地球系統(tǒng)科學(xué)的先驅(qū)
——李四光

李東旭，龍長(zhǎng)興

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081)

地球系統(tǒng)科學(xué)的先驅(qū)
——李四光

李東旭1，龍長(zhǎng)興2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081)

地球系統(tǒng)科學(xué)從20世紀(jì)80年代蓬勃興起。國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為地球系統(tǒng)科學(xué)(Earth System Science)概念是由美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)1983年首次正式提出。然而如果我們重溫李四光先生遺著，則不難發(fā)現(xiàn)早在20世紀(jì)20—30年代他就已將系統(tǒng)論引入地質(zhì)學(xué)，提出了諸如構(gòu)造系統(tǒng)(tectonic system)、大陸車閥說(shuō)、海水進(jìn)退規(guī)程等等新概念；1970年在他臨終前出版的《天文·地質(zhì)·古生物》，還將地球系統(tǒng)科學(xué)研究?jī)?nèi)容進(jìn)一步擴(kuò)大。可以說(shuō)，系統(tǒng)科學(xué)思想貫徹在他的一生論著中，說(shuō)明我國(guó)杰出地質(zhì)學(xué)家李四光才是真正地球系統(tǒng)科學(xué)的先驅(qū)。李四光先生有諸多超前思維值得傳承，他創(chuàng)建的“地質(zhì)力學(xué)”的內(nèi)容就是現(xiàn)代“系統(tǒng)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)”加“地球系統(tǒng)科學(xué)”。

系統(tǒng)科學(xué)；地球系統(tǒng)科學(xué)；系統(tǒng)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)；地質(zhì)力學(xué)；地球表層學(xué)

20世紀(jì)80年代以來(lái)，以系統(tǒng)論為前導(dǎo)和基礎(chǔ)的地球系統(tǒng)科學(xué)蓬勃興起。國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，系統(tǒng)論是美籍澳人馮·貝塔朗菲[1]在20世紀(jì)20—30年代從生物學(xué)中首次提出，地球系統(tǒng)科學(xué)(Earth System Sciences)概念[2]是美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)1983年首次正式提出。1983年錢學(xué)森倡議創(chuàng)立“地球表層學(xué)”，1990年錢學(xué)森還提出開(kāi)放復(fù)雜巨系統(tǒng)(Open Complex Giant Systems)概念[3]。但是，當(dāng)我們認(rèn)真查閱李四光從1920至1971年的一系列論著和談話記錄，并與當(dāng)今地球系統(tǒng)科學(xué)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行比較，將會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)論思想充滿李四光論著中。按照現(xiàn)今學(xué)科分類，70年前(1945年)他所創(chuàng)建的《地質(zhì)力學(xué)》新學(xué)科，實(shí)際上涵蓋了現(xiàn)今系統(tǒng)科學(xué)兩方面內(nèi)容：一是《系統(tǒng)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)》，一是《地球系統(tǒng)科學(xué)》，前者也可包容于后者之中。因此我們說(shuō)李四光不僅是“系統(tǒng)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)”和“地球系統(tǒng)科學(xué)”之先驅(qū)，也應(yīng)是系統(tǒng)論的先驅(qū)。因?yàn)樗岢龅南到y(tǒng)科學(xué)理念幾乎與馮·貝塔朗菲是同時(shí)的，只不過(guò)一個(gè)是從生物學(xué)提出，一個(gè)是從地質(zhì)學(xué)提出。這是不容忽視的歷史事實(shí)，作為中國(guó)地質(zhì)學(xué)家不僅應(yīng)引為自豪，還應(yīng)發(fā)揚(yáng)傳承。遺憾的是到目前為止國(guó)內(nèi)已發(fā)表有關(guān)地球系統(tǒng)科學(xué)的論著鮮有提到李四光的貢獻(xiàn)，究其原因可能是對(duì)于李四光先生的成就缺少了解，特此撰文，以示讀者。

