博科访谈会（四十五）：地质学：跨越46亿年，向你而来

历史访谈：以下保留原稿中的研究经历与个人观点。

地球诞生至今，已经经历了46亿年的岁月变迁。你脚下的每一寸土地，都在讲述着一个个跨越46亿年的古老故事；你头顶的每一颗星辰，都在分裂与重组中重获新生。用脚丈量土地，抬头仰望星空，这大概就是独属于地质学人的终极浪漫！本期，就让我们一起跟随地质人的脚步，共同感受地质科学的迷人魅力！

科普人背景：加拿大地质学博士五年级

走进地质学

地理、地貌、地质的联系与区别

天南星：我每次跟大家说我学地质的时候，他们就会问我是不是学geography，其实geography是地理，地质是geology。还有很多人会问我，你会不会去溶洞探险？其实我们目前地表上面能够看见的大部分都是地貌，是地形学的范畴，和地质有关联，但是又不太一样。

地理更加像我们高中的时候学的范畴，狭义的地理更像是一门描述人和自然环境关系的学科，但地貌就是对地表面貌的描述，它会去研究地形的起源和造成它不断变化的一些因素。

地质应该算是时间跨度很长的一门学科，地球诞生以前的历史都属于地质的范畴。人类存在的历史其实非常短，就算是地貌地形，我们现在能看到的好像是经过几千几百年演变而来的地形，其实在地质时间的概念里面也特别短。

我们真正想要去了解的一些，比如说大地构造的这些概念，从地貌地形学上面来讲的话都不是一个数量级的历史单位。有些地貌过程按几千或几万年来研究，也有跨百万年的演化，不能把两者时间尺度绝对分开；许多地质历史以百万年来计，如果去研究地球的起源的话，那就是以亿年来记的了。所以总结一下的话，我觉得地质是一个很大的范畴，是一门研究地球由什么物质组成以及为什么会形成的科学。

其实地球也不过就是太阳系当中的一个星体而已。学地质的人的第一堂课一定是地球起源，而讲地球起源就一定是跟宇宙起源和不同星体的形成是有关系的，包括很多一开始学地质的人，最后会去学天体，这也是非常能够理解的，因为它们的基础知识是一样的，地球目前的这个阶段只是它演变过程当中的一个阶段而已，行星演化与内部冷却有关，但不能简单断言地球完全冷却后就会与水星、金星一样；金星仍有活跃火山的证据。

当然刚刚诞生的地球跟现在我们所能够居住的地球也是不一样的，它的能量和物质在地球内部是不断变化的，那学地质的不同类别的同学，就会去探究它不断变化的过程中某一部分的历史。

第四纪地质的特殊之处

天南星：第四纪它是一个时代的概念，比如说寒武纪、石炭纪、二叠纪、三叠纪、侏罗纪，它是跟这些概念平行的一个概念。恐龙生活在白垩侏罗纪，但是我们人类现在是生活在第四纪，它是一个区分地质时代的概念。

许多第四纪沉积物尚未经历充分埋藏和成岩，仍较松散，但第四纪也存在固结岩石和火山岩，大部分的地貌地形学研究的其实就是第四纪的东西，就是地表上面的这一层还没有成岩的沉积物，这些沉积物常由剥蚀、搬运和沉积形成，但第四纪并非没有构造活动，断层、褶皱和火山作用仍会影响它们。

如果我们去沙漠或者戈壁滩，你会看到松散的沙土，那些被水流冲刷过的痕迹，被风吹起来的沙丘，这些都是第四纪沉积物。但是比如说你偶尔看见沙丘下面埋着一块岩石，你以为这个岩石只是埋在那里的，但非常有可能这个岩石下面100米、200米甚至1000米都是一模一样的岩性，它其实更加像是本来就存在于那里，只是它上面盖了一层第四纪沉积物而已。

生物对于地质的影响

天南星：生物能够生存的空间从整个地球的体积上面来讲太小了，就是特别薄的一层，比地壳都要薄，只是在地壳上面的这一点点。但是生命的起源是一个特别有意思的话题，也算至今未解。如果我们能够了解生命的起源，应该已经到了人类非常进化的时候了。

