水、井下爆破、罗盘使用等)、矿业立法、采矿权地、矿业社区和城镇发展等都有非常大的进展。十六世纪前半叶欧洲的矿业发展达到了当时的巅峰,特别是银和铜金属的矿业,其中1526~1535年期间中部欧洲的矿山银年产量所创下的记录一直保持到十九世纪中叶,1525年据估计原神圣罗马帝国范围内采矿和冶炼的从业人员达到了10万人(Connolly, 2005)。

金属矿业的蓬勃发展,使得欧洲的森林急剧减少,十二世纪晚期,由于燃料紧缺,英国人想起了曾经在罗马统治时期被用作宝石的煤是可以燃烧的,而恰恰英国煤炭资源又极为丰富,于是英国开始开采煤炭,煤矿业逐渐成为了英国的支柱工业。1678年英国人发明了铅冶炼用的反射炉并很快应用到铜、锡以及铁的冶炼,煤替代了木材成为冶炼用燃料。1697/8年英国人发明了烧煤的蒸汽驱动真空泵用于煤矿排水,几十年后的1776年瓦特发明了蒸汽机投入煤矿和冶金工厂使用,引发了第一次工业革命(Lynch,2002;Freese,2017)。

因此,中世纪以及文艺复兴初期,先是以德国为中心的整个欧洲对于金属矿和地下开采出的矿物的研究十分盛行,涌现出了许多以拉丁语或德语著述的矿物、矿床和矿业方面的著作(Connolly, 2005),诞生了矿业学院,如德国的Freiberg矿业学院(School of Mines)。随后,英国煤炭矿业的发展引发了第一次工业技术革命,并且在矿物和矿床研究的带动之下,地质科学探索进入了一个重要的新的历史阶段,使得英国逐渐成为了岩石、化石、地层等研究的中心,也涌现出了大量的英语著作。

毫无疑问,中世纪矿业的繁荣和发展给欧洲社会发展和进步带来了财富、原材料和动力,同时也促使地质科学探索进入了一个黄金时代,即百花齐放、百家争鸣的时代。因此,矿床学、矿物学、地质学及相关学科相继诞生。

1500年前后,德国人Ulrich Rülein von Kalbe搜集并编纂出版了Bergbüchlein即“采矿小册子”,后来又被多次再版或重新编辑出版(Connolly, 2005)。这是迄今发现的首部关于金属矿脉的成因、产出特点和背景、以及指导人们如何发现金属矿脉的著作,是历史上最早的金属矿床学和金属矿找矿勘探方法论。这本著作也被德国的Johan Haselberger于1535~1538年编纂的Der Ursprung Gemeiner Bergrecht一书(简称Ursprung),即《通用矿业法的起源》收入一并出版。后者是一本德语区十三到十六世纪早期业已存在的矿业科学文献的汇编(包括矿业法律和规则),被认为是矿业领域最早的公开印刷的法规和科学纲要(Connolly, 2005)。

这本“采矿小册子”,对于当时发现和利用的七种金属:铜、金、铁、铅、汞、银和锡矿石,认为它们的生成需要一种活性剂和抑制剂或者是适于接受活性剂影响的物质。矿物生成的通用的活性剂是诸天体及其轨迹和光,金属矿石都受到与其具有共性特点(如热、冷、湿、干)的行星的影响。因此,金是由太阳或其影响造成的,银是由月亮、锡是由木星、铜是由金星、铁是由火星、铅是由土星、汞是由水星造成的。金属矿石形成的抑制剂是硫和汞,受诸天体的影响,金属熔化并固结,继而形成金属体或矿石。即在诸天体的影响下,硫或汞的烟雾或者蒸汽(称为“矿物喷气”)被从地球的深处带出,在脉体或细脉中向上熏蒸并通过行星的作用熔化而成矿石。

金属矿石的形成还需要有适于形成矿石的天然容器存在的背景(Setting),这是至关重要的。这包括各种脉(大的、细的、垂直的、倾斜的、汇合的、交叉的等),还有一种称为通道,可以使矿物或矿石形成一种力量从该通道运移至天然容器中。山区背景更合适矿脉的产出,而山区的南坡因为朝向太阳所以是富矿脉易于产出的也最易于被发现的地带。

