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如何学习地质学

作者:刘澜 日期:2021-09-30 14:28:04 点击数:

地质学到底研究什么?

说起“数理化天地生”,大家耳熟能详。可是,真要让人深究这个“地”字都囊括些什么,恐怕就不见得有几个人能说对了。对我们这些真正搞地质的来说,常常会听到一些啼笑皆非的答案:“你们不是搞土建/考古的么”......的确,这些学科免不了跟大地打交道,但问题是,他们真的跟地质学相差十万八千里啊。

真正的地质学——或者说广义的地球科学,其实只有一个主线目的:那就是在空间和时间的框架下,认识地球的构成和演化。所谓空间框架,即我们需要了解地球的结构、成分、各成分间的相互关系,以及这些关系背后的动力学机制。而之于时间框架呢,我们主要回溯地球的历史,我们想弄清楚:自从它诞生至今的这46亿年内,地球上到底发生过哪些事儿?这些事儿为什么会发生?他们造成了什么样的影响?这一套时间加空间的框架,构成了人类认识地球系统的主要逻辑线条,我们一般称这条逻辑线为地质理学(或理科地质),它包含了岩石学、构造地质学、古生物地层学、地球化学等等二级学科门类。人类之所以要认识地球,必然是为了满足一定的目的。面对无限广阔的大自然,人类的好奇心算一方面,但在马斯洛金字塔里,好奇心毕竟不是最底部的元素。免于饥饿和匮乏,对人类来说才是优先级更高的事情。所有这一切都必须建立在一个基本出发点上,即,我们必须源源不断地从自然界获取资源,才能维持生存,进而发展。大家有没有想过,支撑我们生产生活的各类资源,都来自于哪儿呢?事实上,除了生物圈和淡水资源外,所有的生产生活质料,到头来,都只能问岩石圈要。工业所需的金属材料,来自于岩石圈;建筑业所需的石材水泥,来自于岩石圈;高新产业所需的稀土有色,来自于岩石圈;驱动机器和交通网络的石化能源,来自于岩石圈……这还不够。甚至我们日常使用的塑料、化纤等等制品,这些看上去跟无机世界没多大关联的东,同样来自于岩石圈。几乎整个有机化工产业,都建立在几种较简单的有机质成分上,而有机质来自于哪儿?石油天然气资源。总之,人类对岩石圈资源有着持续不竭的旺盛需求,这份需求,决定了地质理学必然要发挥它的理论价值,为资源的勘探开发提供实际指导,这些面向生产的应用型地质学,这就是我们平时所说的“工科地质”,比如各式各样的资源勘查工程(油气资源、固体矿产)等。

 

地质学怎么进行研究?

既然地质学这么重要,人们又是靠什么途径跟地球打交道的呢?靠岩石。地质学固然放眼于包含了软流圈和大气圈在内的整个地球,但主要的研究对象,却是岩石圈。道理很简单:其它圈层的运动演化信息,只有在岩石圈中才能保存下来。今人虽然看不到亿万年前的地球光景,但古代的事件,却能在岩石圈中留下蛛丝马迹呀。跟岩石打交道,门道就多了去了。先陈述一个基本概念——岩石,是矿物的集合体,而矿物,则是天然的单质和化合物。这个概念是一切地质学研究的出发点。一个合格的地质学家——无论是研究哪方面的,都必然得先熟稔矿物和岩石,知道它们的成分、知道它们的结构、知道它们应该形成于什么环境。在这个基础上分别往小、往大走,才算真正打开了地质的大门。

岩石是矿物的集合体,而矿物则是天然的单质和化合物。往小了走——比单质和化合物更小一级是什么?化学元素。不同的化学元素在地球上含量不同,因此有主量元素和微量元素之分。很多元素对环境条件极端敏感,它们在环境因子的控制下,要么聚集、要么分异,要么相互之间进行化学反应。而所有这些信号呢,都成为我们反演古代地球环境变化的线索。因此,通过岩石学(Petrology)、矿物学(Mineralogy)和地球化学(Geochemistry),我们就可以追溯岩石形成时的环境特征和动态。当我们把岩石的特征和动态置入一个更宏观的故事框架时,我们就到了“往大了走”的世界——地质构造(Geological structure)。地质构造大致可以划为两类:一类是环境构造,比如地层(Stratum)、火山机构(Volcanic edifice)等;另一类则是力学构造,比如断层(Fault)、节理(Joint)等。前者对应着具体环境下的地壳造物,而后者则对应着地壳内的应力机制。当丰富多彩的构造样式相互组合,构成一个相对稳定、规模也更大的独立集合体时,就是地壳的基本动力学单元——板块(Plate)了。现今地球上大小板块几十个,它们之间会相互分裂、也会相互聚合。绝大多数星球级别的地质特征,都是这个级别上塑造出来的,比如造山带、平原、高原、海沟、大洋中脊等等……而研究这个级别上地球演化规律的学科,就是地质学最大一级的框架——所谓的大地构造学了。尽管大地运动纷繁不息,但所有的这一切,其实只是一个舞台。有舞台,自然就要有演员。这时候,就该生物圈出场了。从38亿年至今,生物在地球舞台上书写的这部编年史,绝对不逊于无机世界的任何一个篇章。专门研究地史时期生命特征与演化脉络的地学分支,叫做古生物学(Palaeontology);而为“大地歌剧”划分章节,鉴别每一位“演员”应该隶属于哪一幕的学科,则是地质年代学(Geochronology)。大地构造学是是地质学最大一级的框架。

最后,用一个故事形象的形容地质学家。在地球科学这个重大命题面前,地质学家们像极了一群“刑侦人员”。大家不妨想象一下这个场景:一个月黑风高的夜晚,发生了一件凶杀案。凶手逃之夭夭,留下了凌乱不堪的现场。各路专家组成侦查团队进入犯罪现场开展调查,运用不同的手段和方法通过蛛丝马迹获得关键信息,最后对所有信息进行汇总整理、反演整个案件并锁定犯罪嫌疑人。

在这个过程中,地质学家走进自然野外踏勘采样的过程就像是观察拍照收集证物;岩石矿物和古生物研究就像是在对证物进行研究和来源分析;有时需要对现场采集的空气、水源、头发和血液样品进行观察和分析化验,这就可以类比成地球化学分析……最后将不同专业部门得出的局部结论进行归并后反演出不同阶段的地球历史,就是一个个惊叹奇妙的地球故事的发掘过程。而面对广阔的地质时间和空间,这个“刑侦”现场对于那些喜欢逻辑思考同时又极富想象力的同学,可以说是施展拳脚的极佳场所了。

 学习地质,方知自然之瑰丽奥妙,在地质历史上,人类如此短暂,在地质景观前,人类如此渺小,便会敬畏这世界,寻找生活,心情自然安静,心胸变会宽广。

 

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