行走大地的科学教育与深度学习

嵇少丞/加拿大蒙特利尔大学工学院

今天，我站在一个地质学教授的角度，先通过几位名人的成长过程来分析一下“为什么要行走大地的原因”，然后再简单介绍一下旅游观光必备的地质基本知识，即岩石破裂与褶皱。

1932年，美国《纽约时 》采访当时世界著名的登山者马洛里（George Leigh Mallory）时，问他：你为什么要攀登珠穆朗玛峰？他说因为它就在那儿！看，这句话的意思多么朴素，其实2500年前中国的哲学家庄子就讲过：“天地有大美而不言”。它有大美，但它莫言，于是我们就要走近它才能了解它。哪怕你看了很多遍图像，但是当真正爬到山顶的时候，你的感受是不一样的。因为那种东西无法重现的，所以我们必须走出去，亲近自然、了解自然。在我们徒步的过程中感受大自然的美丽，探索大地的奥秘。人类不同于其他动物，是因为人类有更强的好奇心，我们行走大地，不是为了觅食，我们更需要知道它为什么在那儿？怎么在那儿？以前在哪儿？未来它又到哪里？就是了解它的前世今生。这既是为了满足人类的好奇心，也是书房里无法达到的。过去我们中国的游玩一般分两种：一种是文人游，游山玩水、寻访古迹、喝酒吟诗、结交豪杰、拜师求学、修身养性、扩散政见。在中国的历史上这方面的例子太多了，例如，司马迁、李白、杜甫….孔子的周游历国就是为了扩散他的政见。这张图上表示的是李白的旅游线路，都是在胡焕庸线的东部，而胡焕庸线的西部他没有去过。

第二种就是科学游，欣赏的是景色，体验的是自然，了解的是科学，思悟的是哲学。这方面的例子有徐霞客、洪堡、达尔文……。徐霞客生于1587年，死于1641年，即明朝万历14年生人，崇祯14年去世。他行走过的地方也位于胡焕庸线的东部，《徐霞客游记》里记载了河谷、河曲、瀑布、岩溶、火山、地热、温泉、矿产、煤炭、花岗岩地貌、砂岩地貌等，但是当时他的科学还是非常朴素的、认识也比较肤浅的，离现代科学还相差一截。真正意义上的科学旅行可能要数德国的洪堡（Alexander von Humboldt，1769-1859，相当于大清乾隆34年-咸丰9年）。他出生于一个贵族家庭，1787年，18岁的他，进大学学习哲学与法律，两年后转学生物学，只学了一年再转学采矿地质，在读期间考察了比利时、荷兰、英国、法国、瑞士、意大利和德国南部。大学毕业后到矿务局任高级工程师。1799年他计划跨越大西洋去中南美洲考察，在获得国王的资助后，他和法国植物学家Aimé Jacques Alexandre Bonpland带着船队一走就是五年，到了中南美洲。他们从中美洲采集了6000种植物标本，其中有3500种是欧洲人从来没见过的。洪堡在中南美洲的这五年时间，做了大量的考察笔记，大家看看这是他当时做的地质素描图，岩层、构造、生物学、古生物学、地质学，每个细节都做到了，到了古巴，他还把看到的火山喷发的玄武岩的柱状节理给仔细地画了下来。

要知道那个时候相当于中国的乾隆年间，洪堡的认识就已经很科学了。这次考察成就了洪堡作为德国自然地理学家、生物学家、地质学家，近代气候学、植物地理学、地球物理学的创始人之一的盛名，有学者认为达尔文的进化论就是建立在洪堡的一系列发现的基础上的。以他命名的洪堡大学，在1945年之前就有了29位诺贝尔奖得主。中国的科学在过去40年里取得了长足的进步，但是西方国家在科学研究与考察方面似乎更有传统，我们怎么从别人的传统里面看出我们自己的不足，这很有意思。

