李四光 创立地质力学奠基地学中国学派

来源:《科学家精神·创新篇》      日期:2020-05-29

李四光(1889年10月—1971年4月),地质学家、教育家、社会活动家,为地球科学的进步和发展作出了杰出贡献。他创立地质力学理论,撰写《中国地质学》,系统研究微体古生科化石,发现中国第四纪冰川等诸多重大理论创新和科学发现,都堪称学术经典。入选100位新中国成立以来感动中国人物,入选“庆祝中华人民共和国成立70周年大型成就展”1960—1969年英雄模范人物。

image.png


李四光毕生研究地球科学,穷尽一生的时光和心血,努力探求地球的奥秘与真谛,以源于实践高于实践的科学思维方式,一生坚持科学创新,写下了数百万言的科学著作。李四光的足迹遍及祖国大江南北,对地质学科的各个领域都做了广泛的调查和研究,丰富的实践经验为他的科学研究奠定了坚实的基础。在他所涉猎的地球科学的诸多领域都取得了创造性的成就。

独创地质力学理论

李四光对地球科学的最大贡献莫过于创立地质力学。这是他积几十年研究和实践的经验,辛勤浇灌出来的一株科学之花。在李四光一生的科学生涯中,他花费了最多的时间研究地壳构造和地壳运动问题。他科学地把力学原理运用到地质构造学的研究之中,从而创立了地质力学这门新兴学科。李四光创立地质力学,是中国科学家以创新性的思想登上世界科学论坛,加入探讨重大地质理论问题行列的第一人。

李四光在《天文、地质、古生物》这部著作中指出:“1795年,拉普拉斯提出了星云假说。——他根据角动量守恒的原则,认为自转的物体,如若不受外界的牵制,在它收缩的过程中必然绕着它旋转轴的转动越转越快;他根据力学的理论,认为无论是液体还是气体的球形旋转物体,不可能保持它的球形,而会形成一个扁球。这就说明了,地球及其他行星之所以成为扁球状,正是因为它们自转的结果。假如地球的自转速度增加了,它表层的物质都会从两极向赤道方向挪动……”李四光的地质力学理论,就是运用地质学与力学相结合的方法对中国区域构造进行研究的实践与理论成果,这一假说的提出,很可能是受到拉普拉斯星云假说的启发或影响。

1921年,李四光在研究石炭二叠纪地层时,发现这些地层的沉积物存在着南北的明显差异。李四光经过对地球上其他地区海侵海退现象的初步比较,特别是对古生代以后大陆上海水进退规程的初步探索,得出了一种假说:大陆上海水的进退,是具有全球性的,有可能由赤道向两极和由两极向赤道的方向性运动。这可能是由于地球自转速度在漫长的地质时代中反复发生了时快时慢的变化所引起的,因此也必然会在大陆上留下受构造运动影响的痕迹。这就是地质力学的开端。

李四光根据大陆上大规模构造运动的方向,推论了它们起源于地球自转速度的变化,提出了“大陆车阀”自动控制地球自转速度的作用。他依据地球这个旋转体的力学分析和计算,运用当时掌握的若干地质事实,推论了地壳运动的方向和起源。李四光提出的“大陆车阀”自动控制地球自转速度变化作用的假说,创造性地阐明了地球转速发生时快时慢变化的原因,也是影响地表形象变迁的主因。李四光认为,只要地球自转速度增加,大洋海水很容易冲向赤道,在低纬度就会产生一个海面上升运动,而在高纬度则会产生一个海面下降运动;当地球转速慢下来,必将出现相反的现象。李四光还由此引申出,海水的进退应该在时代上和造山运动有一定的关系,并且提出了一个规程,即在造山运动发生以前,地球的转速增加,低纬度的海进伴随着高纬度的海退;在造山运动期间或以后,地球的转速减小,高纬度的海进伴随着低纬度的海退。

李四光还自己动手制作了用于模拟地球自转速度变化引起地壳运动的模型装置。1934年12月,李四光应邀到英国去讲学。其间,李四光在威尔士的实验室和伯明翰大学机械系制作了一个铅质空心的球体,用来作地球自转速度变化引起地壳运动的实验。

李四光在《南岭东段地质力学之研究》(1944年)这篇论文里,第一次提出“地质力学”这个名词。1947年1月,由中华书局出版发行的《地质力学之基础与方法》一书,是李四光第一次总结地质力学这门学科。该书系统地讲述了地质力学的基础与方法,对建立地质力学这门学科具有重要意义。