但是目前为止从地质上面来讲，我们能够证明它是古生物的，如果我没有记错的话，应该就是在前寒武的那一段时间。

仰望星空，揭秘宇宙的起源

地球的起源—来自物理与地质的不同解释

天南星：如果从地质的角度上面来讲的话，我们所有现今学geology的人都是从我们目前看到的东西去推演过去的，也就是说现在是过去的钥匙，我们只能看到目前的这个样子，过去的都是猜想。但是我想用物理方法来探索是一个相反的过程，用数学公式和物理理论研究起源和现象存在的客观性，从而解释现象存在的原因和未来的演化方向。

但是这两个相反的过程相辅相成，宇宙是和谐统一的，你只是用不同的方法去探究，如果一条理论是正确的话，应该是可以被不一样的证据往同一个方向支持的。

地球的元素组成—来自陨石的神奇揭秘

天南星：可能有一个比较冷门的知识大家是不知道的，比如说你去问一个学地质的本科生，现在我们知道地球的元素组成，哪个元素含量最高，哪个元素含量最低，那我们是怎么知道这个事情的？为什么我们会知道这个事情？这不可能仅靠把整个地球直接放到实验室里测出，但岩石、陨石的实验室分析与地球物理约束都很重要，那大家是怎么探究出来的？我经常拿这种问题去trick我们的本科生，让他们思考一下这种问题，尤其是在他们学地球化学的时候，这是一个比较有意思的问题。

其实它的答案是我们通过分析陨石的元素而得到的。部分原始陨石保留早期太阳系物质的线索；落到地球的陨石多数来自小天体碎片，但不能概括为大多数宇宙星体在混沌阶段“自解”。研究时需区分陨石类型及其母体历史。

但是地球它经过了演化，最后分了层，甚至我们后来还有了大地构造，所以我们可以通过搜集落到地球上的这些陨石，看它们的结构组成，而知道一开始地球形成的时候，它的元素是怎么样的。

但是陨石也是分不同的种类的，这种专门用来探究地球刚刚形成的时候的成分是什么，常包括较原始的chondrite（球粒陨石），但它们也有不同类别及变质、蚀变历史，那种陨石它就是在一个不分层的情况下，不同碎片仍可能有成分差异，不能保证任一小样都等于整个母体或地球的元素组成。

但是当一个星体它已经分层了以后，你就有可能会拿到它不同层里面的组成部分，我们也许就不能知道它的整个星体的一个元素组成和他们的配比是多少了。

从一粒原子，到无穷宇宙

天南星：如果我们从大爆炸开始说起的话，我们就要讲元素的下一个更小的组成：atom的组成。

早期宇宙主要形成氢、氦等轻元素的原子核，随后冷却形成原子；更重元素主要在恒星及其他天体过程里产生，不是普通原子碰撞就逐步形成所有元素。恒星可由氢聚变成氦，并在相应阶段合成更重元素。地核主要是铁镍合金及少量其他元素，不能把镁列为与铁镍并列的主要地核成分。这些过程涉及核物理与恒星演化。

不是所有的星体刚刚开始形成的时候，元素的组分和种类都是一样的，但是大家确实都是从最小的组成开始：原子核的聚变过程，而不是把两个或四个完整原子直接拼在一起就能概括所有元素形成。

脚踏大地，探寻深藏的宝藏

地质科学，探索古老遗迹的自然奥秘

天南星：地质是一个比较大的基础学科，比如说像我是从中国地质大学来的，国内的大学会把地质下面的这些分支学科专门当做一个学院来培养学生。而在国外，它就是earth science：地球科学。大家都要学一年级二年级的课，然后你再去选择希望走它下面的哪个分支学科，比较热门的就有像水文地质hydrogeology，水文地质它主要就是研究地下水或者地上水跟地质的关系。

地质有研究土壤的，也有研究基岩和岩石层的关系，还有研究地质第四纪的就是我们现在所处的时代，我们现在能够看到的地面上的那些松散的沉积物，也有人研究这个的。

也有特别有意思的，比如说我有同事他是专门搞钻石矿的，一般大家讲钻石矿可能会觉得都是从地底下金伯利岩里面出来的，我们肯定是去凿岩石石头里面的那些钻石。但他们专门研究松散沉积物的人找钻石的方式就特别有意思，因为他们觉得金伯利岩在第四纪的时候就已经暴露在地表上了，然后被剥蚀和冲刷，被雨、风这些地表环境作用带到不一样的地方，他们就可以通过观察地面上的这一层厚厚的松散沉积物，看中间经历了哪几次比较重要的比如说冰川活动或者河流活动，然后他们可以追踪金伯利岩，从它的扩散的方向来找到这些沉积物被大自然的这些作用都带到哪里去，从里面淘洗钻石出来。这个是挺有意思的一个第四纪地质的研究方向。

