法庭地质学是将地质科学知识和技术应用于法庭科学的一种现代科学, 最早可追溯到19世纪。该学科建立在法国犯罪学者埃德蒙· 洛卡德（1877~1966）提出的物质交换原理的基础之上, 即两种物质客体在接触的过程中会引起物质成分的相互交换和变化。因此, 只要人与客体接触就会留下痕迹, 找到和分析这些痕迹可以判断此人曾去过什么地方, 帮助推断犯罪过程。土壤中的粘土、岩石、矿物、化石、玻璃、其他人造材料、孢粉、动植物残留片以及微生物群落共同构成了法庭地质学的研究对象。该学科主要研究任务是收集在接触过程中发生转移的地质材料物证, 通过检验分析, 判定这些物证的来源, 从而为认定犯罪嫌疑人与犯罪现场的关系提供重要证据, 为案件的侦破提供线索和方向。“ 法庭地质学” 这个术语本身是从国外的文献中翻译过来的, 文献中, 针对地质材料物证的检验, 经常出现不同的几个术语, 如法庭土壤学（forensic pedology）、法庭地质学（forensic geology）、法庭地球科学（forensic geoscience）和土壤法庭科学（soil forensics）、环境法庭科学（environmental forensics）等, 这些术语通常让人感到很迷惑。但实际上, 这些名词是由于地质科学家在自己专业研究中使用的名词不同造成的, 其实质内容有些近似, 有些甚至完全相同。英国地质学家Ruffell^[1]专门就这几个易混淆的名词进行了解释, 并阐述其不同内涵和检验范围, 对法庭科学工作者了解法庭地质学以及其它领域内容有很大帮助。总体上讲, 按照forensic pedology、forensic geology、forensic geoscience、geoforensics、soil forensics、environmental forensics顺序, 其含义更加丰富, 内容更加广泛。

地质学材料物证在案件侦查中的作用早在19世纪就被认识到。1856年环球科学资料记载了最早的将地质材料检验应用于法庭科学的案例^[2]。德国柏林Christian Ehrenberg 教授在一起银币被调包案件中, 对填充到桶内的沙子进行显微形态检验, 通过与运输铁路沿线每个站点提取的沙子进行比对后, 指出了其中一个站点是进行调包的位置。嫌疑人供述调包的地点与Christian Ehrenberg 教授指出的地点完全一致。随后德国科学家Gross、 Popp等人^{[3, 4, 5]}不断有案例报道, 建立了将泥土、沉积物等地质学材料用于法庭科学检验和现场调查中的研究方向。法庭地质学建立的早期, 其发展主要来自个别卓越人物的推动。20世纪40年代以后, 法庭地质学的发展更多来自相关机构的推动, 例如美国联邦调查局。在“ 二战” 时期, 联邦调查局就通过对装载物土壤成分的分析, 对日本复仇气球炸弹的军事行动进行侦破^[6], 此后, 法庭地质学被联邦调查局永久设立, 从1962年开始将泥土物证检验用于物证比对、现场勘查、信息研判中。此外, 英国建立了伦敦法庭地质学工作组（Geological Society of London Forensic Geoscience Group）、国际地质学大会-法庭地质学协会（International Union of Geological Sciences (IUGS)-Initiative on Forensic Geology (IFG)）, 为推动法庭地质学发展做了积极的工作。2001~2016年国际刑警组织第15~18四届国际法庭科学研讨会^{[7, 8, 9, 10]}上专门设立“ 法庭地质学” 的专题报告。每年都有大量文献报道法庭地质学发展情况。美国、英国、澳大利亚等国家非常重视法庭地质学的研究, 部分实验室已经建立了相关数据库。澳大利亚的法庭科学鉴定所已经对澳大利亚的土壤进行了入库^[11], 由于澳大利亚的特殊地理及人口分布情况, 其土壤样品的入库量已经可以解决绝大部分案件。日本已经建立了水系沉积物重金属污染物的数据库^[12]。相比之下, 在国内法庭科学领域, 将地质学方法应用于物证鉴定中的工作几乎还未开展。目前, 法庭科学工作者对国内土壤的分布及其特点还不完全清楚, 虽然其他行业已经建立了部分相关数据库, 但并不能直接移植到法庭科学领域, 这些对法庭地质学发展和利用的限制都是巨大的。因此应发展法庭地质学, 解决目前检验和应用中存在的问题, 不断提高其在我国法庭科学领域的应用水平。

