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论地质科学研究的创新思维

—兼论后遥感应用技术理念的提出与实践
刘德长

科学的灵魂是创新。创新的关键是创新思维。下面就以地质发展史的某些成就为例,谈谈地质科学研究的创新思维,并兼论后遥感应用技术理念的提出与地质实践。

1 旧观念的束缚是创新思维的严重障碍

在地质发展史上,一个令人“奇怪”的事实是引起当代地质学革命的大陆漂移说,不是由地质学家,而是由一位年青的气象学家—魏格纳提出来的。

实际上,早在魏格纳的大陆漂移说之前,有关大陆漂移的主要论据已被地质学家和古生物学家所注意,可是,“固定论”禁锢了当时地质界的思想,对这些已经发现的证据,未能做出合理的解释。例如地质大师徐士就曾经注意到大西洋两边海岸线的相似性,但他解释为亚特兰提斯大陆的沉没;对南半球各大陆古生物的相似性认为曾有“陆桥相连”[1]。总之,始终突破不了固定论的框框。

发明生产廉价钢的贝塞麦曾经说过:“比起许多研究同样问题的人,我有一个极大的有利条件,那就是我没有被长期既定的惯例所形成的固定观念束缚思想,造成偏见。我也未受害于认为现有一切都是对的那种观念”。魏格纳在地质领域正是这种没有被固定观念束缚思想造成偏见的人。可见,冲破旧观念的桎梏对科学家的创新思维是何等的重要!

头脑里的“固定观念”或者说“框框”是怎样来的?它不是人们头脑固有的,是学来的,是通过老师的传授,听报告、读书学来的。因此,对读书要一分为二。读书可以使人知识渊博,思考问题时左右逢源,易于联想,从而能激发人的创新思维,但是,读书也可能给人以“框框”,限制人的创新思维。孟子说:“尽信书不如无书”;肖伯纳说:“读书使人迂腐”就是这个道理。

阅读时要把实际资料与作者对资料的解释区分开来;阅读要与实践相结合。切记,对自己直接研究的课题要有独立见解,必须多思,有时阅读和完全相信他人有关这一课题的论述会限制思想,使自己也用同一观点和方法去观察问题,从而使寻求新的有效思路和方法更加困难。

2 对旧观念的怀疑和不满是创新思维的起点

创新思维首先是从对旧观念的怀疑和不满开始的,而摆脱传统观念,常常成为创新思维的起点。

现有一切都是对的(国外提出的是对的;专家说了的是对的;大家都这么认为是对的)是创新思维的大忌。

当然,怀疑和不满必须依事实为依据。

地质学史上的几次大论战(18世纪末—19世纪初的水成论与火成论之争;19世纪中期的突变论与渐变论之争;19世纪末—20世纪初的固定论与活动论之争),都是对旧观念的怀疑和不满引起的。纵观地质学的发展历史就可以看出,地质学的发展是在实践的基础上,在不断争论和对旧观念的否定过程中发展起来的。换句话说,没有对旧观念的怀疑和否定就没有地质学的发展。显然,认为现有一切都是对的,不利于科学的发展。因此,在研究中经常保持怀疑的心态,而不是相信一切的心态,是非常重要的。当事实与原有的理论发生矛盾时,要勇于突破现成的框框,而不是修改事实。

在东胜地区的砂岩型铀矿研究中,作者发现用传统的层间氧化带成矿理论难以完全解释该区的铀成矿问题。如,按照传统的观点,铀源主要来自蚀源区,但东胜地区新生代以来,由于河套断陷的形成,成矿区与蚀源区隔开,这时成矿的铀源不可能再来自蚀源区;按照传统观点,成矿的水动力机制的形成是由于地层的掀斜,重力的作用,但东胜地区地层没有明显的掀斜(地层倾角平均1.7°);按照传统观点,铀矿形成于氧化还原过渡带,铀矿物为6价与4价铀混合的沥青铀矿,而东胜地区矿化形成于强还原带,铀矿物为4价铀的铀石,因而对东胜地区铀成矿的传统层间氧化带观点提出了质疑。

