前言 |
在我們學習的歷程當中，總是被直接灌輸各種公式、定律，好像它們理所當然的存在，我們在教室理所當然地吸收，但仔細想想，當初這些死板板的公式、定律是怎麼被想出來的呢？難道古人們也是躺在草地上、聽著宇宙的聲音、吸收日月精華就可以靈光乍現的想到嗎？當然不可能，這些古人們的智慧及知識的發展歷史非常令人著迷，使人越發好奇及佩服。
在地質科學領域中，地層學（stratigraphy）是一類重要的學門，透過觀察地層中的岩性、岩石的排列順序、層面交互作用等關係，來了解此地的過去，像歷史一樣，這個學門幫助我們翻開地球的歷史，了解地球的過去[1]，而我們總是希望透過歷史鑑往知來，因此地層學的重要性在此見微知著。然而，過去的時空背景是以神學為主，人們普遍認為現今的地球形貌是上帝創造的，沒有原因、沒有始末、也不會變化，在這樣的社會氛圍中，地層學是怎麼發展到今天的樣貌的呢？
LIS 即將推出地科線（敬請期待吧！）
科學總是在不斷的意外當中進步，地質科學也是，這次要講的是對於地層學進展有關鍵影響力的人物--尼古拉‧史丹諾（Nicolas Steno，1638-1686）（圖一）。史丹諾在1669年時提出部分地層學的原理(補充一)，被譽為「地質學與地層學之父」，然而其成長背景是這樣一個時代，人們相信化石在岩石內部生長，低等生物從物質中自然衰變而來，星星的運動決定了財富和個性，狡猾的巫婆到處都是，而晶體和獨角獸角能治癒疾病[2]，但同時這也是科學革命初期、科學正在悄悄推動的年代，許多科學家在不經意間挑戰了神學，雖然史丹諾最後發現矛盾，而放棄科學、選擇了神學，但其學說影響了後續約300年的地層學發展，如：後代詹姆斯‧赫頓（James Hutton，1972-1979，現代地質之父[3]）關於岩石循環之理論發展[4]，為火成說及水成說「水火大戰」增添猛烈砲火[5]，史丹諾成為地層學最早的啟發者，功不可沒！
正文 | 史丹諾的一生
史丹諾的生平也是曲折離奇，但這不影響他對科學研究的重要貢獻，史丹諾不僅是地質學的先驅，在解剖學上貢獻亦匪淺，他從不輕易相信教科書上所說的，非得要自己得出來，個性擇善固執，對周遭觀察入微，堪稱一代學者，然而，後來卻對科學失望，放棄了科學研究，轉變成虔誠的天主教主教，讓我們來看看他的一生吧！
圖一、史丹諾[3]
1. 早期：富二代優渥卻孤單的生活
史丹諾在童年時期瘓上一種病，使其和其他小朋友隔離三年，而後居住地哥本哈根爆發瘟疫，又失去了許多朋友，這種不確定性造成史丹諾個性上比較漂泊迷惘，他從不擁有固定房子、很少長期住在一個地方，很少享受穩定的收入，並為他靈魂的命運而苦惱[2]。不過這也間接造就史丹諾不會輕易相信現有知識，而是會質疑、並喜歡自己觀察、尋找答案，也因此有了地層學上開創性的學說！
童年雖然過得孤單，但是經濟優渥，不愁吃穿，也受到良好教育。於1638年元旦出生於哥本哈根，是金匠路德的兒子，生活小康，雖然父親在他6歲時就過世了，但媽媽不久後又與另一位金匠結婚，並讓史丹諾在10歲時進入哥本哈根最有名的文法學校就讀，注重數理和語文教育，因此史丹諾不僅理科好，語言能力也非常棒，精通丹麥、德國、荷蘭、法國、義大利、拉丁、希臘、希伯來、阿拉伯等多國語言[5]！接著，史丹諾18歲時進入哥本哈根大學就讀，專研醫學方面的解剖研究，在這個領域中頗有成就，對地質的研究則要延至他受到一系列挫折後[5]。
2. 中期：挫折 or 轉機？
在1663年時，史丹諾25歲，其繼父過世，為了繼承家業及陪伴母親，史丹諾放棄解剖學研究，回到了丹麥，變成一位商人，這對一位喜歡研究的科學家是多麼大的打擊！然而，史丹諾仍想完成學業，卻因老師的忌妒心，不能在母校教書，嚴重踐踏了他對醫學的研究熱情，這是第一次挫敗。在母親也隨繼父的腳步去世後，史丹諾沒了掛礙、開始遊歷各國[5]。
