地球故事第三讲--面向新千年的地质科学

地球故事第三讲--面向新千年的地质科学小厮2006-04-0716:59茫茫宇宙中，地球是迄今为止所发现的唯一适合人类生存的行星，是我们可爱的家园。地球孕育了人类，但是，人类在开发和利用自然资源、在社会不断发展的同时，也无情地毁坏、污染和摧残了她，致使人类自己的生存也开始面临着极大的威胁。今天，关心地球、爱护地球已成为每一个人的责任；认识地球、了解地球已成为每一个人的愿望。上世纪地质学领域产生了一系列重要的革命性学说，不断向我们提供了与人类生活最密切的地壳整体演化的生动图景，对人类自然观的形成和深化产生了重大影响。地球是怎样形成的？地质作用怎样改变着地球？地球上的生物是怎样演化的？地球上有多少可利用的资源和能源？地球还能存在多久？所有这些，都能在这里得到充分的讨论。中国地域辽阔，地质构造复杂多样，是认识和了解大地母亲的极好课堂。让我们怀着求索和唯真的态度，去解读与地质学有关的形形色色的课题，从而能够在新千年以崭新的姿态去面对她，并勾画地球以及人类的美好明天。什么是地质学地质学是一门什么科学地球是怎样诞生的水成论与火成论的论争莱伊尔的地球观居维叶的突变论及其东山再起来自地球外的“灾星”地层序列和地层学什么是地槽—地台学说大陆在漂移吗？著名的版块学说中国地质学的成就中国最早的地质科学研究机构地质力学的奠基人—李四光普查与勘探资源与能源中国煤炭工业的成就中国的大油田中国工程地质成就21世纪的召唤21世纪地质学的根本转变地球工程人类活动引发的地质作用地球科学新时空观人口、资源和环境到哪里获得能源固体地球科学的前沿领域向宇宙进军沉积环境与盆地动力学资源优势与西部大开发小厮2006-04-0717:00地质学是一门什么科学人类生存在地球上，它生活的环境和从事生产所需要的物质资料都离不开地球。远古时代我们的祖先便试着了解地球，因而有了Geology（地质学）这门学科，它与Geography（地理学）、Geometry（几何学）、Geomonphology（地貌学）等都是关于大地的论述。地质学真正成为一门独立的科学是在18世纪后半叶。随着认识能力的提高、探测手段的进步和资料知识的丰富，地质学的研究内容也在不断地扩大和更新。蒸汽机的使用使采煤量大大增加了，工业革命要求矿业和冶金业迅速发展，推动了大面积的区域地质调查。至20世纪中期，基础地质学已形成了三大分支系统，第一是研究地壳的组成和物质成分，第二是研究地壳或地质作用的发展历史，第三是研究地壳的变动和动力地质作用。应用地质学则形成了两大分支系统，一是研究各种矿产的生成、运移、富集的规律，可称经济地质学，二是直接服务于各种工程建设的工程地质学和水文地质学。简言之，该阶段的地质学研究的对象主要是陆地，揭示的只是地球表层（以上部地壳为主）的发展过程。一系列分支学科的出现标志着地质学的欣欣向荣。20世纪60年代开始出现的板块学说使地质学进入了一个全新的发展时期。地质学的研究内容大大拓宽了，可通俗地用“上天、入地、下海”六个字来比喻，即：海洋、地幔、岩石圈乃至外地核，来自宇宙（地外）的陨石等，都是地质学的研究对象。地质学发展的主要特点，一是由自身的分科走向综合，二是地质学与其它学科的交叉渗透。由于从全球观点出发对地质现象进行综合考察成为地质研究的必由之路，“固体地球科学”一词有时能更确切地表述原地质学的研究内容。新的地质学分支学科常是基于全球构造格局而集中于某一特定区域而提出的，如大陆边缘地质学、大陆裂谷地质学、特提斯地质学、冈瓦纳地质学等。近半个世纪来，由于过分加速的城市化和沙漠化，人类的生存环境正受到日益严重的威胁，环境地质已成为人们所关注的一个研究领域。人口的急剧增长和资源的过量开采造成若干资源能源迅速枯竭，可持续发展已成了迫在眉睫的问题。在我们跨入新千年时，应用地质学的核心问题是解决资源和环境问题。1980年，在巴黎召开的第26届国际地质大会上，法国总统德斯坦和大会主席奥布安都表述了这样的思想：20世纪末的中心问题是能源和资源，所以地质学是通向21世纪的一个必要条件。