地学研究中常用的科学思维及研究方法

地学研究中常用的科学思维及研究方法

摘要：地质学是关于地球的物质组成、内部构造、外部特征、各层圈之间的相互作用和演变历史的知识体系，是研究地球及其演变的一门自然科学。作为一门复杂的学科，随着学科的发展，用于研究的科学思维方法和研究方法逐步完善。其中科学思维主要包括逻辑思维、形象思维、直觉思维等三种基本的思维方式。逻辑思维又可进一步分为分析综合、归纳演绎、类比等，另外，报告还论述了历史比较法在地学研究中的应用。

关键词：地质学；思维方法；研究方法；历史比较法；

科学思维是人类认识自然界的重要途径，科研人员只有具备了科学思维，才能在科学研究中有所发现，有所突破，推动科技的进步。对于科学思维的定义，不同的研究者具有不同的阐述。刘冠军等（2000）认为科学思维是建立在科学理论知识基础之上的思维，是科学劳动者或科学认识主体思维的科学化或最优化。胡卫平等（2003）认为所谓科学思维，就是具有意识的人脑对自然界中事物（包括对象、过程、现象、事实等）的本质属性、内在规律及自然界中事物间的联系和相互关系的间接的、概括的和能动的反映。Dubnra 等（2005）认为科学思维表现为对科学内容进行推理时使用到的心理过程（如实验设计），或者常常在科学领域使用到的特殊类型的推理（如推断在冥王星之外还有一个行星）。它包括了很多一般目的的认知操作，人类将这些操作应用在诸如归纳、演绎、类比、问题解决以及因果推理中。袁薇薇（2007）进行了进一步总结，认为科学思维包括了科学领域中，在产生假设、实验设计、证据评估、推断思辨、得出科学结论等过程中的一切思维技能，它既包含了很多一般目的的策略与算子，同时也是一种非算法性的、复杂的、需要努力的高级思维，其核心是在对一个多变量系统进行推断时所表现出的科学推理能力。从以上的各种定义看，各种表述虽然不太一致，但都有其共同的理解，一般说来科学思维是主体对客体理性的、逻辑的、系统的认识过程，是人脑对客观事物能动的以及科学的反映。

科学思维包括了逻辑思维、形象思维、直觉思维等三种基本的思维方式。逻辑思维是在感性材料认识的基础上，运用概念、判断、推理等形式对客观世界间接、概括的反映过程，是科学思维中最普遍、最基本的类型。形象思维是在形象反映客体的具体形状或姿态的感性认识基础上，通过意象、联想和想象来揭示对象的本质及其规律的思维形式。直觉思维则是在不受某种固定逻辑规则约束而直接领悟事物本质的一种思维形式。在科学研究中，采用科学的思维方式和方法，对于获得科学认识和解决相关问题具有重要的意义。

地质学是研究地球的物质组成、内部构造、外部特征、各圈层间的相互作用和演变历史的科学，具有很强的综合性。科学思维对地学研究起着指导性作用。在地学的发展历史中，每一次重要的跨越，无不是伴随着与地学实践相关的思维方式的变革。因此，掌握和总结科学思维在地学中的应用，必将对地学的发展和创新起到巨大的促进作用。

逻辑思维在地学研究中的应用

逻辑思维是科学思维的重要形式之一，它用科学的抽象概念、范畴揭示事物的本质，表达认识现实的结果。逻辑思维方法有分析、综合、归纳、演绎、类比等。这些方法在地学的研究中有着广泛的应用。

分析与综合：分析与综合是人类认识世界和改造世界的基本思维方法。人们在认识事物时，总是首先解剖事物的各个部分、各个方面，弄清其各部分的结构、功能以及在事物整体

中的作用，然后再进行全面、整体的把握，以揭示事物的本质和规律。这就要用到分析和综合的方法。

在地学研究中，分析方法的基本内涵是把地学研究对象根据其组成、要素、功能和关系等分解成不同部分，分别加以研究。综合法则是将已获得的关于地学对象各个部分、方面和特性的认识结果统一起来，形成对地球的整体性认识的思维方法。分析与综合在地学的发展历程中起到了极为重要的作用。例如，通过利用分析的方法，详细研究地球不同地质历史时期的化石遗迹，进而利用综合的方法，将上述化石遗迹以联系、发展、变化的观点进行综合研究，以勾画出相对完整、连续的地球演化历史。

