論地質科學研究的創新思維

—兼論后遙感應用技術理念的提出與實踐

劉德長

科學的靈魂是創新。創新的關鍵是創新思維。下面就以地質發展史的某些成就為例，談談地質科學研究的創新思維，并兼論后遙感應用技術理念的提出與地質實踐。

1 舊觀念的束縛是創新思維的嚴重障礙

在地質發展史上，一個令人“奇怪”的事實是引起當代地質學革命的大陸漂移說，不是由地質學家，而是由一位年青的氣象學家—魏格納提出來的。

實際上，早在魏格納的大陸漂移說之前，有關大陸漂移的主要論據已被地質學家和古生物學家所注意，可是，“固定論”禁錮了當時地質界的思想，對這些已經發現的證據，未能做出合理的解釋。例如地質大師徐士就曾經注意到大西洋兩邊海岸線的相似性，但他解釋為亞特蘭提斯大陸的沉沒；對南半球各大陸古生物的相似性認為曾有“陸橋相連”[1]。總之，始終突破不了固定論的框框。

發明生產廉價鋼的貝塞麥曾經說過：“比起許多研究同樣問題的人，我有一個極大的有利條件，那就是我沒有被長期既定的慣例所形成的固定觀念束縛思想，造成偏見。我也未受害于認為現有一切都是對的那種觀念”。魏格納在地質領域正是這種沒有被固定觀念束縛思想造成偏見的人�？梢�，沖破舊觀念的桎梏對科學家的創新思維是何等的重要！

頭腦里的“固定觀念”或者說“框框”是怎樣來的？它不是人們頭腦固有的，是學來的，是通過老師的傳授，聽報告、讀書學來的。因此，對讀書要一分為二。讀書可以使人知識淵博，思考問題時左右逢源，易于聯想，從而能激發人的創新思維，但是，讀書也可能給人以“框框”，限制人的創新思維。孟子說：“盡信書不如無書”；肖伯納說：“讀書使人迂腐”就是這個道理。

閱讀時要把實際資料與作者對資料的解釋區分開來；閱讀要與實踐相結合。切記，對自己直接研究的課題要有獨立見解，必須多思，有時閱讀和完全相信他人有關這一課題的論述會限制思想，使自己也用同一觀點和方法去觀察問題，從而使尋求新的有效思路和方法更加困難。

2 對舊觀念的懷疑和不滿是創新思維的起點

創新思維首先是從對舊觀念的懷疑和不滿開始的，而擺脫傳統觀念，常常成為創新思維的起點。

現有一切都是對的（國外提出的是對的；專家說了的是對的；大家都這么認為是對的）是創新思維的大忌。

當然，懷疑和不滿必須依事實為依據。

地質學史上的幾次大論戰（18世紀末—19世紀初的水成論與火成論之爭；19世紀中期的突變論與漸變論之爭；19世紀末—20世紀初的固定論與活動論之爭），都是對舊觀念的懷疑和不滿引起的�？v觀地質學的發展歷史就可以看出，地質學的發展是在實踐的基礎上，在不斷爭論和對舊觀念的否定過程中發展起來的。換句話說，沒有對舊觀念的懷疑和否定就沒有地質學的發展。顯然，認為現有一切都是對的，不利于科學的發展。因此，在研究中經常保持懷疑的心態，而不是相信一切的心態，是非常重要的。當事實與原有的理論發生矛盾時，要勇于突破現成的框框，而不是修改事實。

在東勝地區的砂巖型鈾礦研究中，作者發現用傳統的層間氧化帶成礦理論難以完全解釋該區的鈾成礦問題。如，按照傳統的觀點，鈾源主要來自蝕源區，但東勝地區新生代以來，由于河套斷陷的形成，成礦區與蝕源區隔開，這時成礦的鈾源不可能再來自蝕源區；按照傳統觀點，成礦的水動力機制的形成是由于地層的掀斜，重力的作用，但東勝地區地層沒有明顯的掀斜（地層傾角平均1.7°）；按照傳統觀點，鈾礦形成于氧化還原過渡帶，鈾礦物為6價與4價鈾混合的瀝青鈾礦，而東勝地區礦化形成于強還原帶，鈾礦物為4價鈾的鈾石，因而對東勝地區鈾成礦的傳統層間氧化帶觀點提出了質疑。