图1. 亚历山大·洪堡（Alexander von Humboldt，1769-1859）

图2. 亚历山大·洪堡于1801年手绘的古巴Regla玄武岩及其柱状节理

现在就让我们看看地质学是如何在西欧发源的，实际上最早就是一帮有钱的贵族在自家庄园里面酒足饭饱后，就开始游山玩水，例如，发现别人庄园里面的石头分层而自己家的石头不分层，大脑里开始问个为什么。为什么这个有鱼的化石会跑到山顶上去？为什么我们家红色石头的山坡上不长树呢？就从这些问题开始，人类开始地质学的思考。当时欧洲的富人已经相当喜欢大自然了，这些一起游山玩水、捡石头、找化石的人于1807年成立了一个地质学会，集资买了一栋楼，就是照片上这栋即使到现在依然很壮观的大楼。他们每个月在这里聚会一次，一边吃着饭，喝着葡萄酒，一边讨论着地质学，交换野外考察的见闻。这顿饭的价钱故意定在昂贵的15先令，以使那些对科学没有兴趣的人望而却步。可是很多基础的科学发现就是在那个时候出现的。

图3. 1830年英国人的地质郊游

现在再让我们现在看看这位查尔斯·莱尔（Charles Lyell）爵士（1797－1875，嘉庆2年-同治13年）。他于1814年进入牛津大学学习数学和古典文学，1816年改学法律，毕业后成为律师。后来因外出旅游在山顶上偶尔看到海洋贝壳类化石而思考海陆变迁的科学问题，一发不可收拾，竟然写了一本书——《地质学原理》(Principles of Geology)，提出了均变论。达尔文的生物进化论就是受到这本书的启发。在1840年代，他到美国和加拿大旅行，还写了两本游记，一本是1845年出版的《北美之旅》（Travels in North America），另一本是1849年出版的《再访美国》（A Second Visit to the United States）。

这两本书使他于1858年获得科普利奖章（Copley Medal），1866年获得沃拉斯顿奖（Wollaston Medal）。在美加边境他看到了尼亚加拉大瀑布，就思考大瀑布是怎么形成的？为什么大瀑布会在这个地方？形成于什么时代？还有多少年大瀑布就会消失了？他分析其中的原因。这张图就是他当年提出的模式：上面的白云岩比较硬，下面页岩比较软，从瀑布陡壁高速跌落的水再溅起来，不断斜击着、侵蚀着白云岩之下、瀑布水帘之后的页岩，逐渐把瀑布沿后面、强岩层之下的页岩掏空。只要掏空到一定程度，悬空的强岩在水流的冲击下就会沿着破裂垮塌下来，跌进瀑布潭，摔成碎块。这些菱角锋利的强岩碎块在流水冲击下又变成“刨坑的工具”，把瀑布下游的河道继续往深里挖。如此这般，瀑布就会逐年向上游迁移。例如，在1842年至1905年期间，尼亚加拉大瀑布平均每年要向上游方向后移1.7米。后来，美加两国政府为了保护尼亚加拉瀑布，曾耗巨资修建了一些控制工程，使瀑布对岩石的侵蚀有所减小，使得后来尼亚加拉大瀑布每年只向上游迁移约1米。现在的瀑布呈马蹄形了。差不多还有10万年，尼亚加拉大瀑布向上游退移到没有坚硬白云岩而只有页岩的地方后，尼亚加拉大瀑布也就消失了。当时莱尔爵士就是以普通游客身份去旅游的，就思考这些问题，提出来这个地质学模型，现在看来还是正确的。

图4. 查尔斯·莱尔 （Charles Lyell）于 1845年手绘的美国加拿大边境的尼亚加拉河与

接下来我请大家看，这是加拿大最高峰，叫做Mount Logan（劳根峰），海拔5959米，是以地质学家William Edmond Logan（1798-1875）命名的。十几年前加拿大总理让·克雷蒂安要以已故前总理皮埃尔·特鲁多的名字重新命名劳根峰，终因地质学家的一致反对而没有如愿，退而求其次，让·克雷蒂安把蒙特利尔的飞机场改名为皮埃尔·特鲁多飞机场。劳根当时是蒙特利尔大地产商的儿子，20岁进入大学学医，只学一年就弃学到他叔叔的炼铜厂做了20年的会计与经理。他36岁那年去了趟意大利旅游，发现其实他对地质更感兴趣，于是就自学地质学，38岁那年得机会去法国和西班牙旅游。45岁那年，他自己出钱招兵买马，在自家的房子里创建了加拿大地质调查局，自任第一任局长，加拿大许多地质构造单元都是他划分出来的，至今仍在使用。这样的例子不少，一些人本来不是搞地质的，后来在旅游过程中发现地质现象很奇妙、地质学很有趣，就开始研究起来，最终成为大家。

