中国地质大学自然辩证法结课论文

　 科学观察法和数学方法在地球科学中作用

　本文阐述了科学观察法和数学方法在地球科学领域中的应用和应用特征，分析并揭示了这两种科学方法在地球科学研究领域中能够不断焕发活力、推动地球科学向前发展的原因，得出了科学方法的选择在地球科学研究中重要性。

　科学观察法在地球科学中的作用。科学观察法是开展地球科学研究和揭示地球科学奥秘的最为基本的方法之一[1,2]。科学观察法是从事地球科学研究的工作者通过在野外考察和室内观察，有目的、有计划地利用自己的感官或借助各种观察仪器如放大镜、偏光显微镜、电子显微镜等，认识和描述各种地球科学自然现象，获取经验知识的基本手段。科学观察法由单一的、粗糙的肉眼鉴别法向从宏观到微观的系统性科学方法发展的过程中，催生出一大批科学研究成果，极大地推动了地球科学的向前发展。

　18世纪中叶到19世纪中叶，在英国工业革命、法国大革命和启蒙思想的推动和影响下，科学考察和探险旅行在欧洲兴起[3,4]。带有科学考察目的旅行使得地壳成为直接的研究对象，更使得热衷于地球的人们对地球的探索和研究从思辨性猜测转变为以野外的观察为主，他们通过在野外考察，发现并详细记录了大量的自然地理现象和获取了各种岩石样品标本。野外考察在地球起源、演化研究上的应用极大地推动了不同学派的发展，使得不同学派的争论变得异常的活跃，而关于地层以及岩石成因的水成论和火成论的争论在18世纪末变得尖锐起来。德国地质学家、矿物学家维尔纳创立了“水成论”，他提出花岗岩和玄武岩都是沉积而成。“水成论”者认为所有的岩石都是在一个全球性的大洋中形成的，而英国的地质学家赫顿则不赞成这一说法。赫顿通过野外考察和推理认为花岗岩和玄武岩曾经都是熔体，熔体发生侵入后来到了地表，这些岩石是火成的而不是水成的，赫顿也因此成为“火成论”的代言人。野外考察推动了各学派间争鸣，加速了“水成论”和“火成论”诞生与发展，而水火之争则直接促进了地质学从宇宙起源论、自然历史和古老矿物学中分离出来，并逐渐形成了一门独立的学科。

　在地球科学发展的几百年来，科学观察法一直受到地质学家、矿物学家等研究者的青睐，并且不断地焕发出新的活力和派生出新的科学方法。伴随着科学技术的不断发展，人类对于地球科学探索与研究的方法由简单的宏观观察、定性观察（肉眼鉴别、借助放大镜的鉴别）向着微观化、精细化、半定量甚至定量化和三维立体化的方向发展[5-7]。1829年，英国的尼科尔发明了偏光显微镜，这为人类直观地观察、分析岩石的物理结构、矿物组成和晶体结构提供了有效的技术工具，同时使得显微岩石学的迅速发展成为可能；电子显微镜的发明（透射电镜和扫描电镜）以及在地球科学领域中的推广与应用使得研究人员可以分辨普通显微镜不能分辨的细微物质结构和观察固体表面的形貌，而且扫描电镜还能与X射线衍射仪或电子能谱相结合构成电子探针，用于物质成分分析；X射线衍射仪是利用衍射原理，精确测定岩石矿物的晶体结构，织构及应力，精确的进行物相分析，定性分析和定量分析；随着医用CT技术（又称为计算机断层扫描技术）在地球科学领域中的应用，研究者可以方便地获取重要岩石块体或者矿物的完整三维地质信息。

　科学观察法与人们日常的活动相区别，不是盲目、随意的，而是从一定的问题出发有计划、有目的地进行。而且，它与理论思维方法也不相同，不是通过演绎、类比等抽象的过程，而是依靠感官以及观测仪器直接认识外部世界，记录和报道事实。此外，科学观察法是具有生命力的一种科学研究方法。它会随着科学的发展而不断地吸取最新的科学理论，并能融合最新的科学技术。

　数学方法在地球科学研究领域中的作用，以地质学为例。数学方法是一种定量的研究方法，它强调的是在对自然现象客观地观察、描述的基础上，抓住主要矛盾、淡化或者忽略次要矛盾，然后进行逻辑上的推理、类比并最终抽象出刻画自然规律的数学模型。数学方法在地质学中的应用，广义上是指运用数学方法研究和解决地质问题；而狭义上则是指建立、检验和解释地质过程概念随机模型的总称[8, 9]。

