黄土高原成因的科学假说演进.pdf
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1、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
2、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 1
3、9 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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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1
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