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“地球化学”正在摧毁地球科学

(2018-11-22 09:02:11)
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地球化学

岩石学

地质调查

财经

分类: 矿业课堂
“地球化学”正在摧毁地球科学
作者:罗照华  来源:地质论坛网

使用这样的标题大有使我成为“标题党”的嫌疑。但是,地球化学被庸俗化理解已经越演越烈,几乎达到了侵害整个地球科学的程度。在“也谈地球化学的思考”一文中,谈到了“夺魂”和“魂变”两种现象。

前者是指作者掌握了几个地球化学图解的模式化解释就肆意进入相邻学科领域,并以该领域的专家自居,却不了解该领域的知识体系;

后者是指相邻学科领域的专家早已专注于利用模式化地球化学图解,不再关注本学科的科学问题,却依然以该学科的专家自居

从国内外文献来看,这两种情况越来越常见,严重损害了地球科学(包括地球化学本身)的科学性。结果,青年学生越来越偏向于避免学习严肃科学;研究人员越来越偏向于不了解研究对象的地质学特征。

这种情况在中国特别严重,因为中国实行按某种发表论文指标而不是科学研究质量来评价科学工作和科研人员水平的体系。据此,我撰写本文,希望引起同行对该问题的重视。

平均性质不是判别标志

在“也谈地球化学的思考”一文中,以“山东大汉”为例阐明了平均性质为什么不能作为判别标志。这个问题的哲学表述就是:一般来自对个案的归纳,但一般不能代表个案,个案也不能代表一般。从统计学的角度来说,平均性质是离散性观测数据集的统计特征值之一,用于表达观测对象的总体特征。由此,根据“山东大汉”这一平均性质,既不能肯定某“大汉”是山东人,也不能确定某“小汉”就不是山东人。这一点可以从Pearce的构造环境判别图解看出来,因为即使他提供的原始数据也存在跨区现象。可见,平均性质仅仅为进一步研究指明了优先方向,而不是研究工作的终结。

由此可见,将平均性质作为判别标志虽然不是一种错误,却使研究工作不完整,没有得出所期待的研究结果。然而,大量的文章重复这样的故事。以火成岩为例,这些文章的共同特点是简单介绍样品的地质背景和岩相学特征,然后详细介绍测试方法和测试结果,再将测试结果进行模式化解释。

细心的读者可以发现,文章中通常不介绍测试样品的原始重量和缩分流程。这就是说,不管其样品测试方法多可靠,不管其测试精度多么高,读者依然不敢相信测试结果的真实性,因为缺少了样品代表性这样的前提条件。我们也可以发现,文章的讨论和结论部分基本上与地质背景和岩相学特征无关,只是从前人发表的模型中任意选择一种解释作为自己的结论。这样的文章对科学进步和生产实践没有任何实质性意义。
“地球化学”正在摧毁地球科学


由于缺乏进一步的证据约束,研究者对同一研究对象往往给出不同的解释,甚至同一个作者或学术团队在这篇文章中支持这样的观点,另一篇文章中又赞成另一种观点。美其名曰不同观点之争,但又不说明观点反复变化的依据。

以攀枝花式铁矿为例,近年来自然基金委投入巨资,除了获得一些新的测试数据之外,没有任何新的科学研究进展,作者们总是在分离结晶作用、液体不混溶、通道成矿这些前人早就已经提出的模型之间徘徊,也没有对这些模型进行进一步限定,更没有注意到所提供证据与这些模型的冲突。

甚至有的作者不知道矿床学术语。例如,矿床学中早就有海绵陨铁结构这个术语,有的作者将其称为变形虫结构;矿床学中早就有整合和不整合型矿体这样的术语,有的作者却以为是新名词;有的作者援引通道成矿模型,却不指明通道在哪里,为什么岩浆恰好在层状岩体处卸载成矿金属,为什么矿体具有不同的地质产状。

也许有的读者会问,既然这些文章如此不堪,为什么能够发表,甚至在高级别学术期刊上发表。对此我只能猜测,可能审稿人与作者同样无知,或者只希望获得作者提供的数据。如果这种猜测可信的话,就很容易理解为什么中国学术界在国际期刊中发表了大量论文却在相应的学术机构中没有话语权。

在国际地学界早已开始以研究地质过程为主的今天,中国地学界却依然停留在研究地球化学组成的状态;而对于系统地球化学性质改变的原因,却只是简单套用1950年代就已经众所周知的模型!