此外，在板块构造理论的发展和完善过程中，也充分体现了分析和综合方法的强大作用。该理论在对各领域的相关内容进行分析的基础上，综合了古地磁学、海洋学、大地构造学、地球物理学、古生物学、古气候学、地震学等不同地学学科的研究成果，综合了陆壳、洋壳、板块边缘、深部地质资料而得出了统一的理论，其综合性具体体现在如下几个方面：首先， 板块构造理论把地球表层的运动与地球内部的运动联系起来，用地球内部的运动说明地球表层的运动，对地壳运动提供因果性解释。由地幔对流所驱动的洋底在大洋中脊扩张，扩张的板块从总体上决定着洋底的面貌，而岩石圈板块在边缘俯冲，又产生了一系列的地质构造现象。而另一方面，板块构造学说把大陆运动和大洋运动联系起来，用综合的方法说明洋陆的形成和变迁，把地球作为一个历史的和现实的整体综合研究，从而解开了许多长期未解的谜团，并迎来了地质学的革命。

以上这些实例更加突出了分析与综合方法对地学研究的重要作用。地学分析方法在地学认识的客观过程中是必不可少的认识环节，地学分析的过程就是由感性具体到理性抽象的过程，是从客观实际出发，经过思维的逻辑加工达到以抽象的形式反映地球物质客体本质和规律的认识。地学综合方法则是把整体作为研究工作的出发点和落脚点，客观地把地学研究对象视为整个地球物质系统的一部分，从相互联系、相互作用的复杂动态过程中把握地球物质客体的运动过程，有效的避免了思维片面化、静止化和孤立化。因此，我们必须将分析与综合方法有机结合，共同运用于对地球系统的认识之中。

归纳演绎：归纳方法是从个别事实中推演出一般原理的逻辑思维方法，逻辑学上又叫归纳推理。它由推理的前提和结论两部分构成。前提是若干已知的个别事实，结论是从前提中通过逻辑推理获得的一般原理。在地学领域，归纳方法被广泛使用。例如，赵玉光等（2000）对地质历史时期海平面的变化情况进行了研究，利用归纳法，提出了用来定量的描述海平面变化的数学模型，可以重建全球的海平面变化曲线，为海平面变化的研究提供了技术与方法的支持。归纳法也同样应用在古气候研究、火山演化历史研究等多个方面。

演绎法则是从一般原理推出个别结论的思维方法。演绎法不但是作出科学预见的一种手段，同时也是发展假说和理论的一个必要环节。如我国地质学家李四光经过多年的努力，建立了地质力学这一学科。他应用地质力学的观点对我国和东亚地区的地质构造进行了细致研究和辩证分析，根据油田形成必须具备的两个条件，明确地提出了有关中国石油资源的科学预见。他指出：在我国新华夏系的沉降带中，埋藏着丰富的石油和天然气。随后，在李四光的主持下，我国开展了全国范围的石油普查勘探，发现了松辽、华北、江汉等平原和四川盆地有石油，渤海、黄海、东海和南海等浅海也均有石油，并建成了大庆、大港、胜利、中原、江汉等多个油田。

由此可见，归纳和演绎在地学研究及知识创新过程中都起着重要作用，也应该注意到它们在运用中互相依赖，互相渗透，并在一定条件下相互转化。只有正确认识了归纳和演绎方法的关系和作用，才能更好的推动地学的相关研究。

类比：类比方法是根据两类对象之间在某些方面的类似或同一，推断它们在其他方面可能类似或同一的逻辑思维方法，逻辑学上又叫类比推理。类比是地学研究及知识创新一个重

要方法。它是立足在已有知识的基础上，进一步发展地学知识的一种有效试探方法。在研究中，人们可以把未知的东西与已知的相比，把陌生的与熟悉的对象相比，以启发思路，提供线索，举一反三，触类旁通，变未知为已知。

