地质学家和第一次世界大战

弗雷德里克·西米安 （Frédéric Simien） 弗兰克·阿诺（Franck Hanot）

怎么保障100万匹马每匹每天15至60升的饮水量？怎么使躲藏在战壕中的无数士兵免于泥泞的困扰？以地质学家的眼睛审视这场战争，我们可以看出这个学科，特别是对水的管控，在这场战争中起着多么关键的作用。事实上，地质学影响着第一次世界大战的整个过程。

弗兰克·阿诺（Franck Hanot）

弗雷德里克·西米安 （Frédéric Simien）

1914年8月，德军在比利时展开了闪电般的推进。军队穿越了佛兰德斯北部地区，那里低洼的平原上遍布着运河与水道，一条沙丘把它们与北海分开。比利时的军队艰难地抵抗着。10月21日，当德军迫近纽乌波尔特时，作为最后的手段，比利时人决定放水淹没平原。他们打开了旧伊瑟河上的闸门，河水从这里倾泻到4平方千米的河流洼地中。随后，在29日夜间，比利时士兵骑着自行车聚集到德军前线附近，打开了这里的几处水闸。很快，50平方千米的土地被淹没，阻挡了德军的进攻路线，士兵们在周围挖好的战壕也无法使用了。

纽乌波尔特的失败引起了德国军方工程师的注意。很快，他们就明白了水文地质学知识在这场战争中的重要性。事实上，地质学影响着第一次世界大战的整个过程。像过去一样，战争伊始，地形就决定着运动战的进程——要占据制高点以便筑壕固守，或者将炮兵布置在利于控制河流这一天然屏障的地方。

但直到1914年的秋天，地质学，尤其是水文地质学的作用才真正显现了出来。当时，因为此前从未出现过的炮兵力量，战事稳定下来，战争转化为了阵地战。这并不在战略计划当中，且导致了许多新的制约因素的出现，例如水和物资的供应，庇护所和战壕的修建，以及对地下土层的探究。也因此，地质学家们第一次因为他们的职业而在战时受到征召。以地质学家的眼睛审视这场战争，我们可以看出，这个学科，特别是对水的管控，在这场战争中起着多么关键的作用。

士兵的饮用水

1914年末，随着战事陷入僵持，现存的水井再也无法满足士兵和马匹的饮水需求，并且地表水也被污染了。然而，每匹马平均每天要消耗15~60升水，而法国军队动员了上百万匹马。英国军方预计，他们的远征军（1916年时包括150万士兵和50万匹马和骡子）每天需要7.6万立方米饮用水，相当于25个奥运泳池的容量。除此之外，还需要用水来为士兵制作面包、烹煮肉类、清洗物品、供应蒸汽机车，以及生产混凝土建造庇护所等。水在战争中至关重要，因此，必须要着手钻井取水，并保护储水区不受污染。

法国军队非常熟悉战场环境。凭借对当地饮用水资源的了解，他们在当地打了数千口井，没有依靠水文地质学家的帮助，对地质学家的需要也没有那么迫切。不过，一些法国地质学家还是逐渐担任了顾问职位——比如夏尔·巴鲁尔（Charles Barrois），他是岩石学和野外地质学家，在几个位于里尔（Lille）的地质学实验室担任负责人。另一方面，对于英国和德国军队来说，情况则完全不同，他们对战场的地质环境一无所知，而且也没有专门服务于军事的地质研究部门。

1915年6月，英国陆军为应对法国北部的供水困难，派出了英国地质局的一位地质学家比尔·金（Bill King）担任工兵队总指挥。他的第一项工作是编撰地质数据，以便确定哪些区域适合打井。在他的领导下，英国军队也配备了多种石油钻井设备，以获取深层地下水，因为这些水不易被污染。就这样，金带着团队选择了470多个取水点，其中一些地点本身就有水井，并且仍在使用中。在此基础上，金的团队绘制了索姆河流域的水文地质图。

1916年5月，来自澳大利亚的少校埃奇沃斯·戴维（Edgeworth David）的到来加强了这个团队的实力。德国人在地下战场占据优势，戴维必须帮助英军夺回地面优势。他的主要贡献是确定了蓝黏土层在佛兰德斯地区分布的范围和深度。这层黏土形成于坦尼特阶（5600万~5900万年前），十分利于挖掘坑道，把地雷安置在敌军的阵线之下——这对于计划在1916年夏发起的梅西讷山脊战役来说具有非常重要的意义。

