地质思维的基本特征与方法.doc

地质思维的基本特征与方法孙士超来源：中南冶金地质，1996（2）：112-119 地质学是研究地球历史和发展的科学。学术思想源远流长，可上溯到2000年以前。地质学已有200年历史，各种学术思想无不打上科学技术发展和地质思维时代局限的“印迹”。 认识地壳的某一方面发展规律通常要几年、几十年乃至几百年的时间。现在为人们接受的理论萌芽，往往在很久以前的地质文献中就出现过“闪光，只是当时科学技术条件限制，未能阐发或证明。当新的事实被发现，这些课题重新摆在人们面前的时候领会它的全部含义并导致理论上的建树。在一定程度上取决于对地质科学历史的熟知还是无知；认识上是否有新的突破，在一定程度上取决于在前人的地质思维中寻找“蛛丝马迹。选择适当的突破口，接过前人的接力棒向新的理论高度冲刺，这是一个有成就的地质工作者必经的道路。 实践也表明，在同一地质事实面前由于思维(洞察力)上的差异，能使一些人有所发现、有所建树，当然也使一些人长期无所作为。因此，掌握地质思维的基本特征与方法是地质科研工作的重要环节。 那么，思考地质问题时应该遵循哪些思维规律和采用哪些思维方法将是本文所讨论的问题。 1 地质思维的基本特征 地质学的研究对象是各种地质作用的最终产物。作用本身的实际过程人类自己没有经历过，这就决定了地质思维的基本特征是逆向、定性分析是推论的关键，思维成果具有相对性。 1.1 在地质论证过程中思维的逆向性 在人类的科学研究活动中，总是在现有的物质基础上或在已知的概念中想象出不能被感知的具体形象，然后经过论证、实施将目的物的具体形象或新概念创造出来，这种思维走向称正向思维。然而，由于地质学的研究对象是各种地质作用的最终产物，作用本身的实际过程不能直接观察到，往往也无法重演。因此，地质学中的许多概念只能依据对地质作用产物的研究反演地质作用的过程和作用前的物质基础，然后经过实践和实验(包括模拟实验)的检验而建立和发展起来。这种思维走向称为逆向思维。 例如，在地质史料中人类对岩石的认识。最初由德国魏尔纳(A.G.Wemer,1787)提出水成说。然后，经过英国郝屯(J.Hutton,1795)的野外实践检验，发现花岗岩、斑岩、暗色岩以岩墙、岩枝的形式插入围岩，推测这些岩石是岩浆冷凝形成的,提出了火成论。火成论突破了岩石的单一成岩理论，实现了人类认识岩石的一次飞跃。认为岩石既有水成来源，也有火成来来源。最后，经过英国霍尔(J.Hail)的玄武岩熔化一冷凝的模拟实验(1798)和白垩(含生物质灰岩)在封闭系统中加热生成大理岩的模拟实验(1805)，证实了岩石的岩浆来源和变质来源。确立了地壳上三大岩石类型的成岩理论，实现了人类认识岩石的又一次飞跃。 1.2 在逆向思维中定性分析是推论的关键 在整个逆向思维论证中，定性分析起着举足轻重的作用。同社会科学的侦破工作一样，现场取证(野外观察、初步判断)，推论(分析与综合、归纳与演绎)，再取证(野外取证、实验或模拟实验)，再推论，直到最后定案(定性)。在证据面前排除多种可能性、多种假象、伪证，认定一种可能性，即定性分析工作。 前述人类对三大岩石类型的认识是经过判断、推理和野外实践或实验(包括模拟实验)的检验。结果表明：沉积岩是沉积作用的产物；岩浆岩是岩浆作用的产物；变质岩是变质作用的产物。 再如，大西洋两岸地质、古生物及海岸线的“拼合性”，在固定论和活动论激烈争论的日子里是大陆漂移的结果还是中间有个陆桥这一定性工作从萌芽迄今已有几百年的历史。