◇◇新语丝(www.xys.org)(xys10.dyndns.org)(groups.yahoo.com/group/xys)◇◇ 黄土的万卷书 ——刘东生院士和他的黄土研究 碧声 《三思科学》电子杂志2002年第5期 　　中国科学院的地质专家刘东生院士于2002年4月获得世界环境科学 最高荣誉、“环境科学的诺贝尔奖”——泰勒奖。颁奖机构发布的消息 说，刘院士此殊荣是因为“在认识和应用陆地沉积物来理解全球环境变 化方面作出了开创性的贡献”。本刊记者对刘院士和他的学生郭正堂教授 进行了专访。 地球环境的三部书 　　世上比“天气”更加难以捉摸的东西恐怕很少，尽管专业人员非常 努力，我们还是有许多嘲弄天气预报准确度的笑话。不过，预测三天后 某地是否会下雨，实际上是预报中最困难的一种——“降水概率”真是 一个有用的词。预测很久以后地球气候的大趋势，或许倒要容易些。下 一个冰期会在何时出现？全球变暖会达到什么程度？如果我们能知道在 漫长历史中发生了什么，就有可能预言未来。在两极、海底和陆地上， 都存在着地球环境变迁的长期记录，这就是目前发现的三部最完整的地 球气候史书：极地冰芯、深海沉积物和中国黄土。 　　氧元素有三种稳定同位素，氧16、氧17和氧18，它们的原子核里分 别有8、9、10个中子。自然界中氧16占绝对多数，其次是氧18。由氧18 与氢结合形成的水，比普通水要重一点（不是一般意义上的“重 水”），相对来说更难蒸发，更容易凝结成雨雪落下来。大气流动把海 洋上蒸发起来的水搬运到两极，在南极和格陵兰的冰原上形成新一年的 降雪。如果当年气温比较高，雪中氧18的比例就会高一些，反之就低一 些。冰雪一层层堆积起来，就成了一部气温纪录。冰芯的累积速率、气 体和杂质含量还可以告诉我们当年的降水量、大气成分甚至火山活动等 情况。 　　因为陆地上的水是从海洋里蒸发出来的，含更多的氧16，当两极的 冰多时，海水中的氧18就相对增多，反之则减少。海水中氧同位素相对 含量会在海洋生物身上体现出来，因为一些生物需要从周围的海水中获 取钙、碳和氧元素，来生成自己的碳酸钙硬壳。生物死亡后，一些介壳 沉入海底被埋藏起来，留下当时气温高低和全球冰量多少的证据。此 外，生物细胞生长会对碳同位素有所挑选，更倾向于较轻的碳12，而把 碳13留在环境里，从而影响海水中碳同位素的相对含量，这在海底沉积 物中也会留下记录。沉积物里还有泥沙、灰尘、植物遗骸乃至宇宙尘 埃，从多种角度提供当时地球环境的信息。在陆地上，不同的植物体内 具有不同的碳同位素值。 　　与较少受到干扰的极地冰芯和深海沉积物相比，陆地沉积物因为容 易风化侵蚀、连续性差而一度不被重视。但在刘东生院士几十年的努力 下，中国黄土被证明是研究260万年来气候变迁历程的可靠记录，并且其 中包含的很多信息是其它记录无法替代的。中国黄土从而与冰芯和深海 沉积物并列成为古代地球环境研究的三大支柱，一谈到陆地上的环境变 化记录，人们就会自然而然地想到刘东生和中国黄土，正如一谈到海底 沉积物和环境变化，就想到美国的W.S. Broecker一样。2002年的泰勒环 境科学成就奖，正是被这两位海陆环境变化研究的先驱所分享。 风吹来的历史 　　北京中山公园内有“社稷坛”，曾是明清两代帝王祭祀土地之神和 农业之神、祈祷丰年的场所。坛上覆以五种颜色的土，因此又称“五色 土”，其分布为东方青土、南方红土、西方白土、北方黑土、和中央黄 土。这与中国土壤分布的实际情况有些相似：南方的土壤因含铁元素较 多而偏红，往北则因钙质较多而呈黄色，东北的土壤因腐殖质较多而发 黑。而黄土位于中央，也正好体现了黄土与中国古代农业文明发展的密 切关系。 　　日常概念里的黄土指黄色的尘土，状态介乎分散的砂石和粘重的泥 土之间。地质学上的黄土专指形成中国黄土高原的这种黄土，它也可以 看作是某种软的、松散的岩石，与生物作用产生的土壤不同，它是风吹 来的沙尘，通常堆积超过100米厚，有些地方甚至达到400米。刘东生院 士及其同事测定认为，中国的黄土或类似黄土的物质分布面积约有63万 多平方公里，其中真正的黄土区域为30多万平方公里。欧洲、北美中 部、阿根廷等地也有大面积的黄土，但历史没有中国黄土这么长，保存 状况也没有这么好。黄土的英文对应词loess及德文词L?ss都由德国莱因 河谷居民对当地松散土的称呼演变而来，原意为疏松、松散结构。 黄土高原 　　海枯石烂或许是很长时间的保证，但并不适于作为永远的代称。地 质运动可以把大海变成高山，岩石因风化而破碎更是常见。尤其是在 “早穿棉袄午穿纱、围着火炉吃西瓜”的戈壁沙漠地区，白天和夜晚气 温相差非常大，而岩石内部不同矿物的热胀冷缩程度不一样，折腾来折 腾去，彼此之间的联系就变得松了，从而开裂、剥落，产生沙粒和粉 尘。