德国方面也部署了类似的计划。1915年初，作战部队的地质学家被重新分配到了一个半军事单位，由格赖夫斯瓦尔德大学的地质学教授汉斯·菲利普（Hans Philipp）领导。他们绘制了比例为1：50000的水资源地图，并注明水质和储水量信息。

德国人建立的最大的系统工程之一应该是梅西讷岭一侧的供水网络。供应士兵的水来自阿吕安（Halluin）周围的4口深156米到256米的水井，在梅西讷岭东部约15千米远。德军每天泵水6000立方米，供应到2000个水龙头，覆盖了155平方千米的面积。可能因为形势所迫，德军在水文地质工作上远远领先其他国家：德军要守卫的战线足有3000千米，而法军仅600千米，英军150千米。此外，德军还为奥匈帝国、保加利亚和土耳其盟军提供地形和地质信息。

密集的炮火

对水的管控不仅仅是为了保障水的供应。水也可能成为障碍，因此对地质的了解是克服这种障碍的必要条件。在这场战争中，第一次出现了持续而密集的炮弹轰击。狂轰乱炸将地面变成了一滩粘稠的泥泞，让步兵们在其中淌行了几个星期。泥泞浸入战壕，使那里成为危险的陷阱，一旦无法脱身，便性命堪忧。这是由战时潮湿的气候导致的——1563天的战争中，有648天下雨或下雪。在这种情况下，有两种地质更需要引起重视，因为它们让水更容易覆盖弹坑：一是黏土地质，水难以渗透出去；二是地下水位置很浅的地质。例如在皮卡第地区，水都贮藏在沙土中，上面覆盖着一层薄薄的黏土层。炮弹的威力足以穿透这层黏土，使含水层暴露出来。

深层水的存在也需要精确了解，以便军队在挖掘地道前进或躲避敌人时避开这些地下水。水在地表和地下的分布取决于岩层的性质。石灰岩和破碎多孔的砂岩有着极强的储水能力，含水量能达到40%；而黏土没有储水能力，并起着隔绝水的作用。雨水通过渗透进入含水层，这一现象从根本上决定了上层的干燥土层和下层的含水土层总是结合在一起的。干燥土层的空隙中充满了空气，因为水仅仅经过这层土壤；而下层含水层的空隙中则充满了水。这个现象是动态的，因为含水层也会作为水源不断排出水，形成地表水流。在厚薄不一的黏土层中，因为会出现一些完全不含水的土壤，因此这个动态的机制会变得更加复杂。地质学家采取的措施要因地制宜，考虑每个地区的地形因素的不同。

佛兰德斯的地道战

在战争期间，水把佛兰德斯平原变成了地狱。这个地势平坦的地区的土壤是由黏土和伊普尔阶沙土层组成（伊普尔阶形成于约5000万年前），由位于比利时的伊普尔市命名。排水系统在1914年10月被摧毁后，留下了一片遍布着积水弹坑的地区。士兵们不得不在专门铺上格子板的战壕中作战。由佛兰德斯地区的山组成了一条弧形的山脉，围绕着伊普尔地区的东面和南面。地雷战的主战场便位于这些丘陵地区，包括霍赫（Hooge）、齐勒贝克（Zillebeke）、60号高地（Hill 60）、卡特彼勒环形山（Caterpillar Crater）、圣埃卢瓦（Saint-Éloi）、伊普尔阵地突出部（the Bluff）、韦茨哈特（Wytschaete）……

协约国军队的任务目标是把多达40吨的炸药放置到敌军阵线下方几十米深的地方，然后引爆炸药，摧毁敌军的防御。为了放置这些炸药，军队需要从地表挖掘倾斜的隧道，穿过黏土层和沙土层。在黏土层里挖掘不会有任何危险，但一旦遇到了一层充满水的沙土层，就有可能导致隧道被淹没，挖掘者毫无逃生机会。因此，英国和澳大利亚的军事地质学家被征召到前线，预先对地层展开研究，以减小挖掘风险。

再向南一些，阿图瓦地区的丘陵将佛兰德斯平原和巴黎盆地北部的白垩质平原分隔开来，丘陵的制高点包括罗莱特圣母院和维米岭。在1915年的战争期间，法军在罗莱特圣母院北侧的泥泞中损失了约4万人，这个地方也被称为“死人和泥浆混在一起的鬼域”。

在这里，有一个断层截断了山丘，保留着第三纪的黏土。1916年，协约国军队利用维米岭不含水的地层，挖掘隧道，放置地雷，以瓦解敌军。1917年复活节当天，他们攻破了敌军的阵地并且向前推进了数千米。加拿大军队通过这次战役从英国的管辖下获得独立，并把这次胜利视为国家建立的一种标志。