1620年，培根(F.Bagon)在世界新地图出现不久，便在新工具)杂志上指出：“非洲西海岸与南美东海岸如此吻合，不大可能是偶然的巧合”。1628年法国人普雷森(P.Francois)在一篇论文中认为新旧大陆是在诺亚洪水来临时期分开的”。1800年，洪堡德(V.Humboldt)说：“大西洋原来是一条河诺亚方舟行驶其中”。在美国人丹纳(D.Dana 1873)提出固定论10年之后，斯尼德尔(ASnider)编制了石炭纪古地理图。在说明书中指出：“煤形成时期大西洋两岸的植物化石群落如此雷同，并解释欧美两洲在成煤时期是连续的”。 1910年，德国人魏格纳(ALWegener)从一幅世界地图上,偶然发现大西洋两岸的轮廓是对应吻合的。头脑中闪过大陆漂移的念头。1915年,出版了他的划时代的著作海陆起源，正式提出大陆漂移假说。魏氏的假说，当时并没有引起人们的注意，只是到了1922年海陆起源一书第三版再版时，才引起一场大辨论。固定论，特别是地球物理工作者认为硅铝层在硅镁层上漂移是不可能的。杰费里斯(1925)计算了硅铝层底部的粘度为流动的临界粘度的1万倍，将漂移动力解释为地球自转离极力。经过计算也没有那样大的力量，并认为大西洋两岸陆地生物借助陆桥进行交流。现在的大西洋是大陆下沉过程中的残留物。 非洲与南美洲是大陆裂开产生大西洋还是陆桥说维持的非洲与南美洲的固定论这一定性工作显然是问题争论的焦点，并且在动摇着传统地质学中的某些概念。 定量分析是定性分析的补充，地质学的定性分析与生物学、天文学有类似的思维方法。既要引用数学、物理学、化学等基础科学的原理，又不限于这些原理；既要有必要的数理推导，又不能单纯的依靠这些推导。只有巧妙地将数理化基础科学原理与实际地质情况结合起来，查明地质概念的质的规定性才能够得到接近真实的认识。 1.3 思维成果的真理性是相对的 在地质论证过程中，定性工作是对地质作用最终产物的研究反演地质作用的过程和作用前的物质基础，并能与现代正在进行的地质作用或能用模拟实验简单证明的地质作用对比，这是一类用理性地质思维能够解决的地质问题。但是地质过程如同一项系统工程其过程十分复杂，有些课题的研究对象缺少古今对比的条件或缺少模拟实验的可能性这类地质问题结论的真理性只能具有相对意义，是一类利用现有地质概念或假说难以解决的地质问题。第三类地质问题是现有的地质概念或假说不能解释实践中出现的矛盾，使研究者陷入不可自拔的“逻辑悖论”之中，而解决这一类地质问题唯一途径是跳出旧学说的束缚，并随着时间的推移，新学说的创立，地质上旧有的矛盾得到解决开始一个崭新的论证周期。诺贝尔奖金获得者格拉肖曾说过：“往往许多物理问题的解答并不在物理范围之内”。这对地质学也是适用的。 例如，从太陆漂移、海底扩张再到板块构造序列假说的出现，台槽说长期争论的一些问题在板块构造中找到了自己的位置。但是板块构造又向人们提出了新的问题。 2 地质思维方法 人类的思维活动分为理性思维和非理性思维两太部分。理性思维是以概念作为思维起点和思维细胞，通过判断、推理等思维形式来认识世界和表达思想，它的认识特点是以一般概括个别，舍去事物的个别形态，要求精确性、条理性和系统性，遵循一定的思维路线；非理性思维是以表象作为思维起点和思维细胞，通过想象、联想、直觉和灵感等思维形式把头脑中的表象外化为具体形象来表达思想和揭示真理，它的认识特点是以个别表现一般，保留直观性和生动性，没有固定的思维路线。 