3 創新思維來源于對事物的創造性觀察

所謂創造性觀察，即前所未有的觀察。觀人之未觀，察人之未察。從深度和廣度上超過前人，而更符合于客觀實際。在近代地質啟蒙時期，水成學派與火成學派論戰中，火成論在批駁水成論把玄武巖和花崗巖說成是水成因時做過許多創造性的觀察。水成學派的代表魏納，堅持地層中的玄武巖是沉積物經過地下煤層發火而燒成的灰燼，可是得馬列在法國中部一個采石場里，發現了黑色的典型玄武巖，他跟著這個玄武巖一步步追索，到達一個火山口，認為玄武巖應是地下巖流。二十年后（1787年）冰島熾熱玄武巖的大量噴發，證明了得馬列觀點的正確。這個事實，給了水成論以嚴重打擊。后來，以郝屯為首的火成論學派又進一步在花崗巖體邊緣發現有結晶的花崗巖脈插入周圍的地層之中。他還觀察了花崗巖體或巖脈接觸的地層，發現往往有很明顯的烘烤邊，認為花崗巖體是高溫熔巖侵入作用的結果。在這些創造性觀察的證據面前，火成論為更多的人所信服。

二十世紀六十年代大陸漂移說的復蘇與海底擴張的提出，是建立在人們對大洋新觀察基礎上的。多少年來，人們用大陸地質概念去類比推理，認為大洋是平坦盆地，地層比大陸地層古老，地質作用不大活躍等等。但用現代化儀器，如測震儀、回聲探測器、深海鉆探等探測的結果，海洋并非原來想象的那樣。海底不是古老的，而是年青的，主體由玄武巖組成。海底有中脊，中央有裂谷，并被一系列橫向斷層所錯開。這些新發現都啟發人們思考，地殼確有水平位移，以及由此產生的斷裂。赫斯在研究了這些資料以后概括出海底擴張的概念。

由此可見，新理論的誕生往往是以新觀察和新事實為立據的。所以，“在研究工作中養成良好的觀察習慣比擁有大量學術知識更為重要”。

創造性的觀察，包括向新領域的深入，新技術的應用和學會善于觀察。

(1) 向新領域的深入，如從局部向全局的觀察，從陸地向海洋的觀察，從地表向地下深處（深鉆）的觀察等。

(2) 新技術的應用，如天文望遠鏡的應用，電子顯微鏡（電子探針）的應用和遙感技術的應用。

在東勝地區砂巖型鈾礦研究中由于應用了遙感技術，發現東勝鈾礦床所處的區域地質背景為一斷隆構造環境，鈾礦床除受直羅組下段辨狀河砂體控制外，還受斷隆南側邊緣斷裂的控制，從而為斷隆成礦觀點的提出和構造-化學障控礦模式的建立奠定了基礎。

(3) 學會善于觀察，如學會觀察正常事物的不正�，F象；學會觀察疊加現象，從時間上和空間上將這些不同現象區分開來；學會從雜亂無章的事物中理出規律；學會觀察表面現象，透過現象看到本質；學會觀察貌似無關事物之相似點和共性，或者貌似相同事物的特殊點和差異性。

在東勝地區通過遙感地質研究和對300多個鉆孔數據的分析，發現該區存在兩種不同類型的鈾礦化：一種是氧化帶前鋒-地球化學障類型的鈾礦化，礦化帶是NW-SE方向展布，受東北高而西南低的地形影響明顯，鈾礦化在黃色與灰色帶之間。另一種是構造-地球化學障的鈾礦化，礦帶是近東西向展布，受近東西向貫通性斷裂控制明顯，鈾礦化分布在蘭綠色蝕變帶與灰色帶之間。在該區后者更有工業價值。

需要強調的是，對復雜的事物做出精確觀察是極端困難的，觀察者不僅經常會錯過似乎顯然易見的事物，而且更為重要的是他們常常會臆造出虛假的印象�！耙曈X觀察現象不可靠的突出例子是魔術師的戲法”。人們不可能對所有事物都作周密的觀察，觀察到一切是不可能的，需有目的、有重點、有選擇，同時要留意那些意外的現象，如果僅僅注意那些預期的事物，就很有可能錯過那些臆想不到的重要事實的發現。觀察既包含知覺因素，又包含思維因素，切不可視而不見。有效的觀察是指注意到某種事物，并通過將它與其它注意到的事物聯系起來，賦予其意義。