地学研究中，最为重要的思想之一“将今论古”便充分体现了类比的重要作用。“将今论古”的思想是由英国地质学家莱伊尔在《地质学原理》中提出，它是指在地质学研究的过程中，通过各种地质事件遗留下来的地质现象与结果，利用现今地质作用的规律，反推古代地质事件发生的条件、过程及特点，即“现在是了解过去的钥匙”。例如，现代珊瑚只生活在温暖、平静、水质清洁的浅海环境中，如果在古代形成的岩石中发现有珊瑚化石，便可推断这些岩石也是在古代温暖、清洁的浅海环境中形成的；又如，现在的火山喷发能形成一种特殊的岩石——火山岩，如果在一个地区发现有古代火山岩存在，我们就可以推断当时这一地区曾发生过火山喷发作用。

类比的方法还被广泛应用在太阳系行星及其卫星的研究之中。例如，地球具有强大的磁场，其产生原因可能是因为地核内存在液态金属层，它们的流动产生“发电机效应”，进而产生磁场。而木星、土星等巨行星也存在强大的磁场，那么它们磁场产生的原因就可能与地球类似，及巨行星的内部也存在液态金属层。又如，在火星上发现了大量的磨圆的略具定向性的砾石，而在地球上，这样的砾石通常在河道中出现，因而，火星上在其演化历史中也可能存在某个时间，表面有大量的河流发育。但应该注意的是，类比方法具有其局限性，所得到的结论往往带有较大的或然性，不一定都是可靠的。因而，必须要将类比方法与其他科学思维方法相结合，共同运用于地学研究之中。

形象思维在地学研究中的应用

与逻辑思维不同，形象思维的过程中并非运用概念进行判断和推理，而是运用意象进行联想和想象。这种思维方式能将意象“随意地”再生和组合，因而能突破现实的局限，对研究对象进行极度的纯化和简化，有利于揭示对象的本质和规律。

在地学研究中，形象思维常常可以发挥巨大作用，这是因为人们可以把握事物间的相似因素，通过形象达到预期的效果。在地学研究中，形象思维的运用过程主要有以下几个步骤：首先，通过室内外的观察，获得感性材料，捕捉尽可能多的科学信息；其次，针对两类相似的对象，根据一类已知对象的某种属性，得出另一类对象也具有该属性的结论；第三，在获得的感性材料的基础之上，即在观察所获的各种地质现象和地质资料的基础上，进行加工，类比分析，先在大脑中形象出雏形，使它们有效地组合、提炼、上升成为“模式”或“假说”；最后，从对象客体的本质和特征出发，人为地建立与对象客体相似的模型，进行模拟实验研究，并将所研究的成果反推到客体的原型中去，从而达到真正认识和解释客观对象的目的。

著名地质学家李四光在地质力学研究过程中，采用形象思维，建立了山字型构造模型，并进行了模拟，对我国著名的祁连一吕梁一贺兰等山字型构造的力学成因进行了较好地解释。又如，挪威岩石学家福格特（J.H. Vogt）曾是一名冶金学家，他从冶金矿渣析出的矿物结晶联想到地下岩浆析出的矿物结晶，因而推论岩浆析出矿物晶体是依不同熔点而顺序析出的。据此，他对岩浆共熔系统的产物做了定性和定量分析，对火成作用做了实验和具体论述，从而在地球化学方面做出了开拓性贡献。

