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第5章 地理大发现(1)

李四光开创地质力学

李四光(1889~1971),中国地质学家,发现长江流域的第四纪冰川遗迹,并在古生物学上有卓越贡献。1927年撰写中国古生物学专著《中国北部之蜒科》一书,1962年完成《地质力学概论》。他的名字,在中国家喻户晓。现在,大庆、松辽、渤海等大油田已闻名于世,中国石油年产量为1亿几千万吨,是世界上超亿吨的石油生产大国之一。大家都知道中国石油工业的发展是和李四光分不开的,李四光的地质力学为中国油田开发提供了理论依据。

1889年10月26日,李四光出生在湖北省黄岗县回龙山下一个贫寒的家庭里,原名李仲揆。在考取武昌高等小学堂时,改名为李四光。李仲揆改名李四光,这里面还有一段有趣的插曲。

1902年,李仲揆十四岁那年他去武昌报考高等小学堂。填表时,误将年龄“十四”

填在姓名栏里。急中生智,顺手将“十”字改为“李”字。于是,成了“李四”,这名字太难听,踌躇间他瞥见大厅中央挂着一块写有“光波四表”的匾额,他灵机一动,在“四”字后面又添了一个“光”字,光照中华,倒也不错。从此,他的名字便成了李四光。经过考试,李四光以第一名的成绩考取了武昌第二高等小学堂。学校规定凡是能够考取前5名的学生,就可以免费送到英、美、法、德或日本等国留学。李四光学习非常用功,后来争取到了去日本学习造船业的机会。6年后李四光以优异的成绩,从日本大阪高等工业学校毕业,决心为国家的富强干一番事业。但辛亥革命胜利成果被袁世凯篡夺了,李四光颇为愤慨,于是决定离开中国。他选择了去英国留学,并决定学习地质专业。又是六年的寒窗苦读,1919年,李四光终于取得了地质学硕士学位,他再次踏上了归国之途。

回国后,李四光应北京大学校长蔡元培之邀,出任地质学教授。他把满腔的热情都倾注到了他的事业上。他一面教书,把自己掌握的知识全都毫无保留地传授给他的学生,希望能为我国的地质事业培养出更多的人才;一面又进行科学研究,他的科学知识越来越渊博。回国后的长期教学和野外实习又为他提供了良好的实践机会,使他不断地积累资料,不断地思考和研究问题。

他治学严谨,在科学研究中,始终掌握从现象深入到本质、从结果追溯到原因的治学方法,因此能不断地提出创造性的见解,并敢于向地质学界的传统观点提出挑战。

20世纪20年代初期,李四光根据自己在华北地区的多次地质考察,发现了第四纪冰川的遗迹,于是在1922年发表了《华北晚近冰川作用的遗迹》一文。当时不少中外地质界的权威人士看了这篇文章后,都不屑一顾,他们认为寒冷干燥的气候下,不会有冰川。

李四光却想,人们所以拿干燥的气候反对他,可能是由于冰川遗迹发现得太少,零星片段,没有构成系统而充足的证据,因此无法打破人们已经习惯的观点。所以,要证明自己的观点,必须找到更多的冰川作用的遗迹。

十年过去了,李四光带领他的学生,走遍了太行山、天目山、庐山等地,发现了越来越多的冰川遗迹。1933年11月11日,他在中国地质学会第十次年会上,宣读了《扬子江流域之第四纪冰期》的论文。他满怀信心地宣布:“强有力的事实证明,长江流域在第四纪确有冰川遗迹存在……”

李四光的新发现,震惊了世界,地质界立即掀起了轩然大波。反对中国存在冰川的人还抬出了德国冰川权威李希霍分的断言:“中国南方太暖,而北方太干,第四纪中国无冰川发生。

面对中外众多学者权威的反对,李四光依然坚持自己的见解,他知道,科学界不相信落后的中国会有人搞出什么真正的名堂来。于是,他胸有成竹地把这些人请来,引领着他们沿着庐山地区的几条谷地仔细查看。沿途到处可见由于冰川活动而形成的漂砾、条痕石、U形谷、冰斗、冰坎等第四纪冰川的遗迹。他一边讲述自己的见解,一边不停地与他们辩论。在强有力的事实面前,李四光终于取得了胜利。

李四光在地质学方面,除了对第四纪冰川问题的研究外,还在古生物学研究上取得了新的进展。通过实地工作,他感到含煤地层的划分是个重要的问题。地层划分不清楚,就不可能推知矿产生成的规律。而要解决这一问题,就必须首先研究保存在地层中的古代生物的演变历史。为此,他采集了不少标本,主要是对石炭二迭纪地层中所含的微生物蜒科化石标本进行研究。

他鉴别出了它们不同科属,判断出了它们进化的阶段。又根据它们在进化阶段上有的比较高级些、有的比较低级些的差别,推断出了含有这些不同种属的化石岩层的时代。然后,根据它们现在的分布情况,去考察煤矿分层的规律。

