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石头的诗人—地球化学先驱费尔斯曼的故事 精选

已有 6262 次阅读 2020-1-4 08:59 |系统分类:人物纪事

地质学总体而言,属于一门粗放型的科学,应以地质体与地质现象为研究对象,通过野外调查与室内分析,追寻时空演化秩序,探索地球乃至宇宙历史进程。而现代地质学的发展,特别是高精尖技术的进步,使地质学家不断缩小研究范围,更加专注于狭小领域,精益求精,以期取得令人瞩目的成就,但另一方面又使他们目光越来越短浅,对于相邻科目知之甚少,仿若被关进了鸟笼,进入了幽冥。回望历史,我们发现前苏联地质学家在把握物质之间的宏观关系时更具有全球视野,譬如单个化学元素多由西方科学家发现,但却是俄罗斯科学家门捷列夫(Mendeleev)首次发现了元素之间的内在联系—元素周期表。门捷列夫的学生维尔纳茨基(Vernadsky)这位前苏联地球化学派的代表人物在独立的学科地质、化学、生物以及人类学之间架设了桥梁,开启了生物地球化学之门,建立了地球上重大进程之间联系的全新图景,他像德国伟大的地理学家、博物学家洪堡(Humboldt)一样,用思想构筑了一个整体,而不是拘泥于细节。维尔纳茨基的学生费尔斯曼(Fersman)浮掠地质,醒悟自身,沿着老师的步伐,在地球化学与矿物学领域建树丰硕,成为现代地球化学最重要的奠基人之一。

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费尔斯曼(1883-1945,来自网络)

费尔斯曼,1883118日出生于圣彼得堡,父亲是名建筑师与军官,母亲是名钢琴家与艺术家,每年夏天,费尔斯曼全家都要到克里米亚山脚下舅舅的庄园避暑度假。那里山清水秀,景色宜人,但是令费尔斯曼着迷的却是河边色彩各异的石头,他小心翼翼将这些岩石收集,直到有一天在地主的房子里发现一个标有矿物名称的标本匣,他才知道原来这些普通的石头都有一个不普通的名字。后来有幸跟随父亲去希腊、捷克斯洛伐克等国家,商店的橱窗里摆放着许多精美的岩石与矿物,费尔斯曼毫不吝啬,倾囊相购。这位少年矿物学家未来成就可期,幼年活动可见端倪。

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莫斯科费尔斯曼矿物博物馆(来自网络)

19世纪,矿物多被看作一种固定不变的自然产物,因而矿物学便成了一门单纯记录矿物外表特征死气沉沉僵尸般的科学。对岩石与矿物满怀热情与憧憬的费尔斯曼走进了敖德萨新俄罗斯大学的校门,但课堂上矿物学教授的老气横秋与陈词滥调,让他大失所望,有了完全放弃改换门庭的想法。1903年,因为父亲工作调动的原因,费尔斯曼转入了莫斯科大学,在这里认识了执掌矿物教研室的维尔纳茨基。维尔纳茨基是科学中的革新家,他反对那种把矿物看作一成不变东西的陈腐观念,认为矿物和自然界中的其他事物一样,是不断变化着的,是长期发展过程的结果。他把矿物看作是在地壳中不断进化着的化学作用的产物,认为矿物学就是地壳的化学,因此必须研究组成矿物的那些化学元素的历史,以及研究同地球上的生物活动有关的化学作用。这种崭新的思想深深吸引着费尔斯曼,使这位青年学生重新走上了自己选择的道路。他以无比的热情来研究新的矿物学原理,研究矿物生成和进一步转化的条件,他探求着矿物生成时地球内部所发生的变化和矿物形成的规律。幼年时自发的兴趣,接受了正确的理论指导,经过有意识的培养和提高,就变成坚毅不拔的意志的源泉。