地质上常用的理性思维表现形式有形式逻辑(抽象思维、分析与综合、归纳与演绎)和辨证逻辑；非理性思维最具典型的表现形式有想象、联想、直觉和类比。 2.1 理性地质思维 理性地质思维是运用已知的地质概念和原理解决所研究的地质问题，阐释地质作用的性质、形成过程及作用前的物质基础。是地质科研工作优先采用的思维方法。理性地质思维的具体步骤，首先是判断，然后是推理。判断是对所研究的地质问题，由局部到整体地进行野外地质调查，由个别到一般地进行典型解剖、综合、归纳出有条理的东西，作出理论上的判断。推理是用已知地质判断推演出带普遍性的结论。推理出一个或多个判断组成。而概念和判断的形成又要借助于一系列正确的推理。 地质概念的产生离不开形象思维，而地质概念的确立却是逻辑思维(运用形式逻辑和辨证逻辑)。因此，地质概念的产生和发展可以概括为以分析为主和以综合为主的两个阶段，三种认识状态。如下式：G-C-S G：代表感性认识的具体材料，是直观的混沌的整体表象，未涉及认识对象的内部要素。 阶段I：是从感性的具体材料蒸发出抽象的规定，把认识对象分解成部分，然后分析它们的部分特征或属性，揭示其中带有普遍性的质的规定性。 C：代表分解后的抽象要素的总和，是破坏了内部联系、互相分割的部分特征或属性，为抽象思维的成果。 阶段 ：是从抽象的规定上升到思维中的具体，把认识对象的部分特征或属性台整起来，恢复其内在的联系。 S：代表获得认识对象完整认识，使思维运动完成丁一个周期。在某种意义上又返回到了认识的起点。 前述人类对岩石的三种认识状态是：魏尔纳所认识的岩石大致相当于G，未涉及岩石的内部要素；郝屯、霍尔将岩石类概念分解为水、火、变属概念，抽象出岩石的质的规定性，否定了岩石的单一成因理论，保留丁沉积成因，肯定了岩石的岩浆来源和变质来源，大致相当于C；水、火、变统一于岩石类概念之下，恢复了岩石的内部联系，实现对岩石的全面、具体的认识，大致相当于S。思维呈现出这种螺旋式上升的运动形式，源于人们对客观事物发展过程的认识。 地质上用于判断、推理的思维表现形式分别有假言判断法、非此即彼与亦此亦彼法和分析与综合法、归纳与演绎法、剔除法。 2.1.1 假言判断法 是判断某一类地质事件的性质、过程时需要假定条件。假定条件成立。推断的结论才能成立。例如，假定变质作用是在等化学条件下进行的，离开了等化学条件，变质岩恢复原岩工作便失击了前提和依据；利用硫同位素测定成矿物质来源，则假定地幔硫和陨石硫都没有分馏；利用同位素测定地质体形成年龄，则假定在欲测的时间里，母体、子体都没有跑掉或增加。 判断这类地质问题时条件是假设的，实际上开放系统是存在的。一般来说，地壳相对稳定时期可保持相对封闭系统，而地壳剧烈运动时期则为开放系统，这就要求做变质岩恢复原岩工作；利用同位素测定成矿物质来源、成矿形成年龄时，则应坚持严谨的科学态度，实事求是地使欲测的地质环境与假定的地质条件相吻合，然后再去应用。 2.1.2 非此即彼与亦此亦彼法 非此即彼法是一种形式逻辑思维方法，如在平面几何学中的两条直线不是平行，即是相交；亦此亦彼法是一种辨证逻辑思维方法，如在物理学中光亦有微粒性，亦有波动性。在地质学中沉积岩或沉积矿床、岩浆岩或岩浆矿床、岩浆期后热液矿床的成岩、成矿作用是单一成因的，是一类非此即彼的地质问题；而层控矿床包含了原始沉积作用和后期热液改造作用的双重特点；某些花岗岩包含了岩浆作用和混合岩化的双重特点；复性断裂包含了多次构造运动的“纪录”。