4 想象和推理是創新思維的重要組成部分

地質研究中僅有對地質現象的創造性觀察是不夠的，還要通過想象形成概念，并經過推理，看到其重要性和必然結果，才能使研究工作做出創新成果。

在地質學成就中，地槽學說的提出是想象和推理在研究中運用的一個生動實例。

1859年霍爾考察阿帕拉契亞山脈，發現了受過強烈褶皺的古生代淺海相地層，其厚度達12公里以上。就是說，比在阿帕拉契亞山脈以西的同一時代，幾乎無褶皺的地層，厚10倍到20倍。既然那些沉積物是淺海的產物，那么它們的形成必然是邊沉降，邊沉積的結果。盡管，霍爾正確地觀察了這一現象，但他未做出科學地概括和推理，所以研究成果發表后十多年中無人問津。1873年達納進一步調查研究了這一地區，除證明霍爾的觀察是正確的外，他把霍爾提到的這個邊坳陷，邊沉積的長條地帶，通過想象概括為地槽（地向斜）。他的概括和他后來對地槽的研究引起了人們的興趣。之后，在世界其它地區，又發現了不少這樣的狹長地帶，認為它和地臺同屬地殼的大地構造單元。從此，這個概念便被普遍地接受下來，直到今天。

想象，即形象思維，是人們依據一定的直接和間接的經驗材料對研究對象的一種形象化的構思，或者一種設想。

豐富的想象力對地質學家來說尤為重要。因為“地質學按其性質來說，主要是研究那些不但我們沒有經歷過，而且任何人都沒有經歷過的過程“。因而，在地質學成就中往往貫穿著豐富的想象力。

可以說，地質科學的形象概念比比皆是，如板塊、地臺、地槽、地洼、山字型構造、多字型構造、地殼鑲嵌構造、地殼波浪運動、地塊翹板運動、褶皺、斷裂、爆發巖筒、地球化學障，以及我們曾經提出的斷面凹、裙邊褶皺等等。

推理，即邏輯思維，科學的價值在于預見未來，通過推理才可能預見未來。因此，推理不是發現，而是證實、解釋和發展發現，并形成普遍的理論體系，使發現有了價值。

在地質學成就中，地槽學說的提出是想象和推理在研究中運用的一個生動實例。

在東勝地區發現砂巖型鈾礦受斷隆構造南側邊緣斷裂控制后，結合觀察到的沿斷裂的油氣運移痕跡，對控礦斷裂的特點及其控礦作用做了進一步研究，通過想象提出構造―地球化學障的新概念，認為它與國外傳統的層間氧化帶前鋒模式不同，是一種新的控礦模式，并通過對我國其他砂巖型鈾礦遙感影像特征的研究，提出構造—地球化學障模式是中國特殊大地構造背景上砂巖型鈾礦的重要控礦模式。

然而，實踐告訴我們，推理的進展能超越事實，而不誤入歧途是極罕見的事。所以要充分估計推理的限度與危害。為此，運用推理時應特別重視下面一些問題：

(1) 推理要從事實出發，推理時必須謹慎小心，一般來說，推理每前進一步，不確切的程度，亦即假想的程度也越大。

(2) 一切推理都受感覺、偏見和過去的經歷的影響。概括和推理只能用實驗和觀察到的事實來檢驗。

(3) 確切地陳述問題，系統地排列資料常能暴露推理的缺陷或揭示未曾想到的思路。

5 系統地排列資料，整理事實有利于創新思維

達爾文說：“科學就是整理事實，以便從中得到普遍的規律和認識”。

最生動的事例是門德列夫化學元素周期表，經他按原子序數將自然界的元素一擺，混亂的物質世界變得如此簡單而有序。

地質科研的典型例子是居維葉對巴黎盆地地層的研究。他與白朗里亞德合作，將巴黎盆地的地層，從最下面的白堊層到最上面的黃土層，共劃分為九層（相當于現在的白堊紀、始新世、漸新世地層和第四紀沖積層），詳細記錄每一層的化石種類。然后，運用比較解剖學知識，把生物化石與現存的生物對比。于是他們形成一個科學概念：滅絕生物越是和現存生物差別大，軀體構造越是簡單，則所處的地層年代越古老，否則，所處的地層年代越新。這樣找到了“化石“這個科學尺度，通過與現存生物的對比，可以推斷地層年代（相對年代）。這在當時地質界是一件了不起的貢獻，直到今天仍有著重大的科學價值。

在東勝區域地質構造環境研究中，作者采用這一種研究思路，利用該區的地震、重力、航磁和遙感資料，從盆地的結晶基底、地臺基底、盆地地層到盆地蓋層的構造運動特征和形變格局進行了系統研究，提出東勝地區盆地發育階段的地質構造環境為振蕩運動背景上的斷塊構造格局。