3 创新思维来源于对事物的创造性观察

所谓创造性观察,即前所未有的观察。观人之未观,察人之未察。从深度和广度上超过前人,而更符合于客观实际。在近代地质启蒙时期,水成学派与火成学派论战中,火成论在批驳水成论把玄武岩和花岗岩说成是水成因时做过许多创造性的观察。水成学派的代表魏纳,坚持地层中的玄武岩是沉积物经过地下煤层发火而烧成的灰烬,可是得马列在法国中部一个采石场里,发现了黑色的典型玄武岩,他跟着这个玄武岩一步步追索,到达一个火山口,认为玄武岩应是地下岩流。二十年后(1787年)冰岛炽热玄武岩的大量喷发,证明了得马列观点的正确。这个事实,给了水成论以严重打击。后来,以郝屯为首的火成论学派又进一步在花岗岩体边缘发现有结晶的花岗岩脉插入周围的地层之中。他还观察了花岗岩体或岩脉接触的地层,发现往往有很明显的烘烤边,认为花岗岩体是高温熔岩侵入作用的结果。在这些创造性观察的证据面前,火成论为更多的人所信服。

二十世纪六十年代大陆漂移说的复苏与海底扩张的提出,是建立在人们对大洋新观察基础上的。多少年来,人们用大陆地质概念去类比推理,认为大洋是平坦盆地,地层比大陆地层古老,地质作用不大活跃等等。但用现代化仪器,如测震仪、回声探测器、深海钻探等探测的结果,海洋并非原来想象的那样。海底不是古老的,而是年青的,主体由玄武岩组成。海底有中脊,中央有裂谷,并被一系列横向断层所错开。这些新发现都启发人们思考,地壳确有水平位移,以及由此产生的断裂。赫斯在研究了这些资料以后概括出海底扩张的概念。

由此可见,新理论的诞生往往是以新观察和新事实为立据的。所以,“在研究工作中养成良好的观察习惯比拥有大量学术知识更为重要”。

创造性的观察,包括向新领域的深入,新技术的应用和学会善于观察。

(1) 向新领域的深入,如从局部向全局的观察,从陆地向海洋的观察,从地表向地下深处(深钻)的观察等。

(2) 新技术的应用,如天文望远镜的应用,电子显微镜(电子探针)的应用和遥感技术的应用。

在东胜地区砂岩型铀矿研究中由于应用了遥感技术,发现东胜铀矿床所处的区域地质背景为一断隆构造环境,铀矿床除受直罗组下段辨状河砂体控制外,还受断隆南侧边缘断裂的控制,从而为断隆成矿观点的提出和构造-化学障控矿模式的建立奠定了基础。

(3) 学会善于观察,如学会观察正常事物的不正常现象;学会观察叠加现象,从时间上和空间上将这些不同现象区分开来;学会从杂乱无章的事物中理出规律;学会观察表面现象,透过现象看到本质;学会观察貌似无关事物之相似点和共性,或者貌似相同事物的特殊点和差异性。

在东胜地区通过遥感地质研究和对300多个钻孔数据的分析,发现该区存在两种不同类型的铀矿化:一种是氧化带前锋-地球化学障类型的铀矿化,矿化带是NW-SE方向展布,受东北高而西南低的地形影响明显,铀矿化在黄色与灰色带之间。另一种是构造-地球化学障的铀矿化,矿带是近东西向展布,受近东西向贯通性断裂控制明显,铀矿化分布在兰绿色蚀变带与灰色带之间。在该区后者更有工业价值。

需要强调的是,对复杂的事物做出精确观察是极端困难的,观察者不仅经常会错过似乎显然易见的事物,而且更为重要的是他们常常会臆造出虚假的印象。“视觉观察现象不可靠的突出例子是魔术师的戏法”。人们不可能对所有事物都作周密的观察,观察到一切是不可能的,需有目的、有重点、有选择,同时要留意那些意外的现象,如果仅仅注意那些预期的事物,就很有可能错过那些臆想不到的重要事实的发现。观察既包含知觉因素,又包含思维因素,切不可视而不见。有效的观察是指注意到某种事物,并通过将它与其它注意到的事物联系起来,赋予其意义。

