地质学家与福尔摩斯
- 2020-01-05 22:42:04
- 来源：中科院地质地球所
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地质学家们是当代的福尔摩斯？
趣说地质学--地质学家与福尔摩斯
作者：王清晨/中国科学院地质与地球物理研究所（已退休）
作者：王清晨/中国科学院地质与地球物理研究所（已退休）
为什么说“地质学家们是当代的福尔摩斯”？
1
福尔摩斯是谁？
福尔摩斯是谁？
福尔摩斯是杰出的侦探小说家柯南道尔（A. Conan Doyle，1859～1930年）笔下的探案高手。
柯南道尔于1885年在爱丁堡大学获得医学博士学位。他在读研究生时就培养了对各种病人进行仔细观察和缜密推理的嗜好，甚至开始构思侦探故事。
毕业后，他一边行医，一边不忘业余爱好，动手写侦探小说。
《血字的研究》就是他的第一篇作品，发表于1887年。这是大侦探福尔摩斯第一次出现在公众面前。
从1887年到1927年，柯南道尔在40年时间里发表了56篇短篇侦探小说和4部中篇侦探小说，成功塑造了一个有血有肉的大侦探，使福尔摩斯成为世界上家喻户晓的人物，就连福尔摩斯“居住过”的伦敦贝克街221号B也成了福尔摩斯的粉丝们眷顾的景点。
笔者是福尔摩斯的忠实粉丝，曾和同事一起拜访伦敦贝克街221号B。
《血字的研究》介绍了福尔摩斯的知识结构：“…，地质学知识——偏于实用，但也有限。但他一眼就能分辨出不同的土质。
化学知识——精深。…”
显然，柯南道尔笔下的福尔摩斯对地质学的了解远不如对化学。为什么柯南道尔不让福尔摩斯多学点地质学？
《血字的研究》是柯南道尔在19世纪末发表的。19世纪被誉为“科学的世纪”。
自然科学发展的突飞猛进，物理学和化学都趋向至臻完善。
物理学解释热力学的分子运动，化学引入定量分析方法，开始揭示原子结构。俄国化学家门捷列夫（1834～1907年）发表了元素周期表，德国化学家维勒（1800～1882年）和李比希（1803～1873年）创立了有机化学。
相比之下，地质学的科学水平还不够高。
“水成论”和“火成论”间的战火刚刚平息，而在关于地球年龄的论战中，热力学家开尔文“地球年龄是1亿年”的观点占了上风，地质学家败下阵来，正处于郁闷时期。
在这样的社会背景下，怎么指望福尔摩斯去学习地质学？
2
地下找矿的地质学“福尔摩斯”
地下找矿的地质学“福尔摩斯”
法国总统德斯坦在第26届国际地质大会上指出，能源和矿产资源问题将是21世纪的重要问题，“如果有一天地质学家停止工作了，世界就会处于一片黑暗和混乱之中，更何谈工业发展的未来呢？”
能源和矿产资源开发利用曾是世界文明发展的标志。
铜矿的大规模开采冶炼使人类从石器时代进步到青铜器时代，铁矿的大规模开采冶炼使人类进步到铁器时代，煤矿的大规模开采利用为人类第一次工业革命提供了能源。
今天，能源和矿产资源已经成为世界发展的经济命脉，甚至能决定世界的政治格局。
美国前国务卿基辛格曾说，“如果你控制了石油，你就控制住了所有国家。”
石油、天然气、煤和各种固体矿产资源都是在地下深处形成的。
怎么样寻找这些能源和矿产资源？
说起来，这真有点儿像福尔摩斯探案。