层状岩体中堆晶岩成因之争:岩石学vs.“地球化学”

作为“地球化学”正在摧毁地球科学的一个典型实例,是近年来发生的“堆晶岩成因之争”。

传统上,层状岩体中的堆晶岩被作为岩浆原地分离结晶作用的有力证据,与鲍文理论的预期“完全”一致。但是,近年来发现了一些新的证据动摇了该模型的基础:

(1)层状侵入体的成分剖面变化多样,揭示了层状侵入体的多脉动岩浆组装过程;

(2)岩浆房过程的研究揭示了分离结晶作用的具体约束机制,表明了原位分离结晶作用的不现实性;

(3)火成岩的晶体群研究表明层状侵入体属于热力学不平衡系统。据此,以Marsh为代表的岩石学家提出了“无斑晶就无侵位后分异作用”的认识。

但是,这种认识立即遭到了以Latypov为代表的“地球化学家”的强烈反对。我在这里给“地球化学家”几个字打引号,是因为我不认为他们是地球化学家,只学会了地球化学数据的模式化解释。

以岩浆房过程为例,传统上认为只要某种矿物先结晶,由于晶体和残余熔体之间存在密度差,就必然会发生晶体沉降或上浮,从而产生堆晶岩和残余岩浆。直到整个岩浆侵入体固结为止。但是,有两个因素可以抑制晶体沉降(上浮)过程的发生。一个是晶体的半径(与浮力有关),另一个是结晶度(与岩浆黏度有关)。由Stock's定律:

可以看出,在岩浆黏度不变的条件下,晶体沉降(上浮)速率(v)主要取决于颗粒半径(r)而不是密度差(rc-rl),因为v与r的平方成正比,而一旦晶体种类(如橄榄石)确定,密度差就基本上是一个常数。此外,随着岩浆冷却和结晶,熔体黏度和岩浆总黏度都将增加,这将大幅降低晶体沉降(上浮)速率v。因此,只有较大的晶体可以实现快速沉降(上浮),堆晶作用被限定在岩浆结晶度达到~25vol%之前。然而,由于岩浆房的固结过程从边缘向中心发展,晶体在沉降(上浮)过程中必须通过一个高温区,这将会导致晶体被再吸收。换句话说,如果发生堆晶作用,这一过程必须在岩浆演化早期发生;但是,岩浆岩化早期晶体较小、晶体沉降(上浮)路径中存在一个高温区,都是不利于对晶作用的因素。

据此,Marsh认为发生堆晶作用的矿物晶体是外来的循环晶(antecryst),而不是原位结晶的晶体。换句话说,它们原本就有较大的粒径。
“地球化学”正在摧毁地球科学


作为一种抗争,有人提出了岩浆房侧翼晶体沉降驱动的对流模型,认为形成堆晶岩的晶体不是通过直接沉降而是通过对流堆积在岩浆房下部。

Skaergaard岩体似乎可以作为证据,因为它的侧翼岩系很薄。这种观点似乎不仅可以解释堆晶岩的形成过程,而且可以解释火成层理的成因。

然而,数值模拟表明,这种对流模型要求大的方向比(高/宽>1),而层状侵入体一般具有很小的方向比(席状侵入体),如攀枝花岩体为2/19。

此外,数值实验也不能再现层状侵入体中观察到的那种不同尺度的火成层理。这就是说,尽管镁铁质层状侵入体是流行火成岩理论的主要知识源泉之一,也还存在许多难以理解的现象。正因为如此,岩石学家试图找到新的突破点,以推进火成岩理论向前发展。

