吴春明
中国科学院大学 地球科学学院,北京 100049
课程建设
培养有学术思想的研究生—讲授“变质地质学”研究生课程的体会
吴春明
中国科学院大学 地球科学学院,北京 100049
变质地质学从研究岩石变质演化的角度,反演地质历史上变质地质体经历的构造-热事件演变过程,是大地构造研究中极为重要的一个方面。本课程教学中,注重讲授近年来发展起来的新理论、新方法、新技术手段,尤其注重启发学生批判性研读文献的思辨能力以及独立思考能力。
变质地质学;启发式教学;探究式学习
变质岩是人们所认识的第三大类也是最后识别出的一种岩石类型。在记录较深部地质演化历史方面,变质岩具有得天独厚的优越条件。变质岩中保留的变质反应结构、多世代矿物组合,以及借此反演的变质环境压力-温度随时间连续演变的历史(变质作用P-T-t轨迹),反映了变质地质体构造-热事件演变历程。因此,变质作用演化过程的深入研究,是大地构造演变研究中不可替代的重要研究内容。30年前,平衡热力学、高精度地质年代学引进变质作用研究后,变质岩石学已悄然转变为研究内容更为宽广、研究程度也更为深入的变质地质学科。本学科也从以往定性研究为主,转变为以半定量乃至定量研究为主,成为一门生机勃发的学科。尤其是近年来对高压-超高压变质作用、高温-超高温变质作用的深入研究,使得人们对地球演变的认识有了更为深刻的革命性变化。因此,开设变质地质学研究生课程恰逢其时。
笔者自2004年春季开设“变质地质学”课程以来,已连续在中国科学院大学开课11次。选课学生大多为硕士研究生,少数为来自不同单位的博士生及旁听生。选课学生来自中国科学院系统的地质与地球物理研究所、地球化学研究所、广州地球化学研究所、兰州地质研究所、本部地球科学学院,以及中国地质科学院、中国地震局、中国海洋局系统。多年来经过选课学生对任课教师的匿名评价,授课效果尚可。基于此,笔者将这些年授课的点滴经验和启发,在此做粗浅总结,期望能起到抛砖引玉的作用。
“变质地质学”研究生课程以美国Rensselaer理工学院Frank Spear的著作[1]、美国Whitman学院John Winter编写的教科书[2],以及德国Freiburg大学Kurt Bucher与韩国高丽大学Rodney Grapes编写的教科书[3]等为蓝本,辅以其他中、英文教材。结合科学期刊和专著中的研究成果,编制了电子版课件,以PPT文件的形式在课堂上演示。
本课程选课学生大部分为矿物学岩石学矿床学、地球化学、构造地质学、地球物理学、地质工程等专业的研究生。他们有的在本科阶段没有学习过岩石学,有的虽然学过岩石学但是本科阶段学时太少,学科基础参差不齐。为了与本科阶段做到有效衔接,本课程前段仍然安排了少量课时,讲授关于变质作用的基础知识。本课程课件总共分为15章内容,依次是变质作用概论、变质岩结构与构造、影响变质作用的主要因素、新型变质地质图、变质-变形耦合关系、变质反应与反应结构、变质作用相图分析与应用、变质作用P-T-t轨迹、变质作用中的PTXM相关系、环带状变质矿物、极端变质作用、变质作用中的流体、变质作用中的氧化物与硫化物、变质作用年代学、变质作用与大地构造。其中,重点剖析、讲授的内容包括第4章(新型变质地质图)、第5章(变质-变形耦合关系)、第6章(变质反应与反应结构)、第7章(变质作用相图分析与应用)、第8章(变质作用P-T-t轨迹)、第9章(变质作用中的PTXM相关系)、第10章(环带状变质矿物)、第11章(极端变质作用)、第14章(变质作用年代学)以及第15章(变质作用与大地构造)。
自20世纪80年代平衡热力学引进变质作用研究,以及近年来发展的高精度年代学方法引进变质作用定年以来,变质地质学研究达到了半定量程度,正在向着定量化方向发展。可以说,变质地质学科几乎每年都有进步,表现在人们不仅对本学科的理论、方法、手段的发展时时有进步,同时对地质历史上发生过的俯冲-碰撞-造山后折返过程中的变质演化有了越来越深入的理解,实际上正在深化并发展板块构造理论。这些最新研究进展,散布于各种中、外文期刊和专著中,授课中注重及时把这些材料补充到课件中。因此,备课实际上是并且也应该是教师连续不断的工作内容。
