黄土天书——破解黄土高原身世之谜（上）

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这里地表崎岖，沟谷纵横

目所能及之处

皆为漫天遍野

连绵不绝的黄土沟壑

正如它催生出信天游这般

令人肝肠回旋 心气激荡的特有曲调一样

这片完全由黄褐色土质覆盖的地方

因它独有的外形和庞大的沉积区

形成了地球上无与伦比的地理奇观

黄土高原

正是在这极具东方神韵的黄土地上

演绎了一幕幕耕耘征战

政权交替的兴亡旧事

也正是这满目浓郁的暗黄色调

勾勒出一幅五千年华夏文明的恢宏画卷

当人民站在这高高耸立的山峁间

手捧一把饱含沧桑与乡愁的黄土

就仿佛触摸到了古老的民族

延续千年的根脉与筋骨

当千沟万壑的一道道山梁

呈现出令人震撼的粗犷与豪迈

一个个谜一样的问题始终萦绕其间

究竟是一种怎样的自然力量

塑造出了眼前波澜壮阔的黄土奇观

在它苍茫雄浑的外表下

又隐藏着多少难以解开的奥秘呢

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对黄土高原的关注和研究

最早可以追溯到十九世纪七十年代

1870年一位旅居中国多年的德国学者

在一次前往黄土高原的考察途中

突然遭遇到了沙尘暴的侵袭

当来自西北的狂风卷起狂沙在天际边怒吼

一直盘旋在这位学者脑海中的黄土高原成因之谜

仿佛瞬间得到了启示

那一刻他深信

眼前这片壮美广袤的黄土高原

一定是千百年来远方的尘土

在西北风的作用下被吹到了这里

再经过漫长的地质年代

最终堆积成一派壮阔恢宏的景象

这位有着传奇经历的学者

就是写就了《中国》这部巨著的

德国地理学家——李希霍芬

而他对中国地学界最为重要的贡献之一

就是黄土高原成因中的“风成假说”

那么，李希霍芬的“风成假说”

是否真的就是黄土高原的成因呢

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80多年后一位叫帕夫林诺夫的苏联科学家

对此提出了质疑

上个世纪五十年代

新中国地质事业刚刚起步

帕夫林诺夫以专家身份被派往中国协助建设

在惊叹于黄土高原奇绝的自然景观的同时

他对沿途洪水泛滥的黄河印象尤为深刻

借鉴对伏尔加河洪水的研究经验

帕夫林诺夫提出

远古时期的大面积洪水泛滥

裹挟了巨量泥沙沉积

经过水和风的共同作用后

逐渐形成了如今蔚为壮观的黄土地貌

这便是黄土高原成因中的“水成假说”