这类地质问题的地质作用产物是多成因的，反映了地质作用产物内部改造与反改造对立统一的辨证关系是一类亦此亦彼的地质问题。 2.1.3 分析与综合法 分析是选择地质作用产物的部分特征或属性，分析它们与地质作用形成过程的联系来认识地质作用的形成环境，或者分析它们之间的关系，从一部分特征或属性出发，用迂回、侧面的方法认识另一部分特征或属性，常采用二种研究方法： 1）、因果分析法。主要指用同位素、稀土元素配分、矿物包裹体、矿物标型特征等测试结果数据来确定岩浆期后热液矿床及其他热液矿床成矿过程中的温、压范围、pH、Eh、f02等物理化学环境及矿质来源和热液来源。 2）、相关分析法。是利用元素之间、矿物之间的互相关系，如元素的共生组合、矿物的共生组合是分析它们的成因联系；元素的伴生和矿物的伴生是分析它们的空问联系，然后从一部分元素或矿物的地球化学特征出发，去认识另一部分元素或矿物的地球化学特征及形成的地质环境。 综合法是将地质作用产物的各个部分特征或属性台整起来和有机的联系起来，研究地质作用的形成原因、形成过程及作用前的物质基础，从整体上把握地质作用的本质和规律。如成矿模式是经过以分析为主和以综合为主两个阶段的认识后，人们对成矿作用的本质和规律性认识。 2.1.4 归纳与演绎法 人们对地质作用的认识从对个别地质现象的观察上升到一般原理性的认识，然后将这些原理性的认识指导地质实践中的具体观察、分析，这就是归纳与演绎的过程。归纳是演绎的基础，所以演绎只能从归纳的结果之处展开。演绎的知识来源于野外地质资料的归纳结果，归纳又以演绎为指导。如进行面积性的地质工作中要分类整理沉积物的堆积类型、岩浆活动及岩浆岩的类型、变质作用及变质岩的类型、构造变动及构造体系的类型，以及矿产在平面上的展布规律和矿床类型。在此基础上归纳出本地区地史上发生的几次大事件和每次大事件的表现形式，然后将这些大事件统一在地史发展的时间序列之中，进而编制出一部本地区的地质发展史。 演绎法的表现形式比较常用的由大前提、小前提、结论组成的“三段论”。大前提是一般原理，小前提是所研究的特殊地质事件，结论是将特殊地质事件归结到一般原理之下，得出新知识。现举例如下： 例1、勘查金矿“直言三段论 大前提：由角闪质岩石组成的含金老地层。 小前提：已知金矿床的同成矿构造体系是NS向构造，其NS向主压性结构面、NE、Nw 两组扭裂面，以及与成矿前断裂复合部位为含矿构造。 结论：找金靶区应选择在已知金矿外围的老地层中及NS向构造体系中的有利部位。 例2、大陆漂移 “假言三段论” 大前提：(假言)地球上存在着大陆漂移的动力。 (1)魏格纳提出地球自转的离极力。 (2)李四光提出地球自转速率的变更。 (3)板块构造提出地幔对流。 小前提：漂移的机制。 (1)魏格纳提出硅铝层在硅镁层上漂移。 (2)板块结构提出岩石圈在软流圈上漂移。 结论：假如地幔对流成立或地球自转的速率在地质历史时期曾发生过变更成立，岩石圈便可在软流圈上漂移。 2.1.5 剔除思维法 前述社会科学中的侦破工作在定案时采用逐层逐个排除这种常见形式逻辑思维方法称为剔除思维法。移植在地质学中主要用来厘定构造运动的期次和每次构造运动的性质。因为新构造运动能够在老构造层中留下“记录”；而老构造运动却不能在新构造层中留下“记录”。