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    一块被“冰流弯曲”的砾石?
    点击次数:88     发布日期:2018/8/3 16:25:47      

    《一块弯曲的砾石》(Abentpebble)的故事见诸《李四光传》与《李四光画册》以及中学语文课本,说的是中国著名地质学家李四光(1889-1971)上世纪40年代地质科学研究的事情。

    有一天,在广西桂林良丰雁山村山沟里的第四纪砾石沉积物中,有个叫张更的学生发现了一块大约一寸多长、形状类似马鞍的砾石。他拿着这块标本去请教李四光先生,李先生手拿放大镜仔细端详这块弯曲的砾石,想了想说:“这块小砾石弯曲成马鞍形,我想它可能是这样形成的:一端被紧紧夹在坚硬的石缝里,另一端被冰流长期地推压着,渐渐地就弯曲成了这个“马鞍”形状。它证明岩石并非只会碎裂,在一定条件下,它也是可以发生塑性变形的。”

    李四光把这块弯曲的小砾石视为中国南方亚热带曾经出现冰川或气温变化的地质证据,特意请木匠做了一个精致的小木盒,将它存放起来作为科学研究的宝贵标本。他还为此撰写一篇短文《Abentpebble》,发表于英国194654日出版的《Nature》杂志。该短文写道:“毫无疑问,这块砾石是在冰川的荷载下,以某种方式变形的”。“变形是由于砾石的一半被固紧,比方说塞在一个基岩的裂缝中,或者塞在一个满载岩石碎块的冰川中,而另一边受到冰流的前推作用形成的”。

    194177日下午,广西大学在大礼堂举行第八届学生毕业典礼暨新舍落成典礼,特邀李四光教授作一个学术报告,他健步走上讲台说:“今天我要讲的是地质构造中关于岩石变形的问题。这个问题,首先要注意岩石的力学性质,然后要考虑各种岩石对应力作用的响应。例如岩石的弹性、塑性、弹塑性、滞弹性等需要进一步结合地质现象做出岩石力学方面的实验,把各种岩石试样放在不同的条件下进行实验,可以了解各种岩石在不同的压力条件下试样变形、蠕变或破裂的反映。”这时他高兴地从口袋里掏出一个精致的小木盒,取出一个一寸多长、紫红色、中间弯曲成近直角的小砾石,向大家介绍道:“请大家看,大自然替我们做了很好的实验,这块小砾石就是自然界遗留的珍品”。坐满礼堂的听众顿时蠕动起来,目光全部集中到台上。“我搞了这么多年地质,还没见过这么好的标本呢。这块弯曲的砾石是大自然冰川的杰作。在第四纪冰川覆盖的山谷中,一块小砾石非常偶然地插在石缝中,巨大冰川在以极其缓慢的速度向下滑动时,压力作用于小砾石上,使得砾石逐渐发生塑性弯曲,形成那么个马鞍形状。所以,这块标本具有重大的科学意义,它比宝石还要宝贵得多”。听了这番话,学生们拥上来争先恐后观看标本,李四光便把小石头放到木盒里递给台下的学生,让大家轮流观看,但没想到,当报告结束时,送到李四光手中的竟是一个空盒,小砾石不翼而飞!这可急坏了李四光,他向台下询问,但大家都不吱声,不知谁暗自“收藏”了砾石标本。当天晚上,李四光愁得饭也吃不香,广西大学校方也深感不安,于是在校园张贴公告,声明这块小砾石只有学术价值,并无经济价值,为了不使李先生的研究工作受到影响,希望拿走这块小石头的君子,立即放回校园那棵大榕树的树洞里。两天后,大榕树的树洞里有个报纸包着的东西,打开一看,正是那块弯曲的砾石。从此之后,这块弯曲的砾石李四光先生经常随身携带,给人讲它的“科学意义”以及他那著名的Nature论文。据说,这块弯曲的砾石现已成为位于中国地质科学院地质力学所院内李四光故居博物馆的镇馆之宝。李四光先生曾创建中华人共和国地质部,并长期任部长,是当时国家少数几个红色大科学家之一,他的那个“弯曲砾石”的故事在中国也广为流传。

    李四光先生在1913年赴英国伯明翰大学先学采矿,后转学地质学,1919年获硕士学位,同年回国,任北京大学地质系教授兼系主任。后再赴英国深造,于1927年获伯明翰大学博士学位后回国。上世纪20-40年代,欧美地质学家(例如,Peach et al., 1888, 1907; Chamberlin, 1910; Adams 1910; Adams and Williamson 1923; Argand, 1924; duToit, 1937; Leith, 1937; Grigg, 1939; Holmes, 1944; Cloos, 1947; Anderson, 1951)对岩石的塑性变形与力学性质已经有了许多较为深刻的研究,李四光那时代能用塑性变形解释岩石构造,说明与当时的世界研究前沿是接轨的。

    现在看来,李四光先生对这块“弯曲砾石”的成因解释或许是错的,因为大量的岩石流变学研究表明,那块由长石与石英组成的晶质岩石在地表冰川存在的温度下是不可能发生塑性变形的,即使如他所假说的那样———“一端被紧紧夹在坚硬的石缝里,另一端长期地被冰流推压着”,也只会发生脆性破裂,而不会发生大塑性变形,使得长英质岩石弯曲了近90°,而不发生任何破裂。对此,中国科学院院士施雅风经研究后曾撰文质疑这一解释:“庐山的砾石群全是泥石流作用的结果,快速下滑的泥石流是无法让砾石变成弯曲形形状的”。

    那么,李四光先生的那块弯曲的砾石又是如何形成的呢?第一种可能是,那块砾石原先处于一个褶皱的转折端,在地下深处高温、高压、低应变率条件(绿片岩相或角闪岩相)下慢慢弯曲,后来岩石慢慢抬升至地表。第二种可能是,“弯曲”只是一种假象,是岩石发生选择性风化、剥蚀或研磨造成的凹凸形态。许多原先李四光先生等定为冰川形成的“马鞍石”与“灯盏石(压弯石、压痕石)可能也是这种成因。