在《血字的研究》中，福尔摩斯对罪犯在户外和室内留下的足迹和各种痕迹进行了仔细地观察，然后准确地指出，劳瑞斯顿花园街命案的凶手乘坐的是出租马车，马的右前蹄新换了马蹄铁；凶手身高约6英尺，面色赤红，右手指甲很长，抽印度雪茄烟，…。
这一连串的推断让苏格兰场的警探们目瞪口呆。
地质学家找矿，最初也是依靠肉眼看到的各种蛛丝马迹。
我国春秋战国时期撰写的《管子》一书中就讲到
“ 上有丹沙者，下有黄金。上有慈石者，下有铜金。上有陵石者，下有铅锡赤铜。上有赭者，下有铁。”
在当时，这完全是一种实用经验，是根据地面上的种种迹象寻找地下的矿产。
这种经验今天也依然有效。
湘潭有个锰矿，但矿石快开采完了，新中国成立不久，矿山就面临关闭。
1953年，地质学家叶连俊（1913～2008年）奉命去找矿。
他在矿山内外仔细勘察，发现了几个特殊的现象：一是这些锰矿层是夹在两层远古时期的冰川沉积岩之间；二是矿区里飞来飞去的蚂蚱身上都是黑色的，像是涂了一层黑漆；三是从矿区流出的溪水虽然清澈见底，但溪水边的草、树、石头块等都被染成黑色，也像涂了一层黑漆。
叶连俊先生想到，溪水中可能溶解了一定量的锰，氧化后就形成了黑色的氧化锰，附着在蚂蚱、草、树、石头块等表层。
这种氧化锰正是现在开采的锰矿。
这就是说，溪水的源头应该就是锰的源头。
叶连俊顺藤摸瓜，在溪水源头见了矿工们叫做“符吉冲灰岩”的白色岩层，他用手掂了掂，密度果然很大。
叶连俊知道，灰岩的主要矿物是方解石，化学成分是碳酸钙，密度是2.7 克/立方厘米。
而碳酸锰的密度是3.1 克/立方厘米，比方解石重了15%。
因此，这种“符吉冲灰岩”绝不是由方解石构成的普通灰岩，里面的矿物应该是密度更大的碳酸锰。
叶连俊让矿山部门马上采样，进行化学分析。结果很快出来了，“符吉冲灰岩”的锰含量高达31%！
这种看上去白白的“符吉冲灰岩”就是由碳酸锰组成的，这就是原生沉积锰矿。
它在地表氧化后会形成黑色的氧化锰，像帽子一样，盖在原生沉积锰矿上，地质学家给它起了个形象的名字，叫“矿帽”。
在叶连俊指导下，矿山部门在两层远古时期冰川沉积岩之间找到了大量原生锰矿，濒临关闭的矿山又复活了！
湘潭锰矿一下子成了当时国内最大的锰矿。
《人民日报》对此进行了报导，说地质学家为国家工业建设提供了“精确的资料”。
溪水边蚂蚱、石块儿和树枝上的氧化锰壳
原生锰矿（碳酸锰）和“矿帽”（氧化锰）
地面上除了一些指示地下存在矿产的标志性石头，还有标志性植物。
南朝梁（公元502～557年）成书的《地镜图》中就记载了一些寻找金属矿床的指示植物，如，“草茎赤秀，下有铅”、“草茎黄秀，下有铜”、“山上有葱，其下有银”等等。
1952年，我国地质学家在海州发现了大量香薷草，茎是方形的，花带点蓝色。
他们推测这种蓝色的花可能和铜元素有关。于是，经过一番勘查，果然在那里发现了大铜矿。
1985年，地质学家在胶东的一个金矿区发现，那里的野生石竹非常多。经过几年的研究，确定了这种石竹总和金矿伴生，是胶东金矿的直接指示植物。
植物和矿产有关系？这些听起来像是天方夜谭，但实际上也是地质学家总结出的一种找矿经验，被称为“植物找矿”法。
香薷草（铜草）
国外的地质学家也在使用这种“植物找矿”法。
例如，美国地质学家曾在马里兰州发现，那里的冬青树叶子只有叶脉是绿色的，而其他部位都是黄色的。
