趣說地質學--地質學家與福爾摩斯
作者：王清晨/中國科學院地質與地球物理研究所（已退休）
1980年，第26屆國際地質大會在巴黎舉行，法國總統德斯坦到會祝賀，並大力讚揚地質學家們是當代的福爾摩斯，是解決世界能源和礦產資源問題的「關鍵人物」。
為什麼說「地質學家們是當代的福爾摩斯」？
福爾摩斯是傑出的偵探小說家柯南道爾（A. Conan Doyle，1859～1930年）筆下的探案高手。
柯南道爾於1885年在愛丁堡大學獲得醫學博士學位。他在讀研究生時就培養了對各種病人進行仔細觀察和縝密推理的嗜好，甚至開始構思偵探故事。
畢業後，他一邊行醫，一邊不忘業餘愛好，動手寫偵探小說。
《血字的研究》就是他的第一篇作品，發表於1887年。這是大偵探福爾摩斯第一次出現在公眾面前。
從1887年到1927年，柯南道爾在40年時間裡發表了56篇短篇偵探小說和4部中篇偵探小說，成功塑造了一個有血有肉的大偵探，使福爾摩斯成為世界上家喻戶曉的人物，就連福爾摩斯「居住過」的倫敦貝克街221號B也成了福爾摩斯的粉絲們眷顧的景點。
筆者是福爾摩斯的忠實粉絲，曾和同事一起拜訪倫敦貝克街221號B。
《血字的研究》介紹了福爾摩斯的知識結構：「…，地質學知識——偏於實用，但也有限。但他一眼就能分辨出不同的土質。
化學知識——精深。…」
顯然，柯南道爾筆下的福爾摩斯對地質學的了解遠不如對化學。為什麼柯南道爾不讓福爾摩斯多學點地質學？
《血字的研究》是柯南道爾在19世紀末發表的。19世紀被譽為「科學的世紀」。
自然科學發展的突飛猛進，物理學和化學都趨向至臻完善。
物理學解釋熱力學的分子運動，化學引入定量分析方法，開始揭示原子結構。俄國化學家門捷列夫（1834～1907年）發表了元素周期表，德國化學家維勒（1800～1882年）和李比希（1803～1873年）創立了有機化學。
相比之下，地質學的科學水平還不夠高。
「水成論」和「火成論」間的戰火剛剛平息，而在關於地球年齡的論戰中，熱力學家開爾文「地球年齡是1億年」的觀點佔了上風，地質學家敗下陣來，正處於鬱悶時期。
在這樣的社會背景下，怎麼指望福爾摩斯去學習地質學？
地下找礦的地質學「福爾摩斯」
法國總統德斯坦在第26屆國際地質大會上指出，能源和礦產資源問題將是21世紀的重要問題，「如果有一天地質學家停止工作了，世界就會處於一片黑暗和混亂之中，更何談工業發展的未來呢？」
能源和礦產資源開發利用曾是世界文明發展的標誌。
銅礦的大規模開採冶煉使人類從石器時代進步到青銅器時代，鐵礦的大規模開採冶煉使人類進步到鐵器時代，煤礦的大規模開採利用為人類第一次工業革命提供了能源。
今天，能源和礦產資源已經成為世界發展的經濟命脈，甚至能決定世界的政治格局。
美國前國務卿基辛格曾說，「如果你控制了石油，你就控制住了所有國家。」
石油、天然氣、煤和各種固體礦產資源都是在地下深處形成的。
怎麼樣尋找這些能源和礦產資源？
說起來，這真有點兒像福爾摩斯探案。
在《血字的研究》中，福爾摩斯對罪犯在戶外和室內留下的足跡和各種痕跡進行了仔細地觀察，然後準確地指出，勞瑞斯頓花園街命案的兇手乘坐的是出租馬車，馬的右前蹄新換了馬蹄鐵；兇手身高約6英尺，面色赤紅，右手指甲很長，抽印度雪茄菸，…。
