地質學家和第一次世界大戰(zhàn)

弗雷德里克·西米安 （Frédéric Simien） 弗蘭克·阿諾（Franck Hanot）

怎么保障100萬匹馬每匹每天15至60升的飲水量？怎么使躲藏在戰(zhàn)壕中的無數士兵免于泥濘的困擾？以地質學家的眼睛審視這場戰(zhàn)爭，我們可以看出這個學科，特別是對水的管控，在這場戰(zhàn)爭中起著多么關鍵的作用。事實上，地質學影響著第一次世界大戰(zhàn)的整個過程。

弗蘭克·阿諾（Franck Hanot）

弗雷德里克·西米安 （Frédéric Simien）

1914年8月，德軍在比利時展開了閃電般的推進。軍隊穿越了佛蘭德斯北部地區(qū)，那里低洼的平原上遍布著運河與水道，一條沙丘把它們與北海分開。比利時的軍隊艱難地抵抗著。10月21日，當德軍迫近紐烏波爾特時，作為最后的手段，比利時人決定放水淹沒平原。他們打開了舊伊瑟河上的閘門，河水從這里傾瀉到4平方千米的河流洼地中。隨后，在29日夜間，比利時士兵騎著自行車聚集到德軍前線附近，打開了這里的幾處水閘。很快，50平方千米的土地被淹沒，阻擋了德軍的進攻路線，士兵們在周圍挖好的戰(zhàn)壕也無法使用了。

紐烏波爾特的失敗引起了德國軍方工程師的注意。很快，他們就明白了水文地質學知識在這場戰(zhàn)爭中的重要性。事實上，地質學影響著第一次世界大戰(zhàn)的整個過程。像過去一樣，戰(zhàn)爭伊始，地形就決定著運動戰(zhàn)的進程——要占據制高點以便筑壕固守，或者將炮兵布置在利于控制河流這一天然屏障的地方。

但直到1914年的秋天，地質學，尤其是水文地質學的作用才真正顯現了出來。當時，因為此前從未出現過的炮兵力量，戰(zhàn)事穩(wěn)定下來，戰(zhàn)爭轉化為了陣地戰(zhàn)。這并不在戰(zhàn)略計劃當中，且導致了許多新的制約因素的出現，例如水和物資的供應，庇護所和戰(zhàn)壕的修建，以及對地下土層的探究。也因此，地質學家們第一次因為他們的職業(yè)而在戰(zhàn)時受到征召。以地質學家的眼睛審視這場戰(zhàn)爭，我們可以看出，這個學科，特別是對水的管控，在這場戰(zhàn)爭中起著多么關鍵的作用。

士兵的飲用水

1914年末，隨著戰(zhàn)事陷入僵持，現存的水井再也無法滿足士兵和馬匹的飲水需求，并且地表水也被污染了。然而，每匹馬平均每天要消耗15~60升水，而法國軍隊動員了上百萬匹馬。英國軍方預計，他們的遠征軍（1916年時包括150萬士兵和50萬匹馬和騾子）每天需要7.6萬立方米飲用水，相當于25個奧運泳池的容量。除此之外，還需要用水來為士兵制作面包、烹煮肉類、清洗物品、供應蒸汽機車，以及生產混凝土建造庇護所等。水在戰(zhàn)爭中至關重要，因此，必須要著手鉆井取水，并保護儲水區(qū)不受污染。

法國軍隊非常熟悉戰(zhàn)場環(huán)境。憑借對當地飲用水資源的了解，他們在當地打了數千口井，沒有依靠水文地質學家的幫助，對地質學家的需要也沒有那么迫切。不過，一些法國地質學家還是逐漸擔任了顧問職位——比如夏爾·巴魯爾（Charles Barrois），他是巖石學和野外地質學家，在幾個位于里爾（Lille）的地質學實驗室擔任負責人。另一方面，對于英國和德國軍隊來說，情況則完全不同，他們對戰(zhàn)場的地質環(huán)境一無所知，而且也沒有專門服務于軍事的地質研究部門。

