黃土天書——破解黃土高原身世之謎（上）

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這里地表崎嶇，溝谷縱橫

目所能及之處

皆為漫天遍野

連綿不絕的黃土溝壑

正如它催生出信天游這般

令人肝腸回旋 心氣激蕩的特有曲調(diào)一樣

這片完全由黃褐色土質(zhì)覆蓋的地方

因它獨(dú)有的外形和龐大的沉積區(qū)

形成了地球上無與倫比的地理奇觀

黃土高原

正是在這極具東方神韻的黃土地上

演繹了一幕幕耕耘征戰(zhàn)

政權(quán)交替的興亡舊事

也正是這滿目濃郁的暗黃色調(diào)

勾勒出一幅五千年華夏文明的恢宏畫卷

當(dāng)人民站在這高高聳立的山峁間

手捧一把飽含滄桑與鄉(xiāng)愁的黃土

就仿佛觸摸到了古老的民族

延續(xù)千年的根脈與筋骨

當(dāng)千溝萬壑的一道道山梁

呈現(xiàn)出令人震撼的粗獷與豪邁

一個個謎一樣的問題始終縈繞其間

究竟是一種怎樣的自然力量

塑造出了眼前波瀾壯闊的黃土奇觀

在它蒼茫雄渾的外表下

又隱藏著多少難以解開的奧秘呢

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對黃土高原的關(guān)注和研究

最早可以追溯到十九世紀(jì)七十年代

1870年一位旅居中國多年的德國學(xué)者

在一次前往黃土高原的考察途中

突然遭遇到了沙塵暴的侵襲

當(dāng)來自西北的狂風(fēng)卷起狂沙在天際邊怒吼

一直盤旋在這位學(xué)者腦海中的黃土高原成因之謎

仿佛瞬間得到了啟示

那一刻他深信

眼前這片壯美廣袤的黃土高原

一定是千百年來遠(yuǎn)方的塵土

在西北風(fēng)的作用下被吹到了這里

再經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代

最終堆積成一派壯闊恢宏的景象

這位有著傳奇經(jīng)歷的學(xué)者

就是寫就了《中國》這部巨著的

德國地理學(xué)家——李希霍芬

而他對中國地學(xué)界最為重要的貢獻(xiàn)之一

就是黃土高原成因中的“風(fēng)成假說”

那么，李希霍芬的“風(fēng)成假說”

是否真的就是黃土高原的成因呢

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80多年后一位叫帕夫林諾夫的蘇聯(lián)科學(xué)家

對此提出了質(zhì)疑

上個世紀(jì)五十年代

新中國地質(zhì)事業(yè)剛剛起步

帕夫林諾夫以專家身份被派往中國協(xié)助建設(shè)

在驚嘆于黃土高原奇絕的自然景觀的同時

他對沿途洪水泛濫的黃河印象尤為深刻

借鑒對伏爾加河洪水的研究經(jīng)驗(yàn)

帕夫林諾夫提出

遠(yuǎn)古時期的大面積洪水泛濫

裹挾了巨量泥沙沉積

經(jīng)過水和風(fēng)的共同作用后

逐漸形成了如今蔚為壯觀的黃土地貌

這便是黃土高原成因中的“水成假說”

黃土高原是世界上最大的黃土堆積區(qū)

關(guān)于它的形成和堆積之謎

一直為全球科學(xué)家們所關(guān)注和探究

然而“風(fēng)成”和“水成”究竟哪個才是

黃土高原的真正成因呢

由于這兩種假說都缺少堅(jiān)實(shí)有效的證據(jù)

難以形成完整的證據(jù)鏈

因此爭論始終相持不下

正等待著后人的解答

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新中國成立后不久

一位來自中國的年輕學(xué)者

決定來挑戰(zhàn)這個百年來的未竟之問

這位從未留過洋的土生土長的地學(xué)人

該如何踏步去讀懂黃土天書里特殊奧秘呢？

黃土質(zhì)地松軟疏散

極易受到流水的侵蝕

當(dāng)黃河從高原身側(cè)奔涌而過時

往往會裹挾黃土

制造出驚人的水土流失量

于是尋找黃土的來源及研究堆積特性

成為了探察水土流失原因的第一步

1953年適逢新中國第一個五年計(jì)劃開始實(shí)施

為了遏制黃土泛濫

解決黃土高原嚴(yán)重的水土流失問題

國家組織了一支科學(xué)綜合考察隊(duì)