该小册子还系统地论述了金属矿脉的产状(矿脉的上下盘、走向方位和倾向等),如何制作罗盘以及如何在罗盘上表达矿脉的产状。对于不同金属的矿脉如何利用露头、不同的矿物组合(金属矿物及其风化产物、脉石矿物及其次生产物)以及不同的岩石组合,寻找富矿脉。比如对于银矿的找矿,强调:“一是脉中含有石英、(重)晶石,或者上盘和下盘之间出现与黏土(矿物)结合的角岩,这都显示了有矿存在的前景;二是上下盘中如果出现铁矿(物)或铁的碎块,其中含铋以及蚀变较强的产物或风化物,也是有前景的;三是上下盘围岩是白色的,其中出现黑色或火烧状的风化物,也是有前景的;最后一点是脉的周围硬岩中出现软的或板岩状的脉石组合与辉银矿或其他新鲜的带棱角的矿物一同出现,则更有前景”。

德国的Georgius Agricola(1494~1555年)出生于撒克逊的Glauchau, 他在大学期间学的是古典艺术,后来又学习哲学、自然科学和医学,1526年开始在撒克逊地区有名的已集聚了数千人的矿业新营地Joachimsthal和矿业重镇Chemnitz先后从事职业医生,并曾经担任Chemnitz市的市长。他大量地涉猎希腊语和拉丁语的矿业文献(来自阿拉伯的著作已经翻译成了拉丁文)并结交矿工,对金属矿及其成因尤为感兴趣,进而对整个矿业尤其是矿床、矿物、找矿和冶炼产生了广泛而浓厚的兴趣。他经常去矿山观察和做矿山地质、采矿和冶炼等方面的观察研究,他还参与创建了新型的以自然科学教育为主的学校并参与教学。Agricola于1530年出版了首部有关矿物学和矿业的著作Bermannus,1546年出版了拉丁文的De Ortu et Causis Subterraneorum,同年拉丁文的De Natura Fossilium(见后介绍)出版,1556年他用二十年时间写成的最为著名的De Re Metallica在他逝世一年后出版。自Agricola开始,基于实际观察进行研究的方法逐渐成为地质科学的主要研究方法(Hoover and Hoover,1912; Bandy and Bandy,1955)。

Agricola的De Ortu et Causis Subterraneorum是一本关于地质、矿床及其成因的著作,首次提出了矿床的分类。Agricola将矿床分为五类:裂隙脉(Fissure vein)、层状矿床(Bedded deposit)、网脉或浸染状(Stockwerk or impregnation)、细脉(Stringer)、节理状(Seams or joints)。他提出的矿床成因理论要点包括:① 地下水浸蚀作用形成成矿通道;② 地下水由地表水(雨水、河水、海水)的下渗以及下渗过程中受热(沥青的燃烧)产生的蒸汽的冷凝水组成,还包括地内其他浸泡岩石的水;③ 成矿通道充填物包括“土”、“固化的汁”、“石头”、“金属”以及“化合物”(即金属和金属矿物、脉石);④ 矿床是成矿通道中循环的水和汁形成的,水和汁经过了长距离运移(Hoover and Hoover,1912);⑤ 成矿通道中的汁部分来自于地下水形成过程中溶解的岩石粒子(Particles)。

Agricola认为“土”包括黏土、泥、赭石、泥灰土和特殊的土,是岩石经过水的浸蚀、搬运和沉积而成。“固结的汁”主要为盐、碱、硫酸盐、沥青等溶于水并由水中沉积的物质构成;“石头”为贵重、半贵重以及非一般的石头,如石英、萤石等有别于围岩的石头,他们主要由“矿物汁”(Mineral juice)或“石头汁”(Stone juice)沉淀而成;金属主要包括七种传统金属、金属矿物构成的化合物,它们都由汁中沉淀而成,化合物则因不同汁的混合而成。

Agricola的成矿理论十分强调“汁”及其在热或者冷的条件之下固结,而所谓的“汁”的形成则是组成物质的溶液、多数情况下是干的物质如土与水的混合并受热而成,产生的金属则取决于土与水的比例(Agricola关于金属的论述显然吸取了前述炼金术的汞-硫理论)。

Georgius Agricola的De Re Metallica应该说是有史以来至十六世纪下半叶一本划时代的矿业巨著,从其出版开始,在接近两个世纪的时间内一直是世界矿业的权威指南(Hoover and Hoover,2018)。它不仅包括了更为系统和详尽的金属矿床学和找矿勘探方法论的内容(在找矿勘探部分提到了当时欧洲比较流行的找矿魔杖),更涵盖了矿山建设、矿山管理和环境、矿山测量、采矿权、地下采矿、测试、矿石处理和选矿、金属冶炼、金属分离、非金属材料制备等当时矿业工业的全领域。