图5. 加拿大的最高峰（海拔5959米）——劳根峰

我有时候想，我们中国现在富裕家庭很多，他们的子女在干什么？他们是不是喜欢自然、喜欢科学？西方国家有这种科学研究传统，但我们的旅游在很多时候还是“上车睡觉，到了景点赶快拍照，回来之后什么也不知道”。导游讲解里面鬼神的传说很多，为什么不把科学的东西加进去？所以我在这里再一次强调，我们要把科学的内容润物细无声地加进旅行中去，进行科学教育和深度学习，用科学的方法去体验一种陌生的环境，感受宇宙万物的规律和人生的真谛，让思想上升到一个崭新的高度，这样才能说人生有了新的价值。

作为一个普通游客，我们去自然界中看什么？喜欢植物的去看植物，但植物长在什么地方？长在土壤上，那土壤是什么东西变来呢？土壤是从石头风化而来。现在我就简单介绍一下旅游观光必备的地质基本知识，即岩石破裂与褶皱。

岩石破裂，属于岩石的脆性变形，发生在浅部低温的环境中；另外一种叫褶皱，属于岩石韧性变形，发生在地壳中高温的深部。大自然的任何地理奇观都是地球历史上地质活动的产物，所以我们出去旅游，观赏地质景观，必须先要对地质现象、构造活动有些最基本的了解。一块石头，在应力的作用下可以发生拉伸、扭曲、断裂，也可能发生褶皱。大家看看这些照片，那里的石头，就像豆腐被刀切过一样，所有石头都是破裂的，没有一块是完整的。即使在实验室里做一个岩石变形实验，我们也会发现这些破裂往往成对出现的，呈对称的X状，彼此交叉。汶川地震造成都江堰宾馆的窗子之间的墙体也形成了X破裂，还有映秀中学宿舍楼墙体的破裂，从一个窗户角到另一个窗户角，都是这种X样式的破裂。自然中这种破裂非常多，都是形成X状。但是这些地质现象一般不会进入普通游客的法眼。

图6. 岩石头中的共轭剪切破裂（X破裂）

实际上，地球上所有的地形地貌都是受到岩石破裂的影响和控制的。在坐的一定有人去过湘西武陵源张家界、天子山、索溪源风景区，大家无不为其悬崖绝壁、奇峰拔起而惊叹。那些美景正是中晚泥盆纪石英砂岩的水平岩层受到垂直破裂的切割，岁月悠悠，经过长期的选择性的风化剥蚀，形成了峻峭奇峰。如果岩石不断不裂，哪有百嶂千峰、万石峥嵘、蔚为壮观的美景！

大家都觉得这样的地貌美，但为何美？其实就是一个地质现象，即岩石发生了破裂。还有挪威南部靠近斯塔万格市的吕瑟峡湾中部有一处世界著名的惊险景点——“布道石”，它是由一垂直破裂切割而成的巨大石柱，高耸于吕瑟峡湾，垂直落差达604米。从下往上看，悬崖几乎与海平面呈90°垂直，震人心魄！站在布道石上，视野开阔，美丽的吕瑟峡湾及其对面的谢拉格山的壮阔景色一览无遗。为了保存峭壁的惊险本色，“布道石”的边缘并未修建任何安全护栏，吕瑟峡湾上吹来的大风甚至能让人感到一阵晕眩，因而“布道石”被誉为“勇敢者的标志，恐高症患者的禁地”！