1 早期地球系統(tǒng)問(wèn)題的探索

早期地球系統(tǒng)問(wèn)題的探索可以1926—1929年發(fā)表的《地球表面形象變遷之主因》[4]、《古生代以后大陸上海水進(jìn)退的規(guī)程》[5]、《東亞一些構(gòu)造型式及其對(duì)大陸運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的意義》[6]三篇名著為代表。

在《地球表面形象變遷之主因》一文伊始，李四光就明確表明系統(tǒng)論觀點(diǎn)，他尖銳指出：“我們不能不承認(rèn)大多數(shù)地質(zhì)學(xué)家似乎是見(jiàn)樹(shù)不見(jiàn)林(We cannot but admit that most geologists seem to have lost sight of the forest because of the trees)?！彼麑⒏鞔箨憳?gòu)造單元?dú)w納為構(gòu)造系統(tǒng)置于全球地理坐標(biāo)系中，依據(jù)構(gòu)造單元組合的應(yīng)變圖像方位及幾何圖像對(duì)應(yīng)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)而追索動(dòng)力來(lái)源于地球自轉(zhuǎn)速率的變化產(chǎn)生的經(jīng)向和緯向慣性離心力，地球自轉(zhuǎn)速率變化服從于角動(dòng)量守恒定律(ωI=C)，即“大陸車閥說(shuō)”理論依據(jù)，從而架起了構(gòu)造系統(tǒng)與地球動(dòng)力學(xué)之間的橋梁。在《古生代以后大陸上海水進(jìn)退規(guī)程》[5]一文中，提出石炭—二疊紀(jì)地層在我國(guó)北方以陸相地層為主，間夾少量海相地層；在南方以海相地層為主，間夾少量陸相地層，并以此為據(jù)，上升到水圈與巖石圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)速率變化的關(guān)系。在這組文章中還涉及到地殼(巖石圈)與殼下 (重圈)的關(guān)系。他說(shuō)：“如果我們看一看遙遠(yuǎn)的過(guò)去，……，應(yīng)該明確認(rèn)識(shí)到在任一廣闊的古地理變遷中，至少包括4個(gè)重要因素，它們是殼下層、海洋、大陸和陸緣海?！薄斑€可以作另外一些有深遠(yuǎn)意義的理論推導(dǎo)，諸如古山脈的走向、氣候旋回的時(shí)間分布、火成(巖漿)活動(dòng)的時(shí)期、生物群的遷徙等等，但這樣會(huì)大大地?cái)U(kuò)大我們討論的范圍?！睆囊陨瞎?jié)錄的兩段原文不難看出，李四光早在20世紀(jì)20年代就已經(jīng)把地球作為一個(gè)整體，研究巖石圈與水圈、氣圈、生物圈以及殼下層之間的關(guān)系。事實(shí)上，當(dāng)時(shí)他對(duì)第四紀(jì)冰川鑒定和分期(氣圈)、古生物蜓科化石的演化(生物圈)的研究也取得了出色成果。第四紀(jì)冰川研究不僅是氣候冷熱變化，同時(shí)也與海面變化、海岸線的變動(dòng)、海水進(jìn)退相關(guān)。在冰期，海水量顯著減少，而間冰期海水量增多。他還說(shuō)“第四紀(jì)生物群的分布和興替，猿人生存的時(shí)期，以及它們生活的環(huán)境與冰川作用可能存在著關(guān)系，極為復(fù)雜?！庇纱瞬浑y看出，李四光先生早在數(shù)十年前的研究，已經(jīng)明顯地體現(xiàn)出地球系統(tǒng)科學(xué)思路。

2 創(chuàng)建以構(gòu)造系統(tǒng)為核心的地質(zhì)力學(xué)