一百多年后的1695年,英国的John Woodward(1665~1776年)出版了Essay toward a Natural History of the Earth,除了论述化石和地层以外,其中的第四部分论述了金属和矿物的形成,他将矿物体分为层状的和与岩层垂直的脉状(包括网脉状)两大类,他指出(矿石中)金属化合物(当时对金属矿物还不十分清楚)与数种矿物混合出现,变化很大。层状岩石中的矿石一般是金属颗粒或粒状金属矿物与组成岩石的黏土、砂等交织在一起,呈不规则的球状、团块状、瘤状;而脉状的矿石是在裂隙中充填的常见的晶石(Spar)及或多或少的铅、锡、铁等金属矿物的不规则堆积,常见结晶的矿物颗粒:立方体、锥体、有角的柱状等。层状岩石中的矿物体是与岩石同时形成的是水成的,而脉状的矿物体则是充填而成(在岩石形成之后)。他强调矿物体或矿石的形成是与含金属及其他矿物的流体(Fluids)有关,而金属和矿物质的来源主要有两种:海水中的来自陆地的矿物质,以及来自地下深部的与火山、热泉、或地震导致的喷发有关的喷气(Exhalation)所带来的金属、硫和硝石(Nitre)等矿物质,所以存在地下热源和流体运移的通道(Woodward,1695)。

法国的布封(Buffon, 1707~1788年)于1749年发表《自然史》直到1788年全部出版(矿物史部分是1783~1788年出版)。布封不仅讨论了宇宙的发展、地球的演变、火山喷发的原因及影响,还提出了矿床类型:不同温度的热液矿床、夕卡岩型矿床、斑岩型矿床、岩浆矿床(Buffon,2015)。

至此,现代矿床学中的基本矿床类型、矿床成因和理论、物质来源以及产出背景和特点等已基本形成。

十五世纪末和文艺复兴早期,古希腊的传统思想,中世纪阿拉伯学者的思想以及有关炼金术的理论仍然影响深远。十六、十七世纪,欧洲的相当一部分论述矿物的文献还是将矿物的形成与植物和动物的生长相提并论,认为汞与硫是形成金属矿物的主要组分(Oldroyd,1998)。而以Georgius Agricola为代表的基于实际观察进行研究的学者一直努力期望通过不断地探索,找到被广泛接受和通用的矿物定义、命名以及分类系统。

Georgius Agricola前述于1546年出版的De Natura Fossilium(Textbook of Mineralogy)(Bandy and Bandy,1955)是历史上第一部系统的、基于观察研究的矿物学教科书,他也因此而被称为矿物学之父。Agricola将研究目标集中于他所说的“地下的体”、即矿山开采和发现的矿物的体(德语区和欧洲、也包括部分来自亚洲和非洲的矿山),对总计约573种拉丁语名矿物和115种希腊语名矿物进行了系统而详尽的矿物成因和性质的论述,并提出了他的系统的矿物分类。

对于“地下的体”即矿物的体,Agricola认为有两种形式,一种是从地球内部喷出的可以流动的体,往往采取特征性的命名;另一种即矿物。矿物可以是同种物质组成,也可以是不同种物质组成。矿物的特点不同与其组成(成分)有关,尽管在他那个时代还无法获得或者测定矿物准确的化学成分。

Agricola将矿物分为两大类:非复合矿物和复合矿物。所谓的复合矿物实际上指的是包含多金属矿物组合的原生矿石,以及金属矿氧化带中的氧化矿石;而非复合矿物就是他所认识的以构成“地下的体”的矿物为主体的一般矿物。

非复合矿物又分为两类:简单矿物和混合矿物,简单矿物包括土类矿物(包括简单的和复合的)、凝结的汁类矿物(包括粗造的和油脂状的,再细分不同的类)、石头类矿物(包括一般的石头、宝石、大理岩、岩石)、金属(包括纯的、混合的、化合物);混合矿物是由两种或三种简单的矿物构成,分六类:石头与凝结的汁、一种金属与一种土、等比一种石头和一种金属(石头占多金属为次、金属占多石头为次)、一种石头与一种金属以及一种凝结的汁。

