格致校园第23期 | 2021年12月24日 北京大家好！我是来自中国地质科学院地质研究所的董汉文。除了科研人员的身份以外，我还有一个身份，就是科普人。这几年我也抓住一切机会，在不同场合、通过不同的形式为宣传地质学。首先来看一下什么是地质学。这里的“质”，指的是质量吗？那地质学就是为地球称体重的学科？事实上，这个“质”应该理解为本质，所以地质学的任务是探索地球的本质。我们的研究内容包括地球是由什么组成的，它的内部结构、外部特征长什么样，各个圈层之间有怎样的相互关系，以及地球如何一步一步演化到现在的样子。那么，我们是怎么研究的呢？我相信大家在各种各样的科普读物上都读到过这样一句话：地球是太阳系内的一颗岩质行星。通俗来讲，它的意思就是地球主要由石头所组成，和那些主要由气体组成的行星很不一样。如果我们把地球比作一个人，那么它就是一个石头巨人，只不过它身体的各个部位是由不同的石头组成的。例如从里到外的地核、地幔、地壳都是由不同的石头组成的。研究地球本质的地质学家，比如我和同事们，最主要的日常工作就是跟这些石头打交道。地球上到底有哪些石头？我相信大家去户外转上一圈，一定会发现各种各样的石头，它们颜色不同，形状各异。研究发现，地球上常见的石头大概有几十种，可以根据成因进一步归纳为三大类，分别是岩浆岩、沉积岩和变质岩。先说岩浆岩。岩浆岩顾名思义跟岩浆有关系，根据在地球中的形成深度，岩浆岩还可以进一步分为侵入岩和喷出岩。左上角所展示的花岗岩就是一块典型的侵入岩，是岩浆在地下冷却形成的。右上角所展示是一块典型的喷出岩玄武岩，它是由岩浆快速喷出地表形成的。再来看一下沉积岩。在地表的风化、剥蚀作用下搬运并再次沉积所形成的岩石，我们称之为沉积岩。这类岩石有一个明显的特点，它有一层一层的层理，像是书架上的书本一样。左下角的砂岩是一种典型的沉积岩。这些已经形成的岩浆岩和沉积岩在一定的物理化学条件下，会转变成另外一种岩石，我们把它称为变质岩。右下角所展示的这块大理岩就是典型的变质岩。这些岩石在我们的日常生活中有非常广泛的应用，在公园里、在各种建筑物中都可以看到它们。但是相比这些石头，大家可能更喜欢一些宝石或者说矿物。我也发现大家好像不太区分岩石和矿物，经常错把岩石当矿物，又或者错把矿物当岩石。这两者到底有什么关系呢？我继续用刚刚提到的花岗岩举例。简单来说，岩石由矿物所组成，矿物是岩石的基本组成单位。如花岗岩主要由石英、长石组成，另外还有一些黑色的星星点点的矿物，叫做黑云母。除了这些主要的矿物，还有一些因为含量过少、颗粒过小、用肉眼无法观察、需要借助放大镜或者显微镜才能够看得见的部分矿物，被称为副矿物。就像上面展示的这盘菜。西红柿炒鸡蛋大家都吃过，它主要由西红柿和鸡蛋组成，另外还有一些星星点点的配菜，比如香菜。此外，还有一些我们已经无法用肉眼看见的油、盐、酱，它们已经融入菜当中了。▲ 图片来自：JohnP. Grotzinger《Understanding Earth》（7th edition），2017
简单来说，矿物就是在地质作用下形成的天然产物。影响矿物形成的因素有很多，其中一个很重要的因素就是温度。随着岩浆的逐渐冷却，会依次形成不同的矿物。像上图展示的橄榄石，它的形成温度就比较高，有一千多度；随着温度的降低，会形成辉石还有长石。▲ 左：辉石 右：长石
图片来自：JohnP. Grotzinger
《Understanding Earth》（7th edition），2017
长石、辉石还有橄榄石在地球上的含量非常高，在很多岩石中都可以看到，所以我们也把它称为造岩矿物。在这些造岩矿物之外，还有一些大家更喜欢的宝石矿物，比如说托帕石、蓝宝石、祖母绿、磷灰石、石榴子石以及钻石等。这些宝石矿物有一个特点，它们的硬度都相对比较高。这个也比较好理解，硬度比较高就容易保存下来。像这种矿物的名称叫刚玉，而作为宝石则称为红宝石和蓝宝石。红宝石就是因为它的颜色是红色的。可是大家要注意，红色以外其他颜色的刚玉都被统称为蓝宝石（上图中），只有说“蓝色的蓝宝石”的时候，才指的是蓝色刚玉。地球很大，有各种各样的石头。我从2004年开始学地质，一路从本科、硕士到博士，也去了不少地方，经常会去一些大家不常去的地方。比如说我会下到1000米深的地下矿井，也会爬上6000米高的高原。野外考察固然很艰苦，但当自己选到了想要的那一块样品，又会感到非常开心，觉得所有的付出都是值得的。