Question

李四光的系统科学观

Answer 1

李东旭

[中国地质大学(北京)]

论及百年来的中国地质科学的“学术思想”史，放在哲理的天平上，衡量我国老一代地质学家论著，应首推李四光先生的系统科学观。虽然由于种种原因，他的学术思想在我国地质学界近百年来未得到多数人应有的理解；但从20世纪70年代系统论的兴起，及其后的发展，与李四光几十年前的学术思想比较，将会发现他们之间有若干惊人的相似之处。从而不难理解为什么说李四光学术思想是先进的、超前的。李四光先生的学识博大精深，学术思想极富哲理。他的学术思想是我国地质学界的瑰宝。应予珍惜，应以科学的、客观的态度认真学习、研究、继承和发展。

以系统论为主导的学科群(诸如信息论、控制论、协同论、耗散结构、突变论、超循环理论、分形理论、运筹学、混沌论、复杂系统及复杂性科学等)在20世纪70年代后以一种新的科学方法论相继活跃于国际学术论坛。它们为科学家提供了一套新的科学思维方式，有利于解析复杂系统、促进多学科相互结合、优化工作方法、建立定量数字模式和计算机应用，有力地推动了科学技术以及社会科学的高速发展。许多学者认为“系统论”是继“相对论”和“量子力学”之后又一次“改变世界科学图景和当代科学家思维方式”的新兴科学方法论。贝塔朗菲认为一般系统论是科学思维的新“范式”，现代科学思维正由机械论的“范式”转变到一般系统论的“范式”；“一般系统论的发展将使科学走向大统一”。1978年以后，在钱学森和薛暮桥倡导下，国内也掀起了一股“系统工程”热，受到自然科学界、工程技术界、社会科学界乃至行政管理干部的普遍关注和运用，有力地推动了我国后30年改革开放的全面高速发展，足见系统科学的重大意义。

一般系统论包括5项基本原则：整体性原则，相互联系原则，层次性原则，有序性原则，动态原则。当我们重温李四光一系列著述和他去世前的谈话记录时，不难发现早在20世纪20年代他就在“地球表面形象变迁之主因”一文提出全球系统概念和大陆车阀说时就已体现了系统论的观点，此观点持续到1970年的《天文、地质、古生物》(资料摘要)的印出。在他的一系列著作中一直贯穿着先进的系统论思想和系统科学方法，而且在不断地发展、深化和完善。以下让我们从他在地质力学方面的著作中摘要列举有关系统科学的论述。

一、全球构造整体观

系统论的核心思想是系统的整体观念。系统中各要素不是孤立存在的，而是相互关联构成一个不可分割的整体。从1926年李四光发表的“地球表面形象变迁之主因”一文，不难看出文中充满了系统论思想。首先，在该文的第一节，在点评当时国际上著名地质学家(Eduard Suess，F.B.Taylor，A.Wegener，J.Joly)的构造动力学论点时，就尖锐地指出：“我们不能不承认大多数地质工作者似乎是见树不见林”。文中通过全球各大陆新生代造山带展布规律的力学解析及全球古生代以来的海水进退规程论证了构造运动的动力来源于地球自转角速度变化，指出“当地球的转速增加超过一定极限时，所有大陆块都作为巨大的刹车而自动地出来制动”，即大陆车阀说。由此可见，李四光地质视野早已将地球作为一个整体进行研究。

二、成生联系及构造型式

系统是由若干相互联系或相互作用的要素或过程所构成的一个有独特意义或功能的整体，其中要素的相互联系或相互作用是构成同一系统的前提。1929年李四光在英国《地质学杂志》上发表的“东亚一些构造型式及其对大陆运动问题的意义”一文中，在批判简单地运用“构造线”的弊病基础上，就提出构造要素的成生联系(genetic relation)的概念，指出：“必须意识到平行的构造线并不总有成生联系，而有成生联系的构造线并不必须平行”。在这个基本原则的基础上，根据东亚地区构造体系总体几何形态，通过模拟实验建立了两类7种构造型式。单一体系(unitary systems)类有多字型构造、帚状构造、帚状-三角型构造、歹字型构造、山字型构造；共生体系(syntaxial systems)有入字型构造和膝型构造。从这里可看出：李四光的构造系统概念中将“成生联系”视为同一系统的“基本原则”，与现今一般系统论的相互联系的原则是一致的。再有他采用模拟方法来验证构造要素之间的成生联系，建立不同型式的构造系统。尽管操作很简单，但他的研究思路是先进的。因为模拟是现代系统工程的一个重要环节。值得注意的是，在这篇文章中还有许多创新认识，例如“从大地构造学的观点，我们至少可以分出两种类型的剪切：第一种是平行剪切或直线剪切，第二种是扭转剪切。”后者至今尚未被传统构造学认知。