他们猜测可能和某种金属元素富集有关。进一步的调查果然发现了一个铬铁矿。
再如，赞比亚西部有一种小草，开蓝色的花，形状有点像如龙舌兰，是铜矿的指示植物，被叫作“铜花”。
赞比亚的地质学家通过这种“铜花”，发现了一个铜储量达9吨的大铜矿。
其他的例子还有，英国地质学家在石南草帮助下，找到了钨矿和锡矿，德国和瑞典地质学家通过三色堇，找到了锌矿。
澳大利亚地质学家前几年还发现，可以通过对桉树叶子里所含的微量金去寻找金矿。
3
学习福尔摩斯，超越福尔摩斯
学习福尔摩斯，超越福尔摩斯
福尔摩斯手中有两件“法宝”：放大镜和烟斗。
这是柯南道尔对福尔摩斯高超探案才能的一种隐喻，放大镜代表了明察秋毫的观察能力，烟斗代表了缜密的逻辑推理能力。
福尔摩斯可以从一个人的指甲、手茧、衣袖、靴子等细微处判断出他的职业。
他在掌握证据之后会先作出假设，然后提出矛盾和问题，进一步深入调查。最后，通过推理，建立起整个逻辑链条，“从一滴水推测出大西洋的存在”。
用福尔摩斯自己的话说，“我在观察和推理两方面都具有特殊的才能”。
福尔摩斯探案的两件“法宝”
向福尔摩斯学习，地质学家也非常注重观察和推理。
叶连俊拯救湘潭锰矿的故事就是很好的例子。
在观察方面，地质学家有了比福尔摩斯的放大镜更先进的光学显微镜和电子显微镜；有了进行岩石和矿物原位微区化学分析的电子探针仪；有了进行高灵敏度同位素分析的各种质谱仪；有了开展矿物相变实验的高温高压反应釜；有了探测地下地质结构的重力、电、磁、地震探测装备，…等等。
利用这些装备，地质学家能为深部找矿提供可靠的科学依据。
通过人工地震揭示深部的地质结构，为石油勘探提供了科学依据
在推理方面，地质学家已经形成了一套完整的逻辑链条和规范化的思考流程。
地质学家的研究程序可以归纳为“三部曲”：观察—假说—验证。
地质学家进行科学研究的“三部曲”
观察是对自然现象做充分的观测，不漏过任何蛛丝马迹，揭示自然真相。
假说是对所获资料进行系统性整理，对资料背后的规律进行推测，形成一个暂时可以接受的解释。
在建立这种阶段性假说过程中，必须构建合理的“证据链”。证据过少不行，“孤证不立”。
证据链中的诸多证据一定要保证真实性、关联性和互补性。
验证是对假说做进一步考察，用新资料检验假说的可靠程度，最后再下结论。
地质学家和福尔摩斯的工作程序是不是很相似？
当然，地质学家的研究和福尔摩斯的探案仍然有不同的地方，主要表现在梳理和构建“证据链”方面。
当难以找到充足的证据时，福尔摩斯往往依靠生活常识去推理、论证，按照今天的司法术语，福尔摩斯依靠的是“经验法则”。
地质学家绝不能这样做，因为经验法则并不是事物之间内在联系的必然反映。
地质学家研究的是自然现象，推理、论证依靠的是自然科学的定律、公理，从不依靠生活常识。
在找矿中，地质学家依靠的是各种矿产资源本身的成矿规律和分布规律。
在前面讲的找矿例子中，叶连俊找到原生锰矿依靠的是矿产垂直分带规律，依靠的是碳酸锰、氧化锰的化学性质和化学反应关系，深部的碳酸锰出露地表后必然会氧化形成氧化锰。
“植物找矿”的原理是，地下矿床的存在会使那一地区土壤中的某些元素富集，甚至有些土壤就是矿床本身风化形成的。
矿区植物在生长过程中会从土壤中吸收这些富集的元素，出现某种反应。