1915年6月，英國陸軍為應對法國北部的供水困難，派出了英國地質局的一位地質學家比爾·金（Bill King）擔任工兵隊總指揮。他的第一項工作是編撰地質數據，以便確定哪些區(qū)域適合打井。在他的領導下，英國軍隊也配備了多種石油鉆井設備，以獲取深層地下水，因為這些水不易被污染。就這樣，金帶著團隊選擇了470多個取水點，其中一些地點本身就有水井，并且仍在使用中。在此基礎上，金的團隊繪制了索姆河流域的水文地質圖。

1916年5月，來自澳大利亞的少校埃奇沃斯·戴維（Edgeworth David）的到來加強了這個團隊的實力。德國人在地下戰(zhàn)場占據優(yōu)勢，戴維必須幫助英軍奪回地面優(yōu)勢。他的主要貢獻是確定了藍黏土層在佛蘭德斯地區(qū)分布的范圍和深度。這層黏土形成于坦尼特階（5600萬~5900萬年前），十分利于挖掘坑道，把地雷安置在敵軍的陣線之下——這對于計劃在1916年夏發(fā)起的梅西訥山脊戰(zhàn)役來說具有非常重要的意義。

德國方面也部署了類似的計劃。1915年初，作戰(zhàn)部隊的地質學家被重新分配到了一個半軍事單位，由格賴夫斯瓦爾德大學的地質學教授漢斯·菲利普（Hans Philipp）領導。他們繪制了比例為1：50000的水資源地圖，并注明水質和儲水量信息。

德國人建立的最大的系統工程之一應該是梅西訥嶺一側的供水網絡。供應士兵的水來自阿呂安（Halluin）周圍的4口深156米到256米的水井，在梅西訥嶺東部約15千米遠。德軍每天泵水6000立方米，供應到2000個水龍頭，覆蓋了155平方千米的面積。可能因為形勢所迫，德軍在水文地質工作上遠遠領先其他國家：德軍要守衛(wèi)的戰(zhàn)線足有3000千米，而法軍僅600千米，英軍150千米。此外，德軍還為奧匈帝國、保加利亞和土耳其盟軍提供地形和地質信息。

密集的炮火

對水的管控不僅僅是為了保障水的供應。水也可能成為障礙，因此對地質的了解是克服這種障礙的必要條件。在這場戰(zhàn)爭中，第一次出現了持續(xù)而密集的炮彈轟擊?？褶Z亂炸將地面變成了一灘粘稠的泥濘，讓步兵們在其中淌行了幾個星期。泥濘浸入戰(zhàn)壕，使那里成為危險的陷阱，一旦無法脫身，便性命堪憂。這是由戰(zhàn)時潮濕的氣候導致的——1563天的戰(zhàn)爭中，有648天下雨或下雪。在這種情況下，有兩種地質更需要引起重視，因為它們讓水更容易覆蓋彈坑：一是黏土地質，水難以滲透出去；二是地下水位置很淺的地質。例如在皮卡第地區(qū)，水都貯藏在沙土中，上面覆蓋著一層薄薄的黏土層。炮彈的威力足以穿透這層黏土，使含水層暴露出來。

深層水的存在也需要精確了解，以便軍隊在挖掘地道前進或躲避敵人時避開這些地下水。水在地表和地下的分布取決于巖層的性質。石灰?guī)r和破碎多孔的砂巖有著極強的儲水能力，含水量能達到40%；而黏土沒有儲水能力，并起著隔絕水的作用。雨水通過滲透進入含水層，這一現象從根本上決定了上層的干燥土層和下層的含水土層總是結合在一起的。干燥土層的空隙中充滿了空氣，因為水僅僅經過這層土壤；而下層含水層的空隙中則充滿了水。這個現象是動態(tài)的，因為含水層也會作為水源不斷排出水，形成地表水流。在厚薄不一的黏土層中，因為會出現一些完全不含水的土壤，因此這個動態(tài)的機制會變得更加復雜。地質學家采取的措施要因地制宜，考慮每個地區(qū)的地形因素的不同。