以《地質(zhì)力學(xué)之基礎(chǔ)與方法》(1945)[7]、《地質(zhì)構(gòu)造三重基本概念》(1954)[8]、《地質(zhì)力學(xué)概論》(1962)[9]為代表。這個(gè)時(shí)期他主要致力于地殼(巖石圈)構(gòu)造系統(tǒng)化研究。在《地質(zhì)力學(xué)之基礎(chǔ)與方法》一書(shū)中提出兩大重要理論：一是構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)理論，通過(guò)場(chǎng)的概念將局部小構(gòu)造與大區(qū)域構(gòu)造有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，他稱之為“成生聯(lián)系”(genetic relation)，從而奠定了構(gòu)造體系的力學(xué)理論基礎(chǔ)；其二是流變學(xué)概念，以一個(gè)小小的彎曲冰川礫石揭示出龐大的地殼(巖石圈)是如何通過(guò)漫長(zhǎng)的歷史蠕變過(guò)程形成造山的奧秘，這一理論直到50年以后才被國(guó)內(nèi)外構(gòu)造學(xué)者重視，但是他們多已忘記了李四光早年的啟蒙。《地質(zhì)力學(xué)概論》一書(shū)突出特點(diǎn)是賦予構(gòu)造體系(structural system 或 tectonic system)以嚴(yán)密的定義，強(qiáng)調(diào)同一場(chǎng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的“構(gòu)造體系是由不同形態(tài)、不同性質(zhì)、不同等級(jí)和不同序次，但具有成生聯(lián)系(genetic relation)的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)要素所組成的構(gòu)造帶以及它們之間所夾的巖塊或地塊組合而成的整體?！边@個(gè)定義與一般系統(tǒng)論定義基本一致，體現(xiàn)了整體性、相關(guān)性、有序性、動(dòng)態(tài)性；同時(shí)他將(地質(zhì)力學(xué)研究)構(gòu)造體系的厘定分為7個(gè)步驟，實(shí)際上就是將構(gòu)造地質(zhì)研究“系統(tǒng)工程化”，將構(gòu)造體系幾何(學(xué))圖像和形成邊界條件(動(dòng)力學(xué))模式化，即構(gòu)造型式(tectonic type)，從而便于仿真模擬驗(yàn)證?，F(xiàn)在看來(lái)這部著作相當(dāng)于固體地殼(巖石圈)的“系統(tǒng)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)”，它側(cè)重于構(gòu)造現(xiàn)象之間成生聯(lián)系的研究，即同生(伴生)、派生、疊加(復(fù)合)關(guān)系的解析，而不是孤立地描述個(gè)別構(gòu)造要素的特征。這套地質(zhì)力學(xué)思路與當(dāng)今國(guó)內(nèi)外流行的構(gòu)造地質(zhì)學(xué)教科書(shū)和諸多學(xué)說(shuō)相比較，無(wú)論從理論上、方法上和實(shí)用上，它仍然是先進(jìn)的、超前的。