法庭地质学涉及的内容非常丰富, 英国法庭地质学家Pye^[13]在其专著《地质和土壤物证的法庭科学应用, Geological and Soil Evidence Forensic Application》中提到, 法庭地质学涉及多个学科, 从广义上讲, 法庭地质学甚至与社会学, 以及人类活动有关的相关学科有关, 例如与人类学、历史学、考古学等均有一定联系。图1显示了法庭地质学与相关学科的关系。从其应用上讲, 一方面, 通过对在现场提取到的地质材料与已知来源样品的比对分析, 证实嫌疑人或物品是否接触过犯罪现场, 当两者不同时, 可排除嫌疑人, 缩小侦查范围; 在转移现场的案件中, 通过物证的比对, 判定所在场所是否为第一现场等; 另一方面, 通过地质材料物证的深度检验和刻画, 实现物证的来源推断, 为侦破案件提供方向、线索。若想使地质材料物证给现场勘查提供更多信息, 除对地质材料物证进行检验外, 还需要有较为详尽的背景信息调查, 包括土壤的使用历史、开矿情况、垃圾处理、周围工厂生产情况等。

图1

Fig.1

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	图1 法庭地质学与其他学科的关系图Fig.1 The relationship of forensic geology to other disciplines and sub-disciplines

常见地质材料物证主要包括泥土、矿物、沙子、水系沉积物, 还包括与地源和环境有密切关系的植物、微生物、植物孢粉以及玻璃、砖块、污染物等夹杂物。这些物证在比对检验中可提供更多维度的比对信息; 在物证刻画分析中能够提供更加丰富的信息, 使得区域环境推断更加准确。特别是通过对泥土中各类人造夹杂物及特殊污染物等成分的检验, 可为证据的来源推断及涉案人员区域环境推断提供信息。各国法庭地质学家围绕上述不同种类的法庭地质学物证开展化学、生物、物理等各类检验方法、检验数据评估方法、泥土物证的转移和保留机制等内容的研究工作。每一届国际刑警组织国际法庭科学研讨会对法庭地质学近三年发展情况的汇总中, 都会有将近百篇论文和相关会议材料发表, 报道最新研究成果。

综合近几年的文献报道, 法庭地质学在很多案件^{[14, 15, 16, 17]}中发挥了重要作用。在这些案件中, 法庭地质学家从泥土物证有机物和无机物两个方面出发, 有的采用传统检验技术, 如对元素分析方法^[15]做进一步的探讨; 有的发展新技术, 如新一代微生物测序^[16]等对泥土物证开展新技术检验; 有的则是对检验数据进行综合审视和分析^{[17, 18]}, 这些研究为泥土物证比对提供更准确的检验方法和数据分析方法。此外, 更多的新技术被研究用于泥土物证检验, 如基于土壤DNA分析技术的生物分类^[19]; 通过真菌和螨虫的分析来推断尸体腐败的情况等等^[20]; 稳定同位素技术也被用于法庭地质学物证的检验^[21]; 植物学和孢粉学也不断被用于案件调查和侦破^{[22, 23]}。此外, 近几年, 环境法庭科学研究逐渐引起法庭科学工作者的关注^{[24, 25, 26, 27]}。
尼日利亚学者Iwegbue^[24]开展土壤中重金属的化学组成以及在土壤中的迁移性研究, 澳大利亚学者Macaskill^[26]开展多环芳烃的分析研究, 用于解决环境污染案件。在我国, 食品、药品、环境污染犯罪日益增多, 全国各级公安机关已经成立了专门的机构打击“ 食药环” 犯罪。开展“ 环境法庭科学” 相关研究, 为解决此类案件奠定基础, 也是目前法庭科学工作者面临的一个重要问题。