1962年年初,李四光完成了重要著作《地质力学概论》。这是他40年实践经验的总结,是地质力学方面研究的代表作,也是地质力学研究史上的一个里程碑。

地质力学是李四光创立的有重大科学影响的大地构造理论,是他倾注一生心血的学术结晶,他提出的构造体系新概念,为研究地壳构造和地壳运动开辟了新途径。他运用地质力学理论指导了全国地质普查的战略选区工作,为寻找我国紧缺的石油和重要矿产资源及解决国家重大工程建设选址等方面发挥了极其重要的关键作用。开辟石油勘探新思路李四光对20世纪上半叶盛行的“中国贫油”论一直持反对态度。早在1928年,他在《燃料的问题》一文中指出:“美孚的失败,并不能证明中国没有油田可采。中国西北方出油的希望虽然最大,然而还有许多地方并非没有希望。”1935年,李四光在英国讲学期间,又暗示在我国东部有可能找到石油。他在《中国地质学》一书中指出:“在新华夏地槽的北部和南部,我们有证据表明在白垩纪时发育了一个内陆盆地。如果在华北平原我们钻打得足够深,一定会遇到白垩纪沉积,这是毫无问题的。在这个平原进行勘探,如用地震方法勘探,将可能揭露出有重要经济价值矿床的存在。”

1953年我国开始了第一个五年计划,大规模的经济建设开始后,就遇到了石油短缺的困难,当时全国所需石油的80%~90%依靠进口。

1953年年底,毛泽东主席邀请李四光到中南海,征询他对中国石油资源的看法。在座的有刘少奇、周恩来和朱德等党和国家领导人。李四光根据数十年来对地质力学的研究,从他所建立的构造体系,特别是新华夏构造体系的观点,分析了我国的地质条件,陈述了他不同意“中国贫油”论,深信在我国辽阔的领域内,天然石油资源的蕴藏量应当是丰富的。

1954年2月,李四光应邀到石油管理总局做了题为《从大地构造看我国石油勘探的远景》的报告。这篇报告打破了石油地质学家们的“常规”概念和既有理论,这一思想以后就成为地质部石油普查的指导思想和工作方向。

根据李四光寻找石油的理论,继发现大庆油田后,我国东部找油取得连续突破,证明了李四光的科学预见,从根本上解决了我国当时石油资源匮乏、严重制约经济建设的“瓶颈”问题,进而建成了最早的一批石油化工基地,使我国摘掉了“贫油”的帽子,展现了我国石油开发的广阔远景,为宏大的国民经济建设提供了能源上的保障。

为“两弹”研制探铀矿

李四光为我国“两弹”的研制作出贡献。铀元素发现于1786年,是制造核武器和建设核工业不可或缺的原料。在我国,较早关注原子能利用问题的是李四光。1920年2月,李四光在巴黎勤工俭学同学会做了题为《现代繁华与炭》的演讲。演讲中,他把“原子裂变”作为天然能源之一提出来,这与英国物理学家卢瑟福1919年开始原子核反应研究,几乎是同时。

李四光早就预见到新中国的国防和经济建设需要铀矿资源。回国时,他克服重重困难从英国带回一部“放射性物质探测仪”,为后来寻找铀矿发挥了重要作用。他根据地质力学理论指出:“一是要找富集带,二是要便于开采……在我国主要是在几个东西带上。”实践证实了李四光的预测,尤其是南岭带的一些铀矿床,以规模大、品位高、易开采著称全国。他在强调构造规律的研究时提出:“关键要把对构造规律的研究与辐射测量结合起来。”遵循李四光的思路,吴磊伯等最早发现了钟山铀矿。

1955年1月,毛泽东主席主持召开中央书记处扩大会议,研究发展原子能事业问题。会议听取了李四光、刘杰、钱三强的汇报,研究了我国发展原子能事业的问题。毛泽东主席首先说:“今天,我们这些人当小学生,就原子能有关问题请你们来上课。”然后对着李四光问:“中国有没有造原子弹用的铀矿石?”李四光说:“有!但是,一般的天然铀矿石,能作为原子弹原料的成分只含千分之几,因此要有丰富的铀矿资源和浓缩铀工厂。”接着,李四光拿出从野外带回来的黑黄色铀矿石标本,边递给毛泽东主席、周恩来总理等领导人传看,边说明铀矿地质与我国的铀矿资源及国内铀矿勘察的情况。

毛泽东主席最后高兴地说,我们国家现在已经知道有铀矿,进一步勘探,一定能找出更多的铀矿来。毛泽东主席还说,现在到时候了,该抓了,我们只要有人,又有资源,什么奇迹都可以创造出来。

1955年1月,普查委员会内设立的地质部第三局专职管理全国铀矿地质工作。随即组建全国专业性铀矿地质队,进行重点地区的铀矿普查,地质部系统的区测队和综合性地质队,也开始进行铀矿的顺便检查工作。