Agricola把岩石划分在石头类矿物并与大理岩并列,他把大理岩和岩石专门放在一章来论述,岩石又细分出砂岩、易剥裂的岩石(板岩)、钙质岩(石灰岩)等,他用“成层”(Strata)概念来描述板岩。Agricola显然也受了炼金术的影响,在金属矿物部分还论述了金属的改色、合成金属。

与Agricola大致同时期,还有Johann Kentman和Johann Mathesius也写了(包含)矿物学的论著。进入十八世纪,John Woodward(1704)也提出了矿物分类系统;Linnaeus在1735年出版的Systema Naturae中提出了偏重于化学种类的矿物分类,在该书第十二版中又提出了基于晶形的矿物命名和分类;J.B.Romé de l'Isle和R.J.Haüy随后相继提出了新的矿物晶形分类系统;随着化学的发展开始有人提出矿物的化学成分分类,如Torber Bergman(Adams,1938;Oldroyd,1998)。

德国的Abraham Gottlob Werner(1749~1817年)出生于撒克逊的一个有着三百多年历史的矿业世家,他自幼就被矿石和矿物所吸引。1774年他的有关矿物的著作Von denäusserlichennzeichen der fossilien出版,指出生物的分类方法不适合于矿物,矿物应该按照化学成分进行分类,因为后者是确定矿物自然序列的最准确的途径。然而他在该著作中却提出了基于矿物物理(外部)特性的一个十分详细的分类,并称其为自然类别(Natural order),显然这还不是他思索的矿物系统(Adams,1938;Alexander,1960)。

Werner于1775年受聘于Freiberg的矿业学院担任教授专门教授矿物学,后来也教授岩石成因,并推动建立了德累斯顿矿物学协会。Werner在教学中提出了自己对矿物的定义:“独立的、物理上简单的、无机化合物自然体,它们出现于地表之下、构成了固体地球。”以及他的矿物(分类)系统。1780年和1791年他在翻译别人的矿物学著作以及出版朋友收集的矿物目录中表达了他的矿物系统的概念,逝世后其著作被整理并于1817年出版。Werner提出的矿物(分类)系统包含317个矿物(Adams,1938;Alexander,1960)。

Werner的矿物系统包括四大类:第一类是土状矿物(包括钻石、锆石、硅酸盐矿物、黏土类矿物、滑石、石灰矿物、重晶石、锶、岩盐等九小类),第二类是含盐矿物(包括碱性碳酸盐、硝酸盐、氯化物和硫酸盐),第三类是可燃矿物(硫磺、煤和沥青、石墨、松香),第四类是金属矿物(包括自然金属、金属矿石、金属化合物)(Adams,1938;Alexander,1960)。

法国的布封在其《自然史》(矿物史部分于1783~1788年出版)中对矿物进行了科学定义,按照化学成分对矿物进行了系统分类,描述了每种矿物的物理特性和化学特性、晶体结构和形态、产出规律以及世界分布(Buffon,2015)。布封的矿物分类即现代矿物学中的基本化学成分分类系统。

另一方面,随着矿物学的研究,矿物晶体被广泛关注。 1669年,丹麦的Niels Stensen(Nicolaus Steno,1638~1686年)提出水晶的两个相同晶面之间的夹角相等,而与晶体以及晶面的大小无关,从而开创了结晶学及其发展历程(一直持续到二十世纪)。1690年,Christian Huygens提出了方解石的菱形解理和双折射现象并用椭球体进行表述。1783年测角仪诞生并可测量晶体的晶面角,十九世纪末几何结晶学确立(Frye,1974)。

瑞士的Conrad Gesner (1516~1565年)于1565年最早发表文章专门描述化石,George Owen的著作An Essay on the History of Pembrokeshire(1796年出版)论述了构成地表的矿物块体其分布是定向连续且有一定范围的。十七世纪,欧洲开始广泛关注化石研究、地层层序及时代新旧的确定(Woodward,1911; Adams,1938)。

Jean Etienne Guettard(1715~1786年)被称为法国地质调查之父,根据野外调查也发现矿物和岩石的分布有方向和范围并据此作图,于1751年出版法国的岩石矿物图,以不同的阴暗纹和符号表示矿物、岩石、化石和金属,随后1780年出版西欧以及法国更详尽的矿物岩石分布图(Woodward,1911)。

