黄土高原成因的科学假说演进.pdf

大学科普科普创作Popular science creation632023 年第 2 期黄土是第四纪最重要的风成沉积物，主要分布于中纬度气候温暖的地带，特别是在半干旱气候的地带（高抒等，2006）。黄土分布面积占整个陆地面积的 1/10，而我国则拥有世界上分布最连续、沉积最厚的黄土区域，面积约 64万平方公里，约占我国陆地总面积的 6.6%。主要分布在昆仑山祁连山秦岭鲁东山区和辽东半岛一线以北的干旱和半干旱地带，即位于北纬3435以北地区，包括东北地区以及山东、河北、河南、山西、陕西、甘肃、青海、新疆等省（区），主要围绕沙漠由西北到华北，一直到东北呈弧形带状展布。在黄河中游，黄土展布面积约 40 万平方公里，形成海拔在 1000-1500m 之间的黄土高原（loess plateau）。这片以祁连山东段以东、秦岭以北、太行山以西、内蒙古高原即古长城以南的黄土厚度多为50-80m，在陕西、甘肃一带，最厚可达 150-180m，其分布面积和厚度均居世界之冠。在以流水侵蚀为主导的外力作用下，形成具有特征性的各种黄土地貌，主要有塬（table）、梁（ridge）、峁（shoulder）三种类型，其中塬是流水下切形成的四边陡、顶上平的高地。梁是一种长条状的黄土高地。而峁是具浑圆顶部的黄土小山包，俗称黄土高坡，是下伏地形的反映。黄土高原究竟是如何形成的呢？黄土的成因究竟是什么？通过梳理自 19 世纪中叶以来，科学家所提出的关于黄土成因的各类科学假说，其中以“风成说”的形成过程，包括其特征与内容的演变为主线，阐明关于这一科学假说在推动地球地质学科的创新突破发展中起到的重要作用，大胆合理的科学假说对于科学进步是催化剂。一、早期黄土成因的科学假说提出黄 土 风 成 说（hypothesis of eolian origin for loess）是黄土最早的成因学说之一，但“大风吹来的黄土高原”这样看似简单的科学假说，要论证其科学原理并不简单。早在西方学者尚未涉足中国黄土高原之时，西方一些地质学者便对欧洲的少数地区黄土成因提出一些假说理论，英国地质学家莱伊尔便认为欧洲莱茵河谷的黄土是在莱茵河水流作用下缓慢沉积而成。1846 年，莱伊尔在美国密西西比河流域旅行期间，从堆积厚度、颜色、矿物成分等方面，对密西西比河流域和莱茵河谷的黄土进行了比对，为黄土“冲积”假说增补了证据1。此后，随着地质学原理的畅销，莱伊尔的“冲积”假说成为当时地质学界解释黄土成因的主要理论。而彼时拥有世界上分布最连续、沉积最厚重的黄土区域的中国，在近代曾吸引着世界各国著名地质学者前来考察。1862 年，美国地质学家和考古学家拉斐尔 庞佩利(Raphael Pumpelly)是第一位赴中国开展地质和黄土考察的地质学家2。庞佩利在考察中国北方岱海附近和黄土高原边缘（山西省大同市）的黄土时，观察到当地黄土中含有水生螺化石等地质现象，依据长江流域的地质考察和地貌学知识提出了黄土成因的“湖相”假说3，即岱海附近黄土区域也曾被类似洞庭湖的湖泊占据，其冲积层形成了一百英尺高的阶地（黄土）。但受制于当时科学传播条件，黄土高原成因的科学假说演进Scientific Hypotheses on the Origin of the Loess Plateau中国 北京 中国科学院地理科学与资源研究所 宋文明图 1 黄土高原，沟梁纵横，梁峁交错（从左至右塬、梁、峁、沟，图源人教网）基金项目:国家自然科学基金重点项目(41430636)大学科普科普创作Popular science creation642023 年第 2 期以及后期“风成说”的兴起，庞佩利的“湖相”假说则被视为一种过时的黄土成因假说范式，逐渐为世人所忽视。