4 想象和推理是创新思维的重要组成部分

地质研究中仅有对地质现象的创造性观察是不够的,还要通过想象形成概念,并经过推理,看到其重要性和必然结果,才能使研究工作做出创新成果。

在地质学成就中,地槽学说的提出是想象和推理在研究中运用的一个生动实例。

1859年霍尔考察阿帕拉契亚山脉,发现了受过强烈褶皱的古生代浅海相地层,其厚度达12公里以上。就是说,比在阿帕拉契亚山脉以西的同一时代,几乎无褶皱的地层,厚10倍到20倍。既然那些沉积物是浅海的产物,那么它们的形成必然是边沉降,边沉积的结果。尽管,霍尔正确地观察了这一现象,但他未做出科学地概括和推理,所以研究成果发表后十多年中无人问津。1873年达纳进一步调查研究了这一地区,除证明霍尔的观察是正确的外,他把霍尔提到的这个边坳陷,边沉积的长条地带,通过想象概括为地槽(地向斜)。他的概括和他后来对地槽的研究引起了人们的兴趣。之后,在世界其它地区,又发现了不少这样的狭长地带,认为它和地台同属地壳的大地构造单元。从此,这个概念便被普遍地接受下来,直到今天。

想象,即形象思维,是人们依据一定的直接和间接的经验材料对研究对象的一种形象化的构思,或者一种设想。

丰富的想象力对地质学家来说尤为重要。因为“地质学按其性质来说,主要是研究那些不但我们没有经历过,而且任何人都没有经历过的过程“。因而,在地质学成就中往往贯穿着丰富的想象力。

可以说,地质科学的形象概念比比皆是,如板块、地台、地槽、地洼、山字型构造、多字型构造、地壳镶嵌构造、地壳波浪运动、地块翘板运动、褶皱、断裂、爆发岩筒、地球化学障,以及我们曾经提出的断面凹、裙边褶皱等等。

推理,即逻辑思维,科学的价值在于预见未来,通过推理才可能预见未来。因此,推理不是发现,而是证实、解释和发展发现,并形成普遍的理论体系,使发现有了价值。

在地质学成就中,地槽学说的提出是想象和推理在研究中运用的一个生动实例。

在东胜地区发现砂岩型铀矿受断隆构造南侧边缘断裂控制后,结合观察到的沿断裂的油气运移痕迹,对控矿断裂的特点及其控矿作用做了进一步研究,通过想象提出构造―地球化学障的新概念,认为它与国外传统的层间氧化带前锋模式不同,是一种新的控矿模式,并通过对我国其他砂岩型铀矿遥感影像特征的研究,提出构造—地球化学障模式是中国特殊大地构造背景上砂岩型铀矿的重要控矿模式。

然而,实践告诉我们,推理的进展能超越事实,而不误入歧途是极罕见的事。所以要充分估计推理的限度与危害。为此,运用推理时应特别重视下面一些问题:

(1) 推理要从事实出发,推理时必须谨慎小心,一般来说,推理每前进一步,不确切的程度,亦即假想的程度也越大。

(2) 一切推理都受感觉、偏见和过去的经历的影响。概括和推理只能用实验和观察到的事实来检验。

(3) 确切地陈述问题,系统地排列资料常能暴露推理的缺陷或揭示未曾想到的思路。

5 系统地排列资料,整理事实有利于创新思维

达尔文说:“科学就是整理事实,以便从中得到普遍的规律和认识”。

最生动的事例是门德列夫化学元素周期表,经他按原子序数将自然界的元素一摆,混乱的物质世界变得如此简单而有序。

地质科研的典型例子是居维叶对巴黎盆地地层的研究。他与白朗里亚德合作,将巴黎盆地的地层,从最下面的白垩层到最上面的黄土层,共划分为九层(相当于现在的白垩纪、始新世、渐新世地层和第四纪冲积层),详细记录每一层的化石种类。然后,运用比较解剖学知识,把生物化石与现存的生物对比。于是他们形成一个科学概念:灭绝生物越是和现存生物差别大,躯体构造越是简单,则所处的地层年代越古老,否则,所处的地层年代越新。这样找到了“化石“这个科学尺度,通过与现存生物的对比,可以推断地层年代(相对年代)。这在当时地质界是一件了不起的贡献,直到今天仍有着重大的科学价值。

在东胜区域地质构造环境研究中,作者采用这一种研究思路,利用该区的地震、重力、航磁和遥感资料,从盆地的结晶基底、地台基底、盆地地层到盆地盖层的构造运动特征和形变格局进行了系统研究,提出东胜地区盆地发育阶段的地质构造环境为振荡运动背景上的断块构造格局。