由此可见，形象思维可以帮助研究者突破研究的瓶颈，从复杂的理论分析中解脱出来，获得具有创造性和前瞻性的成果。

直觉思维在地学研究中的应用

直觉思维以知识经验为基础，能够从整体上跳跃地、直接而迅速地把握事物的本质。它常常伴随着称为“灵感”的特殊心理体验和心理过程。它并非按照逻辑程式进行循序渐进的、

阶梯式的进行推理，而根据个别现象，瞬间内做出对事物本质的判断和抽象。它缺乏明显的中间过程，表现出很大的跳跃性。

在地质学中，直觉思维占有特殊重要的地位。通过直觉思维而抓住问题的实质，从而导致新的发现和创造的事例并不少见。最被人们熟知的便是法国气象学家魏格纳提出 “大陆漂移说”的过程。魏格纳1910年生病住院期间，在病床上看到墙上的世界地图，发现大西洋两岸的陆地形貌具有相似性，因此便产生了欧洲、非洲、南北美洲四块大陆曾经是拼合在一起的灵感。后来，他通过深入研究，发现大西洋两岸的褶皱山系可以连接起来，岩层可以相互对比，且古生物化石和现存的生物种群之间存在着亲缘关系。此外，魏格纳还从地球物理学、大地测量学等方面对大陆漂移思想进行了论证。最终，他在1915年发表《海陆的起源》一书，否定了传统的冷缩说、海陆固定说，正式提出了“大陆漂移说”，引起了地球科学领域的革命。此外，50年代初李四光、黄汲清等根据有限的资料作出关于我国东部油藏远景的预言以及我国现代地质学家马宗晋从牙刷套管破裂的“折扇骨子”状裂纹顿然领悟到羽扇状节理产生的力学机理等事例也充分体现了直觉思维的重要性。

虽然直觉思维具有突然性和非逻辑性，但这并非意味着灵感的产生是完全偶然的。研究者只有拥有了足够的知识储备或观察资料的积累，并且对于需要解决的问题也进行过反复的思考，才更有利于灵感的出现，并能在灵感出现时抓出机会，取得新的发现。

科学思维在地学研究中发挥着巨大的作用，我们必须坚持科学的思维方式和方法，通过逻辑思维进行分析判断，通过形象思维与直觉思维来突破研究瓶颈，开拓创新，同时也应该注重多种思维方式的综合运用，才能更为有效的推进地学研究的进步。

地学研究的思维是多样性的，从事地质学方面的工作，我们不仅要重视思维方式还要重视研究方法，其中传统地质学中最主要的方法论是“历史比较法”、“见微知著”、“二元论”、“三元论”、“时空对比分析”等，下面仅以历史比较法为例阐述地质学研究的科学方法。

历史比较法在地学研究中的应用

历史比较法又被称为“将今论古”，它对近代地质学诞生起着决定性的作用，它的应用也使地质学成为一门严谨的自然科学。地质学中的历史比较法的基本思想是：发生在地质历史时期的地质作用及其结果，与现代正在进行的地质作用及其产物有相似之处。从研究现代地质作用的过程和产物中总结得出的规律，可以用于分析保留在地层及岩石中的各种地质现象，从而推断古代地质作用的过程和古地理环境。这一思想的奠基者是英国地质学家莱伊尔

（C. Lyell, 1797-1875），他继承了前人的研究方法，在综合大量实际资料的基础上出版了《Principles of Geology》一书，系统地论证了古今地质作用的一致性（uniformity ）和“将今论古”这一现实主义方法的有效性。这一基本思想概括为一句话：The present is the key to the past （现在是认识过去的钥匙）。

历史比较法将理性带入地质学中，引起了地质学史上认识论的革命，是地质认识思维的一大突破。地质工作者通过野外和实验室工作获得了丰富的第一手资料，但将这些资料整理、加以提炼并上升为理论却需要正确的方法。历史比较法的诞生，使人们从研究现代地质作用的过程、产物所总结的规律，可以用以推断古地理环境、岩相分析、了解古代地质作用的过程。

历史比较法在岩相古地理研究中的应用：尽管莱伊尔在《Principles of Geology》一书中，总结出来的地质体系包括了矿物、岩石、地层、古生物、矿床、地貌、动力地质、构造地质等内容，但是历史比较法最初的应用仅限于岩相古地理的研究，这也是历史比较法最早最成功的应用。例如，现代珊瑚只生活在温暖、平静、水质清洁的浅海环境中，如果发现含有珊瑚化石的石灰岩，可以推断这种岩石是在古代浅海环境中形成的。又如现代远离大陆的大洋盆地中，水很深，没有强大的水流活动，悬浮的物质主要为浮游生物如放射虫、抱球虫、硅

藻、颗石藻、头足类的生物碎屑及粘土、粉砂、灰泥等，以缓慢的垂向加积速度在洋底构成远洋沉积。如果在发现某地沉积地层出现类似的远洋沉积组合，则可以判定该地区在地质历史时期曾经是大洋盆地，又可以进一步通过远洋沉积的类型（深海软泥还是深海粘土）来推测沉积时该地区所在的纬度。再如，现代处于干旱气候条件下的湖泊或滨海泻湖中，常有卤化物或其他盐类矿物沉淀，与其伴生的泥沙沉积物中的铁质，因氧化作用强而形成高价铁，将其浸染成红色。在实际工作中，如果发现含盐类矿物的红色砂泥岩层，则可判断该岩层形成于干旱气候环境。

