1
這裡地表崎嶇，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
令人肝腸迴旋 心氣激盪的特有曲調一樣
這片完全由黃褐色土質覆蓋的地方
因它獨有的外形和龐大的沉積區
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
政權交替的興亡舊事
也正是這滿目濃郁的暗黃色調
勾勒出一幅五千年華夏文明的恢宏畫卷
當人民站在這高高聳立的山峁間
手捧一把飽含滄桑與鄉愁的黃土
就仿佛觸摸到了古老的民族
延續千年的根脈與筋骨
當千溝萬壑的一道道山樑
呈現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
2
對黃土高原的關注和研究
最早可以追溯到十九世紀七十年代
1870年一位旅居中國多年的德國學者
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
當來自西北的狂風捲起狂沙在天際邊怒吼
一直盤旋在這位學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
一定是千百年來遠方的塵土
在西北風的作用下被吹到了這裡
再經過漫長的地質年代
最終堆積成一派壯闊恢宏的景象
這位有著傳奇經歷的學者
就是寫就了《中國》這部巨著的
德國地理學家——李希霍芬
而他對中國地學界最為重要的貢獻之一
就是黃土高原成因中的「風成假說」
那麼，李希霍芬的「風成假說」
是否真的就是黃土高原的成因呢
3
80多年後一位叫帕夫林諾夫的蘇聯科學家
對此提出了質疑
上個世紀五十年代
新中國地質事業剛剛起步
帕夫林諾夫以專家身份被派往中國協助建設
在驚嘆於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
借鑑對伏爾加河洪水的研究經驗
帕夫林諾夫提出
遠古時期的大面積洪水泛濫
裹挾了巨量泥沙沉積
經過水和風的共同作用後
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
關於它的形成和堆積之謎
一直為全球科學家們所關注和探究
然而「風成」和「水成」究竟哪個才是
黃土高原的真正成因呢
由於這兩種假說都缺少堅實有效的證據
難以形成完整的證據鏈
因此爭論始終相持不下
正等待著後人的解答
4
新中國成立後不久
一位來自中國的年輕學者
決定來挑戰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人
該如何踏步去讀懂黃土天書里特殊奧秘呢？
黃土質地鬆軟疏散
極易受到流水的侵蝕
當黃河從高原身側奔涌而過時
往往會裹挾黃土
製造出驚人的水土流失量
於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劃開始實施
為了遏制黃土泛濫
解決黃土高原嚴重的水土流失問題
國家組織了一支科學綜合考察隊
來到黃河中游地區進行地質考察
隊員中有一名干將
他就是為研究黃土付出一生的劉東生
當時的他對唐窪村莊的窯洞充滿濃厚的興趣
並留下了珍貴的素描筆記
5
當時劉東生所在的考察隊
是由不同學科多個專業的人員組成
而劉東生所在的地質組研究重點
是黃土的形成與堆積
他對不立樑柱不設磚瓦
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律
這一排排原生的有規律的窯洞
是否和黃土的形成和堆積有關聯呢
通過仔細觀察劉東生注意到
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
為什麼都是黃土卻有不同的顏色
為什麼分布在不同的層面呢
在觀測和試驗中劉東生發現
黃土之所以變紅
是因為土裡面的含鐵礦物
經雨水淋洗氧化後變紅
同時土裡富含鹽分的碳酸鈣又被雨水裹挾著向下沖
在紅色土質的下方部位積澱成鈣結核
俗稱料姜土
它相對堅硬
因此紅色土和鈣結核層
成為能抗壓的重要的支架層
被鄉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築格局
6
韓家懋是劉東生的學生
曾在中國科學院地質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備將老師珍貴的考察筆記