6 创新思维的前缘效应与间隙效应

(1) 前沿效应

前沿可以看成是一条界限,向前走半步就是领先,在这个界限之内走100步,1000步达不到前沿界限也是滞后。因此,研究工作一定要找准前沿,占领前沿,站在前沿。正是出于这一考虑,“十五”期间,作者提出将数字地球的概念和高光谱遥感技术和三维可视化,仿真和虚拟现实等现代信息技术引入铀资源勘查[2],并针对遥感技术反映的主要是地表的信息,而铀资源勘查所面临的重大地质课题是找隐伏矿的问题,提出后遥感应用技术的新理念[3]。所谓后遥感应用技术是指遥感技术与传统地学方法相结合与现代信息技术相结合的遥感信息深化应用技术。它的内容涵盖信息处理、信息解译、信息分析、信息表述、信息应用等一整套方法技术系统。它的目的是最大限度的利用信息资源。它的目标是加速遥感信息产业化的进程。在这个基础上,又对其研究内容,方法技术,工作程序等进行了研究。结合铀资源勘查的实践逐渐形成了以遥感信息及其延伸应用为核心,以信息找矿→理论找矿→模式找矿为途径的遥感找矿技术新体系。

(2) 间隙效应

近代控制论的奠基者维纳曾经讲过一段话:“许多年来,罗森勃吕特博士和我共同相信,在科学发展史上可以得到最大收获的领域是各种已建立起来部门之间被忽视的无人区……正是这些科学的边缘区域给有修养的研究者提供最丰富的机会”。杜乐天说:“任何一个物,一件事都可看成为要素单元的组合。在单元与单元之间必然存在间隙,这里连接最薄弱,最易利用,最易攻破[4]。”

实际上在地质领域有许多边缘学科,如实验地质学、生物地层学、地球物理、地球化学、水文地质、遥感地质等等,都是地质学与其它学科的交叉。

作者在遥感领域提出并开发的光-能谱集成技术实际上就是利用了这一科学思维方法。所谓光-能谱集成技术就是指将多光谱的遥感数据与航空放射性伽玛能谱数据经图像处理系统和地理信息系统进行融合,得到一种新型的光-能谱集成图像[ 5]。这种图像既具有多光谱遥感图像信息量丰富,空间分辨率高,立体感强,地形、地貌特征明显,便于定位和解决构造问题的长处,又具有航空放射性伽玛能谱图像受植被干扰少,能很好区分岩性、蚀变和铀矿化的优势。它充分发挥了遥感数据与航放数据的优势,并形成了互补效应。实践表明,该技术可以广泛应用于地质填图,放射性生态环境制图,铀资源勘查,以及与放射性有关的非放射性矿产的找矿等领域。

7 地质科研中常用的创新思维方式—对比思维、聚焦思维和扩展思维

(1) 对比思维

对比的重要作用在于鉴别事物,所以说“没有对比就没有鉴别”。

对比可以分出多种对比,如,时间对比、结构对比、状态对比、类型对比、模式对比、影像特征对比等等。

对比思维在地质研究中应用广泛,地质上的模式找矿即是通过对比来找矿的。但在模式找矿中最忌的是对比时没有考虑到意外情况的出现。

如,我国在花岗岩型铀矿找矿中,最早发现的是硅化带类型。该类型铀矿床的控矿构造,是多期次脉体充填的硅化断裂带。后来,在另一些地方没有找到多期次脉体充填的硅化断裂带,断裂仅表现为构造破碎带,开始用硅化带类型对比,认为没有希望。通过野外工作,发现它的确控制着铀矿床,经深入研究,认为是碱交代型铀矿,说明模式对比中出现了意外情况。再后来还发现有裂隙带控制的红化(赤铁矿化)类型的铀矿床,更说明对比中随时注意意外情况出现的重要性。

(2) 聚焦思维

聚焦思维是指思维时将有关的信息聚集于一点或一处,以提高分析的可靠性和可信度。

地质找矿过程的遥感、物探、化探、地质、水文等多源地学信息的叠合分析,实际上采用的聚焦思维的方法。成功的事例很多,最典型、成效最大的实例是奥林匹克坝矿床的航磁、遥感信息的复合预测成功。

聚焦的信息应该说越多越好,但聚焦的信息总是有限的。创新思维实际上是用不充足的判据做出充足的判断,否则就不属于创新思维。不明白这一点,常用“资料不够”、“依据不足”、“难以信服”等的一些常规思维方法衡量,势必使一些好的想法被扼杀。