采用物理方法对埋葬的尸体及作案工具进行查找也是法庭地质学研究的一个重要内容。该研究方向在20世纪九十年代已经开展, 英国地质学家Donnelly和Harrison在英国率先使用地质学方法帮助警察查找埋尸地点。地质雷达^[28]、电阻变化^[29]、尸体腐烂渗出物^[30]等均可用于尸体或工具的查找。近几年, 该方向发展很快, 有多篇文献报道了这方面的研究进展。学者们研究了坟墓周边气味在探测前后的变化^[31], Perrault^[32]采用全二维气相色谱／飞行时间质谱法研究腐烂尸体的挥发性有机物随季节的变化情况, 采用吸附管和固相微萃取技术研究不同深度土壤中尸体腐烂气味的纵向变化^[33]。还有学者就土壤类型和质地对用警犬寻找尸体的影响作了初步研究^[34], 这些研究为寻找尸体及死亡时间推断积累了丰富的研究数据。

法庭地质学新近发展的一个方向叫做“ 埋葬学（Taphonomy）” , 兼跨病理学、解剖学、生物学、人类学、考古学等多个学科。该方向的一个重要进展是由澳大利亚学者Forbes领导的澳大利亚尸体腐烂研究小组的成立（Australian Facility for TaphonomicExperimental Research (AFTER) ）^{[35, 36]}。该研究小组已开始为警察查找埋葬的尸块、武器、毒品等工作提供专家咨询。

总之, 法庭地质学的研究内容非常丰富, 并且还在不断拓展。在国内法庭科学领域, 将地质学信息系统应用于司法活动中的工作几乎还未开展, 虽然少数物证检验实验室在泥土物证的检验和利用方面做了一些零星的工作^{[37, 38, 39, 40, 41]}, 但并不系统也不完善。还有很多业内人士甚至对法庭地质学的概念也不熟悉。因此亟须开展法庭地质学研究, 建立包括多种地质材料在内的系统检验方法, 合理解释和利用检验结果, 建立和发展地质材料物证的区域环境推断和溯源技术, 提高其在我国司法活动中的应用水平, 为我国司法工作服务。

虽然法庭地质学的研究内容丰富, 涉及到的检材种类很多, 但在案件中最为常见的法庭地质学材料仍然是泥土, 且泥土的组成非常复杂, 包含上述提到的矿物、植物碎片、微生物、植物孢粉以及玻璃、砖块、污染物等夹杂物, 也就是说泥土仍然是多种法庭地质学材料的主要物证载体。泥土物证作为微量物证的传统检验方向之一, 已基本建立了相对成熟的检验方法, 特别是在现代分析方法中, 微生物群落分析和孢粉检验分析等交叉学科检验方向, 越来越受到法庭科学工作者的关注。

2.1.1 传统检验方法

1）显微镜观察法。体视显微镜作为最简单最普通的仪器, 在泥土物证初检和检验中是必不可少的。用它可以观察泥土物证颜色、颗粒大小和外源大颗粒（金属、纤维、油漆、玻璃和建筑碎片等残留物）, 这能为物证比对检验和判断其来源提供初步信息。

2）颜色对比。泥土的颜色是泥土的重要特征之一。通过颜色对比可初步判断检材与样本是否同源。通常将泥土样品与蒙赛尔土壤比色卡相比较来测定和描述泥土颜色。

3）酸碱度检验。酸碱性是土壤的重要性质之一, 对土壤的肥力、作物的生长和微生物的活动有重大影响。通常可以用pH试纸初测pH值, 用pH计更为精确地测定pH值。我国土壤的pH值一般在4~9的范围内。

4）密度梯度分析。泥土的密度梯度分析法在六十多年前被人首次应用于法庭地质科学领域, 该法通过溴仿和溴苯或乙醇的组合形成的浓度梯度, 对泥土样品中各粒子和成分分离形成的谱带进行比较, 判断所检样品之间的关系。