6 創新思維的前緣效應與間隙效應

(1) 前沿效應

前沿可以看成是一條界限，向前走半步就是領先，在這個界限之內走100步，1000步達不到前沿界限也是滯后。因此，研究工作一定要找準前沿，占領前沿，站在前沿。正是出于這一考慮，“十五”期間，作者提出將數字地球的概念和高光譜遙感技術和三維可視化，仿真和虛擬現實等現代信息技術引入鈾資源勘查[2]，并針對遙感技術反映的主要是地表的信息，而鈾資源勘查所面臨的重大地質課題是找隱伏礦的問題，提出后遙感應用技術的新理念[3]。所謂后遙感應用技術是指遙感技術與傳統地學方法相結合與現代信息技術相結合的遙感信息深化應用技術。它的內容涵蓋信息處理、信息解譯、信息分析、信息表述、信息應用等一整套方法技術系統。它的目的是最大限度的利用信息資源。它的目標是加速遙感信息產業化的進程。在這個基礎上，又對其研究內容，方法技術，工作程序等進行了研究。結合鈾資源勘查的實踐逐漸形成了以遙感信息及其延伸應用為核心，以信息找礦→理論找礦→模式找礦為途徑的遙感找礦技術新體系。

(2) 間隙效應

近代控制論的奠基者維納曾經講過一段話：“許多年來，羅森勃呂特博士和我共同相信，在科學發展史上可以得到最大收獲的領域是各種已建立起來部門之間被忽視的無人區……正是這些科學的邊緣區域給有修養的研究者提供最豐富的機會”。杜樂天說：“任何一個物，一件事都可看成為要素單元的組合。在單元與單元之間必然存在間隙，這里連接最薄弱，最易利用，最易攻破[4]。”

實際上在地質領域有許多邊緣學科，如實驗地質學、生物地層學、地球物理、地球化學、水文地質、遙感地質等等，都是地質學與其它學科的交叉。

作者在遙感領域提出并開發的光-能譜集成技術實際上就是利用了這一科學思維方法。所謂光-能譜集成技術就是指將多光譜的遙感數據與航空放射性伽瑪能譜數據經圖像處理系統和地理信息系統進行融合，得到一種新型的光-能譜集成圖像[ 5]。這種圖像既具有多光譜遙感圖像信息量豐富，空間分辨率高，立體感強，地形、地貌特征明顯，便于定位和解決構造問題的長處，又具有航空放射性伽瑪能譜圖像受植被干擾少，能很好區分巖性、蝕變和鈾礦化的優勢。它充分發揮了遙感數據與航放數據的優勢，并形成了互補效應。實踐表明，該技術可以廣泛應用于地質填圖，放射性生態環境制圖，鈾資源勘查，以及與放射性有關的非放射性礦產的找礦等領域。

7 地質科研中常用的創新思維方式—對比思維、聚焦思維和擴展思維

(1) 對比思維

對比的重要作用在于鑒別事物，所以說“沒有對比就沒有鑒別”。

對比可以分出多種對比，如，時間對比、結構對比、狀態對比、類型對比、模式對比、影像特征對比等等。

對比思維在地質研究中應用廣泛，地質上的模式找礦即是通過對比來找礦的。但在模式找礦中最忌的是對比時沒有考慮到意外情況的出現。

如，我國在花崗巖型鈾礦找礦中，最早發現的是硅化帶類型。該類型鈾礦床的控礦構造，是多期次脈體充填的硅化斷裂帶。后來，在另一些地方沒有找到多期次脈體充填的硅化斷裂帶，斷裂僅表現為構造破碎帶，開始用硅化帶類型對比，認為沒有希望。通過野外工作，發現它的確控制著鈾礦床，經深入研究，認為是堿交代型鈾礦，說明模式對比中出現了意外情況。再后來還發現有裂隙帶控制的紅化（赤鐵礦化）類型的鈾礦床，更說明對比中隨時注意意外情況出現的重要性。

(2) 聚焦思維

聚焦思維是指思維時將有關的信息聚集于一點或一處，以提高分析的可靠性和可信度。

地質找礦過程的遙感、物探、化探、地質、水文等多源地學信息的疊合分析，實際上采用的聚焦思維的方法。成功的事例很多，最典型、成效最大的實例是奧林匹克壩礦床的航磁、遙感信息的復合預測成功。

聚焦的信息應該說越多越好，但聚焦的信息總是有限的。創新思維實際上是用不充足的判據做出充足的判斷，否則就不屬于創新思維。不明白這一點，常用“資料不夠”、“依據不足”、“難以信服”等的一些常規思維方法衡量，勢必使一些好的想法被扼殺。