相信在21世纪内，地质学会增添许多新的内容，为人类的生存和发展作更大的贡献。小厮2006-04-0717:01地球是怎样诞生的地球的起源、地球上生命的起源和人类的起源，被喻为地球科学的三大难题。尤其是地球的起源，长期以来信奉上帝创造世界的宗教观念，哥白尼、伽俐略、凯普勒和牛顿等人的发现彻底推翻了神创说，之后开始出指髦止?755年设想因较为致密的质点组成凝云且相互吸引而成为球体、因排斥而使星云旋转，是关于地球起源的第一个假说，尽管今天已失去科学意义。法国数学家兼天文学家拉普拉斯1796年提出行星由围绕自己的轴旋转的气体状星云形成说。星云因旋转而体积缩小，其赤道部分沿半径方向扩大而成扁平状，之后从星云分离出去而成一个环、颇象土星的光环。环的性质是不均一的，物质可聚集成凝云，发展为行星。按相同的原理和过程，从行星脱离出来的物质形成卫星。拉普拉斯的假说既简单动人，又解释了当时所认识的太阳系的许多特点，以至竟统治了整个19世纪。前苏联的天文学家费森柯夫认为太阳因高速旋转而成梨形和葫芦形，最后在细颈处断开，被抛出去的物质就成了行星。抛出物质后太阳缩小，旋转变慢；一旦旋转加快，又可能成梨形而抛出一个行星，逐渐形成行星系。旋密特设想太阳在参加银河系的转动中，在穿越黑暗物质云时俘散了一部分尘埃和流星的固体物质，在其周围形成粒子群。后者在太阳引力作用下围绕太阳作椭圆运动并与太阳一起继续其在银河系的行程，最后从这些粒子群发展为行星和慧星（一部分成了流星和陨星）。当然还有其它形形色色的假说，如英国天文学家金斯。他认为地球也是太阳抛出的，抛出的机制，在于某个恒星从太阳旁边经过，两者间的引力在太阳上拉出了雪茄状的气流，气流内部冷却，尘埃物质集中，凝聚成陨石块，逐步凝聚成行星。由于被拉出的气流是中间粗两头细（雪茄状），故大行星在中间，小行星在两端。人类进入宇宙时代以来，发现行星和卫星上有大量的撞击坑。1977年，肖梅克提出：固态物体的撞击是发生在类地行星上所有过程中最基本的。在此基础上提出了宇宙撞击和爆炸的假说。这种撞击是分等级的，第四级的撞击形成月亮这样的卫星。具体过程是：一个撞击体冲击原始地球，引起爆炸，围绕地球形成一个气体、液体、尘埃和“溅”出来的固态物质组成的带，最初是碟状的，因旋转的向心力作用而成球状，失去了部分物质的地球也重新成为球状。随科学的发展，地球起源之谜一定会被解开。小厮2006-04-0717:01水成论与火成论的论争你能相信吗：地质学家在一起讨论问题时，不但争得面红耳赤，还要动以拳头？地质学发展史上，水成论与火成论的论战确实有一度曾如此白热化。在教会统治的中世纪，“圣经”是唯一的真理。“圣经”里说有诺亚的大洪水，水成说在很长一段时期里成为不可动摇的信条。水成论和火成论的正式交锋始于18世纪中叶的法国。1746年，盖塔尔送给巴黎科学院关于矿带和岩石分布的记录。他发现了地层的连续性和空间分布的规律性，并据之作出法国的地质图。显然，岩石只有形成在水中才具有连续性和分带性，对奥费涅火山的玄武岩，他也认为是水溶液的结晶作用形成的。1765年，迪马雷送给巴黎科学院奥费涅的地质图，提出玄武岩是附近的火山里流出来的，柱状节理是玄武岩曾处于熔融状态的证明。魏尔纳是水成说的集大成者。1775年起他任德国费顿堡矿山学校的教授，以出色的教学吸引了大量青年学生。他认为自原始海洋开始到诺亚洪水结束，水的力量营造了一切地质系统，自原始海洋到现在，水面在不断地下降，原始岩石露出水面后开始发生风化、堆积而形成新地层。他的口头禅是“百闻不如一见”。他的学生，如达步松（1804）和布赫（1809），在考察了玄武岩和花岗岩之后，都发表了不同于魏尔纳水成说的观点。与魏尔纳观点大相径庭的一个代表人物是赫顿。这位苏格兰天才的主要调查区是加里东造山带的典型露头区苏格兰高地，那里有花岗岩和矿脉。他认为地层的固化和海洋上升为陆地是地热的作用，火山活动是释放地下能量的出口，有点象瓦特的蒸汽机（当时瓦特正在进行这方面的试验）。