這一連串的推斷讓蘇格蘭場的警探們目瞪口呆。
地質學家找礦，最初也是依靠肉眼看到的各種蛛絲馬跡。
我國春秋戰國時期撰寫的《管子》一書中就講到
「 上有丹沙者，下有黃金。上有慈石者，下有銅金。上有陵石者，下有鉛錫赤銅。上有赭者，下有鐵。」
在當時，這完全是一種實用經驗，是根據地面上的種種跡象尋找地下的礦產。
這種經驗今天也依然有效。
湘潭有個錳礦，但礦石快開採完了，新中國成立不久，礦山就面臨關閉。
1953年，地質學家葉連俊（1913～2008年）奉命去找礦。
他在礦山內外仔細勘察，發現了幾個特殊的現象：一是這些錳礦層是夾在兩層遠古時期的冰川沉積巖之間；二是礦區裡飛來飛去的螞蚱身上都是黑色的，像是塗了一層黑漆；三是從礦區流出的溪水雖然清澈見底，但溪水邊的草、樹、石頭塊等都被染成黑色，也像塗了一層黑漆。
葉連俊先生想到，溪水中可能溶解了一定量的錳，氧化後就形成了黑色的氧化錳，附著在螞蚱、草、樹、石頭塊等表層。
這種氧化錳正是現在開採的錳礦。
這就是說，溪水的源頭應該就是錳的源頭。
葉連俊順藤摸瓜，在溪水源頭見了礦工們叫做「符吉衝灰巖」的白色巖層，他用手掂了掂，密度果然很大。
葉連俊知道，灰巖的主要礦物是方解石，化學成分是碳酸鈣，密度是2.7 克/立方釐米。
而碳酸錳的密度是3.1 克/立方釐米，比方解石重了15%。
因此，這種「符吉衝灰巖」絕不是由方解石構成的普通灰巖，裡面的礦物應該是密度更大的碳酸錳。
葉連俊讓礦山部門馬上採樣，進行化學分析。結果很快出來了，「符吉衝灰巖」的錳含量高達31%！
這種看上去白白的「符吉衝灰巖」就是由碳酸錳組成的，這就是原生沉積錳礦。
它在地表氧化後會形成黑色的氧化錳，像帽子一樣，蓋在原生沉積錳礦上，地質學家給它起了個形象的名字，叫「礦帽」。
在葉連俊指導下，礦山部門在兩層遠古時期冰川沉積巖之間找到了大量原生錳礦，瀕臨關閉的礦山又復活了！
湘潭錳礦一下子成了當時國內最大的錳礦。
《人民日報》對此進行了報導，說地質學家為國家工業建設提供了「精確的資料」。
溪水邊螞蚱、石塊兒和樹枝上的氧化錳殼
原生錳礦（碳酸錳）和「礦帽」（氧化錳）
地面上除了一些指示地下存在礦產的標誌性石頭，還有標誌性植物。
南朝梁（公元502～557年）成書的《地鏡圖》中就記載了一些尋找金屬礦床的指示植物，如，「草莖赤秀，下有鉛」、「草莖黃秀，下有銅」、「山上有蔥，其下有銀」等等。
1952年，我國地質學家在海州發現了大量香薷草，莖是方形的，花帶點藍色。
他們推測這種藍色的花可能和銅元素有關。於是，經過一番勘查，果然在那裡發現了大銅礦。
1985年，地質學家在膠東的一個金礦區發現，那裡的野生石竹非常多。經過幾年的研究，確定了這種石竹總和金礦伴生，是膠東金礦的直接指示植物。
植物和礦產有關係？這些聽起來像是天方夜譚，但實際上也是地質學家總結出的一種找礦經驗，被稱為「植物找礦」法。
香薷草（銅草）
國外的地質學家也在使用這種「植物找礦」法。
例如，美國地質學家曾在馬裡蘭州發現，那裡的冬青樹葉子只有葉脈是綠色的，而其他部位都是黃色的。
他們猜測可能和某種金屬元素富集有關。進一步的調查果然發現了一個鉻鐵礦。
再如，尚比亞西部有一種小草，開藍色的花，形狀有點像如龍舌蘭，是銅礦的指示植物，被叫作「銅花」。