1877 年旅居中国多年的德国地理学家李希霍芬(F.Richthofen)在见识了黄土高原上西北风的狂暴力量后，通过更为广泛的黄土区域进行考察后，详细论证了他的中国黄土成因假说。他认为中国盆地中黄土的物质来源是环绕盆地基岩山的风化产物，低空的风使粉尘物质发生近距离搬运，同时雨水从高处向低处冲刷岩石风化物，即著名的黄土“风成说”4，该假说一经提出在国内外地质学界广泛传播。1879 年，获悉李希霍芬提出中国黄土成因假说后，庞佩利立刻赞成李希霍芬关于风在黄土物质搬运中的观点。二、二十世纪黄土成因假说的发展进入二十世纪，俄国学者奥勃鲁切夫在中国的长久调查巩固了黄土风成起源的理论，并大大改善了已有的李希霍芬及其他学者的观念。根据奥勃鲁切夫的观点，中国的黄土为风由沙漠搬来组成的，在沙漠地带发生着强烈的物理风化作用，砂子因为是较重的物质，首先降落到地表形成了新月形的马干沙堆，土粒则更远地被带到了沙漠范围之外的地方，在地面每年沉积约1-2mm厚的土层。后来奥勃鲁切夫发展了自己的学说，将黄土分为冷的冰川黄土和热的沙漠黄土。但同时奥勃鲁切夫不是简单、片面地理解黄土的风成起源，他也承认黄土在形成的过程中有植物、雨水以及成土作用的过程5。除黄土风成说观点以外，关于黄土的起源还存在着其他观点。苏联科学家帕夫林诺夫则对黄土成因提出过“水成假说”，认为是史前洪水的作用和风的影响共同塑造了中国黄土高原这一奇观。其另外还提出一种科学假说，认为黄土高原在距今约800万年前还是一个面积超大的湖泊。当时的地球狂风不止，把大量的黄土和灰尘吹到这个湖泊中。久而久之，黄土把湖泊给填平了，海拔越来越高，最终形成现在的黄土高原6。这一假说类似于 19 世纪庞佩利关于黄土成因的“湖相”假说理论，并做了进一步发展。20 世纪 50 年代，苏联科学院格拉西莫夫院士7首先指出黄土及黄土状岩石是坡积及洪积的起源，他认为东欧的黄土不仅是风化的产物还是被雨水细流及由每年冰雪融解的细流沿山坡搬运的结果，因而这种类型的黄土主要是广大的平缓坡地上的堆积物，即“风成-洪积”(Aeolian-Flooded hypothesis)假说。根据拉西莫夫的意见，中亚图 2 山西隰县午城黄土（中国最早的黄土）图 3 2002 年“黄土之父”刘东生先生在黄土高原考察基金项目:国家自然科学基金重点项目(41430636)大学科普科普创作Popular science creation652023 年第 2 期的黄土是在由洪流形成的碎屑物质的冲击锥的外圈部分通过洪积的方式形成的。细小物质的堆积作用，是在由山洪细流沿山前平原的地面流动所产生的平浅的低凹地带中发生的。三、我国学者对黄土成因假说的巨大贡献格拉西莫夫院士的“风成-洪积”假说是对二十世纪中叶中国黄土成因的一次巨大的冲击，随之带来了对黄土研究的无限生机。基于前人的研究，我国学者早些年对于黄土成因提出了众多的科学假说。在前苏联研究过中亚黄土的张宗祜先生，对中国黄土也提出黄土的形成受洪积作用影响的黄土成因假说8。西北大学的构造地质学家张伯声教授从关中地区的黄土研究出发，对中国黄土的成因提出了受水流影响，以逐步盆地填充的方式完成黄土高原的形成的假说9,10。在北方做过许多工作的岩石学家杨杰先生提出黄土是河流的冲积作用而沉积于广阔的河谷的河流沉积的假说11,12。苏联义等曾认为西北的黄土与残积作用有关，而提出黄土的风化残积假说。山地冰川工作者对于分布于冰川外围的黄土提出冰川成因的假说13。在对黄土研究多年并且深入调查的专家如西北大学的王永焱先生则提出过黄土成因的多成因假说，亦即黄土是一种复杂的、复合成因的沉积物的说法。