Johann Gottlob Lehmann(?~1767年)于1756年发表著作Versuch einer Geschichte von Flötzgebürgen,包含了德国最早的地层剖面图,显示了地层层序。同时期,Johann Christian Füchsel(1762)在其著作Historia terrae et maris ex historia Thuringiae per montium descriptionen erecta中也注意和研究了同地区的地层层序,他们的地层层序确立了建造(Formations)的含义及其完整的柱状图(Adams,1938)。Werner在Freiberg矿业学院教学中提出了用建造(Formation suites)来表达在同一时期内相同环境中形成的岩石系列,Werner的学生Robert Jameson(1774~1854年)根据Werner的教学要点在其System of Mineralogy(1804~1808出版)中作了具体表述(Alexander,1960)。

Giovanni Arduino(1714~1795年)于1759年在意大利发表著作认为古生物学和化学对于确定岩石建造年代表是非常重要的,并提出和区别了第三纪地层(Adams,1938;叶良辅,2011)。

十八世纪初在英国,Strachey最早研究了East Somerset的地层层序,William Smith(1769~1839年)于1793年也研究了East Somerset的地层层序,并更为详尽地调查了该地层的结构以及所含化石特征,系统采集了地层标本,于1796年提出:“每一地层所含化石都有其独特的序列”,并且据此可以分辨和区分。1815年Smith出版了英国和威尔士(含部分苏格兰)的地质图,1816年Smith出版了Strata Identified by Organised Fossils(Woodward,1911),提出著名的Smith地层层序律。

Baron Georges Cuvier(1769~1832年)在助手协助下,研究了法国盆地地层中的化石及地层层序,从而确立了其脊椎动物古生物学奠基人的地位,他坚信造成地层中旧的动物群的灭绝以及新的动物群的出现是灾变的结果。而与Cuvier同时期的Chevalier de Lamarck(1744~1829年)也研究了法国盆地地层中的介壳类化石,也因此确立了其无脊椎动物古生物学的奠基人的地位,但他则持有与Cuvier相反的连续演化的观点(Adams,1938)。

在地质学诞生前夜,欧洲发生了著名的有关岩石成因的“水火之争”,即水成论者(Neptunists)与火成论者(Plutonists)之间的大争论,代表人物分别为德国的Werner和英国的James Hutton。

在Werner提出水成论之前,1669年丹麦的Niels Stensen、1695年英国的John Woodward、1749年法国的布封都提出了岩石水成成因或者坚信古时地表被海水所覆盖,1680年德国的数学家Leibnitz则区分出了水成岩和火成岩,1759年意大利的Arduino提出结晶的岩石是火山成因(Woodward,1911; Adams,1938;Buffon,2015)。

对于欧洲分布广泛的玄武岩当时有不同的成因论述,意大利的矿物学教授Arduino 1759年提出Vicentin火山成因的暗色岩石(Trap-rock)并归于水下喷发;Raspe1768年论述了德国Hesse的火成的玄武岩;法国的Guettard在1752年和1770年分别论述了法国中部Auvergne的古火山口、玄武岩以及玄武岩的成因,指出玄武岩与熔岩产出有关,但他认为玄武岩是水成的;法国的Nicholars Desmarest(1725~1815年)在考察法国中部Auvergne、爱尔兰、意大利等地的玄武岩之后于1774~1777年先后出版了三部玄武岩的研究著作,认为玄武岩为火山所成;持玄武岩火山成因的还有William Hamilton等数位学者(Woodward,1911; Alexander,1960;Lyell,1997)。

Werner在担任Freiberg的矿业学院教授期间,由矿物学进而研究构成地壳岩石的成因和结构,结合在撒克逊地区调查结果形成了他的所谓的Geognosy理论和水成论。他坚信地球表面曾被大洋所覆盖,构成地壳岩层的物质曾被海水溶解,岩层的沉积分三个阶段:最早阶段称为Primitive period,所成的岩石因地球还无生物所以不含有机体残留,称为原初建造(Primitive formations)岩石,为最下层岩层;由于海水深度大且宁静,所以原初岩均为化学沉积并且全部结晶,岩石组成主要为硅质和黏土质矿物,形成花岗岩、片麻岩、云母板岩、黏土板岩,原初灰岩、原初暗色岩、蛇纹岩、斑岩、正长岩,原初石英、黄玉、燧石质板岩、原初石膏;花岗岩是其他岩石的根基,地壳最下部和最高处都可见到花岗岩,所以它也构成了山脉的核部;原初岩层的岩石可以依据地层层序以及结晶程度确定其形成时间。第二阶段为过渡期,即Transition period,沉积的岩石既有化学沉积也有机械沉积,主要形成Transition formations,包括过渡灰岩、过渡暗色岩、杂砂岩,含生物遗体,它们之间是整合的,但可以是整合或不整合的覆于原初岩层之上。第三阶段即所谓的Floetz period(即次生期)形成的岩石,包括砂岩、Floetz灰岩、Floetz石膏、盐、煤及Floetz暗色岩,主要出现于山脉的顶部、山坡、山脚、沟谷以及丘陵地带;次生期岩石之间以及与老的岩石既有整合也有不整合关系。Werner进而认为全球陆地地壳的岩层都是上述模式,并且认为不存在古火山,火山是现代的、是地下煤层燃烧所成(Alexander,1960; Lyell,1997)。