他的地质理论长期被说成火成论，其实他本人并不认为所有的岩石都是火成的。他对不整合面的发现和解释为18世纪的地质学增添了光彩的一笔。水成论与火成论的论战在19世纪初达到高潮。由于赫顿学说的发展，一系列新的地质事实证实了赫顿阐述的观点，火成论者终于取得了胜利。小厮2006-04-0717:02莱伊尔的地球观自然科学史家说：就象1642年伽俐略逝世的同年牛顿诞生，后者使前者的力学得到发展那样，1797年伟大的赫顿逝世，同年莱伊尔诞生并进一步发展了前者的业绩。这足以说明莱伊尔在地质科学形成中的作用了。莱伊尔的地球观集中体现在《地质学原理》一书中（1830年1月出版第1卷，次年出版第2卷，1833年5月出版第3卷）。他抱着坚定的信念，不依赖圣经上的词句，努力用现在还继续起作用的自然营力去说明过去的地质现象。也就是说，要认识地球的历史，用不着求助超自然的力和灾变，因为通常看来是“微弱”的地质作用力（大气圈降水、风、河流、潮汐等），在漫长的地质历史中慢慢起作用，就能够使地球的面貌发生很大的变化。他承认陆地的升降运动，把意大利塞拉比寺院的三根石柱（它们曾部分被海水淹没）作为《地质学原理》的刊头画，并指出斯德哥尔摩附近海面以上200呎的海生动物的贝壳说明陆地的上升。他不相信相对短时间内的激烈变动，用了几十页的篇幅反对德博蒙的造山运动。莱伊尔强调“现在是认识过去的钥匙”，主张地史时期的事件无论在量的方面还是质的方面都与现在毫无不同。这一思想被发展为“将今论古”的现实主义原理。他以居维叶的突变论（曾译灾变论）为攻击目标，树起了均变论（曾译渐变论）的旗帜。在莱伊尔逐步取代了居维叶之后，均变论在长达近一个世纪的时间里成为地质学的信条，本世纪60年代以前的地质学教科书，几乎异口同声地说“莱伊尔用均变论统一说明了地质现象，建立了科学的地质学”，唯恩格斯独具慧眼，在当时就指出了他的致命弊病。18世纪末19世纪初的欧洲，不同的社会环境造就了三个迥然不同的地质大师。随工业革命的胜利完成，英国平稳地过渡入资本主义社会；莱伊尔出身于经济条件优裕的大地主阶层，所以不希望变革。他足迹遍及欧美大陆，仔细观察和记录各种现象；他使用的键子小巧精美，很难与打石头采样联系起来。与史密斯在开凿运河、赫顿在经营农场和工场中积累大量的实践经验而上升为科学家不同，莱伊尔是贵族式的或绅士式的科学家。至1875年莱伊尔去世，“原理”的第一版和第十一版的结论几乎完全相同，说明45年里他的学术思想几乎没有发展，是对他“均变论”的绝妙注释。法国当时正处于大革命的急风骤雨中（只要读一些雨果的名著就可知道），造就了居维叶这样一个突变论者。德国当时的经济和科学水平都较英、法落后，为魏尔纳的静止的地质学提供了讲坛。小厮2006-04-0717:02居维叶的突变论及其东山再起居维叶在研究巴黎盆地的白垩纪和新生代地层时，发现不同的堆积有不同的化学性质、层理类型和化石。在1811年和1812?这种独特的见解被称为突变论（曾译灾变论）居维叶关于地球变革的思想使法国的地质学在欧洲处于领先一步的地位（史密斯绘成了英格兰和威尔土的地质图却从未想过生物灭绝和进化问题，魏尔纳则还在德国讲授老掉了牙的水成论），开创了地质学的一个英雄时代。这一思想也影响了构造地质学，如德博蒙1845年论文中关于阿尔卑斯山脉的成因。莱伊尔的均变论占了上风后，居维叶的突变论被视为神秘主义和唯心主义的东西。但均变论与突变论的争战并未结束。1963年，德国古生物学家辛特沃夫发展题为“新突变论”的文章，重点论战之火。辛特沃夫强调：地史期间的生物多次大规模的灭绝是确证无误的事实，有机群落的接替是幕式的而不是连续的，地球的任何一部分的历史都象土兵的生活，“由长期的百无聊赖和短暂的惊心动魄反复地交替构成”。与前人不同的是：他对这些全球现象提出了一个宇宙原因的假设，例如幕状的高能宇宙幅射的幅射源。这是首次从地外去寻找地球上生物灭绝的原因。不过，他假设的对地球生物造成致命效果的高能宇宙幅射