來到黃河中游地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)考察

隊(duì)員中有一名干將

他就是為研究黃土付出一生的劉東生

當(dāng)時的他對唐洼村莊的窯洞充滿濃厚的興趣

并留下了珍貴的素描筆記

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當(dāng)時劉東生所在的考察隊(duì)

是由不同學(xué)科多個專業(yè)的人員組成

而劉東生所在的地質(zhì)組研究重點(diǎn)

是黃土的形成與堆積

他對不立梁柱不設(shè)磚瓦

僅僅依靠黃土支撐就能在斷崖面上

開鑿窯洞的方式感到驚嘆

更令他好奇的是

窯洞建造得竟然很有規(guī)律

這一排排原生的有規(guī)律的窯洞

是否和黃土的形成和堆積有關(guān)聯(lián)呢

通過仔細(xì)觀察劉東生注意到

窯洞旁以及溝谷里的黃土剖面

居然是不同顏色的土層交替疊覆而成

有的顏色偏紅 有的顏色偏黃

為什么都是黃土卻有不同的顏色

為什么分布在不同的層面呢

在觀測和試驗(yàn)中劉東生發(fā)現(xiàn)

黃土之所以變紅

是因?yàn)橥晾锩娴暮F礦物

經(jīng)雨水淋洗氧化后變紅

同時土里富含鹽分的碳酸鈣又被雨水裹挾著向下沖

在紅色土質(zhì)的下方部位積淀成鈣結(jié)核

俗稱料姜土

它相對堅(jiān)硬

因此紅色土和鈣結(jié)核層

成為能抗壓的重要的支架層

被鄉(xiāng)民用來作為窯洞的天然屋頂

從而形成了紅色部分建造屋頂

黃色部分開鑿窯洞主體

一層層上下分布的建筑格局

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韓家懋是劉東生的學(xué)生

曾在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所工作

2017年是劉東生誕辰100周年

他和劉東生的女兒準(zhǔn)備將老師珍貴的考察筆記

整理后編輯出版

為此韓家懋翻閱了老師留下來的數(shù)百本手跡

再一次的了解到劉東生科研世界

那么這座外表如此龐大的地質(zhì)奇觀

是如何形成今天的模樣

為回答這個問題

劉東生需要跨越兩個門檻

一是地學(xué)界相持不下的兩大見解“風(fēng)成”和“水成”假說

根據(jù)帕夫林諾夫的理論假設(shè)

如果黃土是由洪水沖積而成

那么沖積下來的洪積物

就應(yīng)該主要局限于山前地帶且分布較厚

隨著水流速逐漸減弱

距離山前越遠(yuǎn)厚度就會逐漸變薄

洪積物的成分和地層結(jié)構(gòu)也會相應(yīng)發(fā)生變化

然而劉東生在黃土高原考察時卻發(fā)現(xiàn)無論地形高低

這里黃土覆蓋的厚度都基本一致

并無薄厚變化之分

其次這里的黃土物質(zhì)成分

是以單一的灰黃色粉砂顆粒組成

質(zhì)地均勻有序排布

并有垂直節(jié)理這個顯著特點(diǎn)

而如果是洪水沖積而成的黃土

那么土層中的石砂和泥土

就應(yīng)該是大小不一混合無序的

并且它的節(jié)理呈水平狀態(tài)

種種證據(jù)都表明帕夫林諾夫

用故鄉(xiāng)伏爾加河的洪水經(jīng)驗(yàn)

來推導(dǎo)中國黃土高原的形成顯然并不相符

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二是他還需要面對一個極為不利

且完全有違邏輯的現(xiàn)象

那就是在海拔兩千多米的太行山上

也有黃土的出現(xiàn)

如果真如帕夫林諾夫所說

洪水得需要多大的力量、流速、頻次

才能沖上高高的山頂

并最終留下痕跡呢

顯然 裹挾著厚重黃沙

向前奔走的河流根本無法做到這一點(diǎn)

