四、地质力学

1940 年秋，李四光与几位学生到鄂西恩施和建始一带继续考察冰川遗迹。当他们一行到达湘西黔阳县城已是人倦马乏，于是来到一家茶棚里休息。就在他们坐着喝茶时，一位衣衫褴褛的农民悄悄走过来向他们推售珍贵的金刚石颗粒，李四光连忙拉住他的衣袖，请他坐下一同喝茶，并且详细询问了金刚石的来源。按照这位农民指点的路线，李四光等人穿过甘蔗田，越过长满柑橘的小丘陵，走进深山。在山间的岩壁上，他们证明发现了一条冰川擦痕，证明他们又进入了一条 U 形谷。他们急切地四处寻找，结果在一块大砾石的下面，发现了一颗虽然细小但闪闪发光的金刚石砂粒。有学生问：“李先生，你认为它们可能是冰川搬运下来的吗？”李四光答道：“是的，我正是这样分析的。”接着，他向学生们进一步阐明自己的想法，最后他总结道： “以前我们是沿着出金砂的河床往上游找金矿；现在，我们要注意冰川泥砾的分布，它是追溯金刚石矿岩脉的重要线索。”说到这儿，他顺着冰川的走向朝上游望了望，接着说：“我们在这儿发现的金刚石砂，它的原生矿床，应当在这冰川故道的高原上。这样一来，研究冰川遗迹，就与找寻矿产的普查勘探工作密切地联系起来了。”李四光的一席话，使大家茅塞顿开，对自己的研究工作更加信心百倍。

李四光所著《中国地质学》自 1939 年在伦敦出版后，受到英国地质学界广泛的关注与赞许，但也有人指责这本书重在理论探讨，没有包括矿产分布是一个明显的缺点。对于这种指责，李四光愤然反击，他说：“为什么要包括中国的矿产分布？在中国政府还受帝国主义支配的时候，难道要把矿产写出来，便于帝国主义掠夺吗？”爱国之情溢于言表。与此同时，李四光也对地质学的有关问题进行更深层次的研究，他的《中国地质学》一书曾对各种具体的构造类型的研究进行了总结，他认为只做到这一步是不够的，还应该在理论上找出各种构造的独特本质，去修改、完善构造体系这个概念。他在研究中发现，我国的东西构造带与其他构造体系显著不同，例如华夏系的走向是东北——西南，而新华夏系则为北北东——南南西走向。另外，山字形构造的特点是前弧一般向南凸出。这些不同类型的构造体系，往往显示对不同矿产的控制作用。如在东西带中，有时蕴藏着铜、钨、锡、金等类的重型矿体。在新华夏沉降带，则有沉积某种矿物资源的条件，例如石油之类。至于煤田的分布，往往与山字型构造有关。这是为什么呢？李四光废寝忘食地研究着这些问题。一天，他从工作室出来，由于全神贯注地思索，竟朝着与回家路线相反的方向走去，直到走进松树林，一声狗叫才打断了他的思路。他发现一只小狗蜷缩在一棵大树下，便将狗带回家，并给它起了个名字“阿龙”。李四光的女儿为小猫出入房门方便，在门房开了个小洞，阿龙见小猫钻洞，也想钻，但它身子比猫肥大，钻不进来就在洞口汪汪直叫，李四光看到后便对女儿说：“你是否学学牛顿，在这个洞口旁边，再开一个阿龙可以通行的大一点的门呢？”

李四光本来是顺口提起了牛顿，但这一提倒使他想起了牛顿力学中的作用与反作用定律，即某一物体受到另一物体的作用力时，必然产生与之相应的反作用力。李四光由这个定律得到启示：地球自转运动中所产生的离心力，必然会使地壳产生一种应力——地应力。地壳上的各种构造型式，就是由于受到地应力的作用而形成的。

为了从理论上研究地应力的作用，李四光进一步钻研力学、高等数学等相关学科，同时决定通过模拟实验进行验证。一天，他从旧货店买回来一个铝制空心大圆球，他将铝球安装在一根轴上，这就是地球模型，然后，在女儿的协助下，他将调好的纸浆均匀地敷在整个球面上作为地壳，一切准备完毕，李四光开始旋转铝球，随着旋转速度的加快，只见在地球两极和赤道之间的纸浆，因离心力的作用开始错位，缓缓向赤道方向移动，形成一个近似山字型构造形式，它的弧顶向着赤道方向（即向南）突出，在弧形中间出现了一条南北方向的脊柱。这个实验使李四光大为振奋。随后，他又和学生们一起，在实验室反复进行多次模拟实验，实验结果使李四光能够用力学原理来解释自然界地壳上出现各种构造型的原因。以山字型构造为例，当离心力推动地壳向南运动时，这个山字型的弧顶便向南突出；同样，当地壳受到来自南北方向力的挤压时，便会产生纬向构造带⋯⋯实验还进一步证明，这种力的作用影响到地球深处时，就会促使地下的某些矿藏向某个构造带集中，形成不同的矿床分布。

这是李四光地质研究中一个了不起的转折点，他将力学引入地质学的研究领域，并将二者有机结合，从此以后，各种地质构造现象便都可以用力学的观点加以解释并寻找规律了。

1940 年冬，李四光带领学生赴野外考察，途径江西，到达福建后住在厦门大学。厦门大学校长特请李四光作学术报告。李四光不顾旅途疲劳，做了精心准备。就是在这次报告中，李四光首次提出了地质力学这一崭新的科学课题，这是他的独创，也是地质学研究的一个飞跃。为了进一步论证地应力对各种地质构造的作用，李四光和学生们走出实验室，来到多次考察过的雁山，在第四纪冰碛和冰水沉积物中寻找标本。很快，一位名叫张更的学生发现了一块大约一寸多长、形状类似马鞍的小砾石，他拿着这块小宝贝去请教李四光，李四光手拿放大镜仔细端详这块石头表面的擦痕、弯曲的褶皱和清晰的纹路，又考察了石头所在地的环境，对大家说：“这块小砾石弯曲成马鞍形，我想它可能是这样形成的：一端被紧紧夹在坚硬的石缝里，另一端长期地被冰流推压着，渐渐地就成了这个形状。它证明岩石并非只会碎裂；在一定条件下，它也是具有可塑性的。”张更看到李四光如此珍爱这块小砾石，便把它送给了李四光。李四光把它视为珍宝，特意请木工做了一个精致的小木盒，将它存放起来作为科学研究的宝贵标本。他还为此撰写专题论文《一个弯曲的砾石》，在英国《自然》杂志上发表。关于这块小砾石，还有一段曲折的小故事。事情是这样的：广西大学邀请李四光作学术报告，李四光在讲到各种地质构造类型的形态时，拿出了那块珍贵的小砾石，一边举给听众看，一边兴致勃勃地说：“我搞了这么多年地质，还没见过这么好的标本呢。这块马鞍石，将引导地质力学进入研究岩层的弹性和非弹性力学的领域。” 听了李四光的介绍，学生们拥上来争着观看标本，李四光便把小石头放到木盒里递给台下的学生，让大家轮流观看，但万没想到，当报告结束时，送到李四光手中的竟是一个空盒，小砾石不翼而飞！这可急坏了李四光，他向台下询问，但人们你看看我，我看看你，不吱一声。李四光回到家里愁得饭也吃不下，广西大学校方也深感不安，于是在西林公园张贴一张公告，声明这块小砾石只有学术价值，并无经济价值，“为了不使李先生的研究工作受到影响，希望拿走这块小石头的同学，立即放回相思洞旁边的石阶上。”两天之后，这块弯曲的小砾石便奇迹般地“完璧归赵”了。