进而造成构造层愈老构造形迹愈复杂，构造层愈新构造形迹愈简单的事实。因此可以采用由新构造层向老构造层逐层剔除的方法来厘定构造运动的期次及每次构造运动的性质。 2.2 非理性地质思维 非理性地质思维是占人类思维活动绝大部分和尚待开发的一种思维表现形式。有人将人类的思维活动形象地比喻成冰山。露出水面的18属于(有)意识，是人类自己可以控制的：水下78属于无意识，是人类尚不能控制的思维活动。非理性地质思维最典型的表现形式是想象、联想、直觉和类比。 2.2.1 想象思维 想象思维是人脑在改造记 E表象的基础上创造新形象的心理过程，是人根据直接或间接的经验材料针对研究对象的一种形象化的构思或设想。这种形象化的构思或设想是大脑记忆所贮存的和对现场所记录的感觉印象经过思维加工而成的。坦是它既不是感觉印象的仿造，也不是纯粹的逻辑演绎的结果。想象在某种程度上是离开了现实或“超越”现实。但想象的来源却总是客观现实。人们在想象时常常把构思和设想具体化，在头脑中形成形象或图景。想象从功能上分为再造性想象和创造性想象。再造性想象是根据地质上的语言和文字描述、数据、符号、图表再造相应形象的思维活动；创造性想象则是根据一定的目的、任务按照自己的创见，独立地在头脑中创造新形象的过程。它是帮助建立地质模型，提出假说。 地质模型是人们基于想象和抽象之间对地质作用系统一种简化的印象，是改造大脑表象的规律性认识，如孤立岛状硅酸矿物结构模型。地质假说是对地质现象和地质规律的一种不完备，其基本规律尚待验证的学说。由于缺少证明所以在思维中构造出一种假想过程的形象以及对这个过程的逻辑解释。它的形成是形象思维，但是证明都是逻辑推理。例如，提出大陆漂移“异想地开”是想象地幔对流、海底扩张则是逻辑证明；断裂成矿的真空抽吸作用是想象，构造角砾状铅矿石，铅矿矿液泼洒在构造角砾上是逻辑推理。 2.2.2 联想思维 联想思维是研究者集中思考所研究的地质问题与偶然间遇到的事物联系起来形成瞬间的心理活动，也可以看作想象的一种，是客观事物互相联系在人头脑中的反映。 1）、在时问上、空间上相关连的事物易形成相关联想，想到了事物发展的连动性。如对大洋中脊条带状磁异常的解释人们开始习惯于重复过去的思路，认为负异常是二次场磁化的结果，这一认识一直围绕着当时的地球物理界。1963年剑桥大学的凡茵(F.Vinc)和马修斯(D.Matthows)认识到与条带状磁异常空间上相关连的是海底扩张时问上相关连的是地磁场在地质历史时期时曾发生过倒转，进而得出结论：条带状磁异常是海底扩张与地磁场在地质历史时期里曾发生过倒转的综合效应，这是联想的力量。 2）、有相似特点的事物易形成相似联想。如霍尔在一次参观玻璃工广后受到启发，成功的做出火山渣溶化一冷凝的模拟实验，有力的支持火成派。赵寅震(1989)在研究同成矿构造时用地震时断裂的形成与喷沙、冒水现象连续发生，即断裂张开之时就是喷沙、冒水之时，以及火山喷气成矿作用是沿着新生成的火山通道和新产生的断裂进行，形象地比喻了同成矿构造的含义。成矿前的断裂如果成矿时没有再活动是不可能成矿的，这种理论同样也适用于岩体的侵入与构造的关系。 3）、有对立关系的事物易形成对比联想。法拉第听到奥斯特发现电流通过电线使其附近的磁针发生偏转以后就想到既然电能转换成磁，那幺磁也就能转换成电，他沿着这个思路走了6年，才从实验中证实了磁可以转换成电。在许多实验中都因线圈在磁场中是静止的，没有实现磁向电的转换，后来他偶然间想到磁铁在线圈中一出一进实验成功。