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维尔纳茨基与费尔斯曼(来自文献4

1907年大学毕业后,费尔斯曼去了法国与德国进一步深造,并游览了意大利与瑞士,特别是在海德堡大学,与哥德施密特(Goldschmidt)合作,完成了生命中第一本重要的著作《金刚石》。费尔斯曼研究了大量变形金刚石的晶体和经过溶蚀的复杂晶形,得出结论:这样的晶体是金刚石正常发育以后,表面溶蚀的结果,他还亲自绘制了许多插图,巧妙地把他在研究金刚石时所观察到的现象和金刚石的各种晶体形状介绍给读者。去意大利旅行时,他在地中海厄尔巴岛(island of Elba)上看到了许多晶体粗大并含有稀有矿物的伟晶岩脉,从此开启了他对伟晶岩的漫长研究,并出版了有关这方面的经典卓著《伟晶岩》。众人皆知,组成矿物和岩石的化学元素的分布情况皆受地壳中这些元素的比重大小不同规律支配,岩浆的侵入破坏了原有规矩,使得这些化学元素在岩浆内外重新布局。岩浆在深处结晶分异出来的矿物相当于岩浆的主要结晶期,是岩浆岩的主要成分。与此同时,剩下的溶液以及没有进入先前结晶矿物的元素就相对富集起来,形成残余溶液。残余溶液侵入岩体或附近围岩的裂缝中,就形成了伟晶岩,生成的稀有矿物交织成一幅五光十色的美丽画卷,它们一切漂亮的色彩和珍奇的特点多由氟(F)、硼(B)、铍(Be)、锂(Li)四种元素组成。费尔斯曼的思想至今仍然是伟晶岩研究学者行动的指南。值得一提的是,1912年,费尔斯曼回国后两年在俄罗斯首次开设了地球化学这门课程,从此他的科学生涯与地球化学紧紧捆绑在一起。

发生于1914-1918年的第一次世界大战以及1917年的俄国十月革命使费尔斯曼慢慢认识到资源对国家发展的重要性,特别是在与伟大领袖列宁同志交谈后,更是激起了他为国家寻找宝藏的热情。利用在苏联科学院资源委员会工作的契机,他组建领导了大批科考队,餐风露饮,彳亍迤逦,深入乌拉尔、克里米亚、高加索、科拉半岛等地寻找国家急需矿产,发现了一大批矿床(点),有些更是发展为国家矿产资源重要基地。

乌拉尔是一座世界闻名的宝山,蕴藏着无穷无尽的财富,宝石、金属、非金属、能源、化工材料等一应具有,矿物种类达800余种,单只在依里明山地区150平方公里的山地上就有500个矿坑,发现145种矿物,更是钛铁矿、钙霞石等30种矿物的世界首次发现地。沙皇俄国时期,国家不重视矿产,采矿业奄奄一息,苏联建立后,矿产成为国家建设的基础,采矿业重焕生机。费尔斯曼常常冒着生命危险在极其简陋的条件下下矿井工作,他提着煤油灯,坐在木桶里,双手握着从上面掉下来的绳索,慢慢地下降到漆黑的矿井里。他借助微弱的灯光细细观察井壁,当发现矿物时,便大声疾呼“停下”,以采取标本。多次步行上下山,使得衣服破烂不堪,活脱脱一丐帮长老,有时更是引起了许多不必要的麻烦。譬如,有一次坐火车,他虽然拿着头等车厢的车票,但却被乘务员拒之门外,“你往哪里乱闯,头等车厢不是为衣衫褴褛的人准备的。”后来列车长来了,费尔斯曼拿出证件,才得以解决。在苏维埃时期,当国家替科学家准备了一切条件的时候,当国家给地质工作者大量资金的时候,费尔斯曼仍然保持着艰苦朴素的作风,他非常爱惜国家拨给的经费,把它全部用在工作上,用在他所喜爱的地球化学研究上。