例如，铜可以使香薷草的花呈现铜蓝色，铀可以使紫云英的花变为浅红色，铅锌矿会使车前草等植物生长格外旺盛。
此外，土壤中一些金属元素的过多含量会破坏植物的新陈代谢，使植物畸形发育。
例如，石膏矿地区的植物比较矮小，硫化物矿区的植物容易枯萎，等等。
在进行推理和论证时，地质学家依靠的是自然科学规律，而福尔摩斯依靠的是生活常识。
正是在这一点上，地质学家超越了福尔摩斯。
当然，地质学家们对自然科学规律的认识是不断提高、不断深入的。
如果因循守旧、墨守成规，就不会有创新，更不会有新发现。
回想1931年，日本帝国主义侵占我国东北，建立了伪“满洲国”。
他们派了勘探队到松辽盆地找石油。我们很幸运，他们在盆地里忙活了十年，钻了一些石油探井，但是连个油星也没见到。
由于石油短缺，战争的能源难以维持，日本只好“南下”，向东南亚扩张，掠夺那里的石油资源。
那时的东南亚有美国和英国的殖民地。于是，孤注一掷的日本于1941年偷袭珍珠港，向美国宣战。
结果，日本战败，我们收复了被侵占的东北。
新中国成立后，我国地质学家从1955年起对松辽盆地进行石油地质勘探，4年后，1959年9月，建国十周年大庆前夕，“松基三井”喷出黑油油的石油，“大庆”油田从此诞生。
大庆“松基三井”纪念碑
当《人民日报》宣布这一特大喜讯后，日本方面十分震惊。
据说，当年的日本勘探队长羞愤自杀；日本学者举办多场“反思会”，为没能在战前找到大庆油田始终感到“遗憾”；甚至有言论说，“如果当初找到大庆油田，二战历史将重新改写”。
其实，他们根本不用遗憾，因为他们的找油理论太落后。
当时世界上流行“海相地层生油论”，而松辽盆地是陆相地层，包括日本、美国和前苏联的专家都认为，松辽盆地没希望。
美孚石油公司曾组织了一个调查团到我国的山东、河南、陕西、甘肃、河北、东北和内蒙古部分地区进行石油勘探调查，打了几口石油探井，都没有什么收获，最后得出“中国陆相贫油”的结论。
中国地质学家不信邪，硬是在陆相地层中发现了特大油田，并且总结出了“陆相地层生油理论”。
大庆油田的发现，不仅仅使新中国从此甩掉了“贫油”的帽子，而且标志着中国地质学家所具有的科学创新能力。
4
地质学家超越福尔摩斯是正常的，必然的。看问题要历史地看。
毕竟福尔摩斯是柯南道尔笔下的人物，故事发生在1878年至1914年时期。
那时的地质学正处于经典地质学的发展时期。
美国地质学家根据阿帕拉契亚山和相邻的密西西比河平原古生界浅海灰岩厚度的巨大差别，于1873年提出地槽理论。
欧洲地质学家通过观察阿尔卑斯山岩石的变形样式，于1891年提出推覆构造模型。
奥地利地质学家E.修斯于1883～1909年出版了《地球的面貌》，论证了水平运动的重要性。
德国气象学家A.魏格纳于1912年在法国地质学会上做了题为“大陆与海洋的起源”的讲演，后于1915年出版《海陆的起源》，全面系统地阐述了大陆漂移思想。
这些为日后大地构造的“固定论”和“活动论”之争埋�铝说蓟鹚鳌�
而最终解决这一争论，确立板块构造学理论，依然是遵循了“观察—假说—验证”三部曲。
这是福尔摩斯探案和地质学家研究共同遵循的工作程序。
青虽“胜于蓝”，毕竟“出于蓝”，福尔摩斯是永远值得地质学家学习的。
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