科學(xué)理論越接近客觀規(guī)律，其應(yīng)用領(lǐng)域就越廣闊，解決實(shí)際問(wèn)題的潛力就越大。地質(zhì)力學(xué)在人類活動(dòng)中具有廣泛實(shí)用性和可操作性，從找礦、勘探到開(kāi)發(fā)每一環(huán)節(jié)都與構(gòu)造體系及現(xiàn)代活動(dòng)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)相關(guān)。他提出的活動(dòng)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)新概念和地應(yīng)力測(cè)量方法，不僅與地震活動(dòng)和地震預(yù)報(bào)密切相關(guān)，而且成為研究其他地質(zhì)災(zāi)害(滑坡、巖爆等)、地殼穩(wěn)定性(“安全島”)的理論基礎(chǔ)。有關(guān)地質(zhì)力學(xué)在石油天然氣、煤炭、各類金屬礦尋找、勘探開(kāi)發(fā)的應(yīng)用，及有關(guān)災(zāi)害地質(zhì)、地震預(yù)報(bào)各方面成就，多有報(bào)道，不贅述，這里僅補(bǔ)充一點(diǎn)鮮為人知的重要思想。在他逝世前一年(1970年)關(guān)于地?zé)嶂v話有10多次。他指出：“地下熱能的開(kāi)發(fā)與利用是個(gè)大事情，這件事，就像人類發(fā)現(xiàn)煤炭、油氣可以燃燒一樣，這是人類歷史上開(kāi)辟的一個(gè)新能源。地球是一個(gè)龐大的熱庫(kù)，有源源不絕的熱流。地質(zhì)工作者和地球物理工作者至今對(duì)這個(gè)極為重要的問(wèn)題還沒(méi)有進(jìn)行全面的調(diào)查研究，讓這個(gè)隨地可取的能量為人類的生活和生產(chǎn)服務(wù)?！?他在親自指導(dǎo)湖北沙市、天津、北京等地地?zé)峁ぷ鞯幕A(chǔ)上提出我國(guó)高中低溫地?zé)岵⒅?、綜合利用的指導(dǎo)方針。筆者(之一)還親自聽(tīng)他講到：“從高空看大城市(東京、洛杉磯)是個(gè)大煙罩，把大量煤炭運(yùn)到城市燃燒發(fā)電、取暖，既浪費(fèi)了寶貴的煤炭，又污染了環(huán)境。子孫后代會(huì)罵我們愚蠢，為什么不就地取材，充分利用潔凈的地下熱能呢？”“從戰(zhàn)備考慮，如果普遍利用地?zé)帷⊥寥骸l(fā)電，形成打不垮的電網(wǎng)，遠(yuǎn)比搞大水電站安全?！边@些話雖然沒(méi)有完整的文字記載，但給筆者留下深刻印象。由此還可看出李四光先生早在1970年就考慮到環(huán)境污染問(wèn)題，也即今日的霧霾的根源。

3 《天文、地質(zhì)、古生物》——廣義地球系統(tǒng)科學(xué)的提出

李四光先生晚年(1969—1970年)推出了《天文·地質(zhì)·古生物(資料摘要)》[10]一書(shū)，在該書(shū)中他將地球系統(tǒng)科學(xué)導(dǎo)入浩瀚的宇宙，強(qiáng)調(diào)地球不是孤立的，是浩瀚宇宙中一顆渺小的星體，是太陽(yáng)系的一個(gè)成員，或說(shuō)是日地月系統(tǒng)，月球與地球之間的潮汐與朔望，太陽(yáng)的黑子與磁暴都對(duì)地球有影響，進(jìn)而探討銀河系對(duì)太陽(yáng)系的影響，以此說(shuō)明地球系統(tǒng)是個(gè)開(kāi)放的、復(fù)雜的巨系統(tǒng)中的一個(gè)成員，從宇宙看地球要進(jìn)行多層次研究。在這部著作中還首次將地球系統(tǒng)與生物圈和氣圈演化聯(lián)系起來(lái)。巖石圈記載了地殼上下各圈層(子系統(tǒng))多元信息，是個(gè)復(fù)雜大系統(tǒng)，需要研究者具有廣博的知識(shí)、整體系統(tǒng)觀、進(jìn)行綜合解析，才能查明各圈層之間的相互關(guān)系。而地球又是宇宙世界中的一個(gè)小小小成員，在那個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中受到什么影響，又是一個(gè)天文學(xué)的研究問(wèn)題。總而言之，地球系統(tǒng)科學(xué)是一個(gè)非常復(fù)雜的大課題，需要多學(xué)科合作。近些年來(lái)，地球系統(tǒng)科學(xué)受到廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)有些研究部門成立了地球系統(tǒng)科學(xué)研究室，個(gè)別大學(xué)成立了地球系統(tǒng)科學(xué)系，國(guó)內(nèi)已召開(kāi)了4次全國(guó)性學(xué)術(shù)會(huì)議，期望地球系統(tǒng)科學(xué)工作者不要忘記李四光留給我們的寶貴科學(xué)遺產(chǎn)。