2.1.2 现代分析方法

1）元素成分及矿物分析。泥土中所含元素种类较多, 常见的有氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁等, 环境不同所含的特殊性的元素有差异, 检验元素种类和含量是鉴别泥土常见和有效的方法。法庭地质学中, 可选用原子发射光谱法（AES）、原子吸收光谱法（AAS）、扫描电子显微镜/能谱法（SEM/EDX）、X射线荧光光谱法（XRF）、离子色谱法（IC）、毛细管电泳色谱法（CE）、电感耦合等离子质谱法（ICP-MS）、电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）、同位素比质谱法（IRMS）等方法来分析土壤中的元素成分, 利用X射线粉末衍射法可检验泥土物证中所含的矿物种类。

2）有机成分分析。土壤中有机成分（动植物遗体及其排泄物和分泌物、腐殖质和微生物代谢产物）比较复杂, 例如用重铬酸钾燃烧法对土壤样品中的碳元素进行定量。也可选用差示扫描量热法、红外光谱法、紫外可见分光光度法、气相色谱法以及气相色谱-质谱联用等方法进行有机成分检验。

3）微生物群落分析。土壤中的微生物(细菌、真菌、放线菌等）, 由于营养和生态位点的竞争、相互影响和制约, 形成了一个动态平衡的土壤微生物群落。土壤成分及周围环境差异导致不同土壤中的微生物群体的种类及数量有明显的差异性。常用的检验土壤中微生物群落多样性的方法有生物化学方法和分子生物学方法两大类, 其中前者包括平板计数和形态学分析法、群落水平单碳源利用模式法、脂肪酸甲酯(FAME）/磷脂脂肪酸甲酯(PLFA）谱图分析法等; 后者主要是DNA检验法, 例如从土壤样品中提取DNA, 通过PCR扩增出特征性的基因, 采用各种电泳技术检测出其核苷酸差异。

4）孢粉检验分析。不同环境中的土壤所含的孢粉不同。孢粉分析方法是现代刑事侦查所采取的一种新的破案取证方法。当前用于孢粉检验的常用两种方法是扫描电子显微镜法和超薄切片技术-透射电子显微镜法。此外, 荧光孢粉学法、红外光谱法、气相色谱法等方法也可用于孢粉的检验。

我国刑事技术实验室在进行泥土物证检验和利用时, 还存在很多问题。总结起来, 有以下几个方面。针对这几个方面的问题, 有些问题, 已经通过研究找到了部分解决办法, 但有些问题一直是困扰泥土物证检验难题, 也是今后泥土物证比对检验和区域环境推断的主要研究方向, 受到关注。

2.2.1 注重比对检验, 缺乏物证信息的深度挖掘

目前, 微量物证专业的检验工作主要集中于检材的比对检验。在为案件侦破提供线索和缩小侦查范围等工作中, 发挥作用并不显著。特别是在物证信息的深度挖掘以及通过物证对涉案人员的刻画方面做得还远远不够。泥土物证在法庭科学研究和实践中是非常重要的一种物证, 在刻画和识别环境以及证明事实等方面有独特的作用, 尤其是发生在城乡结合部、农村等地区的案件, 泥土物证出现的机会很大, 而且在这些地区, 数字化监控手段少、覆盖范围小, 其他可用的破案手段相对较少, 因此, 通过泥土物证的检验和信息挖掘, 可为案件提供重要的信息。公安部物证鉴定中心成功立项国家重点研发计划项目“ 法庭地质学的区域环境推断与物证溯源技术研究” , 将地质学、地球化学、植物学、孢粉学、化学等多学科、多专业技术综合应用, 开展相关研究, 并着力于建立相关数据库, 以期实现对泥土等常见地质材料物证的深度挖掘和应用, 更好地为案件侦破服务。