就笔者看来,这些进展(尽管不全是近年来的最新进展)至少包括但不限于以下方面:(1)多期与单期变质作用、多相与单相变质作用[4]的准确识别,使人们能从纷繁复杂的变质地质体中剥离出多种宝贵的科学信息,在大地构造演化研究中充分发挥变质地质学科的作用。(2)平衡热力学的成功引进。尽管平衡热力学早已延伸至岩石学领域,但是就变质作用而论,较为成熟的理论,似乎以Spear发表的Gibbs方法在变质作用中的应用[5]为里程碑。自此以后,热力学模拟计算软件,例如GIBBS[6]、THERMOCALC[7]、Perple_X[8]、THERIA_G[9],在变质演化过程的定量模拟方面取得了很大的成功。在模拟计算出的视剖面图(pseudosection)上,可以标示各种矿物组合的稳定区域、各种矿物摩尔数及各种矿物成分的变化过程。将岩石中各个变质阶段矿物组合、矿物成分,与视剖面图相对比,可反演变质作用演化历程及P-T信息。(3)新型温度计的建立及应用。近些年来,除了常规的主量元素温度计与压力计之外,人们还建立了一系列基于微量元素的温度计,例如锆石Ti温度计[10]、榍石Zr温度计[11]、金红石Zr温度计[12]、石英Ti温度计[13]、白云母Ti温度计[14]等。这些温度计应用简便,推动了变质地质学的发展。(4)高精度放射性定年的技术进步。近些年来,不仅锆石的二次离子质谱(SHRIMP、CAMECA)U-Pb定年精度大幅度提高,人们还拓宽了定年的副矿物种类,例如斜锆石[15]、榍石[16]、独居石[17]、磷钇矿[18]、金红石[19]的定年都取得了成功。尤其是矿物原位微区定年的进步,使得精细反演变质演化过程有了更好的手段。(5)变质岩中一些特殊变质反应结构及其地质意义的发现与论证,例如超高压榴辉岩中石榴子石出溶反应结构[20]、超高温变质岩中长石类矿物中出溶反应结构等,为深入洞悉不同寻常的变质环境,提供了极为难得的直观科学信息。(6)一些典型的变质作用P-T-t轨迹与大地构造演化过程之间的近似对应关系,为从变质作用演化角度反演构造演化过程,提供了虽不完善但却宝贵的理论基础。这些进展都已及时纳入教学课件。
每年在第一节课时就明确告诉学生,鼓励课堂提问。告诉大家,第一不要给自己留面子,不要以为问到了什么“低端”问题就会使自己难堪。第二,也不要给教师留面子。教师不懂的问题,还可以请教其他专家。总之,科学上不存在什么面子问题,弄清楚科学问题的来龙去脉、存在问题、解决之道,才是最重要的。
一般是100分钟正式课时结束后,鼓励大家当堂集中提问,以便教师的回答能尽可能让更多上课的学生所了解。课下也有学生通过电子邮件或到访教师办公室交流。从这些年的教学实践来看,学生们的确是动了脑筋。有些学生提出了诸多深入的科学问题,有些属于变质地质学领域内的,有的是与其他学科密切相关的。通过师生互动,强化了教学效果。
笔者对每届选课研究生都公开言明,教师心目中的好学生,不是那些通过死记硬背得到高分的学生,而是那些能提出问题的学生,本专业研究生尤其更应如此。因此,常常就某些似是而非的问题,鼓励同学们提出质疑,更欢迎同学们对一些看似有定论的问题提出怀疑。例如,今天能在地表看到的变质岩,是否一定经历了退变质过程?基性麻粒岩中“白眼圈”和“红眼圈”反应结构同时形成的情况,是否可能?同一个薄片中的同一个视域中,变质高峰期矿物组合与退变质矿物组合之间,是否存在热力学“局部平衡”状态?本质上,反演变质作用P-T-t轨迹应该采用同一块岩石;不过,在条件不具备的情况下,也可采用紧邻的不同岩石。但是,能否用距离较远的几块变质岩石,反演出一条P-T-t轨迹?如果岩石依次经历了区域变质事件、热接触变质事件、韧性剪切动力变质事件,那么,是否可以把这些事件的P-T条件构筑成一条P-T-t轨迹?此类问题教师一般不当堂给出看法或结论,而是鼓励同学们课下讨论,在下次课上利用有限的时间交流。
科学文献是前人知识的积累,既是人类宝贵的科学财富,更是人类科学进步的阶梯。为了加深学生对学科的理解,初步养成批判性阅读文献的能力,自2004年本课程开课之初,就开始从国际期刊发表的英文文献中,选择约350篇,供学生选读。文献大致分为变质作用通论、变质反应结构、变质-变形关系、变质作用热力学、变质作用P-T-t轨迹、变质作用相图应用等六大类。根据选课学生人数,要求学生分组,每组1~3人组成,保证各组选读文献不重复。在倒数第1、2次的课堂上,汇报文献研读情况。汇报需要反映如下内容:(1)本项工作的科学意义或区域地质意义、技术手段、研究成果;(2)文中如果存在错误,需明确指出;(3)本项工作还有哪些可完善之处?通过文献研读,每个年级总有一些同学能发现文献中存在的不足甚至错误之处。这两次课堂汇报实际上是一个模拟的学术研讨会,不仅要求报告人守时,同时还要求听众提问。尽管参与本课程的研究生研究方向多数并非变质地质学,他们在课堂讨论中还是积极参与,也学到了一些思辨方法。
毋庸讳言,变质地质学科目前仍然存在着一些悬而未决的问题,其中有些问题甚至属于基础科学问题。这里列举几个实例。