图7. 挪威布道石，由垂直破裂切割而成的巨大石柱，高耸于吕瑟峡湾604米之上

丹霞地貌在中国很有名。何为丹霞地貌？其实就是红色的水平岩层受到垂直破裂的切割，破碎的岩石顺着垂直破裂不断地被风吹走、被雨水冲走，剩下来的犹如城堡一样的特殊的地貌，具有“顶平、身陡、麓缓”的特征。美国西南部也有很多这样的地貌，不过人家不叫丹霞地貌，而叫桌子山（Table Mountain），也很形象。“丹霞”一词源自曹丕的《芙蓉池作诗》，“丹霞夹明月，华星出云间”，原意描述天上的彩霞，被中国地质学家用到地上描述石头，可见重色不重形。相比之下，美国的“桌子山”的描述则是重形不重色。

图8. 美国西南部的桌子山

去过台湾最北端新北市石门区老梅里的人都参观过那里的绿石槽海滩，拍出来的照片非常漂亮。海滩岩石出现一系列平行的破裂，绿色海草从岩石裂缝里长出，铺满石面。

图9. 台湾新北市石门区老梅里的绿石槽

现在给大家看一组照片，自然界中树木与植物几乎就是顺着石头缝长的，排列成行的，如果没有石头缝植物就无从生根。地球上首先要有石头，石头要有裂缝，雨水顺着岩石的裂缝往下渗透，地下水终年在岩石裂隙中穿流，久而久之岩石中易溶的化学成分就被溶解搬移，岩石裂隙因遭侵蚀而变得愈来愈宽，尘土和树叶落于其中归化为泥，树种随风落进岩石裂隙，在那里生根、发芽、长大。

所以，我们在山里常常见到一棵棵树像人工种植的那样作线性排列，结队成行，就是因为受到岩石破裂的定向影响。在两组互交的、垂直的X型节理的地区，位于这两组节理交点位置的树木长得最大最高，因为那里水分最为充足，无论在哪组节理中穿流的地下水都会经过那里。由于可以“咬定”四个方向的裂缝，树木根系更加发育。由此可见，岩石的变形与构造制约地表植被的发育，地球的岩石圈与生命圈是密切相关的。“咬定”两字来自清代扬州八怪之一郑板桥写过一首咏竹诗：“咬定青山不放松，立根原在破岩中。千磨万击还坚劲，任尔东西南北风”。

如果石头不破不断，整个地球就会是一个巨大的、光滑的石头球，光秃秃，寸草不生，没有树林、没有植被。没有庄稼，人类也不能在地球上存活下来。如果石头不破不断，雨水（淡水）就不会流进地下裂隙储藏起来，而是顺着石表直接流入低洼之地，因为溶入盐分而变得越来越咸，无法直接饮用。若陆地上没有饮用水，动物与人类也就不可能存活。如果石头不破不断，整体石头很难变成碎块，也无法变成沙泥和土壤。有沙泥和土壤才能生长植物和庄稼，庄稼给人类和动物提供食物，奇花异草才能美不胜收。如果石头不破不断，地球上就没有碎屑沉积岩，与沉积岩相关的矿产如石油与煤炭也就没有。如果石头不破不断，地球表面就没有千姿百态的地貌、妙趣横生的地形、鬼斧神工的山川、天然巧成的山麓，这样的星球该多么萧条! 如果石头不破不断，任何岩土工程，例如，地下采矿、开挖地基、打通穿山隧道、地铁等等，都会费时费力，成本大增。在石油或天然气开采过程中，岩石若破得不够，里面储存的油气就出不来，就必须采取人工办法如液压制裂。

我们大家出去旅游的时候，会看到水流顺着岩石的裂缝冲刷出一系列的壶穴，许许多多个壶穴贯通起来就形成了雕岩谷。《中国国家地理》杂志2018年7月发表了我的一篇文章，介绍雕岩谷及其形成过程。这是我2017年11月24号在重庆江津区李市镇发现的龙吟雕岩谷，非常漂亮，我当时在现场都震惊了，可是当地老百姓虽然祖祖辈辈住在那里，但他们认识不到其中的科学价值。我在这篇文章里给雕岩谷下了一个定义：雕岩谷是一种具陡立曲壁的狭窄峡谷地貌景观，峡谷和曲壁是其必备的两大特征。所有的雕岩谷都具有相似的外貌和共同的地质成因，即由永久性或季节性湍急流水携带砂砾等沉积物对岩石中先存的构造薄弱部位（例如节理与破裂、岩层面等）长期冲刷、雕刻、磨蚀（包括部分溶蚀）而成的无数大小不一的直立圆筒状壶穴在三维空间中贯通形成的，是流水创造的地理奇观。