也是在這個時期，使史丹諾意外踏進地質領域，不過史丹諾對地質的小火花可能從過去家庭從事的金飾及珠寶生意就開始了，史丹諾一直都對礦物、金屬及透鏡的折射特別有興趣，喜歡觀察雪的結晶，在大人們煉金工作中觀察粉塵沉澱，間接孕育出沉積定律。也在周遊列國時有機會拓展眼界，見更多的地形、地質、礦物及岩石，增強敏銳觀察力及豐富其背景知識，此時期也與多位生物學家有所接觸（或許可和生物線連接），如：雷迪（Francesco Redi），他在1668年發表推翻腐肉生蛆的實驗[2]。而真正開始地質研究則是在1665年時，史丹諾碰到了生命中的貴人--翡冷翠的婓迪南二世（Grand Duke Ferdinance II），他聘用史丹諾作為御醫與自然科學顧問，並提供一切研究設備，除了使其再次投身解頗學，也因緣際會的促成了史丹諾在地質領域的研究成果[5]。
故事要從漁夫捕到了大鯊魚，並獻給婓迪南二世開始。這個鯊魚頭輾轉交到史丹諾手上，然後發現了這個鯊魚的牙齒和先前遊歷時在岩層中看過的小東西（土耳其文Glossopetrae）非常像，為了確認，史丹諾持續在各大礦坑、採石場及洞穴等地尋找類似東西，逐漸孕育出地層學學說。
當時的人們沒有滅絕的概念，上帝創造一切都是有意義的，不會有增減，這時對這些小東西（化石）的來源有兩個解釋：從大洪水中沉澱出來的、從岩層中長出來的。但史丹諾沒有輕易相信，他用樹根生長方式來推翻這個認知，史丹諾發現樹根在生長時，長在堅硬的岩層上跟長在柔軟的土壤中的行為是不一樣的，在堅硬土層中會彎曲繞道，若化石也是長出來的，為什麼會長在堅硬的岩層中不繞道呢？為什麼柔軟土壤中反而沒有長出化石呢？
最後於1669年發表地質史上的重要書籍「De Solido Intra Solidium Naturaliter Contento Dissertationis Prodromus」，簡稱「Prodromus」，中譯「現代地質學原理」。化石是由曾經生存過的有機體產生的、一般情況在下面的岩層較老等概念，今天我們視為理所當然的常識，當時才被史丹諾第一次提出來！書中內容包含了許多至今仍在使用的地質學原理，如：「晶面角不變定律」及「疊置定律」，談到了原生構造、次生作用，闡明化石的定義及地形是水流刻畫出來的等概念，甚至由週期性的海水變化和造山作用編寫了他斯卡山的地史，這些學說深深影響了地質學各種領域，如：結晶學、礦物學、沉積學、地層學、古生物學、地形學、地史學及構造地質學等，這是始料未及的[5]。
3. 晚期：科學家變神學家
然而，故事開始急轉直下，史丹諾在1672年時被丹麥女王召喚回國，至哥本哈根大學教解剖學，不僅使地質學研究擱置，而且也喚不回史丹諾的醫學熱情，加上他的宗教信仰在周遊列國的時候改變，與丹麥國教不同，媽媽也去世了，沒有任何羈絆，因此史丹諾決定放棄科學研究，轉而投入宗教，開始傳教事業。於1677年被任命為主教，並被任命為德國北部和斯堪的納維亞半島的使徒牧師，直到1686年去世[4][5]。
4. 總結：爭議及影響
史丹諾是第一個提出地層是由一系列地質事件所形成的人，而且有時間先後順序，可以通過仔細研究地層和化石來解釋其歷史[5]。雖然也是有漏洞：
- 受限於宗教信仰，史丹諾始終認為地球歷史都在6000年中走過，並以大洪水的概念解釋了許多地方的地質
- 疊置定律觀察到的都是沉積岩，所以缺乏火成岩及變質岩的概念，也不小心為後續水成說提供了一個有力證據，在水成、火成說的辯論賽中扮演重要角色，
- 當時沒有滅絕的概念，史丹諾本身也是虔誠的教徒，因此無法解釋為什麼有些化石與現在的生物不同。
但這些都不能抹煞史丹諾的重要貢獻，史丹諾發表的書籍不久後就傳到英國，博物學家羅伯特·虎克（Robert Hooke，提出材料的虎克定律、發明顯微鏡、命名細胞）也讀過，對於化石的來源和史丹諾有相同看法，但他們並沒有成為朋友，虎克驕傲但不開心，覺得他的朋友把他的假說告訴了史丹諾，但很快又被另一個學者平反[2]。最終，我們知道地層學從史丹諾開始，經歷數百年演變，現在已成為透過地殼上的地質地貌特徵，了解地球過去歷史的一門學問，非常不簡單！
結語 |
史丹諾專心研究地質領域僅有三年，但其貢獻影響了後代300年！其成就並非一蹴可幾及或單純幸運，而是透過長時間科學素養的培養，在周遊列國時增廣見聞、在題材來時仔細觀察分析，持續接觸各領域的知識，不排斥跨領域學習，並保有科學的敏銳度，在岩層中的鯊魚牙齒便是在周遊列國時意外碰到，並在之後看到現生鯊魚牙齒時產生聯想，進而催生出沉積定律。史丹諾從沒想過當個地質學家，當時甚至沒有這個學科，過著靈魂、肉體上顛沛流離的生活，活在不斷的懷疑及自我否定中，但他持續的保持好奇心、持續的學習成長，保有對科學的熱情、對真理的執著，意外對地質領域有重大貢獻！最後史丹諾決心潛入神學之道，雖然在科學的角度上可惜了一個好學者，但或許在這段時光，史丹諾才真正得到救贖。