但是,以Latypov为代表的“地球化学家”无视这些新证据,依然根据投点分布趋势坚持原位分离结晶作用的解释。这样就出现了一种奇怪的现象:岩石学家认为传统的岩石学模型需要改进,“地球化学家”则说传统岩石学模型没有问题!两军对垒,若以发表论文数量论胜负,无疑是“地球化学家”大胜,因为他们不需要费时间去考虑制约岩浆过程的物理参数,仅仅对某些化学数据的相似性作出判断,然后推测一种可能的地质过程。为防止同行对其“成果”的质疑,他们经常会强调多数作者持有什么样的观点,以表明自己的正确性和普适性。

这种情况在中国演化到极致,以至于从来没有系统学习过地球化学、岩石学、矿床学或者很久没有关注过本学科前缘科学问题的作者也被称为“地球化学家”、“岩石学家”和“矿床学家”。

SSZ型蛇绿岩:真的存在吗?

另一个类似的问题是蛇绿岩的成因。根据板块构造的基本原理和岩石组合对比,多数作者曾经认为蛇绿岩是大洋岩石圈残片。但是,越来越多的作者报道发现了其他类型的蛇绿岩,其中最有代表性的当属SSZ型蛇绿岩,甚至认为多数蛇绿岩都属于SSZ型。

从已阅读过参考文献来看,“地球化学家”对这种情况的出现起了决定性的作用,甚至将其作为利用地球化学测试数据可以单独解决构造问题的实例。

然而,详细阅读这类关于SSZ型蛇绿岩的文章可以看出,这种认识基本上是建立在一些地球化学指标和俯冲带流体与地幔楔相互作用的假设前提之上。也就是说,由于俯冲板片的脱水反应,地幔楔橄榄岩将会有流体改造的信息,而地幔楔的注水熔融则可以产生玻安岩岩浆。显然,这个假设前提的前提是洋中脊和大洋板内缺乏流体活动的可能性。进一步,“地球化学家”假定主量元素不具备用来识别构造环境的潜力,而微量元素和同位素是有效的。据此,可以不管火成岩的地质学、岩石学、矿物学和主量元素特征,仅利用微量元素和同位素测试数据就可以判别蛇绿岩的类型。例如,对于日喀则蛇绿岩的构造属性,有人研究了蛇绿岩中一条岩墙的地球化学特征,认为它的组成岩石类似于玻安岩,进而认为该蛇绿岩属于SSZ型。文章得到了不少作者的引用,从而得出了雅鲁藏布江蛇绿岩多样性的结论。

但是,我将他们发表的数据与世界典型玻安岩进行对比,无论是岩石学、矿物学还是主量元素,这些“玻安岩”都与典型玻安岩明显不同。换句话说,前人所称的日喀则玻安岩根本就不是玻安岩!由此,根据“玻安岩”作出的“SSZ蛇绿岩”也不可靠。

由此可以看出,地球化学数据的解释并不能脱离地质学、岩石学和矿物学约束,否则就会走向歧途。说得不好听一点,这些“地球化学家”与其说是在帮助解决地质问题,不如说是在“捣乱”,为地质问题的解决增添了更多的不确定性。
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在这里顺便提一句,那种认为主量元素缺乏研究意义的认识是不正确的。主量元素是一类非常重要的相容元素,它们反映了岩石的相组成和相关系,其分布特征的成因意义可以直接得到岩石学和矿物学证据的约束,也可以得到相平衡实验的约束。例如,峨眉山大火成岩省的苦橄岩被一些作者作为原生苦橄质岩浆固结的产物,进而用来探讨岩浆起源的条件和地幔柱存在的证据。

我虽然支持峨眉山地幔柱系统的观点,但不认为这些苦橄岩是原生苦橄质岩浆固结的产物,而是携带有大量橄榄石循环晶的玄武质岩浆固结的产物。这一点很容易通过岩相学观察结果和实验结果的对比来说明,因为这些苦橄岩中的所有橄榄石斑晶都具有溶蚀结构。导致这种结构的基本原因是橄榄石-熔体不平衡,要么是减压再吸收,要么是携带岩浆的成分发生了改变。

实验表明,橄榄石首晶区随着压力的减小而扩大,这意味着橄榄石在镁铁质岩浆中不太可能发生减压再吸收。那么,唯一的可能就是携带岩浆不是晶出橄榄石的母岩浆的残余,而是一种外来岩浆。
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埃达克岩:经是怎么念歪的!