4 李四光地球系統(tǒng)科學(xué)思維的先進(jìn)性

綜上所述，不難看出李四光一生的著述處處閃耀著系統(tǒng)科學(xué)的整體觀、全局觀。他所創(chuàng)建的地質(zhì)力學(xué)新學(xué)科的核心理論就是構(gòu)造體系(tectonic system)，如果說(shuō)系統(tǒng)論先進(jìn)的話，那么至今在國(guó)內(nèi)外諸多構(gòu)造學(xué)說(shuō)、學(xué)派和構(gòu)造地質(zhì)教科書(shū)中還未見(jiàn)有更明確的構(gòu)造系統(tǒng)理論和系統(tǒng)工作方法，說(shuō)明李四光創(chuàng)建的地質(zhì)力學(xué)至今并未失去其先進(jìn)性，至今仍是超前的理論。遺憾的是，國(guó)內(nèi)的部分構(gòu)造學(xué)家忙于向西方“接軌”，忽視了我們自己的前輩為地球系統(tǒng)科學(xué)所做的貢獻(xiàn)。

從李四光一生論述中還可看出，他所研究的不僅僅局限于地殼的構(gòu)造系統(tǒng)，而是廣泛涉及到地球的各個(gè)圈層(子系統(tǒng))以及它們之間的相關(guān)關(guān)系，具有一系列超越時(shí)代的創(chuàng)新思考。究其內(nèi)容實(shí)質(zhì)而言，與當(dāng)今研討的地球系統(tǒng)科學(xué)思路基本一致，而時(shí)間則超前幾十年，因此說(shuō)李四光是地球系統(tǒng)科學(xué)的先驅(qū)是符合歷史事實(shí)的。最近我們拜讀了《未來(lái)10年(2010—2020)中國(guó)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略：地球科學(xué)分冊(cè)》之“第三章地質(zhì)學(xué)”和“第六章地球系統(tǒng)科學(xué)”，其中關(guān)于“地球系統(tǒng)概念的提出”一段寫道：“20世紀(jì)70年代G W Paltridge提出的氣候系統(tǒng)概念(Paltridge, 1975)，包含大氣圈、水圈、巖石圈、冰雪圈和生物圈五大圈層以及圈層之間的相互作用，這可以說(shuō)是地球系統(tǒng)概念的雛形……?！比缓缶褪敲绹?guó)的NASA(見(jiàn)前)，文中未提及李四光早年的卓越貢獻(xiàn)，實(shí)屬遺憾！李四光關(guān)于地球系統(tǒng)科學(xué)的思想及諸多理論創(chuàng)新，可謂博大精深，意義深遠(yuǎn)，為我國(guó)地質(zhì)事業(yè)做出了重要貢獻(xiàn)。他的地質(zhì)思維比國(guó)外超前幾十年，僅構(gòu)造體系理論而言，多數(shù)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家至今仍未真正領(lǐng)會(huì)。所以，認(rèn)真研讀李四光的科學(xué)論著，領(lǐng)悟其精髓，不僅是實(shí)事求是客觀評(píng)述地學(xué)發(fā)展史的需要，也是推動(dòng)和引領(lǐng)地學(xué)發(fā)展創(chuàng)新的需要。

[1] 馮·貝塔朗菲.一般系統(tǒng)論：基礎(chǔ)、發(fā)展和應(yīng)用[M]. 林康義,譯.北京：清華大學(xué)出版社，1987.

Bertaianffy L V. General system theory: Foundations, development, applications [M]. LIN Kang-yi, Translated. Beijing: Tsinghua University Press, 1987.

[2] 國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì),中國(guó)科學(xué)院.未來(lái)10年中國(guó)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略:地球科學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2012：83-112，235-296.