我会把剩下的全部归于一般地质学，就是基础地质学：geology， geology就是研究地球化学、地球物理、地球的构造、岩石学、矿物学以及它们的一些衍生学科，比如说矿物学的衍生学科，像珠宝学珠宝鉴定，包括像是地球物理的衍生学就可以衍生到卫星图像，或者做一些技术层面的，比如说重力测量、磁法或地震波等地下探测方法；这些并不等同于天体物理的引力波观测这些东西。

地质模型，教你如何正确挖矿

天南星：在找矿的时候，找金矿，金属矿，有色金属矿或者贵金属矿，包括找石油找天然气的时候，我们都是用一样的方法，当然会打得更深了。因为建筑物的话，可能有些建筑物都只是打在第四纪沉积物里面，它都没有打到下面的岩石，但是如果像是要找矿的话，深的可能能够往下面打个10~100米左右。

尤其是需要非常精确的时候，比如说加拿大安大略省非常有名的就是它有好几个金矿，产量都非常好，想要找金矿的这些人，是需要去找金矿分布在哪一层石英脉里面。你可以想象一个三维的空间，因为人只是站在一个2D的表面上面，但是通过打岩芯竖直的或者斜的打到地底下去，然后把这些岩芯抽出来以后，他们可以做一张三维的立体的一个图，就能够知道几米深的地方有同一期的石英脉。他们在电脑里面把这个图投出来以后，把石英脉的这一片都连在一块，就能够知道有富集金子的石英脉都在哪一片里面。

这对怎么样从石英脉里面把石英脉的矿石全部都搬到地上来的一个方案能够起一个指导性的作用。因为相当于我虽然看不见地底下有什么，但是通过做这种模型，我已经能够知道金子所在的石英脉都在地下的哪一层里面，我需要怎么样把它们搬上来，是直接在地上开个大口，还是我做一个矿洞做到几米的地方，然后往哪个方向继续挖进去，地洞怎么打。

卡路里：感觉你们的研究也非常有人文经济价值呢。

天南星：可以省钱，你就不需要把这一块地方全部都挖出来，不然最后可能还入不敷出那就没意思了。这就是为什么大家要雇佣一些搞地质的人去帮他们做分析，看看这个模型合不合理，地底下有没有可能是这个样子的。

卡路里：通常这些模型还是非常有效的对吧？能节省非常多的时间。

天南星：石英脉它是一个二维的，你可以把它看作是一个面状的东西，它一般情况下是可以确定的。但问题就是自然界的不确定性在于我虽然知道这一个石英脉里面富集了金子，但是我不知道它具体是哪一个部分富集了金子。

卡路里：但是能够给他们一个指导性的意见，这已经非常好了。

地质分析，为你讲述自然起源的神奇故事

天南星：跟地质相关的生产类项目，基本上就是找矿、找油、找气之类。但是因为地质它是一个基础学科，它的衍生学科非常多，如果你是矿物研究类的话，其实就跟化学材料的差不多。比如说像化妆品里面用的滑石，它就是一种矿物。

我们找新的矿物，或者说甚至都不是新的矿物，只是因为有一群这样的科研工作者专门研究矿物的特性、矿物的作用，这些东西让他们找到了一个新的矿物应用的方向。有一点像是材料化学这种类型，只是说因为矿物它也算是个晶体，所以这种矿物研究类的也算跟民生有一点关系。

另外的话还有宝石就是珠宝一类的，它们的设计跟我们关系不大，但是我们会研究它们的鉴定和怎么去找这些珠宝类的矿石，在怎么样的地质环境里面会有。其实我觉得也算是找矿，但找的是珠宝矿，就是这个区别。我们还有化学分析一类的，它有一个复合型学科的这种概念，有化学分析，但是分析的是岩石的成分，或者说陨石的成分这一类的元素分析。

我们讲的一般基础地质，是通过我们现在看到的地质现象去讲一个故事，这个故事可能发生在比如说200百万年以前，300百万年以前。举个例子，就是为什么喜马拉雅山上面有这么多海洋化石，它曾经是不是一片海。其实从地质角度来讲的话，不应该说它曾经是一片海，而是它有一个地块曾经是海洋地块，但是现在被整合在喜马拉雅山上面一起被抬升上来了。去讲一个故事。这种基础学科可能跟民生的关系不是很大，但是它对于我们解决起源问题是很棒的贡献。