三、构造应力场与构造运动

动态解析是一般系统论原则之一。一般系统论还强调系统的开放性，即系统要同周围环境进行能量或物质的交换，以保持系统内部结构的有序性和稳定性。1945年在重庆大学印刷的《地质力学的基础与方法》一书，基本奠定了地质力学作为一门新学科的核心内容。其中最重要的一点是，首次给出了构造应力场的概念和反演古构造应力场的方法，即将同一时期、不同地点形成的岩石变形所对应的主应力总和，通过不同型式的构造体系(应变场)推导整个区域所受之外力。“如是可将地质力学的工作程序简示于此：地质构造学→动力地质学”。由此可见，地质力学的构造系统的动态研究路线与一般系统论的要求是不谋而合的。这部著作中用了较大篇幅介绍了应力应变、弹性塑性基本知识，其中特别通过一个弯曲的冰川砾石，形象地展示给人们流变的概念，即在没有高温和强大的压力条件下，长时间的作用，岩石也可以发生弯曲。时隔50年后构造地质学家才认识到它的重要性。

四、系统构造地质学与地球动力学

继20世纪50年代“关于地质构造的三重基本概念”(1953)、“旋卷构造及其他有关西北部大地构造体系复合问题”(1955)及“地壳运动问题”(1956)3篇重要文章之后，1962年出版了《地质力学概论》。这部经典著作是有关地质力学知识的系统总结，集中反映了李四光学术思想和科学方法。书中核心内容包括两部分：构造系统论和地球动力学。第一部分的主要特点有二，一是对构造体系概念赋予严密定义，二是拟定了科学地研究地质构造的工作程序和方法。

关于构造体系或系统的定义已为大家所熟知，即“构造体系(system)是许多不同形态、不同性质、不同等级和不同序次，但具有成生联系的各项结构要素(elements)所组成的构造带(tectonic belts)以及它们之间所夹的岩块(rock mass)或地块(land mass)组合而成的总体”。“这个总体，是一定方式区域构造运动(即地壳的一个组成部分的运动)的结果。一定方式的区域性构造运动，就它发动的时期来说，主要是一次的，但也可以断断续续地前后分为几次……”。乍看来，这个定义与多数学者赋予的系统定义区别不大，都具有整体性、联系性、层次性、有序性和动态性的原则。地质力学是将区域构造体系分为两个层次，一是结构要素，二是构造带和地块。为了便于反演构造应力场和构造运动联系起来分析，将多种多样的结构要素(构造形迹)归纳为压、张、剪、张剪、压剪5类；组成构造体系的高层次要素则是构造带和地块或岩块。这两类要素是相辅相成的，实际上，构造带就是强应变带，而地块是弱变形域；扩大范围，所谓地台、板块或盆地相当于弱变形域，而地槽、造山带、板块碰撞带相当于强变形带。两者共同组成一个系统，是同一时期、同一方式方向构造应力场形成的应变场，也就是“一分为二，合二而一”的辩证关系。

构造体系层次的另一种表现在大系统中含有子系统，在论述根据地质构造探讨区域构造运动方式和方向时，李四光提出了一个“普遍原则”，“就是局部运动是由更广泛的区域运动所决定的，不管运动的性质是属于造山、造陆、克拉通或其他方式的运动”。论到级别时，他说：“我们必须牢牢地记着，在大的‘一盘棋’的局面下还存在着小的‘一盘棋’的局面。就是说在高一级的构造体系中，还存在着比较低一级的构造体系”。也就是说在大系统中，还有子系统。按照地质力学的构造等级和序次理论，子系统还应分为两类，一种是低级别子系统，另一种是低序次子系统。

五、研究构造的“系统工程”

《地质力学概论》一书的另一特点是，拟定了研究构造体系的工作程序和要求(七步骤)。分别是：①鉴定每一种构造形迹的力学性质；②辨别构造形迹的序次；③确定构造体系的存在及其范围；④划分巨型构造带，鉴定构造型式；⑤分析联合基复合的构造体系；⑥探讨岩石力学性质和各种类型构造体系中的应力活动方式；⑦模拟实验。这种研究程序与系统科学分析方法相近，特别是力学解析和模拟实验，促进了构造地质学研究的现代化。

这部著作在“地壳运动起源问题”一章提出“问题的复杂性”，也是地球系统的复杂性，可以从不同角度进行研究，但最终应令人信服地说明地质构造现象。他认为，“需要从3个方面，同时也就是3个步骤(程序)分别加以处理：①运动发生的时期；②运动的方式和方向；③运动的起源和动力来源。