　数学地质萌芽于19世纪初叶。1833年英国的莱伊尔首次用统计分析方法划分了巴黎盆地的第三系地层。至1920年以前，沉积学家和古生物学家应用描述统计学总结和解释其数据。20世纪30年代以后，单变量和双变量统计分析的应用领域扩展到矿业及地质勘探等方面。50年代以来，电子计算机和多元统计方法开始引入地质学。1949年 B.H.伯马发表论文《多元分析──地质学和古生物学中的一种新型分析工具》。1956年美国 W.C.克伦宾把岩石成分作为n 维空间中的一个点或向量进行统计处理，应用多元分析方法研究岩石的矿物、岩性和化学成分。1958年克伦宾与L.L.斯洛斯合作发表第一个计算机地质应用程序。60年代初期，法国G.马特龙在南非D.G.克里格工作的基础上提出区域化变量理论，创立了地质统计学。1964年计算机地质应用论文超过年100篇。1967年国际地质科学联合会(ICSU)设立了地质数据存储、自动处理及检索委员会 (COGEODATA)，1968年成立了国际数学地质协会(IAMG)。70年代以来，国际上对矿产资源评价问题倾注了很大注意力[10, 11]。国际地质对比计划(IGCP)设置了矿产资源评价中计算机应用标准化专题总结推广了6种定量预测方法。此后出版了一系列数学地质专著，如G.S.Jr.科克与R.F.林克著《地质数据统计分析》，F.P.阿格特伯格著《地质数学》，赵鹏大等著《矿床统计预测》。数学地质在六十年代迅速形成一门边缘学科，数学地质的建立不仅推动了地质学从定性描述阶段向定量化研究方向的发展，还为矿产资源、地下水资源的调查与评价提供了新的可行性方法，创造了巨大的经济价值[12]。

　数学地质以地质学为基础，数学为理论工具，电子计算机为技术手段，以解决地质问题为目的。它是地质学与数学及电于计算机相结合的产物，目的是从量的方面研究和解决地质科学问题。它的出现反映地质学从定性的描述阶段向着定量研究发展的新趋势，为地质学开辟了新的发展途径。数学地质方法的应用范围是极其广泛的，几乎渗透到地质学的各个领域。目前，数学地质的基本内容或方法有：地质数据的统计分析。其中常用的有：趋势面分析、回归分析、因子分析、判别分析，聚类分析、典型相关分析、克里格、时间序列分析、数字滤波等；地质过程的计算机模拟，地下水运动过程模拟、构造断裂的模拟。矿物地球化学的模拟等；概率性数学模拟：如地层剖面的马尔科夫过程模拟等；地质数据储存、索取、自动处理和显示：如野外地质数据处理系统，矿产资源、地下水资源数据处理系统，各种专用地质数据处理系统，自动绘图系统等。

　数学方法如数理统计方法、模糊数学方法、数值模拟方法等在地质学中的应用，是地质科学工作者长期探索的结果，是对观察到的自然地质现象和实验现象的概括、总结和抽象成数学模型的结果。从数学地质由萌芽阶段到在地球科学领域如火如荼的发展和最终发展为一门学科的过程，可以总结得出以下结论。数学方法之所以在地质学研究有如此大的发展空间和作用，得益于它能融合最为先进的技术如计算机技术来发展自我，它经得起时间的检验。

　无论是科学观察法还是数学方法，它们之所以能在地球科学领域中一直起着举足轻重的作用、不断焕发出新的活力和推动地球科学的发展是因为它们是有生命力的科学研究方法。第一，支撑这两种方法的各种理论一直在不断的发展和更新例如数学理论的发展从未停止过；第二，这两种方法具有巨大的亲和力能够不断地融合最新的科学技术，以满足解决层出不断问题的需要；第三，它们时常带给人类意想不到的收获如数理统计方法在矿产资源评价中发挥的巨大作用。

　无论是科学观察法还是数学方法，在推动地球科学发展的过程中都不是单一地发挥作用，而是在其他方法如计算机数据处理方法协同下发挥作用的，是方法与方法交叉协同发挥作用。这也启示我们，发现科学问题、解决科学问题往往不是依靠一种或两种方法，而是依靠多种方法之间协同作用。大量的科学事实说明，多种方法间的协同将成为未来发现科学问题和解决科学问题的关键。

　 [1] 陈昌曙. 自然辩证法概论新编[M]. 沈阳: 东北大学出版社, 2000. 359.

　 [2] 杨水旸. 自然辩证法概论[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009. 338.

　 [3] 孙善学，毕孔彰. 地学学科领域的发展[J]. 中国地质教育, 2000(1): 13-17.

　 [4] Ozima Minoru，朱炳泉，盛乃贤，等. 地球的起源与演化[J]. 地质地球化学, 1983(12): 1-33.

　 [5] 曹燕. 地学中的逻辑思维及常用方法[J]. 中国地质教育, 1994(2): 57-58.

　 [6] 朱新轩. 现代地学革命中的科学方法和人才构型[J]. 自然杂志, 1991(8): 613-618.

　 [7] 苏华. 以科学的研究方法发展地球科学[J]. 知识经济, 2008(6): 160-161.

　 [8] 王柏钧. 关于数学地质[J]. 物化探电子计算技术, 1980(1): 24-29.

　 [9] 刘承祚. 数学地质的主要进展和发展趋势[J]. 地质论评, 1996(4): 364-368.

　[10] 陈建平，肖克炎，陈勇，等. 中国数学地质与地学信息应用研究进展[Z]. 2008197-270.

　[11] 刘承祚. 数学地质的回顾与展望——一门地质学的、新兴的边缘学科在我国的产生与发展[J]. 地质论评, 1982(3): 286-290.

　[12] 赵鹏大. 数字地质与矿产资源评价[J]. 地质学刊, 2012(3): 225-228.