(3) 擴展思維

蘇東坡在他的題西林壁里有一句很有哲理的詩句：“不識廬山真面目，只緣身在此山中”。將這句詩引伸到地質研究上是非常有用的。即，我們研究一個地區，不能僅限在這個地區內，這樣很難認識到它的真正面目，在研究了這個地區后，還應該走出這個地區，從外圍，從更大的背景來觀察，才能得出更符合實際的結論。

例如，研究了東勝地區地殼變形的斷塊構造格局以后，作者遵循這一思維方法，我們提出從更大區域看東勝地區的斷塊構造格局。實際上，華北地臺是一個斷塊，鄂爾多斯盆地是個斷塊，東勝礦區所在的伊盟隆起也是一個斷塊。這樣一來，東勝地區的斷塊構造格局便不難理解了。

8 靈感在創新思維中的重要作用

靈感或稱機遇，是指在研究工作中一種對問題的突如其來的領悟或理解。

科學研究中有許多事例生動地說明靈感（機遇）在新發現中的重要作用。如李四光的“構造體系”思想，最早是1925年他去蘇聯參加會議，途徑烏拉爾時獲得的。按照傳統的說法，烏拉爾山脈是一個南北向古生代地槽經褶皺回返形成的。當時他聯想到其南端存在一套相當復雜的弧形山脈，有些大致與烏拉爾山脈同時褶皺形成。他想，它們雖然相距甚遠，走向也不相同，但是否可能有成生聯系。現在知道這是最早關于“山字型”構造的構想，是李四光構造體系的萌芽。

機遇可以為科學研究者提供重要線索，但研究者是否能抓住，卻完全是另一回事。在科學發現史注意到線索，但未能認識其重要性是屢見不鮮的，地質研究史也不乏其例，例如，大西洋兩邊海岸線輪廓的相似性，早在17世紀就被培根看出，洪德堡在計劃南美之行時，也表述過類似的思想，但他們都沒有看出其中潛在的重要意義，更沒有打算去論證。只有貝克和魏格納才抓住這一重要線索，進行了研究和開拓，做出了重大貢獻。

美國科學家貝弗里奇說過：“如何辨別有希望的線索，是研究藝術的精華所在，具有獨立思考能力，并能按其本身的價值而不是依據主宰當時的概念去判斷佐證的科學家，最有可能認識某種確屬新東西的潛在意義”。

認識到線索的重要意義之后，最重要的是作艱苦地科學探索，探索是研究和開拓。李四光在萌發“山字型“構造的構思之后，并沒有停止，又進行了更廣泛的探索，先后發現了鎮江—茅山，廣西和淮陽等山字型構造，以及其它類型的構造體系，并輔以模擬實驗，最后提出了構造體系的概念。

要抓住機遇提供的線索，就“不要滿足澄清手邊的問題，而是取得某些認識后，利用它揭示更新的認識（新的觀點），而且是更具重要意義的認識”。

因此，在研究工作中要努力處理好兩個關系：一是計劃與調整的關系，計劃是重要的，但要注意調整，及時調整到有潛在重要意義的問題上去。二是成果與生長點的關系，不僅要重視科研成果，更要重視它可能引伸出的新的生長點，這樣才能使已有的研究成果不斷發展和深化。前述的后遙感應用技術是作者總結長期探索遙感技術在地質領域深化應用的基礎上，結合現代信息技術的最新進展提出的新理念。實際上它的形成在鈾資源勘查中經歷了一個漫長的發展過程：單信息的遙感技術的應用→多源地學信息綜合技術→以航放為主的多源地學信息綜合技術→光-能譜集成技術→后遙感應用技術→鈾資源數字勘查技術系統。

靈感或機遇是以一種奇遇的形式突然的出現，但他的出現是有條件的�！皺C遇只偏愛那種有準備的頭腦”，“只垂青那些懂得怎樣追求它的人”。因此，我們需要訓練自己的觀察力，培養那種經常注意預料之外事情的心情，并養成檢查機遇提供的每一條線索的習慣，以便認出機遇、抓住不放，在科學研究上取得新的突破。

參考文獻

1．王子賢，王恒禮編著 簡明地質學史 河南科學技術出版社 1985.1

2. 劉德長，趙英俊等 核工業鈾資源勘查遙感應用的創新與數字勘查技術系統研究[J]， 國外鈾金地質，2002.No.3

3. 劉德長，葉發旺等 后遙感應用技術研究與地質實踐 國土資源遙感 2004.1

. 杜樂天 創新思維與作為 廣東教育出版社 2003.8

5．劉德長，孫茂榮等 以航空放射性測量數據為主的多源信息綜合技術及應用，中國科學 1993.6