(1)变质岩中特定变质反应结构与特定P-T-t轨迹的对应关系。例如,基性麻粒岩中的“白眼圈”反应结构[21],即围绕石榴子石变斑晶生成的退变质后成合晶矿物组合(斜长石±单斜辉石±斜方辉石±角闪石±石英),被普遍认为是在“近等温降压”(near isothermal decompression)退变质过程中形成的,可能形成于造山过程后期变质地质体快速折返、抬升、垮塌的过程。类似地,基性麻粒岩中的“红眼圈”反应结构[21],即围绕斜长石+斜方辉石±单斜辉石±石英生成的退变质后成合晶矿物组合(石榴子石+石英),被普遍认为是在“近等压冷却”(near isobaric cooling)退变质过程中生成的,可能形成于拉张环境下(例如大陆裂谷)大规模岩浆底侵过程中。实际上,这些“结论”只是目前大家偏好的也是流行的一种解释,论证还不充分,需要进一步深入研究。
(2)变质作用压力的解释、压力高峰和温度高峰的“脱节”问题。实际上,人们往往将计算出的变质作用压力默认为静态压力,并未从中剥离出不同方向差异应力的贡献。此外,尽管人们早已知道,由于岩石传热速度较慢,岩石承受的压力高峰往往与温度高峰不一致,但是在实际研究中,这个问题并未得到解决,很多情况下往往不得不设定温度高峰和压力高峰同时达到。
(3)热力学视剖面图模拟变质过程的解释问题。平衡热力学方法模拟计算出的视剖面图,是指在变质过程中岩石保持化学封闭系统的情况下,不同温度-压力条件下岩石中“应该出现”的各种矿物组合、各种矿物的成分、矿物出现或消失的条件。实际上热力学计算中,并没有条件考虑反应动力学因素,因此计算出的某些“应该”发生的变质反应未必一定会发生,由此得出的各种矿物组合和预测的矿物成分,还只能作为参考。
(4)变质作用的定年问题。目前有一种流行的做法,就是把变质锆石U-Pb年龄等同于变质作用的地质时代。实际上,一期变质作用是一个过程,不可能是一个“时间点”。另外,只有综合采用多种定年方法对多种变质矿物定年,才能得出接近客观事实的结论。宏观上,根据切穿变质地质体的未变质侵入岩岩墙、岩脉、岩体的年龄,能有效约束变质作用的时代上限。
变质地质学科领域存在的基本问题,当然还不限于上述几个。在课堂上讲授相关内容时,教师都及时提醒学生们,这些问题的现有解释仍然有待发展。
为了强化教学效果,每学年在本课程的晚期阶段,适时邀请一些富有研究成果的专家来校作学术报告,但不占用本课程的课时。实践说明,这些前缘学术报告,的确起到了深化学生知识、拓展学生学术视野的作用。
变质地质学科领域的诸多进展,基本是国外科学家引领的,中国学者取得的原创成果[20]比较少。笔者在授课中明确告诉学生,变质作用P-T-t轨迹的概念、变质相系的概念,实际上通过认真思考都是可以想象到的,但是为什么这些新概念不是花落中国,值得我们深思。因此,在授课中注重引导学生们树立远大志向,以当优秀地质学家为目标,以有新发现为快乐,以能引领国际学术界为光荣。
笔者的理解,研究生课程不能是大学“五年级”、“六年级”的层次,应该起到引导学生快速进入研究状态的作用。作为教师,仅仅机械地教授给研究生书本上的知识,是远远不够的,教师至少要做到授人以渔的技能。实际上,最优秀的教师,应该能够培养出一批学术上超越自己的学生,这也是对教师自己最好的回报。
不过,通过授课发现,最近这几年入学的研究生,已经有相当一部分对科研没有了太大的热情。这同二三十年前,全国青年向往科学家的情形,形成了鲜明对比。因此,授课中发现并鼓励那些对科研有热情的研究生,是教师的另一项义务。
这些文字,只是讲授一门研究生课程的经验与体会。实际上,前辈学者在全程培养变质地质学博士生方面的独具匠心[22],是特别值得我们学习的榜样。
致谢:感谢审稿专家提出的宝贵意见。谨以拙文祝贺著名变质地质学家王仁民教授八十寿辰。
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metamorphic geology; heuristic teaching; exploratory learning
G642
A
1006-9372(2015)01-0045-04
2014-10-28;
2014-12-09。
国家自然科学基金项目(41225007)研究成果。
吴春明,男,教授,主要从事变质地质学的教学和科研工作。
Title: Experiences in Teaching the Graduate Course of Metamorphic Geology to Cultivate the Graduate Students with Academic Thought
Author(s): WU Chun-ming