卡拉库姆是前苏联最大的沙漠,位于中亚不毛之地,传说沙漠里没有一滴水,不长一根草,到处是骆驼的遗骸和旅客的尸骨,矿产更是一片空白。但费尔斯曼深谙矿物的分布规律,坚信中亚是一个矿产十分丰富的地方,断定卡拉库姆沙漠中一定有一种特殊矿物—硫。因为凡是炎热的、干燥的土壤中没有植物酸的地方就能发生一种特别的地球化学作用,使岩石发生特种碱性分化,在这种条件下,易溶解的盐类,例如硫酸盐就会集中起来。沙漠气候变化多端,无风时,艳阳高照,炙热如火;有风时,飞沙走石,天昏地暗,就是在这样的困难条件下,再加上不佳的身体状况,费尔斯曼和他的勘探队发现了富集的硫丘。观察表明,硫丘并不是旧有地质资料中认为的是一个喷出蒸汽和硫溶液的火山口,而是一个泉水沉积,水里面含有二氧化硅和硫化物,硫化物是从沉积围岩里淋滤出来的,这是科学上一个重要的新发现。在卡拉库姆沙漠发现硫矿不久,苏维埃政府做出了在该地区建设实验工厂的决定,源源不断的硫被运往全国各地,也改变了当地居民自古以来愚昧落后的状态。

科拉半岛大部分处于北极圈内,天寒地冻,人迹罕至,在随一个专门委员会踏查了科拉半岛中部的希宾苔原后,费尔斯曼就觉察到这个地区的巨大矿产潜力,于是组建了第一个苔原勘查队。苔原气候异常寒冷潮湿,常常一连几天下雨不息。费尔斯曼没有被困难吓倒,他虽然是一个大胖子,但在山上行走非常灵活,时而用锤子当拐杖,时而用手指攀住斜坡凸起物,每当发现闪耀着各种色彩的矿物时,劳累困顿都抛于九霄云外,激动兴奋溢于言表。功夫不负有心人,终于发现了一条品位高的磷灰石矿脉,经过进一步工作,又发现了几处磷灰石夹层,费尔斯曼明了,希宾苔原产有磷灰石不是偶然的。经过长时期实地调查与研究,费尔斯曼逐渐掌握了磷灰石的分布规律:希宾苔原的岩石呈弧形分布,岩浆应沿着环状裂隙从深部侵入上来,就像若干现代火山岩浆喷射的样子。他在希宾苔原地球化学图上画了一道弧,并根据这张图做出了科学推断,什么地方有什么矿物,他把这些推断放到实践中去检验。后来发现的第一个巨大磷灰石矿床恰好就处于所画条带上,事实证明了费尔斯曼预言的正确性。后来的发现如雨后春笋,希宾苔原逐步发展为世界上最大的磷灰石矿床,成为闻名遐迩的磷灰石基地。希宾城在苔原上拔地而起,随后蒙契城也应声而立,铜、镍和其他矿产也不断被发现,捷报频传。

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在希宾苔原经过45天野外勘查后的费尔斯曼(来自文献5

费尔斯曼最主要的成就还是在地球化学方面,他把阐明某种元素在地壳中的相对分布关系或它们在地壳中的丰度作为研究地球化学的基础。为了便于研究,他把元素在地壳中的丰度称为“克拉克值”,以纪念美国地球化学家克拉克(Clarke),并首次使用了原子克拉克值(在此之前使用质量克拉克值)。费尔斯曼认为元素在地壳中的丰度愈高,由这种元素组成的矿物数目便愈多,就会较早地从溶液或熔体中分离出来。反之,丰度特别小的元素,便不能生成独立矿物,只能以类质同象方式进入其他分布较广元素的晶格中,或以一种现在尚未明了的“微观宇宙混合物”形态存在。此外,他还认为物质的富集和分散过程是原子移动的统一过程的两个方面,在地球发展的不同时期,原子移动的类型也不尽相同。在早期,原子核的性质起着决定作用;随着地球的冷却和原子核周围电子层的出现,决定原子移动的便是电子层的构造。总之,在他看来,所有的生命、物质变化、甚至生命过程本身,都是元素周期表所有化学元素的分散和组合的法则,地球和所有空间都是由这些元素构成的。一个人仅仅通过在实验室里研究它,是永远无法把无生命的石头从大自然的大实验室中剥离出来,而大自然正是在这个实验室里发生着无穷尽的无生命的变化。费尔斯曼以形象、生动、引人入胜的方式表明,地球化学与矿物学这些科学不是由枯燥的思想、没有生命的,死气沉沉的自然物体组成的;相反,它们是关于自然现象的起源和历史的科学,是构成地球表面的复杂的化学过程,这种化学过程缓慢而又无情地把看上去毫无生机的冷漠岩石变成新鲜的化合物。