李四光不仅在宏观上领导铀矿地质工作的找矿方向,还对具体工作进行及时指导。在一次听取202队的工作汇报后指出:“我对这个地区还是很乐观的。这里,是一个很长的铀矿带,它东西可能断续延长一千多公里。往西经草原到青海,这个东西带是很有远景的。我们在这里的工作就是解剖麻雀,取得经验,这对甘肃、陕西的工作是有指导意义的;反过来,我们也要参考这个带上其他地区的经验。”1964年10月16日,我国第一颗原子弹爆炸成功。从此,我国核工业进入了一个新的发展时期,铀矿地质工作也获得了进一步的发展。到第二个五年计划末,我国已发现一系列铀矿床,铀产量已能保证我国核工业发展的需要。李四光身为中国原子能委员会副主任,为我国原子弹和氢弹的研制成功作出了突出贡献。

倡导开发地热,预测地震

倡导开发和综合利用地热能源。我国地下热能的开发与利用,是李四光最早提出并组织开展工作的。在他看来,就像人类发现煤炭、石油可作为燃料一样重要,地热是可供人类利用的一种新能源,也是地质工作的一个新领域。

1959年,李四光指导研制了我国第一支热敏电阻温度计和第一台平板式稳态岩石热导仪,开始了地热发电的可行性研究。20世纪60年代初,由李四光指导,在北京房山打出了我国第一口地温观测孔,开展了国内最早的地温测量。

李四光是一位具有远见卓识的科学家,他要求从地球的形变场与地热场的关系入手,探讨地热能源的发生、转移、赋存的规律,找寻地热异常区,在最有利地区进行开发利用。他认为,如果在缺煤缺能的地区,设法开发利用地热资源,可在一定程度上弥补能源的不足。

李四光去世后,人们在他枕头下面的笔记本里发现了一张纸条,内容是:“在我们这样一个伟大的社会主义国家里,我们中国人民有志气、有力量,克服一切科学技术上的困难,去打开这个无比庞大的热库,让它们为人民所利用。”

我国是一个多地震的国家,地震现象较为普遍,但过去只有地震记录,从无地震预报。1954年,李四光在《旋转构造》这篇文章里就专门论述了中国西北活动性构造体系与地震带分布的关系,指出绝大部分地震属构造地震,绝大部分地震又都发生在地壳里,因此,认为地震是现代地壳运动的一种表现,是一种地质现象,活动构造体系所属的活动构造带是孕育地震的温床。

李四光认为,地震地质工作的主要任务应该是侦察地震这个地下“敌人”的潜伏场所,并监视它的活动,重要的是要抓住起主导作用的因素,这就是地应力。就是在这种思想的指导下,李四光进行了地震地质开创性的工作。

地震能不能预报?李四光坚信,地震是可以预报的。世界上没有解决的问题,为什么我们就不能解决!周恩来总理在1966年5月28日接见邢台地震科学讨论会代表时的讲话中称赞李四光这种“独排众议”的勇于探索的精神。

1969年7月18日,中央决定成立地震工作领导小组,由李四光担任组长。为了指导全国的地震地质工作,保卫京津地区的安全,他多次跋山涉水,深入房山、延庆、密云、三河等地区,调查地震地质现象,视察地震地质工作。这时李四光虽已八十高龄,但他不顾个人安危,把全部心血倾注在社会主义建设和亿万人民生命财产安全上。直到他逝世的前一天,他还恳切地对医生说:“只要再给我半年的时间,地震预报的探索工作,就会看到结果的。”他对攻破“地震预报”这一难关,始终是满怀信心的。

20世纪60年代初,中央提出备战备荒建设大三线,要将重要的军工厂和军事设施放在我国西部山区。然而,西部山区大都处于地震活动构造带上,针对这个难题,李四光提出“安全岛”理论,即在活动构造带里,可以找到相对稳定的地块作为场址。

“安全岛”是李四光于1965年和1967年先后两次在指导地震地质工作时,对在活动构造带中确定和寻找相对安全的地区而提出的通俗直观概念,用它来比拟活动构造带内地壳相对稳定的地区。

1965年,李四光指导组建了西南地震地质大队,去西南地区开展区域地壳稳定性及工程地质条件考察。

李四光是新中国地质事业的主要领导者和开拓者,他以博大精深的学识和富于创新的科学精神,勇于在实践中探寻真理,取得了一系列具有重大影响的开拓性研究成果,为发展地球科学和国民经济建设作出了杰出贡献。

(撰稿:李四光纪念馆)