后来,他写出了一系列蜒科方面的研究论文,创立了蜒科鉴定的十条标准。1927年,他又将这些成果,进行了进一步的整理和研究,写成了《中国北部之蜒科》一书,被中国地质调查所作为古生物学专著出版了。

李四光通过对蜒这种海洋古生物的研究,还发现了另一个重大的问题:在同一地质时代里,华北地区以陆相沉积(历史上没有被海水淹过的陆地)为主,间有海相沉积(历史上地层被海水淹没过的地区)薄层;华南地区则以海相沉积为主,越往南,海相沉积越厚。这说明了在那个时期海退的现象。

为什么在同一地质时代,海浸、海退竟有这么大的差异呢?此后,他立即开始了对这一现象的探索和研究。

他首先否定了当时地质学界流行的一种传统观点:地球表面的海水运动是全球性的,要升都升,要降都降。因为按照这种观点就无法解释在同一地质时代里,北方海退,南方海浸的现象。他再查看地质文献,发现国外也有类似现象。以北半球为例,南方海浸,北方海退,海水由两极涌向赤道;而经过若干时候,又出现相反现象。

1926年,他写出了《地球表面形象变迁之主因》的论文,系统阐述了地球自转速度的变化是引起地球表面形象变迁的主要原因,提出了推动地壳运动的主要力量是在重力控制下地球自转的离心力。他认为:“当地球自转速度加快时,离心力的水平分力就推动海水向赤道方向移动;当地球自转速度减慢时,离心力减少,作用就相反。”

李四光还认为,这种离心力不仅影响海水的运动,而且影响地壳运动,造成地壳的褶皱、沉降和断裂……这种把应用力学引入到地质学中,用力学观点解释和研究地壳构造和地壳运动规律的科学,就是李四光创立的地质力学。

李四光的地质力学理论,为研究地壳运动问题开辟了新的途径,它使地质科学的发展进入一个新的阶段。1948年2月,李四光夫妇赴伦敦参加第十八届国际地质学会。鉴于国内的紧张局势,会议结束后,他没有立即回国。1949年10月,李四光夫妇回到了大陆,受到了周恩来总理的接见。

1953年,他发表了题为《关于地质构造的三种基本概念》的文章,这是他研究地质力学过程中的一篇重要文献。1962年初,李四光完成了《地质力学概论》一书,这是他44年实践经验的总结,是他在地质力学方面的代表作,也是地质力学研究史中的一个里程碑。

地质力学在实际应用方面的最大贡献,是按地质构造来找石油。过去,外国人称中国为“贫油国家”,然而李四光不相信他们荒谬的言论。

中国到底有没有石油?李四光满怀信心地作了肯定的回答。他依据自己独创的地质力学和多年的调查研究,全面系统地阐述了中国寻找石油的广阔前景。

他说:“是否存在油矿,关键不在‘海相’和‘陆相’,而在于有没有生油和储油的条件,在于对地质构造的规律的认识。我国的地质条件很好,地层下含有丰富的石油,仅在新华夏构造体系的沉降带中,就有几个大油库。在我国的松辽平原、华北平原、渤海湾……都具备着生油和储油的条件。我们国家的石油远景很辉煌啊!”

1954年,在李四光的亲自主持下,经过地质队员们的艰苦奋战,大庆、大港、胜利、南海等一个又一个大油田相继找到了、开发了。黑色的油龙冲掉了“中国贫油”的帽子,也有力地证实了李四光的科学预见。从此,李四光真的像他的名字寓意那样光照四方了。在李四光地质理论的指导下,地下水找到了,地热找到了,金刚石成矿带找到了……1971年4月29日,由于动脉瘤突然破裂,抢救无效,李四光的心脏停止了跳动。虽然这位卓越的科学家去世了,但他为了国家的繁荣富强而献身科学的精神,永远鼓舞着后人。

大陆漂移的发现多少个世纪以来,人们不断探索着地球的奥秘。经过许多地质学家的努力,到了近代,人们终于形成了这样一种观点:地球上沧海桑田的变化主要是由于地壳的升降造成的。地壳以垂直运动为主,海洋盆地和大陆在地球上的位置基本上是不变的。这种观点就叫作“海陆固定论。”

20世纪,德国地球物理学家、气象学家魏格纳提出了大陆漂移学说,向海陆固定论发起了挑战。这个学说经历了20年的争论,20年的沉寂,终于顽强地成长起来,发展为海底扩张学说、板块构造学说。现在,大陆曾经和正在发生大规模水平运动的观念已为人们普遍接受,并成为指导人类认识地球、改造地球的崭新的地球观。

天方夜谭

1910年的一天,年轻的德国气象学家魏格纳卧病在床。他百无聊赖,盯着挂在床对面的一幅世界地图。看着、看着,他忽然发现了一个奇妙的问题:为什么大西洋两边大陆的轮廓线是那样相似?非洲的几内亚湾刚好能填进巴西亚马孙河口突出的大陆;而沿着北美东海岸到特立尼达和多巴哥的凹形地带,恰好能镶进欧洲西海岸到非洲西海岸的凸形大陆;如果把它们并合在一起,正好是一个完整的大陆。世界上怎么会有这么巧合的事呢?难道它们原来就是一整块大陆,后来才分成了几块?这个离奇的念头从此萦绕在魏格纳的脑海中。