補充一 | 地層學四大原則 [6]
地層層序定律（The Principle of Superposition）
結語 |
史丹諾專心研究地質領域僅有三年，但其貢獻影響了後代300年！其成就並非一蹴可幾及或單純幸運，而是透過長時間科學素養的培養，在周遊列國時增廣見聞、在題材來時仔細觀察分析，持續接觸各領域的知識，不排斥跨領域學習，並保有科學的敏銳度，在岩層中的鯊魚牙齒便是在周遊列國時意外碰到，並在之後看到現生鯊魚牙齒時產生聯想，進而催生出沉積定律。史丹諾從沒想過當個地質學家，當時甚至沒有這個學科，過著靈魂、肉體上顛沛流離的生活，活在不斷的懷疑及自我否定中，但他持續的保持好奇心、持續的學習成長，保有對科學的熱情、對真理的執著，意外對地質領域有重大貢獻！最後史丹諾決心潛入神學之道，雖然在科學的角度上可惜了一個好學者，但或許在這段時光，史丹諾才真正得到救贖。
補充一 | 地層學四大原則 [6]
地層層序定律（The Principle of Superposition）
史丹諾於1669年提出，沉積物未受干擾時，因地心引力而以水平狀態沉積，形成新的地層。且新的地層會疊加在舊有地層之上，最古老的地層在最底層，最新的在最頂層。如發現地層不如定律描述，即地層受到其他因素影響或被地層形成後的地殼活動改變。
化石層序規律（The Principle of Fossil Assemblages）
英國地質學家威廉‧史密夫（William Smith，1769-1839）指出相同的地層排列可在不同地點觀察或預計得到，而含有相同化石組合的地層會在相同的年代形成。這使不同地方的地層能夠互相比較、引證、補足。例如在含有較完整地層的地方，我們得知盾皮魚是泥盆紀的生物，而在香港最古老的地層中找到盾皮魚，我們可以推論，該地層在泥盆紀形成。
相互切割關係原則（The Principle of Cross-cutting Relationships）
相互切割關係原則（The Principle of Cross-cutting Relationships）
較新的地質事件形成岩石或地質特徵，會切割現存的岩石。例如岩層上的斷層和錯動，必然發生在岩層形成之後。
包含碎塊原則（The Principle of Included Fragments）
包含碎塊原則（The Principle of Included Fragments）
被岩層或岩石包含的石塊，必然較岩層年老。例如一塊火山岩中包含一塊雲石，該雲石則早於火山岩形成。
補充二 | 史丹諾條列式編年史
1638年 出生於丹麥
1644年 6歲時，父親死亡
1646年 8歲時，母親再嫁
1648年 10歲時，在哥本哈根的Vor Frue Skole文法學校念書
1656年 18歲，進入哥本哈根大學就讀，鑽研解剖技巧
1660年 22歲，轉往荷蘭阿姆斯特丹的萊登大學繼續鑽研解頗學
1662年 24歲，綿羊頭中發現腮腺管，發表對解剖學重要的著作「Observations anatomicae」
1663年 25歲，繼父過世，回丹麥繼承家業
1664年 26歲，獲得萊登大學醫學博士學位
1669年 31歲，發表書籍「De Solido Intra Solidium Naturaliter Contento Dissertationis Prodromus」，簡稱「Prodromus」，中譯「現代地質學原理」
1672年 34歲，受女王命令返回丹麥到哥本哈根大學擔任解剖學教授
1675年 37歲，放棄科學研究，全身獻於宗教
1686年 48歲，去世
補充三 | 地層學第二定律
地層學的發展中，史丹諾開啟了第一彈，提出第一定律「疊置定律」，然而第二定律要在146年後才被提出來，提出者是威廉‧史密斯（William Smith，1769-1839）（圖二），但他的人生就很悲苦了。和史丹諾相反，史密斯從小沒受過什麼正規教育，然而因為從小接觸用化石海膽做的小砝碼，激發史密斯對化石的熱情，接著機會到礦場打工、成為助理測量員，長時間接觸及觀察岩石，培養了史密斯對岩礦愛好，並建立基本概念[7]。