费尔斯曼不仅在科学研究上和地质勘探上是一员大将,在科学书籍的著作上也是一个英雄,他一生共写了1500多种著作和论文,他所有的著作,即使是深奥的理论也引人入胜。费尔斯曼是随时随地在任何环境下都要进行写作的。在车厢里、在汽车中、在摇晃的船只上,无论是寒冷的夜晚还是汗流浃背的酷暑,他都孜孜不倦。在野外,当他有所发现时随手记录下来,这些笔记便是日后写作的源泉。他身上永远带着小纸条,不管在会议室或是餐桌旁,只要有所领悟或有所感触,立刻把自己的思想记录下来,从不放过任何一个引起他注意的事物。写得密密麻麻的小纸条日积月累,他的助手分门别类把这些纸条放在纸夹里,挂在办公室的墙壁上。当他要写书的时候,便拿下纸夹取出纸条,逐条看过以后,拟出各章节的提纲,然后进行口述,同时由两位速记员来记录,速记员每隔一小时要轮换休息一次,而费尔斯曼可以一连几小时不知疲倦地叙述下去。《趣味矿物学》就是这样写成的,这本书在少年儿童中掀起了学习地质的热潮,成百上千的少年儿童对采集矿物和岩石发生了浓厚的兴趣,从小就树立了终身从事地质事业的志愿,许多小朋友长大后得偿所愿。他的《伟晶岩》巨著花了30年的时间才写就,他的四大册《地球化学》是全世界第一部杰出的地球化学著作。此外他的《趣味地球化学》、《我的旅行》、《宝石的故事》、《石头回忆录》也备受好评。地质学本身妙趣横生,地质学家才会无怨无悔奉献一生,心甘情愿成为它忠实的奴仆,费尔斯曼没有独享这种乐趣,而是传给了一代又一代……

费尔斯曼整个生命都燃烧着对祖国、对科学、对人民的热情,这种热情鼓舞着他,使他不倦地劳动、创造和战斗。即使在他的充沛的生命力由于长年累月的巨量消耗而行将熄灭的时候,他也一天不能离开自己挚爱的工作。当他身患重病不得不去索契疗养的时候,他还带着打字机、老师的信件以及有关地球化学的若干资料,决定在那里为他不久前刚刚去世的老师—维尔纳茨基写传记。他同他的老师有着44年深厚的友谊和在科学道路上探索前进的共同经历,他老师的形象是鼓舞他前进的动力,他不愿让他的老师的生平事迹淹没无闻。1945520日,当费尔斯曼写完《维尔纳茨基的生活道路》一书的概要的第一章后,他的心脏停止了跳动,脑溢血和心脏病夺去了他的生命,结束了他光辉灿烂的一生。

参考文献

1.石岩山编著,1956,伟大的苏联地质学家:费尔斯曼院士,地质出版社

2.L.J.SpencerMemorial of Alexander Evgenievich Fersman http://www.minsocam.org /msa/collectors_corner/ arc/fersman.htm

3.Alexander Yevgenyevich Fersman, https://prabook.com/web/alexander.fersman

4. Alexander Fersman, https://peoplepill.com/people/alexander-fersman

5. Fersman and the Kola Peninsula ,https://www.geolsoc.org.uk/Geoscientist/ Archive/July-2008/Fersman-and-the-Kola-Peninsula




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