2.2.2 综合方法的建立难度大

法庭地质学的应用研究主要是解决物证的比对和溯源两个问题。通过物证检验给出的信息越多, 不论是物证比对还是溯源都能大大提高结论的准确性。因此需要对泥土物证进行综合全面的检验, 建立综合检验方法, 获得更多信息, 才能实现物证信息的深度挖掘。泥土的组成非常复杂, 人为和自然的诸多因素都会引起泥土组成的变化。因此在对泥土物证的检验中, 会涉及到粘土、矿物、植物、孢粉、微生物、污染物、夹杂物等诸多方面的检验, 每一个方面都涉及不同专业, 因此仅靠某一个专业来建立泥土物证的综合检验方法难度很大。

2.2.3 泥土的自然属性和不均匀性, 给检验和结果解释利用带来困难

泥土是天然形成的复杂的混合物, 与人工生产的物质有本质区别。泥土物证由于其自然属性以及人为因素的影响, 使得泥土物证有可能在很短的距离范围内成分有显著差异, 相反地, 在较远的距离外, 可能存在成分相近的泥土, 并不是完全符合地理位置远的物证的差别比地理位置临近的样品的差别大, 地质材料的不均匀性和多样性给样品提取、实验室检验和地源推断都带来很大难度。这一难点也是法庭地质学在国内刑事技术领域发展缓慢, 应用滞后的主要原因。虽然泥土物证有这样的特点, 但并不能排除其在案件中的作用, 因为在具体案件中, 检验总是会在某些特定的范围内进行, 也就是在特定范围内对泥土物证进行地源推断。此外, 在实验室对泥土物证进行检验时, 可以考虑以下几个方面, 保证和提高比对检验和地源推断的准确性, 避免泥土不均匀性带来的问题。

1）合适的取样。在案件中, 通常会提取用于比对检验的泥土样本。由于泥土本身的不均匀性, 不论在平面上还是在垂直深度上, 有可能在很小的距离范围内, 差别就很大^[42], 因此, 在很多案件中, 要完成泥土物证的比对就是要提取到合适的比对样本。为保证对样本提取地的泥土的背景情况的了解, 在提取比对样本时, 需采用随机多点提取, 完全覆盖并能代表该地的背景情况。并且每个采样点的样品采集量至少要在 50 g左右, 为后期的前处理做好准备。若在取样过程中, 发现有明显的变化或不同, 应增加取样点的个数。

2）标准化的前处理。由于泥土本身不均匀, 前处理方法对后期检验有重要影响。在微量物证实验室, 对泥土物证的前处理采用分级筛分的方法。通常, 在前处理过程中, 先用空隙较大的筛子将泥土物证中颗粒较大的物质（如草棒、植物碎片、矿物颗粒等）筛出; 然后对泥土物证进行研磨至泥土无粒度感, 研磨力度和时间尽量保持一致; 最后将研磨后的泥土物证过筛, 过筛后的泥土备检。

3）采用能够均匀反映泥土性质的检验方法。能够用于泥土检验的方法很多。元素分析是微量物证实验常用的用于泥土物证检验的方法。微量物证实验室常用的元素分析方法有SEM/EDX、XRF和ICP-MS法。每种方法在检测灵敏度、所用样品量以及前处理是否复杂等方面有各自的优点。SEM/EDX法灵敏度较低, 但适合于微量泥土的检验; XRF检验灵敏度为10^-6, 无需复杂前处理, 常量、微量元素可同时进行分析, 相对样品量较大（通常至少0.5 g）。虽然检验所需样品量较大, 但较大样品量代表性较好, 能够较全面反映泥土样品的性质; ICP-MS法灵敏度很高（10^-12）, 其前处理复杂, 而且只能对微量和痕量元素进行检验, 是对XRF分析法的有效补充。