在跑遍英格蘭修築運河及在礦場探勘時，注意到每個地層中出現的化石不一樣，並持續追蹤岩層變化軌跡及化石分布，因此提出地層學的第二定律「化石層序原則」，接著開始會置地質圖，這可是史上第一人！也因史密斯能夠透過對地質的了解而預測岩石出現的位置，成為紅人，許多地主搶著請史密斯預測發財地，如：煤礦、鉛礦等值錢礦床。
雖然史密斯因為學歷不優，加上當時不注重著作權，地質圖被抄襲，而不被重視，盜版複製的人甚至還害他鋃鐺入獄，但史密斯對地層學的貢獻仍不可小覷[8]。
參考文獻 |
補充二 | 史丹諾條列式編年史
1638年 出生於丹麥
1644年 6歲時，父親死亡
1646年 8歲時，母親再嫁
1648年 10歲時，在哥本哈根的Vor Frue Skole文法學校念書
1656年 18歲，進入哥本哈根大學就讀，鑽研解剖技巧
1660年 22歲，轉往荷蘭阿姆斯特丹的萊登大學繼續鑽研解頗學
1662年 24歲，綿羊頭中發現腮腺管，發表對解剖學重要的著作「Observations anatomicae」
1663年 25歲，繼父過世，回丹麥繼承家業
1664年 26歲，獲得萊登大學醫學博士學位
1669年 31歲，發表書籍「De Solido Intra Solidium Naturaliter Contento Dissertationis Prodromus」，簡稱「Prodromus」，中譯「現代地質學原理」
1672年 34歲，受女王命令返回丹麥到哥本哈根大學擔任解剖學教授
1675年 37歲，放棄科學研究，全身獻於宗教
1686年 48歲，去世
補充三 | 地層學第二定律
地層學的發展中，史丹諾開啟了第一彈，提出第一定律「疊置定律」，然而第二定律要在146年後才被提出來，提出者是威廉‧史密斯（William Smith，1769-1839）（圖二），但他的人生就很悲苦了。和史丹諾相反，史密斯從小沒受過什麼正規教育，然而因為從小接觸用化石海膽做的小砝碼，激發史密斯對化石的熱情，接著機會到礦場打工、成為助理測量員，長時間接觸及觀察岩石，培養了史密斯對岩礦愛好，並建立基本概念[7]。
圖二、史密斯[8]
在跑遍英格蘭修築運河及在礦場探勘時，注意到每個地層中出現的化石不一樣，並持續追蹤岩層變化軌跡及化石分布，因此提出地層學的第二定律「化石層序原則」，接著開始會置地質圖，這可是史上第一人！也因史密斯能夠透過對地質的了解而預測岩石出現的位置，成為紅人，許多地主搶著請史密斯預測發財地，如：煤礦、鉛礦等值錢礦床。
雖然史密斯因為學歷不優，加上當時不注重著作權，地質圖被抄襲，而不被重視，盜版複製的人甚至還害他鋃鐺入獄，但史密斯對地層學的貢獻仍不可小覷[8]。
參考文獻 |
- David Oldroyd (1996) Thinking about the earth: A History of Ideas in Geology, Chapter 3 The Beginnings of Geological Science. ISBN-13: 978-0674883826
- Michon Scott (2004) Nicolas Steno. earth observatory.（摘自：2019年4月）
- 維基百科，James Hotton。（摘自：2019年4月）
- 維基百科，Nicolas Steno。（摘自：2019年4月）
- 林明聖（2003）曇花一現的地質工作者：尼古拉斯‧史丹諾。經濟部中央地質調查所，地質第二十二卷、第三期，p.72-79。
- 岩石，數位典藏與數位學習。國家型科技計畫。（摘自：2019年4月）
- 林明聖（2007）堅苦卓絕的地質填圖者：威廉‧史密斯。經濟部中央地質調查所，地質第二十六卷、第二期，p.85-91。
- 維基百科，William Strata。（摘自：2019年4月）
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