尚比亞的地質學家通過這種「銅花」，發現了一個銅儲量達9噸的大銅礦。
其他的例子還有，英國地質學家在石南草幫助下，找到了鎢礦和錫礦，德國和瑞典地質學家通過三色堇，找到了鋅礦。
澳大利亞地質學家前幾年還發現，可以通過對桉樹葉子裡所含的微量金去尋找金礦。
學習福爾摩斯，超越福爾摩斯
福爾摩斯手中有兩件「法寶」：放大鏡和菸斗。
這是柯南道爾對福爾摩斯高超探案才能的一種隱喻，放大鏡代表了明察秋毫的觀察能力，菸斗代表了縝密的邏輯推理能力。
福爾摩斯可以從一個人的指甲、手繭、衣袖、靴子等細微處判斷出他的職業。
他在掌握證據之後會先作出假設，然後提出矛盾和問題，進一步深入調查。最後，通過推理，建立起整個邏輯鏈條，「從一滴水推測出大西洋的存在」。
用福爾摩斯自己的話說，「我在觀察和推理兩方面都具有特殊的才能」。
福爾摩斯探案的兩件「法寶」
向福爾摩斯學習，地質學家也非常注重觀察和推理。
葉連俊拯救湘潭錳礦的故事就是很好的例子。
在觀察方面，地質學家有了比福爾摩斯的放大鏡更先進的光學顯微鏡和電子顯微鏡；有了進行巖石和礦物原位微區化學分析的電子探針儀；有了進行高靈敏度同位素分析的各種質譜儀；有了開展礦物相變實驗的高溫高壓反應釜；有了探測地下地質結構的重力、電、磁、地震探測裝備，…等等。
利用這些裝備，地質學家能為深部找礦提供可靠的科學依據。
通過人工地震揭示深部的地質結構，為石油勘探提供了科學依據
在推理方面，地質學家已經形成了一套完整的邏輯鏈條和規範化的思考流程。
地質學家的研究程序可以歸納為「三部曲」：觀察—假說—驗證。
地質學家進行科學研究的「三部曲」
觀察是對自然現象做充分的觀測，不漏過任何蛛絲馬跡，揭示自然真相。
假說是對所獲資料進行系統性整理，對資料背後的規律進行推測，形成一個暫時可以接受的解釋。
在建立這種階段性假說過程中，必須構建合理的「證據鏈」。證據過少不行，「孤證不立」。
證據鏈中的諸多證據一定要保證真實性、關聯性和互補性。
驗證是對假說做進一步考察，用新資料檢驗假說的可靠程度，最後再下結論。
地質學家和福爾摩斯的工作程序是不是很相似？
當然，地質學家的研究和福爾摩斯的探案仍然有不同的地方，主要表現在梳理和構建「證據鏈」方面。
當難以找到充足的證據時，福爾摩斯往往依靠生活常識去推理、論證，按照今天的司法術語，福爾摩斯依靠的是「經驗法則」。
地質學家絕不能這樣做，因為經驗法則並不是事物之間內在聯繫的必然反映。
地質學家研究的是自然現象，推理、論證依靠的是自然科學的定律、公理，從不依靠生活常識。
在找礦中，地質學家依靠的是各種礦產資源本身的成礦規律和分布規律。
在前面講的找礦例子中，葉連俊找到原生錳礦依靠的是礦產垂直分帶規律，依靠的是碳酸錳、氧化錳的化學性質和化學反應關係，深部的碳酸錳出露地表後必然會氧化形成氧化錳。
「植物找礦」的原理是，地下礦床的存在會使那一地區土壤中的某些元素富集，甚至有些土壤就是礦床本身風化形成的。
礦區植物在生長過程中會從土壤中吸收這些富集的元素，出現某種反應。
例如，銅可以使香薷草的花呈現銅藍色，鈾可以使紫雲英的花變為淺紅色，鉛鋅礦會使車前草等植物生長格外旺盛。
此外，土壤中一些金屬元素的過多含量會破壞植物的新陳代謝，使植物畸形發育。