整理後編輯出版
為此韓家懋翻閱了老師留下來的數百本手跡
再一次的了解到劉東生科研世界
那麼這座外表如此龐大的地質奇觀
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
一是地學界相持不下的兩大見解「風成」和「水成」假說
根據帕夫林諾夫的理論假設
如果黃土是由洪水沖積而成
那麼沖積下來的洪積物
就應該主要局限於山前地帶且分布較厚
隨著水流速逐漸減弱
距離山前越遠厚度就會逐漸變薄
洪積物的成分和地層結構也會相應發生變化
然而劉東生在黃土高原考察時卻發現無論地形高低
這裡黃土覆蓋的厚度都基本一致
並無薄厚變化之分
其次這裡的黃土物質成分
是以單一的灰黃色粉砂顆粒組成
質地均勻有序排布
並有垂直節理這個顯著特點
而如果是洪水沖積而成的黃土
那麼土層中的石砂和泥土
就應該是大小不一混合無序的
並且它的節理呈水平狀態
種種證據都表明帕夫林諾夫
用故鄉伏爾加河的洪水經驗
來推導中國黃土高原的形成顯然並不相符
7
二是他還需要面對一個極為不利
且完全有違邏輯的現象
那就是在海拔兩千多米的太行山上
也有黃土的出現
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
才能衝上高高的山頂
並最終留下痕跡呢
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
那麼德國地質學家李希霍芬
提出的「風成假說」又是否成立呢
劉東生發現用「風成假說」
來完全解釋黃土高原的形成
似乎證據也並不充分
當年為解決黃土高原水土流失的問題
劉東生與考察隊不同領域的科研人員
在土壤、地質、水文、氣象、林業等方面
做了大量科學考察
劉東生意識到水土流失
與黃土的地質環境密切相關
而黃土的顆粒究竟從哪裡來有什麼特性
一位老農告訴劉東生北邊的黃土的粗沙子多
所以鬆散不易成型
而南邊的黃土顆粒較細用力抓握後不易散開
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
如果黃土顆粒從北到南粗細差異普遍存在
而且符合西北風的走向
那麼德國地質學家李希霍芬的
「風成假說」就是合理的解釋了
8
但是李希霍芬只解釋了黃土的原始物質
是由風力搬運而來的
並沒有對搬運過程進行深入細緻的研究
因此難以成為一種理論
劉東生重新規劃了黃土高原的科考方案
在整個黃土高原布置新的任務
考察東西南北向的十條大剖面
劉東生帶領科考團輾轉甘肅、陝西、山西等地
歷時近一年 行程數千千米
最終將十大剖面各條路線
採集來的幾百份黃土樣品帶回了實驗室
逐一進行程序繁雜的實驗研究
安芷生中國科學院院士
也是劉東生的第一個學生
他描述當年劉東生在簡陋的實驗室里
將黃土高原十大剖面採集回來的樣品
經過多道複雜工序後
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
並且不同地區黃土性質有所不同
西北方向是含沙較多的沙黃土帶
中部地區是黃土帶
靠近東南的則是粘性很強的黏黃土帶
9
至此劉東生給黃土原始物質的搬運過程
畫出了完整的路線圖
遠古地質時期強勁的西北季風
將中亞和蒙古高原地區的黃色粉塵
源源不斷地吹向東部
顆粒較大的粗砂留在了新疆和內蒙古
並在那裡形成了大片沙漠和戈壁
其餘的粉塵物質隨風繼續南下
卻被青藏高原和秦嶺擋住了去路
向東則受制於太行山脈
最終只能在甘肅、陝西、山西一帶沉降下來
同時隨著風力的減弱
粗的粉塵顆粒被拋撒下來
然後是中等顆粒 最後是細小顆粒
由於這片區域降雨屬於半乾旱地區
利於以粉砂為主體的沉積物的保留
經過漫長的地質雕琢
終於形成了如今波瀾壯闊的
黃土高原
10
由於劉東生提出了一整套完整的黃土風成理論
因此國際地學界為了區別於李希霍芬的早期學說
把劉東生的「風成理論」稱為「新風成說」
持續了一個多世紀的黃土高原成因之謎
終於得以平息
然而劉東生並沒有停止他的思考
接下來他要面對的是一個更大的問題
就是探察黃土的內部結構
黃土剖面上紅色和黃色土壤的疊覆
究竟意味著什麼？
下期將繼續為你解讀
本文根據CCTV10《地理中國》欄目「百年地理大發現」之《黃土天書》整理而成。
美術編輯：張志越
校 對：張騰飛
公眾號：中科院地質地球所
ID：dizhidiqiusuo