佛蘭德斯的地道戰(zhàn)

在戰(zhàn)爭期間，水把佛蘭德斯平原變成了地獄。這個地勢平坦的地區(qū)的土壤是由黏土和伊普爾階沙土層組成（伊普爾階形成于約5000萬年前），由位于比利時的伊普爾市命名。排水系統在1914年10月被摧毀后，留下了一片遍布著積水彈坑的地區(qū)。士兵們不得不在專門鋪上格子板的戰(zhàn)壕中作戰(zhàn)。由佛蘭德斯地區(qū)的山組成了一條弧形的山脈，圍繞著伊普爾地區(qū)的東面和南面。地雷戰(zhàn)的主戰(zhàn)場便位于這些丘陵地區(qū)，包括霍赫（Hooge）、齊勒貝克（Zillebeke）、60號高地（Hill 60）、卡特彼勒環(huán)形山（Caterpillar Crater）、圣埃盧瓦（Saint-éloi）、伊普爾陣地突出部（the Bluff）、韋茨哈特（Wytschaete）……

協約國軍隊的任務目標是把多達40噸的炸藥放置到敵軍陣線下方幾十米深的地方，然后引爆炸藥，摧毀敵軍的防御。為了放置這些炸藥，軍隊需要從地表挖掘傾斜的隧道，穿過黏土層和沙土層。在黏土層里挖掘不會有任何危險，但一旦遇到了一層充滿水的沙土層，就有可能導致隧道被淹沒，挖掘者毫無逃生機會。因此，英國和澳大利亞的軍事地質學家被征召到前線，預先對地層展開研究，以減小挖掘風險。

再向南一些，阿圖瓦地區(qū)的丘陵將佛蘭德斯平原和巴黎盆地北部的白堊質平原分隔開來，丘陵的制高點包括羅萊特圣母院和維米嶺。在1915年的戰(zhàn)爭期間，法軍在羅萊特圣母院北側的泥濘中損失了約4萬人，這個地方也被稱為“死人和泥漿混在一起的鬼域”。

在這里，有一個斷層截斷了山丘，保留著第三紀的黏土。1916年，協約國軍隊利用維米嶺不含水的地層，挖掘隧道，放置地雷，以瓦解敵軍。1917年復活節(jié)當天，他們攻破了敵軍的陣地并且向前推進了數千米。加拿大軍隊通過這次戰(zhàn)役從英國的管轄下獲得獨立，并把這次勝利視為國家建立的一種標志。

在稍南一點的阿拉斯市（Arras，羅恩維爾區(qū)和圣薩維爾區(qū)）的地下，同樣有一層約30米厚的不含水的白堊層。因為這一土層的存在，新西蘭的工兵能夠在地下挖出容納25000名英國士兵的軍營。然而，盡管士兵突然從地下冒出來造成了出其不意的效果，但對于英軍來說，這場從1917年4月9日持續(xù)到5月7日的阿拉斯戰(zhàn)役還是造成了巨大的損失，并且攻占下來的土地十分有限。

為了準備索姆河戰(zhàn)役，協約國軍隊在索姆河北側幾十米深的干燥白堊層中挖掘了眾多的地下工事。1916年7月1日，伴隨著19次同時發(fā)生的劇烈爆炸，戰(zhàn)役打響了。在拉布瓦塞勒以南，威爾士礦工在德軍陣線下16米深的地方安置了27噸阿芒拿炸藥，爆炸造成了一個直徑90米、深30米的大坑，至今仍然清晰可見。