历史比较法在岩浆岩构造背景研究中的应用：历史比较法另一个成功应用的典范是岩石特别是岩浆岩构造环境的判别。岩浆岩的形成环境复杂，以玄武岩为例，它可以形成与大陆裂谷、岛弧、活动大陆边缘、洋岛、洋中脊等不同的构造背景，那么如何判断现在地表出露的地质历史时期的玄武岩的成因呢？地质学家们采用的基本思维方法就是将今论古，即通过对近现代发育的或正在发生的玄武岩的岩相学、矿物化学、地球化学进行详细的研究对比，建立区分不同构造背景下玄武岩的规范并应用到古老的玄武岩研究中。例如岩石地球化学家研究表明太平洋、大西洋洋中脊玄武岩没有重稀土的亏损、轻稀土强度富集，相对于原始地幔强烈亏损REE 、LILE 、HFSE 等不相容元素；日本岛、阿留申、勘察加岛弧区玄武岩具有轻稀土相对重稀土的富集、高场强元素相对大离子亲石元素和挥发份的亏损的特征；北美大陆安第斯玄武岩具有与阿留申、勘察加岛弧区类似的轻稀土相对重稀土的富集、高场强元素相对大离子亲石元素和挥发份的亏损，相对于后者表现出明显的大陆地壳组分增加的特点；夏威夷、冰岛玄武岩具有明显的轻重稀土分析、无Eu 异常，所有的不相容元素相对太平洋、大西洋洋中脊玄武岩富集的特点。因此用太平洋、大西洋洋中脊玄武岩，日本岛、阿留申、勘察加岛玄武岩，北美大陆安第斯玄武岩，夏威夷、冰岛玄武岩分别代表了MORB 、岛弧玄武岩、活动大陆边缘玄武岩和OIB ，并依据它们的特征对地质历史时期的玄武岩判定它们的构造背景，如某地地质历史时期玄武岩表现出有重稀土的亏损、轻稀土强度富集，相对于原始地幔强烈亏损REE 、LILE 、HFSE 等不相容元素，那么可以断定它产自洋中脊的构造环境。

历史比较法在全球构造演化中的应用：现今地质学中最著名的学说—板块构造学说把历史比较法推向了一个新的高度。板块构造学说首先就是建立在现代全球构造体系研究的基础上的，尤其是海洋地质、地球物理方面的新发展；然后，板块构造学说又将现代地质过程的研究成果成功地应用到显生宙以来的地质研究中，诸如将地槽类比为现代大陆边缘，在造山带中寻找古大洋、古岛弧等都是“将今论古”精髓的体现。“将今论古”的思想是现代地质学诞生的基础，无疑还将是未来地质学发展的最基本的指导思想之一。

历史比较法将理性带入地质学中，引起了地质学史上认识论的革命，是地质认识思维的一大突破。历史比较法使人们从研究现代地质作用的过程、产物所总结的规律，可以用以推断古地理环境、岩相分析、推断古代地质作用的过程。

由于地质学的特殊性，所以对于地质学的研究要掌握好地质科学方法论，这其中包括“二元论与三元论”、“地质比较法”、“见微知著”、“时空分析”等。其中二元论是认识地质事物性质的方法论，三元论是认识地质事物存在状态及其复杂性的方法论，地质比较法是宏观考察地质演化规律的方法论，时空分析是地球科学内各专业学科研究的基本内容和方法。地质科技工作者对于方法论的应用上不要拘泥于固有的模型约束，融合地球科学的各种有效方法，从实证的角度给出更加符合客观实际的新观察，继而不断完善和发展已有的理论，并将这些理论应用到实际工作中，为指导后续的地质工作服务。

总之，地质科技工作者要做到“修身报国吾辈志，创新求实人生路。问道务须争朝夕，治学切忌急功利”，应该成为具有“爱国心和责任感强、基础理论强、创新意思和创造能力强、计算机和外语能力强及管理能力强”的“五强”人才。只有掌握了科学的地质思维和研

究方法，具备正确的人文精神，这样我们国家的地质事业才会更上一层楼。

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