总之，《地质力学概论》这部著作通篇贯穿着通往辩证道路的系统科学方法，它提升了构造地质学的理论水平，架起了构造地质学通往地球动力学的桥梁。

六、构造系统的功能及活动构造应力场——在实践中的应用

实践是检验真理的标准。李四光先生在他的晚年非常重视地质力学理论和方法在实践中的应用。大量的实例表明，采用地质力学理论无论在各类矿产的探采还是在地质灾害的防治方面都取得了良好效益。特别是与现代板块理论相比，地质力学工作方法有更强的实用性和可操作性。

值得注意的是，李四光早在1962年《地质力学概论》第三章中就将“在岩层中不显示构造迹象的应力作用和现时尚在活动的应力分配情况的探测”作为“当前地质力学中存在的问题”提出。实际上他已经在亲自与一位老钳工和一位学物理的大学生共同研制测量地应力的元件，并在房山花岗闪长岩体中进行试验。1966年邢台地震以后人们才开始逐渐认识到对现今活动构造应力场存在和地应力测量的重要意义。此后，这一新概念得以快速发展。由于现今活动的构造应力场客观存在，必然增加了构造体系的复杂性。

所谓系统的功能，是指一定结构的系统在特定的环境下所能发挥的作用和能力。这里涉及系统与环境的关系问题。因为任何系统都存在于一定的环境中，系统和周围环境之间，必然存在信息流(能量流或物质流)的交互作用，同时还存在两期以上古构造体系的叠加复合。

在我们研究构造与矿产关系时，不同的工作环节将与不同层次的构造体系发生关系。以大家熟知的我国东部石油天然气而言，3条新华夏沉降带控制三大系列含油气盆地(不止一个大庆油田)，每个大盆地中的油气田又受到低级序的新华夏构造控制，其中可能是多字形雁列背斜型式，也可能是帚状断裂系统。在下一级就是具体控制成藏的构造系统。实际上现今正在活动的构造应力场与油气渗流场还存在能量流和物质流的交互作用，也就是说地质力学理论不仅是用于找油，在勘探开发过程中仍在发挥作用；甚至油田中钻井的套管损坏也受到构造应力场控制，例如，在大港油田的一张套管损坏分布图中我们发现，那里的套管损坏是沿着一条活动主干断裂及其入字型分支断裂有规律地分布。

同样，内生金属矿床的生成与分布也与构造体系密切相关。几十年来，有举不胜举的实例。这里只举甘肃金川镍矿在勘探阶段经常卡钻、开发阶段坑道变形的实例。显然，这些都与现今活动构造应力场相关。不待说，在地震及其他地质灾害、工程地基稳定性、煤矿的瓦斯突出、地热异常等都与活动构造系统——现今构造应力场密切相关。总之，地质力学理论和方法在实践中与其他大地构造理论相比，有更加广泛的实用性和可操作性。实践是检验真理的标准，几十年来，大量成功实例可以作证。

七、系统的复杂性与要素的多重性

系统的复杂性(system complexity)是当今系统科学前沿方向，其目的在于揭示复杂系统的一些难以用现有科学方法解释的动力学行为，强调用系统论与还原论相结合的方法去分析系统。实际上，地质力学提出的构造体系的复合联合理论也是揭示复杂系统的一种方法。这里无妨举一实例。长江三峡的东段有一著名的黄陵背斜，在扬子准地台上很醒目，是一北略偏东平缓的短轴背斜，应是较典型的地台型构造。但与南北两边的构造极不协调，北部是向北突出的荆山-大洪山弧形褶带，南部是向北西突出的八面山弧形褶带。对于这一不协调现象，采用槽台理论难于解释，黄汲清在他的名著《中国主要地质构造单位》(1945)一书中，对此现象难以解释，姑且称其为“构造纽扣”。当我们按构造系统理论解析时，则豁然开朗，它正好是淮阳山字型西翼反射弧的脊柱和新华夏系复合的结果。也就是说它有两重身份，既是印支期淮阳山字型构造体系西翼反射弧的砥柱和脊柱，又是燕山期新华夏系第二隆起带的主干组分，由此可见采用不同构造幕形成构造体系的复合理论解析复杂构造系统的重要意义，也说明同一构造要素可具有多重性。