接着他在几天时间内就制造出来了世界第一台发电机。地质学的岩石类概念的产生和发展是经历了“水”与“火”的考验，在长达7080年的认识过程中确立下来的。 2.2.3 直觉思维 直觉思维是在感性认识的基础上不经过任何逻辑推理而产生的对客观事物的某种认识与理解。知其然，不知其所以然。但是它并非凭空而来，是知识长期积累到突然闻释放的结果。直觉思维在地质科研中的特点是坚信从复杂的实际材料中洞察出事物的本质和规律的正确性。把判断与假想巧妙的结台起来。魏格纳偶然问从一幅世界地图上发现大西洋两岸的轮廓是对应和吻台的，便假想是“大陆漂移”的结果，大陆漂移是通过直觉思维顿悟出来的新概念。魏氏坚定不移，为之奋斗终生。 2.2.4 类比思维 类比思维是在两类地质认识对象中某些属性相同，推知其他属性也可能相同的间接推理方法，是地质学的基本思维方法之一，通常是以现今正在进行的地质作用或模拟实验能够正演地质历史时期的某一地质作用结果，与地质历史时期的地质作用产物对比来推演地质历史时期地质作用的过程和作用前的物质基础。因此，也称“推今及古”的现实主义原则。 类比法是一种或然性推理思维方法，其结论仍有待于进一步实践证明。在性质相同的两个对象问对比，认识对象对比的条件不充分，其结论具有很大的推测性。例如，利用月质学中的某些研究成果类比地球形成早期(46- 38亿年)的地质历史，固地球早期的地质作用产物已经消失殆尽，地球不具备对比条件；在性质不同的对象中进行类比，推导出相同的属性，其结论是真实的。例如，气球、潜水器、高山插入地幔的“山根”是三类性质不同的对象，但它们都受浮力原理支配。通过相似联想思维方法，推测高山插入地幔的“山根”是地壳均衡作用的结果。 3 创造性地质思维 创造性地质思维与非创造性地质思维的根本区别在于：前者具有前所未有的地质思维成果发现新问题和提出新概念，在心理功能上是依赖于创造性想象；而非创造性地质思维是依赖于习惯联想，是梳理和解释已形成的地质知识即从固有的地质概念出发经过各种各样形式的思维活动，在更清晰的程度上再现原有的地质概念，它没有产生新概念，但对清理旧知识、提高理解能力和地质概念的外延起着不可忽视的作用。 当前，在思维与智慧的讨论中，形象思维报导的比较多，这就给人造成一种误解。认为形象思维是创造性思维唯一的表现形式，其实一个完整的创造性思维活动是理性思维与非理性思维彼此交叉、共同参与的过程。创造性思维作为一种功能来讲是否能够得到充分发挥除了思维技巧以外，还受课题选择的前沿性制约。 创造性思维是在一般思维基础上发展起来的除了具有一般思维的特点以外还具有自己的特点。有的学者提出创造性思维有以下五个特点： 1）、独立性。与他人不同，独具卓识。敢于向传统观念和旧知识挑战提出怀疑并主动的否定自己，打破“自我框框”。 2）、连动性。具有由此及彼的思维能力。通常有三种形式：纵向连动，发现一个新问题立刻纵深一步，探究其产生的原因；逆向连动，看到一个现象以后能想到与之相反的事物；横向连动，看到一个现象以后，能够想到与之相类似的事物。 3）、多向性。善于从不同角度想问题。在一个问题面前尽量提出多种设想方案。思维在一地受阻，马上转到另一方向。如漂移动力和漂移机制的多方位思考。 4）、跨越性。从思维的进程上常常省略某些思维步骤，思维呈现跨越式。 5）、综台性。善于选取前人智慧的精华部分加以综台、归纳。创造性地质思维活动是一种复杂的心