Freiberg的矿业学院从曾经默默无闻的小学校发展为当时欧洲有名的大学,欧洲从事矿物研究和矿业的人士都渴望能有机会在Freiberg的矿业学院去听课,一段时期整个欧洲从事矿物学教学的老师绝大多数都是Werner的学生(Alexander,1960;Lyell,1997)。因而,Werner的Geognosy理论及水成论不仅得到了他的学生们的广范推崇,而且在包括矿业在内的当时的业界产生了很大的影响。但Werner对欧洲其他地区的地质情况以及研究成果似乎关注较少,Lyell描述Werner除了撒克逊从不外出远距离考察别的地区(Lyell,1997)。

1787年,Werner带领他的学生到撒克逊地区矿石山(Ore Mountains)中的Scheibenberger Hügel即一个玄武岩山丘实地考察,发现该山丘的岩石最下部是砂岩,上覆黏土层,其上为杂砂岩层,最顶部为玄武岩。Werner将考查结果在报纸上进行了发表并再次确认玄武岩的水成成因,并在文章中写道“Now what are most of our mineralogists who have a strong bias in favor of the volcanic origin of basalt going to say to this?”(Alexander,1960)。

英国爱丁堡学医出身的James Hutton (1726~1797年)于1788年出版了Theory of the Earth(Hutton,1788), 他认为大陆地壳大部分层状的岩石是在海底中沉积的,是水成的。但是最初松散的沉积物是如何固结?又是如何上升到海平面之上形成现在的大陆呢?地壳岩石中的很多矿物质是不溶于水的,比如硅质矿物燧石、玛瑙,花岗岩中的长石、石英等,金属矿物中的多数如闪锌矿、方铅矿、黄铁矿等是金属和硫多组分的化合物,也不溶于水,它们不可能在水中形成(结合)并结晶。花岗岩并非层状岩石,而是不规则状的,不可能在水中形成花岗岩的矿物结构和斑岩的岩石结构。硅质的层状岩石比如砂岩,其砾和砂主要为长石,它们只有在变软或者不同程度的熔化情况下固结才能形成矿物颗粒之间精确而完美的相互适应(Adapted)的结构。(西班牙)布丁状的大理岩是由钙质的砾石、其他种类大理岩(如鲕状大理岩、介壳状大理岩)的碎块组成的,苏格兰西部的大理岩原本是白垩,它们都不可能是水中形成并固结的。

Hutton通过大量的岩石和矿物、地质现象等实例的考证,提出是地下或地球内部的热力,以火成的熔体及蒸汽(Igeneous vapour)的方式作用,使得松散沉积物固结、扩张、褶曲并上升到海平面之上形成现在的大陆。花岗岩形成于熔化(Fusion)的物质,是火成的(Hutton为了确证这一结论,进行了仔细的野外调查和勘测,发现了与花岗岩接触的层状石灰岩因受热蚀变而变色;Lyell,1997)。金属矿脉是熔化物质充填岩石中因外力形成的裂隙而形成的,含金属矿物和硅质的流体在喷发中甚至可以冲破围岩并包含围岩碎块。大理岩和云母片岩是热作用下或者是熔化状态下形成的,一些大理岩就是由白垩经热变质而来。火山是地球的自然现象,欧洲广泛分布的暗色岩石(玄武岩)是水下火山喷发的熔岩。

Hutton的著作发表后立即遭到了许多公开的质疑,被指责为无神论。Hutton随后于1795年发表了扩大版的Theory of the Earth,with Proofs and Illustrations作为回应。1797年Hutton逝世后,Edinburgh大学的数学教授John Playfair于1802年发表文章和著作介绍Hutton的理论并继续回应对Hutton的质疑(Werner最忠诚的学生Robert Jameson,也是Edinburgh大学的教授,甚至与John Playfair一度就在同一个系),这场争论一直持续到十九世纪初(Alexander,1960)。