在貧瘠的香檳地區(qū)，戰(zhàn)線僵持了四年之久，那是一片白色的沙漠，非常缺水，那里的白堊灰塵總讓人嘴唇干燥，少數幾個供水點需要數千米的跋涉才能到達。水幾乎都在地下，而法國士兵沒有預料到這一情況，沒有裝備英軍和德軍那樣的鉆井設備和水泵。激烈的戰(zhàn)斗將村莊從地圖上抹去，造成了大片大片的平地，這些地方變成了演習場（莫隆維耶，Moronvilliers）或者軍事訓練場（敘伊佩，Suippes）。

在阿爾貢，一個覆蓋著叢林的丘陵地區(qū)，沃夸崗（la butte de Vauquois）是一個具有象征性的地點，也是海綠云母細砂巖露頭的地區(qū)，最高處達到285米。海綠云母細砂巖是一種帶綠色的特殊巖石，多孔、質輕，但相對堅硬。在侵蝕作用下，海綠云母細砂巖起伏不平，與原始地層分開，在這一帶達到120米高度。從1916年2月21日開始，沃夸崗的觀察哨的作用被加強了。那里特殊的地質構造（沒有含水層），和這種十分利于挖地道的巖石（挖掘了17千米），造成了一場瘋狂的地下戰(zhàn)爭，其間發(fā)生了519次爆炸。4年中，將近15000人在的這一小片土地上喪生（8000個法國人、6300個德國人，100個美國人）。

泥灰?guī)r上的醫(yī)院

在洛林地區(qū)，南希（Nancy）的東邊，1914年10月形成的戰(zhàn)線在4年間變化也很小。高度差幾十米的、相對柔和的地面起伏是該地區(qū)的地形特點。地表下的基巖連接著考依波階（Keuper）早期的泥灰?guī)r，這是一層形成于2.3億到2.2億年前的地層。在這層泥灰?guī)r中挖掘地道不會有任何困難，因為這里不存在含水層，因此很少會有水浸入地道。德國工兵利用他們對土地的了解，在起于蘭特雷（Leintrey）的法軍防線地下向南挖掘地道。1916年7月11日的爆炸摧毀了162步兵團一個連隊大部分的戰(zhàn)斗力，并且制造了一個直徑50米、深20米的大坑。再向南，在東熱萬（Domjevin）地區(qū)（法國部分），一家旨在治療無法運走的傷員的醫(yī)院于1916年7月在一個同樣是泥灰?guī)r構造的山丘上開始動工。不過，這家醫(yī)院從未投入運營，因為它本來是為1918年11月14日的一場戰(zhàn)役準備的，但那時，戰(zhàn)爭已經結束了。

孚日山脈的戰(zhàn)斗帶來了許多技術上的挑戰(zhàn)。地下戰(zhàn)爭在地形、地質和水文地質條件允許的地方進行著。建筑地下工事時，水的問題時常會成為挖掘的阻礙。這些工事有時會挖到地下80米，觸及三疊紀早期比較軟的砂巖層中（形成于約2.5億年前），如在拉夏佩洛特（La Chapelotte）進行的工程就是這樣。而對于山脊上的軍隊，水的供給十分重要——不僅是飲用水，建造混凝土工事同樣十分重要。

地質學家的知識就這樣在第一次世界大戰(zhàn)中發(fā)揮了重要作用。這些知識不僅對于供水和挖掘隧道有著很高的價值，而且在很多其他不為人知或是不尋常的方面也很有用，例如制作適用于指導坦克行進的地圖，鑒定航空指南針材料，以及運用關于石英晶體的專業(yè)知識——最早的聲吶就是基于石英研制出來的，被用于探測潛艇或尋找礦藏、石油。

如今，第一次世界大戰(zhàn)已經結束了100年，一些地質學家繼續(xù)將他們的專業(yè)知識應用于現代戰(zhàn)爭中。但還有地質學家仍在研究第一次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)場，從化學污染的角度研究這次戰(zhàn)爭對世界的影響，或是尋找需要加固的危險坑道。

地質學家與第一次世界大戰(zhàn)的故事還沒有結束。

（Scientific American中文版《環(huán)球科學》授權南方周末發(fā)表，鄧藝杭翻譯）