不仅仅如此，除了石头，我们还有一些意外的收获和额外的福利，那就是看到一些常人看不到的风景。比如这张照片，是我们在2020年考察西藏的过程中拍摄到的。右下角的这座山峰叫南迦巴瓦峰，曾经被《中国国家地理》评选为“中国十大最美山峰”中的第一名，可见它非常漂亮。由于非常独特的地理位置，它其实位于印度暖湿气流的通道上。所以这个地方经常云雾缭绕，一年四季都看不到，也有“十个人九不见”的传闻。可是我们比较幸运，不仅仅看到了南迦巴瓦峰，还看到了它的整个家族；不仅看到了它们的冰川，就连冰川下面的岩层都看得一清二楚。我们在野外找各种各样的石头，就为采到那一块自己想采的样品。也会遇到一些难以预测的天气，比如下雨或者下冰雹。我们最常做的一件事情就是爬山，爬各种各样的山。有时候会遇到溪流，还要踩独木桥。如果没有独木桥，我们还会蹚着河过去。我们累了一天了之后，也会给自己加一个鸡腿。这个背景音乐叫《勘探队员之歌》，它可是地质学家的专属音乐，每一位地质工作者都会唱这首歌曲。▲ 中国河北（左）和美国夏威夷（右）的玄武岩
既然我们去过这么多地方，大家可能会问：全世界各个地方的岩石有什么不同？在这里我总结成两句话：第一，同一个地方的岩石可以完全不一样。比方左边展示的这块汉诺坝玄武岩样品，它来自中国河北张家口地区，由两类完全不同的岩石组成。黑色部分是玄武岩，绿色部分是橄榄岩。它是由岩浆快速喷出地表，将地下已经形成的橄榄岩一并带出地表所形成的。第二，不同地方的岩石也可以完全一样。右侧这块岩石来自美国夏威夷，它与张家口的这块样品不光在岩石组合、岩石类型方面完全一致，就连现象也极其相似：都是由玄武岩包裹着橄榄岩。这是怎么回事呢？其实岩石的形成与它的地理位置没有太大关系，主要与构造位置或者说构造背景有极其重要的关系。▲ 图片来自：JohnP. Grotzinger《Understanding Earth》（7th edition），2017
我拿造山带做一个展示。上图的不同颜色代表着地球内部的不同位置，从地壳、岩石圈到软流圈。角岩出现在岩浆房与围岩接触的地方，而超高压形成的岩石（如榴辉岩）出现在地壳的底部。随着深度变浅，会出现一些压力、温度都相对较低的低级变质岩，比如云母片岩。正是因为地球内部这些不同类型的岩石，造就了地质学领域一些不同的专业，所以不同的学者会研究不同的石头。比方说古生物的学者会研究化石，矿床学的学者会研究矿石，我的专业是构造地质学，所以我更关注这些发生变形的岩石。经过这么多的研究，我们到底从岩石中获取了哪些地球的故事？我们会根据自己的项目需要、根据自己的研究兴趣去不同的地方采集样品。▲ 青藏科考 大陆钻探 探月工程
我们首先想到的就是前往世界各地，去地球表面采样；我们还会借助科学钻探，研究从地球内部挖取的岩芯；除此之外，我们还会飞向太空，例如我们正在实施的探月工程，从月球上抓一把土来研究。首先看一下地球表面的故事，以我们正在执行的青藏科考为例。青藏高原是世界的屋脊，这个地方涉及大概20多个亚洲国家，是非常特殊的地质-地理-资源-生态单元。非常荣幸，我在2011年考取了许志琴院士的博士，自此开始了对青藏高原的研究。通过这十几年的考察，可以说我和同事们的足迹遍布了整个青藏高原，当然也获取了大量的珍贵的样品。在野外采样只是第一步工作，回到实验室后，我们还会对这些样品进行进一步的处理。首先就是为每一块样品切一个探针片，就是图中的“玻璃板”。除此之外，还会挑选一些重要的矿物进行测年或其他精细的工作。我们还会磨一些粉末，做地球化学研究。切好探针片之后，我们会利用光学显微镜或者电镜做进一步的观察，看当中的矿物组合、内部结构、构造变形特征等。其目的就是和野外的宏观现象进行进一步的互相验证，得出一个可靠的结论。例如这两张图片。上图是我们在野外观测时拍摄的，下面这个就是我们利用显微镜拍摄的。可以看到，宏观和微观有一个极好的对应关系，共同指示了从左到右这样一个剪切运动的方向。通过几代青藏人几十年的共同努力，我们在青藏高原获得了大量成果。从视频中可以很清楚地看出，青藏高原是印度大陆一路向北移动，与欧亚大陆撞在一起所形成的。我相信大家想到的第一个科学问题就是：这两个大陆是什么时候撞在一起的？大量的年代学研究，包括地质调查、岩石学、矿物学还有古生物、古地磁等，共同结合基本上形成了一致认识：那就是这两个大陆在5000万年到6000万年之间碰撞在了一起。印度大陆和欧亚大陆撞在了一起，但这个故事并没有结束。印度大陆持续向北挤压，形成了我们现在所熟知的喜马拉雅山脉，世界上8000米以上的一系列高峰都在附近，比如大家所熟知的珠穆朗玛峰。▲ 两期快速冷却事件：（上）中中新世（ca. 15-11 Ma）