黄土高原是世界上最大的黄土堆积区

关于它的形成和堆积之谜

一直为全球科学家们所关注和探究

然而“风成”和“水成”究竟哪个才是

黄土高原的真正成因呢

由于这两种假说都缺少坚实有效的证据

难以形成完整的证据链

因此争论始终相持不下

正等待着后人的解答

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新中国成立后不久

一位来自中国的年轻学者

决定来挑战这个百年来的未竟之问

这位从未留过洋的土生土长的地学人

该如何踏步去读懂黄土天书里特殊奥秘呢？

黄土质地松软疏散

极易受到流水的侵蚀

当黄河从高原身侧奔涌而过时

往往会裹挟黄土

制造出惊人的水土流失量

于是寻找黄土的来源及研究堆积特性

成为了探察水土流失原因的第一步

1953年适逢新中国第一个五年计划开始实施

为了遏制黄土泛滥

解决黄土高原严重的水土流失问题

国家组织了一支科学综合考察队

来到黄河中游地区进行地质考察

队员中有一名干将

他就是为研究黄土付出一生的刘东生

当时的他对唐洼村庄的窑洞充满浓厚的兴趣

并留下了珍贵的素描笔记

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当时刘东生所在的考察队

是由不同学科多个专业的人员组成

而刘东生所在的地质组研究重点

是黄土的形成与堆积

他对不立梁柱不设砖瓦

仅仅依靠黄土支撑就能在断崖面上

开凿窑洞的方式感到惊叹

更令他好奇的是

窑洞建造得竟然很有规律

这一排排原生的有规律的窑洞

是否和黄土的形成和堆积有关联呢

通过仔细观察刘东生注意到

窑洞旁以及沟谷里的黄土剖面

居然是不同颜色的土层交替叠覆而成

有的颜色偏红 有的颜色偏黄

为什么都是黄土却有不同的颜色

为什么分布在不同的层面呢

在观测和试验中刘东生发现

黄土之所以变红

是因为土里面的含铁矿物

经雨水淋洗氧化后变红

同时土里富含盐分的碳酸钙又被雨水裹挟着向下冲

在红色土质的下方部位积淀成钙结核

俗称料姜土

它相对坚硬

因此红色土和钙结核层

成为能抗压的重要的支架层

被乡民用来作为窑洞的天然屋顶

从而形成了红色部分建造屋顶

黄色部分开凿窑洞主体

一层层上下分布的建筑格局

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韩家懋是刘东生的学生

曾在中国科学院地质与地球物理研究所工作

2017年是刘东生诞辰100周年

他和刘东生的女儿准备将老师珍贵的考察笔记

整理后编辑出版

为此韩家懋翻阅了老师留下来的数百本手迹

再一次的了解到刘东生科研世界

那么这座外表如此庞大的地质奇观

是如何形成今天的模样

为回答这个问题

刘东生需要跨越两个门槛

一是地学界相持不下的两大见解“风成”和“水成”假说

根据帕夫林诺夫的理论假设

如果黄土是由洪水冲积而成

那么冲积下来的洪积物

就应该主要局限于山前地带且分布较厚

随着水流速逐渐减弱

距离山前越远厚度就会逐渐变薄

洪积物的成分和地层结构也会相应发生变化

然而刘东生在黄土高原考察时却发现无论地形高低

这里黄土覆盖的厚度都基本一致

并无薄厚变化之分

其次这里的黄土物质成分

是以单一的灰黄色粉砂颗粒组成

质地均匀有序排布

并有垂直节理这个显著特点

而如果是洪水冲积而成的黄土

那么土层中的石砂和泥土

就应该是大小不一混合无序的

并且它的节理呈水平状态

种种证据都表明帕夫林诺夫

用故乡伏尔加河的洪水经验

来推导中国黄土高原的形成显然并不相符

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二是他还需要面对一个极为不利

且完全有违逻辑的现象

那就是在海拔两千多米的太行山上

也有黄土的出现

如果真如帕夫林诺夫所说

洪水得需要多大的力量、流速、频次

才能冲上高高的山顶

并最终留下痕迹呢

显然 裹挟着厚重黄沙

向前奔走的河流根本无法做到这一点

那么德国地质学家李希霍芬

提出的“风成假说”又是否成立呢

刘东生发现用“风成假说”

来完全解释黄土高原的形成

似乎证据也并不充分

当年为解决黄土高原水土流失的问题

刘东生与考察队不同领域的科研人员

在土壤、地质、水文、气象、林业等方面

做了大量科学考察

刘东生意识到水土流失

与黄土的地质环境密切相关

而黄土的颗粒究竟从哪里来有什么特性

一位老农告诉刘东生北边的黄土的粗沙子多

所以松散不易成型

而南边的黄土颗粒较细用力抓握后不易散开

纵观这个黄土高原

只有一种力量能自北向南横贯每一个角落

那就是百万年来呼号不绝的西北风

如果黄土颗粒从北到南粗细差异普遍存在

而且符合西北风的走向

那么德国地质学家李希霍芬的

“风成假说”就是合理的解释了

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但是李希霍芬只解释了黄土的原始物质

是由风力搬运而来的

并没有对搬运过程进行深入细致的研究

因此难以成为一种理论

刘东生重新规划了黄土高原的科考方案

在整个黄土高原布置新的任务

考察东西南北向的十条大剖面

刘东生带领科考团辗转甘肃、陕西、山西等地

历时近一年 行程数千千米

最终将十大剖面各条路线

采集来的几百份黄土样品带回了实验室

逐一进行程序繁杂的实验研究

安芷生中国科学院院士

也是刘东生的第一个学生

他描述当年刘东生在简陋的实验室里

将黄土高原十大剖面采集回来的样品

经过多道复杂工序后

分析出了十条剖面黄土中所隐含的秘密

黄土高原从西北到东南黄土的颗粒越来越细

并且不同地区黄土性质有所不同

西北方向是含沙较多的沙黄土带

中部地区是黄土带

靠近东南的则是粘性很强的黏黄土带

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至此刘东生给黄土原始物质的搬运过程

画出了完整的路线图

远古地质时期强劲的西北季风

将中亚和蒙古高原地区的黄色粉尘

源源不断地吹向东部

颗粒较大的粗砂留在了新疆和内蒙古

并在那里形成了大片沙漠和戈壁

其余的粉尘物质随风继续南下

却被青藏高原和秦岭挡住了去路

向东则受制于太行山脉

最终只能在甘肃、陕西、山西一带沉降下来

同时随着风力的减弱

粗的粉尘颗粒被抛撒下来

然后是中等颗粒 最后是细小颗粒

由于这片区域降雨属于半干旱地区

利于以粉砂为主体的沉积物的保留

经过漫长的地质雕琢

终于形成了如今波澜壮阔的

黄土高原

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由于刘东生提出了一整套完整的黄土风成理论

因此国际地学界为了区别于李希霍芬的早期学说

把刘东生的“风成理论”称为“新风成说”

持续了一个多世纪的黄土高原成因之谜

终于得以平息

然而刘东生并没有停止他的思考

接下来他要面对的是一个更大的问题

就是探察黄土的内部结构

黄土剖面上红色和黄色土壤的叠覆

究竟意味着什么？

下期将继续为你解读

作者：张志越（中国科学院地质地球所）