山脉成因与岩石成因在早期研究中是分不开的,所以相当一部分或者大部分研究者都把岩石成因和山脉成因作为同一个论题。十七世纪之前,对于山脉成因的探索以猜测占多,提出了多种成因,如:水的侵蚀、海岸或者沙漠地带风成沙的堆积、地下的风、地震、火山之火、被水淹没岩石的膨胀等。主要研究者有Avicenna、Albertus Magnus、Ristoro d'Arezzo、Dante、Leonard da Vinci、Agricola和Valerius Faventies等(Adams,1938)。

进入十七世纪,研究者更多地是基于实际观察提出论断。Nicolaus Steno于1669年在其著作Prodromus中提出了三种成因的山:① 断块或断层山;② 火山所成的山;③ 侵蚀山(Adams, 1938)。

Abbé Anton Lazzaro Moro(1687~1740年)根据1707年爱琴海Santorin岛火山喷发所造成的海平面之上的环状火山岛、1538年意大利南部Phlaegrean Fields火山喷发形成的高达440英尺的圆锥状山(Monte Nuovo)的事实,于1740年提出山是地球中心的火造成的;他划分了初始山(Primary Mountains)和第二纪山(Secondary Mountains)及其岩石构成(Adams, 1938)。

Giovanni Arduino于1759年在给Antonio Vallisnieri的两封信中提出了地壳由四个部分组成:即初始山(Primary Mountains)、第二纪山(Secondary Mountains)、低山、冲积物,认为地球因为火山岩的贯入(Injection),而经历着反复的隆起和沉降、演变和变质“Metamorphoses”、以及山脉地层的扭曲和褶曲(信件内容相同于1778重新出版的“Sammlung einiger Abhandlungen das Heern Johann Arduino, aus dem Italianischen ubersetzt durch A.C.von F.Dresend,1778”)(Adams, 1938)。

Johann Gottlob Lehmann在1762~1773年间的著作中认为山是连续的隆升形成的,也划分了:原初山(Primitive Mountains)、第二纪山(Secondary Mountains)、第三级(纪?)的山(Third class mountains)及各自的岩石构成(Adams, 1938)。

Pallas研究了乌拉尔山和阿尔泰山后于1777年发表文章,也将山脉分为原初花岗岩山(Primitive Granite Mountains,周围为结晶片岩)、第二纪山(Secondary Mountains,以碳酸盐岩石为主)、第三纪山(Tertiary Mountains),他认为山脉的隆起与火山爆发有关(Adams, 1938)。

Arduino、Lehmann和Pallas都否认山脉是单一灾变的结果,而是不同时期连续上升作用的结果(Adams,1938)。

H.B.de Saussure(1740~1799年)于1779~1796年连续出版了四集研究阿尔卑斯山的著作,他是Werner同时代的并且相信Werner的关于花岗岩的论断。他提出阿尔卑斯山脉地层的倾斜和褶曲是水平地层在挤压下发生褶皱作用的结果。德国的Leopold von Buch(1774~1853年)也认为山脉是挤压褶皱形成的(Adams,1938)。

类似于岩石成因的水火之争在科学史上并非鲜见,仅就地质学而言,比如早期对金属成因和化石成因的不同认识,岩石和山脉成因的灾变和连续变化之争、垂向隆升和沉降与水平挤压之争等。毫无疑问,以岩石成因的水火之争为代表的基于事实和实证(历史所限并非完整和全面)的争论,对于地质学的诞生以及日后的发展具有极其重要和深远的影响。

Hutton(1788)的Theory of the Earth基于实际观察和证据,着眼于整体地球的运行,以符合科学的逻辑,论述了大陆地壳的形成和演变,并企图建立能够制约大陆地壳及其物质组成、符合地球历史及未来变化的科学原理。Hutton指出,我们需要通过地球现在的所见,去重建地球过往的历史,据此获知地球运行的原理,基于此原理去预知和应对地球的未来。因此,Theory of the Earth是地质学诞生并成为科学的一篇宣言,具有里程碑意义。在此之前,无论是伴随矿业经济发展而于两个世纪之前就诞生的矿物学和矿床学,或者化石研究、地层层序及时代的确立,再或者(岩石)山脉成因的研究,它们虽是从不同方面去认识地球及其演变,但都为地质学的诞生奠定了基础。