就在过去短短的一年之内，中国大地己经发现了几十条雕岩谷。例如，仅陕西省延安市境内就有20多条、单个长度上千米到十几千米、深几十米的雕岩谷，其中以志丹县的毛项雕岩谷和甘泉县的雨岔雕岩谷最为瑰丽，狭窄的通道被两侧红黄色的陡壁夹持，坚硬的砂岩呈现流水般蜿蜒起伏与柔美流畅的艳姿。探头进谷的阳光经过光滑的红黄色岩壁的多次折射，形成梦幻般的色彩。一抬头、一转身，都是美轮美奂的风光，令人心旷神怡，黄土塬纵横的沟壑中原来藏着蒙尘已久的瑰宝，从此之后中国游客不出国也能看到媲美美国西南部羚羊谷与鹿皮谷的自然奇观，省钱省事了。这类地理奇观往往位于经济欠发达的边远地区，开发与保护好自然景观，通过发展旅游可以达到精准扶贫的目的。

图10. 重庆市江津区李市镇的龙吟雕岩谷

图11. 陕西省延安市的雕岩谷

洪堡在古巴描述的玄武岩的柱状节理在中国也有，东北的五大连池、云南的腾冲等。随着岩浆冷却固化，体积缩小，在平行于冷凝面，即平行于地形面的方向上发生收缩拉张，形成多边形 格状拉张破裂。熔岩围绕若干冷缩中心冷凝收缩，皆向各自的冷缩中心拉，在相邻两个冷缩中心的连线上产生拉张应力。正常的情况下，圆状破裂的表面积最小，所需破裂能最小。然而，圆状破裂无法合理地处理好与周围破裂的关系（这是二维空间等大圆的堆积问题），所以最佳的破裂 格应呈正六边形，这样能使玄武岩能被拉张破裂平等地瓜分。但是，由于岩石往往存在不均匀性，实际情况往往偏离正六边形，为四边形、五边形、甚至七边形。

火山熔岩中，这种 格状破裂称为柱状节理。池塘干涸后，塘底的淤泥在阳光的烘烤下，逐渐脱水干燥，体积收缩，也会形成垂直地面的多边形破裂。这些破裂把泥巴切割成无数多边形块体，每一个多边形块体还会出现中间低洼、周围上翘的现象。这类破裂叫干裂，在垂直剖面上常呈“V”形，即上宽下窄。多边形 格破裂在北极圈冰缘地区也常见的，也是由于温度变化热胀冷缩的结果。如果要给孩子搞科学教育，让学生做实验，拿些泥土放点水，搅拌一下，把它放在烤箱，或放到阳光下自然冷却，就会形成柱状节理。

图13. 泥土脱水收缩造成的拉张破裂 （中国新疆南天山）

图14. 北极圈里格子构造

我刚才讲过的破裂在地质上叫节理，沿着节理两侧岩石没有发生移动，但是如果有了一定位移，那就不叫节理而叫断层了，断层的运动则会形成地震。地壳拉伸形成一系列正断层，最终结果是地壳减薄，形成海洋、盆地等构造。地壳挤压形成一系列逆断层，推覆成山，喜马拉雅山式就是这样形成的，就像推土机推着土往前走，原先水平的土层或岩层先发生褶皱，褶皱到一定程度就要发生逆冲断层，逆冲断层活动可以形成强烈的地震。有的断层在地表能见到，有的断层在地表见不到，而是隐蔽于地下，造成2008年汶川地震的是地表看得见的显断层，而造成2013年雅安地震的则是地表看不到的是潜伏断层。