（下）晚中新世（ca. 7-5 Ma）
喜马拉雅山脉如何隆起、何时隆起以及对全世界气候有何影响，是当前世界地质学家共同关心的话题。最近几年，我们课题组也在喜马拉雅山脉东部偏中段的地方——亚东地区做研究。我们的研究显示，整个喜马拉雅山脉在1500万年以来至少发生过两次快速抬升。还有很多有关青藏高原、喜马拉雅山的重要科学问题正在研究当中。接下来看一下大陆钻探方面的故事。为什么要实施大陆科学钻探呢？原因很简单，我们现在所使用的资源、能源全都来自地球深部；现在地球上发生的一些重大地质灾害，比如地震火山，它们都是源自于地球内部的活动。所以我们必须要深入地球内部，向深部要资源、能源，向深部要安全。因此，大陆科学钻探也被誉为深入地球内部的望远镜。我的导师许志琴院士作为首席科学家，实施了亚洲第一口科学钻探，选址在我国江苏东海县，当时的取芯是5000多米。这个地方位于大别-苏鲁超高压变质带，是世界上规模最大的超高压变质带，被国际地质学界公认为实施大陆科学钻探的最佳地点。▲ （上）岩芯样品
（下）柯石英和金刚石
这就是当时取的岩芯。这口科学钻探也取得了大量的成果，比如从岩芯中发现了超高压变质矿物柯石英和金刚石，它们的发现也进一步证实了这些曾经是俯冲到地下100公里的大陆地壳物质。▲ 图片来源：王远亮，夏颖，董海良等.
2005. 中国大陆科学钻探（CCSD）
地下岩心样品中的细菌群落分析
不仅如此，我们还在岩芯中发现了一些微生物。这些微生物菌群的发现，为地下微生物的多样性研究提供了重要信息。我们不仅会入地，还要上天。为什么要上天呢？原因很简单，因为地球太活跃，早期的信息已经全被抹掉了。我们目前发现地球上最古老岩石来自40亿年前，但是现在保留下来的样品非常少，也很难找。可是有意思的是，这些超过40亿年的岩石在地球之外，也就是其他星球上可以随便找。所以我们希望通过探索其他星球，恢复地球早期的历史，甚至预测地球的未来。▲ 阿姆斯特朗在月球上留下的脚印
我们首先想到的就是月球。因为月球距地球38万公里，是离我们最近的一个天体，并且我国在探月方面也取得了很好的成就。2020年12月17日，我们国家的“嫦娥五号”成功带回了1731克月球样品。目前有一份月球样品正在国家博物馆展出，我也特意带女儿去参观了，非常震撼。▲ 刘敦一团队：原始月壤样品2克、月球玄武岩、角砾岩薄片1片
样品回来之后，探月中心也是集全国的力量开展研究。我的同事刘敦一先生的团队非常有幸拿到了第一批月壤样品，他们获得了2克、也就是2000毫克的月壤，还有一个探针片。刘先生也非常激动，拿到样品的当天就开展了研究。他们用非常精密的仪器开展了测年的工作，这个仪器的名字叫高灵敏度高分辨率二次离子质谱。▲ （上）高灵敏度高分辨率二次离子质谱（SHRIMP）
（下）玄武岩岩屑约3mm
左下角展示图片就是这个样品，其中的小黑点是玄武岩的岩屑，它的大小大概是3毫米。数据也非常好，获得的样品年龄是19.6亿年，而此前月球岩石的年龄数据是29亿年。所以这项研究直接将月球的地质寿命延长了将近10亿年，最后也发表在了国际著名期刊《科学》上。还有很多有关嫦娥五号月球样品的研究正在进行，相信后续将会有一系列的成果发表，大家正拭目以待。最后，让我们回到这颗不停旋转的蓝色星球。地球母亲已经经历了46亿年的演化，但每个人都不知道它曾经经历过什么。我们地质工作者则试图通过一块块不起眼的石头，来恢复地球早期的一些故事。我们就像侦探，通过石头来恢复地质历史时期的一件一件悬案，这正是地质学好玩的地方。我们现在不仅仅研究地表的石头，还研究地球内部的石头，甚至地外的比如探月得到的石头。通过对这些石头的研究，我们知道了地球的板块运动、地球的海陆变迁还有资源能源是如何形成的。未来我们可能不仅仅研究月球，有可能还要登上火星。我希望同学们能够好好学习，有可能你们未来就是一个“火星人”。这就是我今天的分享，希望大家能够喜欢上地质，喜欢上石头。谢谢大家！文章和演讲仅代表作者观点，不代表格致论道讲坛立场。推荐资源
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