Theory of the Earth作为地质学诞生的标志性著作,其重要性主要体现在:① 通篇贯穿着动力地球及其运行原理的思想和概念;地球的过去、现在和未来,地球的各个部分(包括表面和内部),地球的物质组成及其变化都受动力地球原理的支配;在动力地球原理支配下产生了岩石断裂、位移、褶曲、抬升,剥蚀、搬运、沉积、固化、热力变质等。② 提出了海底之下或地球内部存在火成的熔化物质和气态物质,火成作用力是超级的,其在地球演变之中具有极其重要的作用;暗示了地壳之下大范围存在火成的熔融物质以及地球内部存在特殊结构。③ 指出了大陆地壳的形成并非偶然(Accident)巨变力(Violent mechanic force)作用的结果(即灾变),而是持续的、(强度)未衰减活动(Remain at present with undiminished activity)的结果(即均变)。④ 揭示了大陆地壳的组成不仅只有水成岩、还有火成岩(喷出的和未喷出的)以及受热变质的岩石(当然,矿脉的围岩蚀变早在几百年之前德国人就已经发现,意大利人1759年就提出了变质的概念)。⑤ 指出了含金属矿物的矿脉及化石和有机燃料都是热作用下的产物并受动力作用控制。⑥ 提出了全球变化及地壳物质循环的概念。

Theory of the Earth标志着地质学作为一门科学,从此将告别过去数千年以来哲学、占星术、宗教和神学等思想在地质学探索和建立征途中的深刻影响,告别过去无数仁人志士因为历史所限而主要或者部分的以猜测为主要方法认识和探索地球的时代。

Hutton的著作发表几十年之后的1830~1833年,Charles Lyell(1797~1875年)出版了Principle of Geology,他对地质学及其性质和宗旨进行了全面的科学的定义和阐述,确立了地球演变均变论的地位,提出了(十九世纪初的)地质时间框架,指出地壳的物质组成包括水下沉积物、火成岩、火成的花岗岩(不同时代的)、初始岩及层状的初始岩(Lyell原文中描述的这两类岩石实际上是指古老的变质岩和接触变质的岩石)、第三纪(沉积)建造、过渡组(沉积岩),Lyell提出了欧洲地层的划分方案:近代纪、第三纪(细分为:新上新世、老上新世、中新世、始新世)、第二纪(细分为:白垩纪组、威尔登组、鲕粒岩或侏罗纪石灰岩组、青石灰岩组、新红色砂岩组、石炭纪组),第二纪最下部的石炭纪地层作为分界,其下为古老的初始(Primary)地层(Woodward,1911;Lyell,1997)。

如果说Hutton的Theory of the Earth标志着地质学的开篇,那么Lyell的Principle of Geology则进一步确立了地质学的科学地位,也标志着地球科学的开篇。

地质学原语“geologia”最早出现在Richard de Bury(英国Durham的主教)于1473年出版的Philobiblon(The Love of Books)中(Adams,1938)。

意大利的Ulyssus Aldrovandus在1648年出版的遗著《遗言书》中的一个章节用了“geologia”一词,主要包括古生物、矿物及岩石(Adams,1938;章鸿钊,2011)。

瑞士的H.B.de Saussure所著的Voyages dans les Alpes(1779~1796)于1779年出版时即用Geology。同年,旅行家J.A.De Luc (1727~1817年)也出版了一本有关地球变化的著作Geology(Woodward,1911;叶良辅,2011)。

牛津大学1805年开始讲授地质学,伦敦地质学会成立于1807年。意大利的S.Breislak于1811年出版Introdugione alla Geologia,英国的Robert Bakewell于1813年出版An Introduction to Geology,法国的D'Aubisson于1822年出版Traite de Geognosie(Woodward,1911)。

人类利用矿物岩石的历史就是人类的文明史,地质学的诞生是人类利用矿物岩石历史中的必然事件,是人类文明历史长卷中的一个极其重要的部分。人类未来的进化和命运,恐怕同样要从矿物岩石中去寻找解答。

值此程裕淇院士诞辰一百一十周年之际,谨以此文表达对导师的缅怀。

致谢:耿元生研究员、李厚民研究员和万渝生研究员对原稿提出了许多宝贵意见和建议,在此一并表示感谢!

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