(3) 扩展思维

苏东坡在他的题西林壁里有一句很有哲理的诗句:“不识庐山真面目,只缘身在此山中”。将这句诗引伸到地质研究上是非常有用的。即,我们研究一个地区,不能仅限在这个地区内,这样很难认识到它的真正面目,在研究了这个地区后,还应该走出这个地区,从外围,从更大的背景来观察,才能得出更符合实际的结论。

例如,研究了东胜地区地壳变形的断块构造格局以后,作者遵循这一思维方法,我们提出从更大区域看东胜地区的断块构造格局。实际上,华北地台是一个断块,鄂尔多斯盆地是个断块,东胜矿区所在的伊盟隆起也是一个断块。这样一来,东胜地区的断块构造格局便不难理解了。

8 灵感在创新思维中的重要作用

灵感或称机遇,是指在研究工作中一种对问题的突如其来的领悟或理解。

科学研究中有许多事例生动地说明灵感(机遇)在新发现中的重要作用。如李四光的“构造体系”思想,最早是1925年他去苏联参加会议,途径乌拉尔时获得的。按照传统的说法,乌拉尔山脉是一个南北向古生代地槽经褶皱回返形成的。当时他联想到其南端存在一套相当复杂的弧形山脉,有些大致与乌拉尔山脉同时褶皱形成。他想,它们虽然相距甚远,走向也不相同,但是否可能有成生联系。现在知道这是最早关于“山字型”构造的构想,是李四光构造体系的萌芽。

机遇可以为科学研究者提供重要线索,但研究者是否能抓住,却完全是另一回事。在科学发现史注意到线索,但未能认识其重要性是屡见不鲜的,地质研究史也不乏其例,例如,大西洋两边海岸线轮廓的相似性,早在17世纪就被培根看出,洪德堡在计划南美之行时,也表述过类似的思想,但他们都没有看出其中潜在的重要意义,更没有打算去论证。只有贝克和魏格纳才抓住这一重要线索,进行了研究和开拓,做出了重大贡献。

美国科学家贝弗里奇说过:“如何辨别有希望的线索,是研究艺术的精华所在,具有独立思考能力,并能按其本身的价值而不是依据主宰当时的概念去判断佐证的科学家,最有可能认识某种确属新东西的潜在意义”。

认识到线索的重要意义之后,最重要的是作艰苦地科学探索,探索是研究和开拓。李四光在萌发“山字型“构造的构思之后,并没有停止,又进行了更广泛的探索,先后发现了镇江—茅山,广西和淮阳等山字型构造,以及其它类型的构造体系,并辅以模拟实验,最后提出了构造体系的概念。

要抓住机遇提供的线索,就“不要满足澄清手边的问题,而是取得某些认识后,利用它揭示更新的认识(新的观点),而且是更具重要意义的认识”。

因此,在研究工作中要努力处理好两个关系:一是计划与调整的关系,计划是重要的,但要注意调整,及时调整到有潜在重要意义的问题上去。二是成果与生长点的关系,不仅要重视科研成果,更要重视它可能引伸出的新的生长点,这样才能使已有的研究成果不断发展和深化。前述的后遥感应用技术是作者总结长期探索遥感技术在地质领域深化应用的基础上,结合现代信息技术的最新进展提出的新理念。实际上它的形成在铀资源勘查中经历了一个漫长的发展过程:单信息的遥感技术的应用→多源地学信息综合技术→以航放为主的多源地学信息综合技术→光-能谱集成技术→后遥感应用技术→铀资源数字勘查技术系统。

灵感或机遇是以一种奇遇的形式突然的出现,但他的出现是有条件的。“机遇只偏爱那种有准备的头脑”,“只垂青那些懂得怎样追求它的人”。因此,我们需要训练自己的观察力,培养那种经常注意预料之外事情的心情,并养成检查机遇提供的每一条线索的习惯,以便认出机遇、抓住不放,在科学研究上取得新的突破。

参考文献

1.王子贤,王恒礼编著 简明地质学史 河南科学技术出版社 1985.1

2. 刘德长,赵英俊等 核工业铀资源勘查遥感应用的创新与数字勘查技术系统研究[J], 国外铀金地质,2002.No.3

3. 刘德长,叶发旺等 后遥感应用技术研究与地质实践 国土资源遥感 2004.1

. 杜乐天 创新思维与作为 广东教育出版社 2003.8

5.刘德长,孙茂荣等 以航空放射性测量数据为主的多源信息综合技术及应用,中国科学 1993.6

文章录入:曹宁    责任编辑:王坤 
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