在稍南一点的阿拉斯市（Arras，罗恩维尔区和圣萨维尔区）的地下，同样有一层约30米厚的不含水的白垩层。因为这一土层的存在，新西兰的工兵能够在地下挖出容纳25000名英国士兵的军营。然而，尽管士兵突然从地下冒出来造成了出其不意的效果，但对于英军来说，这场从1917年4月9日持续到5月7日的阿拉斯战役还是造成了巨大的损失，并且攻占下来的土地十分有限。

为了准备索姆河战役，协约国军队在索姆河北侧几十米深的干燥白垩层中挖掘了众多的地下工事。1916年7月1日，伴随着19次同时发生的剧烈爆炸，战役打响了。在拉布瓦塞勒以南，威尔士矿工在德军阵线下16米深的地方安置了27吨阿芒拿炸药，爆炸造成了一个直径90米、深30米的大坑，至今仍然清晰可见。

在贫瘠的香槟地区，战线僵持了四年之久，那是一片白色的沙漠，非常缺水，那里的白垩灰尘总让人嘴唇干燥，少数几个供水点需要数千米的跋涉才能到达。水几乎都在地下，而法国士兵没有预料到这一情况，没有装备英军和德军那样的钻井设备和水泵。激烈的战斗将村庄从地图上抹去，造成了大片大片的平地，这些地方变成了演习场（莫隆维耶，Moronvilliers）或者军事训练场（叙伊佩，Suippes）。

在阿尔贡，一个覆盖着丛林的丘陵地区，沃夸岗（la butte de Vauquois）是一个具有象征性的地点，也是海绿云母细砂岩露头的地区，最高处达到285米。海绿云母细砂岩是一种带绿色的特殊岩石，多孔、质轻，但相对坚硬。在侵蚀作用下，海绿云母细砂岩起伏不平，与原始地层分开，在这一带达到120米高度。从1916年2月21日开始，沃夸岗的观察哨的作用被加强了。那里特殊的地质构造（没有含水层），和这种十分利于挖地道的岩石（挖掘了17千米），造成了一场疯狂的地下战争，其间发生了519次爆炸。4年中，将近15000人在的这一小片土地上丧生（8000个法国人、6300个德国人，100个美国人）。

泥灰岩上的医院

在洛林地区，南希（Nancy）的东边，1914年10月形成的战线在4年间变化也很小。高度差几十米的、相对柔和的地面起伏是该地区的地形特点。地表下的基岩连接着考依波阶（Keuper）早期的泥灰岩，这是一层形成于2.3亿到2.2亿年前的地层。在这层泥灰岩中挖掘地道不会有任何困难，因为这里不存在含水层，因此很少会有水浸入地道。德国工兵利用他们对土地的了解，在起于兰特雷（Leintrey）的法军防线地下向南挖掘地道。1916年7月11日的爆炸摧毁了162步兵团一个连队大部分的战斗力，并且制造了一个直径50米、深20米的大坑。再向南，在东热万（Domjevin）地区（法国部分），一家旨在治疗无法运走的伤员的医院于1916年7月在一个同样是泥灰岩构造的山丘上开始动工。不过，这家医院从未投入运营，因为它本来是为1918年11月14日的一场战役准备的，但那时，战争已经结束了。

孚日山脉的战斗带来了许多技术上的挑战。地下战争在地形、地质和水文地质条件允许的地方进行着。建筑地下工事时，水的问题时常会成为挖掘的阻碍。这些工事有时会挖到地下80米，触及三叠纪早期比较软的砂岩层中（形成于约2.5亿年前），如在拉夏佩洛特（La Chapelotte）进行的工程就是这样。而对于山脊上的军队，水的供给十分重要——不仅是饮用水，建造混凝土工事同样十分重要。

地质学家的知识就这样在第一次世界大战中发挥了重要作用。这些知识不仅对于供水和挖掘隧道有着很高的价值，而且在很多其他不为人知或是不寻常的方面也很有用，例如制作适用于指导坦克行进的地图，鉴定航空指南针材料，以及运用关于石英晶体的专业知识——最早的声呐就是基于石英研制出来的，被用于探测潜艇或寻找矿藏、石油。

如今，第一次世界大战已经结束了100年，一些地质学家继续将他们的专业知识应用于现代战争中。但还有地质学家仍在研究第一次世界大战的战场，从化学污染的角度研究这次战争对世界的影响，或是寻找需要加固的危险坑道。

地质学家与第一次世界大战的故事还没有结束。

（Scientific American中文版《环球科学》授权南方周末发表，邓艺杭翻译）