这是一个百家争鸣的局面，因为任何一方研究者要寻找自己的证据，便促使了更为深入的研究，随之而来的是研究范围、领域的扩大和实验手段的深入。而在争论的过程中，相互间又吸取了对方论证中的合理的部分，便在众多人的各种“科学假说”的洪流中逐渐形成了并建立起黄土的“新风成学说”。这既体现了科学研究中要有坚持不懈的韧性，也说明科学假说的重要性。可以说正是这一个个“科学假说”驱动了新理论的诞生，“科学假说”是科学创新的基础14。四、黄土“新风成学说”的确立对于黄土成因的假说所引起争论的主要原因是不同学者研究、考察事物的角度不同，强调了某些事实而忽略了另一些事实，这就造成了观点上的差异。不论哪种学说都应该探讨黄土来源、搬运营力、堆积过程、黄土化作用等方面的问题，还要考虑区域甚至全球的构造和气候背景15。经过百年的发展，黄土的成因类型主要有风成、水成和风化残积型三种类型，但水成和风化残积型黄土很少见。然而，对于黄土高原的地质成因究竟是“风成”还是“水成”的最终论断，一位中国科学家所提出的“新风成说”给出了令人信服的答案。他发现黄土高原上的黄土存在着四条规律：一是不管地表起伏状况如何，黄土覆盖的厚度总是比较稳定的；二是黄土中有随地形起伏的多层古土壤分布；三是黄土的矿物成分与当地基岩的矿物种类极不相同，却与中亚、蒙古地区的戈壁、沙漠矿物成分相似；四是黄土高原自西北向东南的黄土颗粒逐渐变细，呈现出“沙黄土带黄土带黏黄土带”逐渐过渡的分布规律。这位科学家，就是刘东生先生。他所提出的“新风成学说”16，得到了广泛科学事实的支持。“新风成学说”基本解决了黄土高原成因的重大地质难题，平息了近百年关于黄土成因假说的科学争论，刘东生因而也被誉为“黄土之父”。图 4 黄土高原的形成示意图（来源中国国家地理）基金项目:国家自然科学基金重点项目(41430636)大学科普科普创作Popular science creation662023 年第 2 期五、学术总结概述数千万年以前，板块运动致使青藏高原不断抬升，阻挡了印度洋方向的季风以及它所携带的水汽，亚洲内陆地区因而变得干旱，逐渐出现了大面积的沙漠。欧亚大陆内部干旱地区的风沙，沿着青藏高原的边缘，一路抵达今天甘肃、宁夏、陕西、山西等地区。强劲肆虐的沙尘经过沿途群山的层层阻挡，最终在太行山以西、秦岭以北的广袤地区沉积下来。经年累月，最终形成了总面积达 64 万平方千米的一片高原，也成为地球上黄土分布最为集中的地区。黄土成因的含义比较复杂，包括物质来源、搬运与沉积的介质以及黄土化作用等方面的内容。对黄土成因的争论存在两个焦点：黄土的物质来自何方？有人认为黄土来源于西北方向干旱的沙漠地，亦有人认为来自当地基岩风化物或已有的沉积物；黄土搬运沉积的介质问题，百年来，众说纷纭，莫衷一是。早期黄土风成说由英国李希霍芬提出，俄国的奥勃鲁切夫发展了这一学说，根据长期的科学研究，我国许多地质地理学家认可这一学说，并极大地丰富了其内涵，现代黄土风成说研究的广度、深度和环境意义都远超过早期风成论，成为第四纪环境研究的一个重要方面。时至今日，多数学者认为黄土来源于大气粉尘降落，粉尘受到雨水、霜雪、生物活动等作用，发生次生碳酸盐化、碳酸盐与黏粒物质构成微团粒或集合体，附着于堆积物根孔或虫孔内，形成大孔构造；又与氧化铁、锰等一起包裹粉尘颗粒而呈黄色而成为黄土并被搬运到沙漠以外的附近地区堆积而成的。于是“新风成说”观点被多数学者所接受，是黄土形成的主流学术观点17。