National Natural Science Foundation of China, Chinese Academy of Sciences. Chinese discipline development strategy in the next 10 years: Earth sciences [M]. Beijing: Science Press, 2012: 83-112, 235-296.

[3] 錢學(xué)森.論系統(tǒng)工程[M]. 長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1988.

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[4] 李四光.地球表面形象變遷之主因[J].中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)誌，1926，5(3/4)：209-262.

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[5] 李四光.古生代以后大陸上海水進(jìn)退的規(guī)程[J].中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)誌，1928，7(1)：81-123.

LI Si-guang. The canon of marine transgression in post-Paleozoic times [J]. Journal of the Geological Society of China, 1928, 7(1): 81-123.

[6] 李四光.東亞一些構(gòu)造型式及其對(duì)大陸運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的意義[C]//地質(zhì)力學(xué)方法.北京：科學(xué)出版社，1976：65-112.

LI Si-guang. Some typical tectonic patterns in East Asia and their implications for continental movement [C]//Geomechanics. Beijing: Science Press, 1976: 65-112.

[7] 李四光.地質(zhì)力學(xué)之基礎(chǔ)與方法[M]. 北京：中華書(shū)局，1947.

LI Si-guang. Foundations and methods of geomechanics [M]. Beijing: Zhonghua Book Company, 1947.

[8] 李四光.關(guān)于地質(zhì)構(gòu)造的三重基本概念[J]. 科學(xué)通報(bào)，1953，(11).

LI Si-guang. Three basic concepts of geological structure [J]. Science Bulletin, 1953, (11).

[9] 李四光.地質(zhì)力學(xué)概論[M]. 北京：科學(xué)出版社，1962.

LI Si-guang. Introduction to geomechanics [M]. Beijing: Science Press, 1962.

[10] 李四光.天文、地質(zhì)、古生物(資料摘要，初稿)[M]. 北京：科學(xué)出版社，1972.

LI Si-guang. Astronomy, geology, and paleontology [M]. Beijing: Science Press, 1972.

[11] 李四光.地震地質(zhì)[M]. 北京：科學(xué)出版社，1973.

LI Si-guang. Seismic geology [M]. Beijing: Science Press, 1973.

[12] 李東旭. 地質(zhì)力學(xué)與系統(tǒng)論[J]. 地球科學(xué)，1989，13(增刊)：17-24.

LI Dong-xu. Geomechanics and system theory [J]. Earth Science, 1989, 13(Suppl.): 17-24.

[13] 李東旭.李四光的系統(tǒng)科學(xué)觀[J]. 地質(zhì)學(xué)史論叢，2014，(6)：282-287.

LI Dong-xu. Li Siguang's view of system science [J]. The History of Geology, 2014,(6): 282-287.

J.S.LEE: EARTH SYSTEM SCIENCE PIONEER

LI Dong-xu1, LONG Chang-xing2

(1.ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;2.InstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100081,China)

J.S.Lee’s research on Earth System Science and structural geology are reviewed. As a field, Earth System Science was established by the 1980’s. It is generally believed that this idea was first proposed by NASA. However if we look at J.S.Lee’s early works during the 1920’s to 1930’s, we find that he had already started using the ideas of earth systems: tectonics, continental brake hypothesis, transgression-regression theory, etc. His “Astronomy, geology, and Paleontology” published in 1970 exemplified the ideas of Earth System Science. As another example, “Geomechanics” can be considered as the combination of structural geology, and Earth System Science and confirms J.S.Lee as a pioneer and innovator in this field. As earth system scientists in China we should cherish and further develop this legacy.

system science; earth system science; systematic structural geology; geological mechanics; earth surface science

1006-6616(2016)04-1062-05

2016-09-28

李東旭(1933-)，男，長(zhǎng)期從事構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地質(zhì)力學(xué)教學(xué)與科研。E-mail：dxlee18@126.com

N949；P55；P54

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