我认为术语埃达克岩的提出是一件好事情。根据我的理解,它表明可能真的存在第三种岩浆源区:镁铁质岩石源区。传统上,一般认为俯冲板片部分熔融产生的岩浆难以到达地表,它们可能会受到地幔楔和地壳的屏蔽。但是,如果关于埃达克岩的认识可信的话,就表明这种岩浆有时是可以到达地表或地壳浅部的。因此,进一步就应当研究岩浆上升条件及其地质意义。

最初,提出埃达克岩名词的作者列出了一系列识别标志,也利用了相平衡实验资料和俯冲板片熔融条件。

然而,埃达克岩的概念引入之后发生了很大的改变,很快就演变成了两个元素(Sr、Y)的岩石。特别是在中文文献中,高Sr低Y成为了埃达克岩的唯一识别标志,一些明显具有似斑状结构且含有暗色微粒包体的花岗岩类也被当成了埃达克岩,含矿花岗斑岩也被作为埃达克岩,并将其作为埃达克岩有利于成矿的证据。

我曾提出质疑:含矿花岗斑岩通常遭受过强烈蚀变,而埃达克岩最初是作为原生岩浆固结产物提出来的,将这种强蚀变岩石定名为埃达克岩是否合适?得到的回答是:某地的含矿花岗斑岩非常新鲜。真实莫名其妙!

为了论述成矿特征就介绍岩体的蚀变分带,而为了撰写关于埃达克岩的文章,就强调岩石非常新鲜。我也曾提出建议,希望热衷于埃达克岩研究的作者阐明埃达克岩的岩石学和矿物学特征。得到的回答同样令人感到莫名其妙:埃达克岩是一种地球化学分类,没有特定的岩石学和矿物学特征。

我还提出过建议:暗色微粒包体是岩浆混合作用的可靠证据,这是由理论依据的,因而那些含有暗色微粒包体的岩石不应当被归属为埃达克岩。得到的回答是:花岗质岩浆连小的岩浆团都“吃”不掉,难道还能“吃”掉大的吗?可见暗色微粒包体的存在恰恰是没有发生岩浆混合作用的证据。

殊不知两种岩浆是否可以发生混合其根本制约因素是它们的黏度差,与岩浆体积大小无关。如果说与岩浆体积大小有关的话,可以说大体积镁铁质岩浆可以贡献更多的岩浆热使花岗质岩浆黏度降低,而其自身又不会固结。
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现在有许多文章已经揭示,高Sr低Y特征可以有许多地质过程造成,包括热液蚀变。因此,埃达克岩的故事与“山东大汉”的故事有点类似:高Sr低Y是埃达克岩的特征,但具有高Sr低Y特征的未必就是埃达克岩。由此可见,“地球化学家”毁掉了埃达克岩的研究前景!
 
类似的例子还有很多,在此不一一赘述。

总体上,我感到担忧的是,将科学研究简单化的手法正在快速推广。一些青年学生明知道这样做不对,迫于提交论文的需要也只能随波逐流。更可怕的是,一些依靠发表“地球化学”文章取得话语权的人自觉不自觉地压制严肃科学。

在学术交流会上,当他们询问科学依据的时候,眼里只有地球化学测试数据。象攀枝花铁矿这样矿体明显侵入岩体的地质证据竟然会被多年来视而不见,依然用原位分离结晶作用和液体不混溶模型来解释矿床的成因;应用岩浆通道模型时,也想不到需要提供岩浆通道的地质证据。

这种情况继续下去,会使我们丢失科学思维的能力。因此,我感到这是一个很严重的问题,有可能毁掉地球科学。

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