对于典型的风成黄土标志：一是黄土的矿物成分与其下伏的基岩成分无关，而且含有在水中不稳定的矿物；二是它不仅分布在低平地区，也能见于 2000-3000m 的高山之顶；三是黄土的厚度从沙漠边缘向外逐渐减薄；四是组成黄土的颗粒向外逐渐变细。同时现在认为，沙漠是黄土物质（粉砂和尘土）的源地。强大的反旋风把它们从沙漠的腹地吹到边缘和内陆，堆积而成黄土。然而看似简单的规律予以深刻证明了黄土高原风成说的起因假说，却是经历了百余年间几代科学家的接力探索，在一点一滴的科学积累之上所得出的。然而对于黄土的研究尚未结束，刘东生院士曾说过“越是区域性的就越具有全球性”，对于黄土这一典型地质生态区域的科学研究仍在深入开展中，其作为天书记录着第四纪以来全球气候变化的巨大科学价值，越来越多的科学发现将通过科学假说的不断提出而被推进，为我们更加清晰认识我们的地球做出贡献。正如恩格斯科学所说：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。18”因此科学假说的提出是科学创新的基础，科学假说是任何一门学科，尤其是地球科学的催化剂，其进展突破和科学假说的提出是密切相关的。参考文献：1 Lyell C.Travels in North America:with geological observations on the United States,Canada，and Nova ScotiaM.Vol.I.John Murray,London,1845.172 190.2 丁 宏.庞 佩 利 与 中 国 近 代 黄 土 地 质 学 J.自 然 科 学 史 研究,2019,38(02):200-214.3 潘云唐庞培里 C/孙枢世界著名科学家传记地学卷北京:科学出版社，1995133 1434 Richthofen F.von.China:Ergebnisse eigener Reisen und darauf gegrndeter Studien M.Vol.Berlin:Verlag vonDietrich Reiner,1877.56 189.5 B.H.帕夫林诺夫,于丕休,石世民,刘敏厚,刘鑫,常承法.关于中国黄土的成因问题 J.科学通报,1956(11):1-15.6 .帕夫林诺夫.关于中国黄土的成因问题.科学通报,1956,(11月号):1 157 谢德列茨基,阿纳涅夫.华北黄土的矿物成分和风成沉积地质学报,1954,34（3）：335 3508 张宗祜.西北陇东地区黄土形成问题.中国第四纪研究,1958,1(1):2549 张伯声.从黄土线说明黄河河道的发育.科学通报,1956,（3月号）:51010 张伯声.陕北盆地的黄土及山陕间黄河河道发育的商榷 J.第四纪研究,1958,1(1):88-106.11 杨杰.中国北方黄土沉积的成因.地质知识,1956,(9):1 1012 杨杰.对于解决中国北方黄土成因的问题贡献几点意见中国第四纪研究,1958,1(1)：25113 苏联义,吴子荣,田国光等.陇中盆地第四纪地质的初步研究.中国第四纪研究,1958,1(1):19014 刘东生.科学工作假说(Working Hypothesis)是科学创新的基础 J.第四纪研究,2006(05):673-677.15 李龙吟,田明中,陈华慧.目前中国黄土研究中存在的几个问题 J.现代地质,1994(02):172-176.16 刘东生黄土与环境 M北京:科学出版社，19857 817 吕惠进 地质地貌学：科学出版社，200518马克思、恩格斯选集第 3 卷，第 561 页图 5 作者：中国科学院地理科学与资源研究所博士研究生 宋文明基金项目:国家自然科学基金重点项目(41430636)