此外, 在对泥土物证进行分析时, 应该选取稳定且有地域特点的指标和参数。比如在元素分析时, 选用Al、Si、Ca、Fe、Rb、Sr、Zr等元素, 不仅能够对泥土物证进行有效区分, 有地域指向性, 而且受到的外界污染相对较小。而Na、S、Cl等元素容易受环境污染和影响, 在样品中含量波动较大。对泥土中常见矿物进行分析, 相对稳定, 能为泥土的地源推断提供有用的信息。对泥土中孢粉进行检验能够揭示泥土物证来源地的环境, 并且泥土中主要孢粉种类及数量还是比较稳定的, 用于地源推断是可靠的。

2.2.4 泥土物证通常量少, 给检验带来挑战

犹如其它种类的微量物证, 泥土物证通常以附着物的形式出现在案件中, 这给泥土物证的检验和综合利用带来挑战。但是在很多时候, 结合有效的前处理方法, 元素分析还是可以为泥土物证的比对和溯源提供信息的。前面提到, XRF在泥土的元素分析中使用较多。针对附着物等小样品量的泥土物证, 可采用试料板法, 此外还有一些分析技术, 既有较高的灵敏度, 所需样品又少, 因此, 在泥土物证的检验中应用前景较好, 如激光剥蚀-ICP-MS技术和激光诱导断裂光谱（LIBS）。这两种技术, 所需样品量约为几十微克, 但灵敏度可达亚ppm级, 对附着泥土物证的比对检验提供了很好的机会。此外, LIBS不仅能分析微量元素, 还可同时分析主要元素, 简化了分析过程。因此, 结合适当的前处理方法和分析技术, 可对附着的少量的泥土物证进行准确检验。

2.2.5 缺少有效的数据处理方法

法庭地质学检验的内容非常丰富, 涉及方法多, 其中涉及到诸如微生物检验及元素分析等均为定量分析, 产生的数据量大且复杂。因此对这些数据的解释利用仅靠简单的比对是远远不够的。如何挖掘出隐藏在这些数据背后的反映物证共性的信息, 也是法庭地质学要解决的一个难点。针对这方面的问题, 国内外同行都做了一定的研究工作, 也给出了一些行之有效的解决办法。对定量分析数据的统计处理可以分为两个方面。一是根据检验参数的样品间比对, 二是针对大样本量的样品分类和未知样品的类别推断。根据检验参数的样品间比对的数据处理方法有很多, 针对单参数数据比对, 可采用单参数方差分析和student`s t检验以及t 检验的变体Welch检验等。针对多参数的数据比对, 通常采用多参数方差分析、Hotelling`s T²、欧氏距离、马氏距离计算等多种方法。每种方法都有其适用范围和前提条件, 在使用前一定要有所了解, 在方法使用过程中要同时控制第一类和第二类错误率, 才能满足物证比对的需求。针对大样本量的样品分类和未知样品的类别推断问题, 常用的统计方法有主成分分析和聚类分析等方法。笔者曾将此两种方法用于从北京郊区10个区县、辽宁沈阳、安徽泗县、四川泸州、山东威海和广西南宁提取的225个泥土样品10种元素定量分析结果的统计处理^[43], 得到很好的分类效果。主成分分析和聚类分析的归类效果在很大程度上取决于样本量的大小。此外, 有不少文献报道似然比（likelihood ratio）在物证比对和归类中的应用^{[44, 45]}, 该方法不再将物证来自同一来源或不同来源作为前提假设, 也就是在进行物证检验数据统计处理前, 同等对待这两种可能。在国外法庭审判中对物证检验结果的解释和利用有很大帮助, 也得到法庭工作者的认可。

2.2.6 缺少基础数据

法庭地质学有很重要的一项任务是实现对未知泥土的来源推断。作为泥土来源推断的基础, 通过特定范围内的多个泥土样品的比对检验, 可实现该范围内某个泥土样品的来源推断。但是要实现泥土物证的直接来源推断, 就需要建立基础数据库。而目前, 在我国法庭科学领域, 还未建立起泥土样品数据库, 实现未知泥土样品的来源推断是非常困难的。实际上, 其他领域的很多研究机构或大学, 在这方面或多或少都有些研究基础和积累, 通过加强与各机构的合作交流, 将其基础数据用于法庭科学是一个很好的思路。