那么德國地質(zhì)學(xué)家李希霍芬

提出的“風(fēng)成假說”又是否成立呢

劉東生發(fā)現(xiàn)用“風(fēng)成假說”

來完全解釋黃土高原的形成

似乎證據(jù)也并不充分

當(dāng)年為解決黃土高原水土流失的問題

劉東生與考察隊(duì)不同領(lǐng)域的科研人員

在土壤、地質(zhì)、水文、氣象、林業(yè)等方面

做了大量科學(xué)考察

劉東生意識到水土流失

與黃土的地質(zhì)環(huán)境密切相關(guān)

而黃土的顆粒究竟從哪里來有什么特性

一位老農(nóng)告訴劉東生北邊的黃土的粗沙子多

所以松散不易成型

而南邊的黃土顆粒較細(xì)用力抓握后不易散開

縱觀這個黃土高原

只有一種力量能自北向南橫貫每一個角落

那就是百萬年來呼號不絕的西北風(fēng)

如果黃土顆粒從北到南粗細(xì)差異普遍存在

而且符合西北風(fēng)的走向

那么德國地質(zhì)學(xué)家李?；舴业?/p>

“風(fēng)成假說”就是合理的解釋了

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但是李?；舴抑唤忉屃它S土的原始物質(zhì)

是由風(fēng)力搬運(yùn)而來的

并沒有對搬運(yùn)過程進(jìn)行深入細(xì)致的研究

因此難以成為一種理論

劉東生重新規(guī)劃了黃土高原的科考方案

在整個黃土高原布置新的任務(wù)

考察東西南北向的十條大剖面

劉東生帶領(lǐng)科考團(tuán)輾轉(zhuǎn)甘肅、陜西、山西等地

歷時近一年 行程數(shù)千千米

最終將十大剖面各條路線

采集來的幾百份黃土樣品帶回了實(shí)驗(yàn)室

逐一進(jìn)行程序繁雜的實(shí)驗(yàn)研究

安芷生中國科學(xué)院院士

也是劉東生的第一個學(xué)生

他描述當(dāng)年劉東生在簡陋的實(shí)驗(yàn)室里

將黃土高原十大剖面采集回來的樣品

經(jīng)過多道復(fù)雜工序后

分析出了十條剖面黃土中所隱含的秘密

黃土高原從西北到東南黃土的顆粒越來越細(xì)

并且不同地區(qū)黃土性質(zhì)有所不同

西北方向是含沙較多的沙黃土帶

中部地區(qū)是黃土帶

靠近東南的則是粘性很強(qiáng)的黏黃土帶

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至此劉東生給黃土原始物質(zhì)的搬運(yùn)過程

畫出了完整的路線圖

遠(yuǎn)古地質(zhì)時期強(qiáng)勁的西北季風(fēng)

將中亞和蒙古高原地區(qū)的黃色粉塵

源源不斷地吹向東部

顆粒較大的粗砂留在了新疆和內(nèi)蒙古

并在那里形成了大片沙漠和戈壁

其余的粉塵物質(zhì)隨風(fēng)繼續(xù)南下

卻被青藏高原和秦嶺擋住了去路

向東則受制于太行山脈

最終只能在甘肅、陜西、山西一帶沉降下來

同時隨著風(fēng)力的減弱

粗的粉塵顆粒被拋撒下來

然后是中等顆粒 最后是細(xì)小顆粒

由于這片區(qū)域降雨屬于半干旱地區(qū)

利于以粉砂為主體的沉積物的保留

經(jīng)過漫長的地質(zhì)雕琢

終于形成了如今波瀾壯闊的

黃土高原

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由于劉東生提出了一整套完整的黃土風(fēng)成理論

因此國際地學(xué)界為了區(qū)別于李希霍芬的早期學(xué)說

把劉東生的“風(fēng)成理論”稱為“新風(fēng)成說”

持續(xù)了一個多世紀(jì)的黃土高原成因之謎

終于得以平息

然而劉東生并沒有停止他的思考

接下來他要面對的是一個更大的問題

就是探察黃土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

黃土剖面上紅色和黃色土壤的疊覆

究竟意味著什么？

下期將繼續(xù)為你解讀

作者：張志越（中國科學(xué)院地質(zhì)地球所）