复杂系统的另一类型是层层相属、环环相扣的互规定关系。如地球自身是一个大系统，但它属于太阳系，太阳系是包括地球的更宏大的系统，地球仅是太阳系的一个要素；当将地球作为一个系统看待时，太阳系又是地球的生存和发展环境。自然，太阳系又是银河系统的组成部分或要素，将其作为一个系统，它又受控于银河系，银河系也是它的生存发展的外部环境。这种系统的层层相属、环环相扣的互规定关系是事物的真实存在，远非是一种矛盾双方的对立统一关系。复杂系统的理论要求是对事物的存在、运动和发展的经历做出超越矛盾二元结构简单思维的立体解释。1970年李四光的最后一部著作《天文、地质、古生物》(资料摘要)就是将我们思维引领到更加广阔、更加深邃的境界。

八、结论

综上所述，不难看出：

1)李四光在地质学领域与贝塔朗菲在生物学领域提出系统论的时间几乎是同时的，都是在20世纪20～30年代；以后的发展也几乎是同步的，不过贝塔朗菲的系统论发展为一般系统论，而李四光的系统论融汇了古今辩证思维，似乎他的构造体系理念更富辩证色彩。再则，钱学森先生倡导系统论始于20世纪70～80年代，而李四光提出系统论概念是在20世纪20～30年代，超前40～50年。这本是中国地质科学史中的一件大事，也是我国系统科学史的一件大事，遗憾的是至今尚未引起地质学界和系统科学专家们的正视和重视。

2)正因为李四光持有先进的系统科学观，才可能提出一系列超前的理论，致使同代人限于知识结构的不足和认识水平的不高而难于理解，以致反将其著述讽为“天书”。例如，构造应力场问题，他早在20世纪40年代提出后，当时并未得到同行的认知和理解，直到30年后，20世纪70年代才逐步被人们认识到它的重要性。

3)地质力学具有强大的“辐射力”和“生命力”。早在1958年李四光就提出地质力学是一门“多边联系的边缘学科”。在基础理论方面它与数学、物理、化学、生物、天文、海洋、气候等学科都有联系；在应用方面，其理论可用于与构造有关的各类矿产(包括石油、天然气、煤炭、地热、地下水)的寻找、勘探、开发的全过程，也可用于各类工程地质、各类灾害地质。地质力学研究所前所长崔盛芹曾对我说：“地质力学是个大筐，什么都可往里放”。这正是体现了地质力学的现代科学先进性，也恰恰验证了贝塔朗菲所说：“一般系统论的发展将使科学走向大统一”的预言。

参考文献及资料

[1]冯·贝塔朗菲.一般系统论.林康义等译.见：基础发展和应用.北京：清华大学出版社，1987

[2]钱学森，等.论系统工程.长沙：湖南科学技术出版社，1988

[3]汪应洛，黄麟雏.系统思想与科学技术发展战略研究.西安：西安交通大学出版，1985

[4]周硕愚.系统科学导引.北京：地震出版社，1988

[5]汪应洛.系统工程导论.北京：机械工业出版社，1983

[6]魏宏森，曾国屏.系统论：系统科学哲学.北京：清华大学出版社，1995

[7]李四光.地球表面形象变迁之主因.见：中国地质学会会志，1926，5(3～4)：209～262

[8]李四光.古生代以后大陆上海水进退的规程.中国地质学会会志，1928，7(1)：81～123

[9]李四光.东亚一些构造型式及其对大陆运动问题的意义.[英]地质学杂志，1929，66(782，783，784，785)

[10]李四光.地质力学之基础与方法.上海：中华书局，1947

[11]李四光.关于地质构造的三重基本概念.科学通报，1953，(11)

[12]李四光.旋卷构造及其他有关中国西北部大地构造体系复合问题.地质学报，1954，34(4)：339～410

[13]李四光.地壳运动问题(讨论提纲).北京地质学院学术报告，1956

[14]李四光.地质力学概论.北京：科学出版社，1962

[15]李四光.天文、地质、古生物(资料摘要，初稿).北京：科学出版社，1972

[16]李四光.地震地质.北京：科学出版社，1973

[17]李东旭.温长顺构造复合系统分析.地球科学，1983，(3)33～42

[18]李东旭.见：周济元主编.地质力学导论.北京：地质出版社，1986

[20]李东旭.地质力学与系统论——纪念李四光教授诞辰100周年.地球科学，1989，13(增刊)：17～24

[21]李东旭，温长顺.地质构造的多重性——兼论对马兰峪山字型构造的认识.中国地质科学院562综合大队集刊，1989，7～8号：201～212

[22]李东旭，邓一刚.北京西山构造系统及其复合效应，1995，1～11

[23]李东旭.构造复合系统分类及系统分析(摘要).见：纪念李四光诞辰120周年文集，2009，109～112

[24]徐守余，李东旭.油田地质灾害刍议.地学前缘——中国地质大学(北京)，2004，11(1)

[25]高庆华.创新发展地质系统科学——李四光学术思想研究成果摘录.北京：地质出版社，2011