图15. 冰岛的拉分裂谷

图16. 汶川地震形成的同震破裂

挤压成山、拉张成洋。地球表层的岩石圈分成许多大小不同的地块，地块之间“分久必合、合久必分”，“分”就是相互逐渐远离，先拉张形成裂谷，裂谷越来越宽，变为海，再变成洋。当今世界上正在拉张的地方就是大洋中脊，大洋岩石圈在那里彻底拉断，从上地幔软流圈部分熔融产生的玄武岩浆直接喷向海底。大洋中脊一般位于距海平面约2.5千米的深处，但是在冰岛，大西洋大洋中脊直接暴露在海平面以上。有的地块之间彼此汇聚，导致两个地块之间之前的海消失，然后发生碰撞，之后还要继续挤压缩短，形成高山高原。当今世界上最典型的挤压造山的地方是喜马拉雅山脉与青藏高原，印度大陆在距今四千五百万年前碰上亚洲大陆之后，还继续向北运移了近2000多千米，形成青藏高原。除了破裂，地壳中最重要的构造现象是褶皱，褶皱是岩石塑性变形的结果，两个大陆彼此汇聚、碰撞、挤压，那些原先平直的层面在应力挤压下发生弯曲，形成褶皱，使得地壳在水平方向发生了大幅度的缩短。几乎所有的山都是由褶皱形成的。从卫星照片看，山脉中岩层都是呈扭弯曲拐的。欧洲的阿尔卑斯山、北美的洛基山、中国的天山、秦岭-大别山、喜马拉雅山等等，所有的山都一样的，都是岩石的褶皱，形态千姿百态，复杂多样，连绵起伏，山峰耸立，甚是壮观。

图17. 大地的褶皱

图18. 四川省四姑娘山的褶皱

图19. 大理岩中的褶皱

据其空间上的大小规范，褶皱可分为一级、二级、三级……大褶皱中包含小褶皱，小褶皱中又包含更小的褶皱……在大褶皱的不同部位，小褶皱（又称寄生褶皱）的形态亦不一样，在背斜褶皱的顶部往往出现“M”形褶皱，在向斜褶皱的底部出现“W”形褶皱，在左右两翼各出现“Z”和“S”形的褶皱。寄生褶皱一般出现在软弱成分层中。通过研究小褶皱的形态，我们可以判别局域大褶皱的存在。寻找褶皱是石油勘探工作的一项重要任务，因为石油总是出现在背斜褶皱的顶部。

从中国的山水画里很少能够看到地质现象，往往太抽象了，把地质现象都给抽象掉了。国际上曾讨论过为什么现代地质学没有在中国诞生，为什么中国的山水画不像西方那些写实的油画，比较真实地反映褶皱等地质构造。中国的山水画的确喜欢抽象，很写意、很潇洒，但把真实的东西给过滤了不少。所以我们不能通过中国的山水画去搞地质，但我可以通过西方的山水画确实看到不少地质现象。

图20. 美国著名画家威廉·亨利·霍尔姆斯（William Henry Holmes，1846年－1

最后，我请大家看一个模拟造山过程的实验视频，地壳上部岩石呈脆性，发生破裂，地壳下部呈韧性，形成褶皱。地壳整体遭受挤压缩短。

由于时间关系，我现在就做一个简单的总结，第一，读书不能完全代替行路，因为纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行；第二，旅游拉近知识与自然、人与历史、文化与科学的距离。了解奇景与大美的自然成因，经过“不知如此，原来如此，不过如此”三步；第三，在旅行中方能见到未曾见过奇山秀水、遇见未曾遇到的异人趣事、苦境艰辛、柳暗花明、锻炼人的意志与体力，增强人对自然与社会的了解与适应能力，让人心胸宽广；第四，结伴同游，团结互助。一人独行，或许走得更快，但大家同行，走得更远。总之，旅行是一种思维的学习方式，走中学，见中思，行中反刍，让书本知识活起来，让知识面更宽广。所以，自然游学有下列好处：体验自然，开阔眼界；欣赏景观，增长见识；奇石地貌，探讨奥秘；认识规律，破除迷信；置身山水，乐观进取；返璞归真，感恩时光；眼见为实，过目不忘；学予游中，乐之无穷；地人互动，妙不可言。