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地质学,一个46亿年的浪漫故事

2016-12-15 溯鹰 果壳科学人

想必大家都看了最近那则新闻了吧,在青海的花土沟,人们找到了一位几十年前不幸罹难的地质学家的遗体。半个世纪,黄沙早已覆盖了先驱者的脚印,而岁月则磨蚀了故事的内容。不知茫茫的戈壁滩是否了解海枯石烂,但至少,在人类的开拓史上,我看到了一座新的永恒。


在青海的茫茫戈壁滩,人们找到了一位几十年前不幸罹难的地质学家的遗体。向这位地质学家致敬。

先驱者的事迹值得敬佩,可话说回来,地质学就这么苦,这么危险么?毋庸讳言,是的。不过——站在生存与延续的角度——人类的哪件大事小事,不是靠苦难和风险一路嗑出来的呢?

作为六大自然科学之一的地质学,承担着认识自然、开拓资源的核心任务。它冲在人类与原生自然界打交道最前线,因此,也把超乎日常都市生活几个数量级的精彩和艰难,一股脑抛在了文明的长镜头前。它是叙事手法,但本身也是一个叙事对象,对于这门注定充斥着丰富张力的学科,你有了解它的愿望吗?


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。


地质学是是在空间和时间的框架下,认识地球的构成和演化。

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西,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。


我们的许多生产生活资料,都来自于岩石圈。

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(Tectonics,这是溯鹰我自己的主线研究方向)。

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。

我和地质学的故事


上述所有这一切,都不是我们坐在钢铁森林里凭空想象出来的空中楼阁。地质学不是算出来的,要想了解大地,永远都有且只有一个方法:走近她。——走近原生态的岩石圈,走近真正的大自然。于是呢,地质学家面对的,注定是一个又一个的Expedition。每一次,伴随而来的都是艰辛与风险,每一次,伴随而来的都是未知与刺激。

你说这值吗?很抱歉我无法给你答案。这是一个冷暖自知的体验。“值不值”、“有没有意义”,本质上是一个价值理性问题,而不是一个科学问题。现代百年,除魅世纪。每一个个体都是自我价值的收敛点;每一份外界的意义,都没有替你做主的权力。你的看法不应由我,也不应由一个学科、一个行业、或者一种生活态度,来冒然代言。

因而,我只【分享】我的感受。

我确实体验过高海拔的缺氧,但我也目睹过帕米尔高原上转瞬即逝的霞光。

我确实在无人区体验过风餐露宿,但帐篷外那纯净的银河,也足以让午夜安静地沸腾。。

这是我的故事,但地质学却是人的故事与地球故事的交汇。一旦有了交汇,我能看到的,自然还会更多。

我看见马琳诺的寒冬[1],热带波涛被尽数冰封;

我也见过第三极的升隆[2],那是特提斯敲响的晚钟。

我听见陨石摩擦大气的绝啸,盖过了千万巨龙的悲鸣[3];

我也目睹过盘古之陆的崛起,让大地傲然于行星。 [4]。

这就是地质学。

当46亿年的故事,一篇接一篇地融进我的生活体验时,我可以说一句,它们真的很棒。

最后一章用的梗比较多,特注释如下:

[1] 马林诺冰期(Marinoan Glaciation),即成冰纪雪球事件(Cryogenian Snowball Earth Event),在有据可查的地球历史中,这是最大的一次全球冰期,冰川几乎覆盖了包括赤道在内的整个地球。

[2] 特提斯的晚钟(Closure of the Tethys Ocean):新生代早期,印度板块向欧亚板块的碰撞,导致了地球第三极——青藏高原的隆起,以及一个古老的大洋——特提斯洋的关闭。

[3] 希克苏鲁伯陨击(Chicxulub Impact):这次发生在白垩纪末的天体事件,毁灭了以恐龙为代表的中生代生态系统。

[4] 盘古大陆,即泛大陆(Pangea),这是自寒武纪生命大爆发以来,全球唯一一次大陆板块的全面聚合。如果在宇宙中望去,你会看到一个宏伟的超大陆,矗立在这颗行星的蓝色背景上。


我与XX学的故事

当问到作者,为什么选择了地质学?


作者用了这篇美文回答了我们,他说地质学是人的故事与地球故事的交汇。得于地质学,他目睹过盘古之陆的崛起,让大地傲然于行星,听见陨石摩擦大气的绝啸,盖过了千万巨龙的悲鸣……


科学人曾采访过数学大家张益唐,张教授也谈及了他对数学的感受,“数学让他更自在,数学它离我们很近,一个聪明的小学生都能理解的问题,但它的证明确实如此之困难,需要用到那么多数学领域的方法、工具、这种反差本身就是数学之美的提现。”


科学就是如此充满魅力,每一个学科都能让无数人沉醉不已。


你的学科故事又是怎样的?


科学人诚邀您来讲述下你的学科故事。


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