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(shù)士兵免于泥濘的困擾？以地質(zhì)學(xué)家的眼睛審視這場戰(zhàn)爭，我們可以看出這個學(xué)科，特別是對水的管控，在這場戰(zhàn)爭中起著多么關(guān)鍵的作用。事實上，地質(zhì)學(xué)影響著第一次世界大戰(zhàn)的整個過程。

1917年1月4日，在索姆河流域的拉莫特-昂桑代爾(Lamotteen-Santerre)，在一片泥濘當(dāng)中，多虧了有消毒水箱，一位士兵才能把他的水壺裝滿水。 （環(huán)球科學(xué)供圖/圖）

1914年8月，德軍在比利時展開了閃電般的推進(jìn)。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(dāng)?shù)萝娖冉�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(jìn)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(zhì)學(xué)知識在這場戰(zhàn)爭中的重要性。事實上，地質(zhì)學(xué)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(jìn)程——要占據(jù)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(zhì)學(xué)，尤其是水文地質(zhì)學(xué)的作用才真正顯現(xiàn)了出來。當(dāng)時，因為此前從未出現(xiàn)過的炮兵力量，戰(zhàn)事穩(wěn)定下來，戰(zhàn)爭轉(zhuǎn)化為了陣地戰(zhàn)。這并不在戰(zhàn)略計劃當(dāng)中，且導(dǎo)致了許多新的制約因素的出現(xiàn)，例如水和物資的供應(yīng)，庇護(hù)所和戰(zhàn)壕的修建，以及對地下土層的探究。也因此，地質(zhì)學(xué)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(zhì)學(xué)家的眼睛審視這場戰(zhàn)爭，我們可以看出，這個學(xué)科，特別是對水的管控，在這場戰(zhàn)爭中起著多么關(guān)鍵的作用。

在第一次世界大戰(zhàn)中，無論是挖掘地道，還是構(gòu)筑地下工事，都需要用到地質(zhì)學(xué)知識。這次戰(zhàn)爭也是人類歷史上第一次出現(xiàn)了持續(xù)而密集的炮彈轟擊，經(jīng)常對軍事工事造成巨大破壞，而尋找更好的地方修建防御工事，也需要地質(zhì)學(xué)家的指導(dǎo)。 （環(huán)球科學(xué)供圖/圖）

 

士兵的飲用水

1914年末，隨著戰(zhàn)事陷入僵持，現(xiàn)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(yù)計，他們的遠(yuǎn)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(dāng)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(yīng)蒸汽機車，以及生產(chǎn)混凝土建造庇護(hù)所等。水在戰(zhàn)爭中至關(guān)重要，因此，必須要著手鉆井取水，并保護(hù)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(dāng)?shù)仫嬘盟�資源的了解，他們在當(dāng)?shù)卮蛄藬?shù)千口井，沒有依靠水文地質(zhì)學(xué)家的幫助，對地質(zhì)學(xué)家的需要也沒有那么迫切。不過，一些法國地質(zhì)學(xué)家還是逐漸擔(dān)任了顧問職位——比如夏爾·巴魯爾（Charles Barrois），他是巖石學(xué)和野外地質(zhì)學(xué)家，在幾個位于里爾（Lille）的地質(zhì)學(xué)實驗室擔(dān)任負(fù)責(zé)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(zhì)環(huán)境一無所知，而且也沒有專門服務(wù)于軍事的地質(zhì)研究部門。

1915年6月，英國陸軍為應(yīng)對法國北部的供水困難，派出了英國地質(zhì)局的一位地質(zhì)學(xué)家比爾·金（Bill King）擔(dān)任工兵隊總指揮。他的第一項工作是編撰地質(zhì)數(shù)據(jù)，以便確定哪些區(qū)域適合打井。在他的領(lǐng)導(dǎo)下，英國軍隊也配備了多種石油鉆井設(shè)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(chǔ)上，金的團隊繪制了索姆河流域的水文地質(zhì)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(jù)優(yōu)勢，戴維必須幫助英軍奪回地面優(yōu)勢。他的主要貢獻(xiàn)是確定了藍(lán)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(zhì)學(xué)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(xué)的地質(zhì)學(xué)教授漢斯·菲利普（Hans Philipp）領(lǐng)導(dǎo)。他們繪制了比例為1：50000的水資源地圖，并注明水質(zhì)和儲水量信息。

德國人建立的最大的系統(tǒng)工程之一應(yīng)該是梅西訥嶺一側(cè)的供水網(wǎng)絡(luò)。供應(yīng)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(yuǎn)。德軍每天泵水6000立方米，供應(yīng)到2000個水龍頭，覆蓋了155平方千米的面積�？赡芤驗樾蝿菟�迫，德軍在水文地質(zhì)工作上遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)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(zhì)信息。

密集的炮火

對水的管控不僅僅是為了保障水的供應(yīng)。水也可能成為障礙，因此對地質(zhì)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(xiàn)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?qū)е碌?mdash;—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(zhì)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(zhì)，水難以滲透出去；二是地下水位置很淺的地質(zhì)。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(jìn)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(zhì)。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(dá)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(jìn)入含水層，這一現(xiàn)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(jié)合在一起的。干燥土層的空隙中充滿了空氣，因為水僅僅經(jīng)過這層土壤；而下層含水層的空隙中則充滿了水。這個現(xiàn)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(xiàn)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(fù)雜。地質(zhì)學(xué)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(tǒng)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(xié)約國軍隊的任務(wù)目標(biāo)是把多達(dá)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(dǎo)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(zhì)學(xué)家被征召到前線，預(yù)先對地層展開研究，以減小挖掘風(fēng)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(zhì)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(cè)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(jì)的黏土。1916年，協(xié)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(fù)活節(jié)當(dāng)天，他們攻破了敵軍的陣地并且向前推進(jìn)了數(shù)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(biāo)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(zhǔn)備索姆河戰(zhàn)役，協(xié)約國軍隊在索姆河北側(cè)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(shù)幾個供水點需要數(shù)千米的跋涉才能到達(dá)。水幾乎都在地下，而法國士兵沒有預(yù)料到這一情況，沒有裝備英軍和德軍那樣的鉆井設(shè)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(xí)場（莫隆維耶，Moronvilliers）或者軍事訓(xùn)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(xì)砂巖露頭的地區(qū)，最高處達(dá)到285米。海綠云母細(xì)砂巖是一種帶綠色的特殊巖石，多孔、質(zhì)輕，但相對堅硬。在侵蝕作用下，海綠云母細(xì)砂巖起伏不平，與原始地層分開，在這一帶達(dá)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(zhì)構(gòu)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(gòu)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(zhǔn)備的，但那時，戰(zhàn)爭已經(jīng)結(jié)束了。

孚日山脈的戰(zhàn)斗帶來了許多技術(shù)上的挑戰(zhàn)。地下戰(zhàn)爭在地形、地質(zhì)和水文地質(zhì)條件允許的地方進(jìn)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(jì)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(jìn)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(zhì)學(xué)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(dǎo)坦克行進(jìn)的地圖，鑒定航空指南針材料，以及運用關(guān)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?qū)ふ业V藏、石油。

如今，第一次世界大戰(zhàn)已經(jīng)結(jié)束了100年，一些地質(zhì)學(xué)家繼續(xù)將他們的專業(yè)知識應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)爭中。但還有地質(zhì)學(xué)家仍在研究第一次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)場，從化學(xué)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(zhì)學(xué)家與第一次世界大戰(zhàn)的故事還沒有結(jié)束。

來源：《環(huán)球科學(xué)》中文版

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

 

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（地一眼編輯：楊為先）

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