第二年秋天,魏格纳偶然翻看一本论文集,忽然,他眼睛一亮,原来论文集中有一篇文章谈到南美洲和非洲的古生物化石非常相似,比如一种叫中龙的爬行动物,既见于巴西东部,又见于非洲西南部。显然中龙不可能插翅飞过大西洋。因此作者推测,巴西和非洲很可能有过陆地的连结。魏格纳兴奋极了,作者的看法正好和自己的想法不谋而合。他兴冲冲地敲开了他的老师柯本教授的房门,把自己的想法原原本本告诉了老师。

柯本教授是德国著名的气象学家,他非常喜爱这个头脑敏捷、勤奋而有进取心的学生,魏格纳不仅是他的得意门生,而且还是他未来的女婿。柯本教授深知这一问题涉及众多领域,要想解决困难重重。他可不愿意让在气象学上大有前途的魏格纳放弃专业,去搞什么大陆飘移。于是,他告诉魏格纳,他的想法并不新鲜,早就有人猜想古代大陆是连在一起的,但是,从来没有任何人能够证明这一点。

的确,早在地理大发现的年代,许多探险家就发现非洲西部的海岸线和南美东部的海岸线正相吻合的事实了。1620年,著名的哲学家培根在他的《新工具》一书中,就曾对这一现象发表过评论,认为这不太可能是一种偶然的巧合。

19世纪,地质学家斯奈德发现欧洲和北美的煤层中的植物化石雷同,他推测在煤层形成的石炭纪时,欧洲和北美是连在一起的,并且绘出了分离前和分离后的地图。

著名的进化论者查理·达尔文的儿子乔治·达尔文则提出了一个有趣的设想,即月球是从地壳上的一部分分离出去的,在月球脱离地球后,地球上的陆地重新调整了位置。

柯本教授本来想以这些例子来说服魏格纳,这么多人都没有搞清这个问题,你就不要再枉费心机耽误了自己的前程。可是没想到,他的这番话,反而大大鼓舞了魏格纳:这更证明了自己的想法不是没有道理的,魏格纳下定决心,一定要解开这个谜。

《海陆起源》问世

不怕艰难险阻,富有挑战精神,这是魏格纳的一贯品格。

魏格纳于1880年11月1日生于柏林一个虔诚的天主教家庭中。他的父亲是一名传教士,很希望儿子将来能继承他的事业。但是魏格纳对神学一点儿也不感兴趣,他从小就迷上了探险事业,立志要做一名探险家。

当时,除了南北极之外,探险家们的足迹已遍及世界各地,因此,魏格纳的理想就是到北极去探险。他读了许多有关北极的书籍。为了使自己的身体能适应极地的恶劣气候,他用斯巴达的方式锻炼自己的身体,冬天用冷水浇身,光着身子站在冰天雪地之中,只要有暴风雪,就不放过机会去滑雪,而夏天,在赤日炎炎下,背着砂袋步行几十公里,表现出了非凡的毅力和勇气。

魏格纳先后就读于海德堡、因斯布鲁克和柏林大学,25岁就获得了天文学和气象学博士学位。在柯本教授指导下,魏格纳亲自驾驶特制的气球,飞上3700米的高空,测量温度、气压、风向和风力。1906年,魏格纳以气象学家的身份,参加丹麦探险队,赴格陵兰探险,实现了少年时代的梦想。

现在,魏格纳以极大的热情和毅力投入了这个科学上未知领域的探险。他搜集一切他可以搜集到的资料,对浩繁的地质学、古气候、古生物、大地测量的资料进行整理和对比,从中寻找大陆漂移的证据。

1912年1月6日,在法兰克福地质学会上,魏格纳作了题为“大陆与海洋的起源”的讲演,首次提出了大陆漂移的假设。1915年,他的不朽著作《海陆起源》问世了。在这部著作中,魏格纳系统地论述了大陆漂移的理论,并用大量事实进行了论证。

让我们跟着魏格纳的描述去追寻一下地球的沧桑变迁吧。

那是距今3亿5千万年以前的古生代,地球上只有一块大陆,叫做联合古陆或泛大陆,在它的周围是一望无际的海洋,叫做泛大洋。大陆是由较轻的硅铝质组成的,漂浮在由较重的粘性大的硅镁质组成的大洋壳上。

由于地球由西向东旋转产生的离心力,加上月球潮汐力等的作用,在距今2亿年左右的中生代,大陆就像漂浮在水面上的冰面一样,开始分崩离析,美洲与非洲、欧洲分离,中间形成了大西洋,非洲的一部分脱离了亚洲,诞生了印度洋。到了距今大约二三百万年的第四纪初期,大陆漂移到了今天这样的位置,而现在大陆仍在漂移中。

这并不是魏格纳的凭空幻想,他有大量的事实为依据。

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