例如，石膏礦地區的植物比較矮小，硫化物礦區的植物容易枯萎，等等。
在進行推理和論證時，地質學家依靠的是自然科學規律，而福爾摩斯依靠的是生活常識。
正是在這一點上，地質學家超越了福爾摩斯。
當然，地質學家們對自然科學規律的認識是不斷提高、不斷深入的。
如果因循守舊、墨守成規，就不會有創新，更不會有新發現。
回想1931年，日本帝國主義侵佔我國東北，建立了偽「滿洲國」。
他們派了勘探隊到松遼盆地找石油。我們很幸運，他們在盆地裡忙活了十年，鑽了一些石油探井，但是連個油星也沒見到。
由於石油短缺，戰爭的能源難以維持，日本只好「南下」，向東南亞擴張，掠奪那裡的石油資源。
那時的東南亞有美國和英國的殖民地。於是，孤注一擲的日本於1941年偷襲珍珠港，向美國宣戰。
結果，日本戰敗，我們收復了被侵佔的東北。
新中國成立後，我國地質學家從1955年起對松遼盆地進行石油地質勘探，4年後，1959年9月，建國十周年大慶前夕，「松基三井」噴出黑油油的石油，「大慶」油田從此誕生。
大慶「松基三井」紀念碑
當《人民日報》宣布這一特大喜訊後，日本方面十分震驚。
據說，當年的日本勘探隊長羞憤自殺；日本學者舉辦多場「反思會」，為沒能在戰前找到大慶油田始終感到「遺憾」；甚至有言論說，「如果當初找到大慶油田，二戰歷史將重新改寫」。
其實，他們根本不用遺憾，因為他們的找油理論太落後。
當時世界上流行「海相地層生油論」，而松遼盆地是陸相地層，包括日本、美國和前蘇聯的專家都認為，松遼盆地沒希望。
美孚石油公司曾組織了一個調查團到我國的山東、河南、陝西、甘肅、河北、東北和內蒙古部分地區進行石油勘探調查，打了幾口石油探井，都沒有什麼收穫，最後得出「中國陸相貧油」的結論。
中國地質學家不信邪，硬是在陸相地層中發現了特大油田，並且總結出了「陸相地層生油理論」。
大慶油田的發現，不僅僅使新中國從此甩掉了「貧油」的帽子，而且標誌著中國地質學家所具有的科學創新能力。
地質學家超越福爾摩斯是正常的，必然的。看問題要歷史地看。
畢竟福爾摩斯是柯南道爾筆下的人物，故事發生在1878年至1914年時期。
那時的地質學正處於經典地質學的發展時期。
美國地質學家根據阿帕拉契亞山和相鄰的密西西比河平原古生界淺海灰巖厚度的巨大差別，於1873年提出地槽理論。
歐洲地質學家通過觀察阿爾卑斯山巖石的變形樣式，於1891年提出推覆構造模型。
奧地利地質學家E.修斯於1883～1909年出版了《地球的面貌》，論證了水平運動的重要性。
德國氣象學家A.魏格納於1912年在法國地質學會上做了題為「大陸與海洋的起源」的講演，後於1915年出版《海陸的起源》，全面系統地闡述了大陸漂移思想。
這些為日後大地構造的「固定論」和「活動論」之爭埋下了導火索。
而最終解決這一爭論，確立板塊構造學理論，依然是遵循了「觀察—假說—驗證」三部曲。
這是福爾摩斯探案和地質學家研究共同遵循的工作程序。
青雖「勝於藍」，畢竟「出於藍」，福爾摩斯是永遠值得地質學家學習的。
此篇為趣說地質學系列第十篇，還想了解更多系列文章的小可愛~~~
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美編：杜欣雨
校對：張 崧