如果有化学和生物过程参与，风化就进行得更快。沙漠中的砂粒被 风常年累月地吹来吹去，互相碰撞打击，产生许多细小的尖角颗粒，它 们就是形成黄土的主要物质。西北风从坡上刮过，沙尘被卷上天空飞向 远方，越细的沙尘飘得越远。据竺可桢先生考证，唐诗“黄河远上白云 间”实为“黄沙直上白云间”之误，描述的并非黄河，而是塞外大风吹 起的尘沙。中国的黄土堆积区域，正是盛行下沉气流、有利于粉尘降落 的地方。在中国地图上，我们大致可以自西向东看到戈壁－沙漠－黄土 这样岩石颗粒逐渐变小的顺序。黄土高原，中华民族的伟大发祥地，是 几百万年的“沙尘暴”的结果。 　　黄土结构松软，容易耕作，而且非常肥沃，有利于植物生长。在生 产力不发达的时代，地理条件对当地文明的特征有着重要影响。黄土的 特性使黄土高原上诞生了与尼罗河、印度河和两河流域不同的旱作农 业，支持了一个独特的古代文明。地质学家和考古学家们在黄土区域内 发现了非常密集的古代居民聚居点，例如旧时器时代的蓝田人、丁村人 以及新时器时代仰韶文化的遗迹。然而，黄土的松软也是它的弱点，这 使它容易被侵蚀，发生水土流失，黄河的泥沙和水患是几千年来始终存 在的问题。 时光倒流 　　与其它国家的黄土相比，中国黄土是一份时间跨度最长、保存得最 好的地球环境记录。刘东生院士说，阅读中国黄土这本书，既容易，也 困难。说容易，是因为黄土直到今天还在继续形成，研究最上层新形成 的黄土时，我们有很多其它资料为辅助，因此起点比较容易。但是，越 往过去追溯，就越困难。 　　中国黄土的几代研究者与他们所研究的黄土年代，呈现一个有趣的 序列：20世纪30年代，刘东生院士的老师杨钟健先生那一辈的研究者为 中国黄土研究打下基础时，认为黄土的形成是十几万年来的事。50年代 以后，在刘东生院士这一辈人的努力下，黄土的历史被倒推至第四纪 （地质学上最新的一个时期，约为300万年前至今）早期，大约距今260 万年的时候。此后，刘院士的学生安芷生、丁仲礼等人把它推到600~800 万年前；再年轻一辈的郭正堂等人更在最近追溯到2200万年前。 　　判断黄土层的年代有许多方法，考古学中常用的碳14测年法自然是 其中之一。碳14是天然形成的碳同位素中唯一有放射性的，它在宇宙射 线的作用下产生于大气上层，通过空气对流均匀地分布于大气圈，参与 自然界的碳循环。一件含碳的东西埋在地下，基本上停止与外界产生碳 交换，其中的碳14就有规律地通过衰变而减少，据此可以判断物品的年 龄。不过碳14测年法不能倒推得很远，在黄土研究中仅能用于不超过3、 4万年的地层。 　　“热释光”和“光释光”技术最多可以用于20~30万年以来的年代测 定。这两个词听起来有点拗口，其实不过是指加热或用光照射样品，使 它发光。矿物埋在地下，受到周围环境中的少量放射性物质释放出的 α、β、γ等射线轰击，积累辐射能，在受热或被光照时通过发光的形 式释放出来。如果能知道这种辐射能积累的速度，测量矿物释放出的总 能量，就能知道它产生的年代。 　　如果把地球的历史缩短成一天，在这期间你会发现手上的指南针像 疯了似的乱转，一会儿指南一会儿指北。地球的磁极在过去发生过多次 倒转，科学家一般认为这是因为地球核心高温熔融的液态铁的流动所 致——地磁能量的99%以上都藏在这个铁核中。地球磁极倒转一次只需 要5000年的时间，有时候1万年就来一次倒转，有时候2500万年也不动 弹。地质学家已经通过火山岩的研究，对地磁倒转的历史有很好的了 解，建立了一个标准地磁年表，测量黄土层中古代矿物的剩余磁性，与 标准地磁年表对比，也可以知道土层的年龄。古地磁测年法非常有用， 可以分析有几千万年历史的东西。 地球磁极方向并不是稳定不变的 　　 有一些化合物分子，完全由同样数目和种类的原子组成，但原子排 列方式不同，结构彼此对映，就像人的左右手，我们称之为“左旋”和 “右旋”的分子。地球生命对有机分子有一种古怪的偏好：它们只使用 左旋的氨基酸，尽管右旋氨基酸同样稳定充足。生命究竟能否在右旋系 统中产生，是科学家迫切希望通过寻找外星生命来获得解答的问题—— 这么远的话题我们暂且搁下。生物死后遗骸被埋在地下，左旋氨基酸随 着时间的推移会慢慢地变成右旋氨基酸，直至达到左右平衡。因此，地 层中左/右氨基酸的浓度比例，也可以作为年代标志，这一方法称为“氨 基酸外消旋”，它还能用于判断当时的气温。 　　 雨的故事 　　有人说和平是两次战争的间歇，那么我们也可以认为温暖可爱的气 候是两次冰期的间歇——它在地质学上就叫间冰期——这可以增加一点 居安思危的感觉。6000年前，地球刚走过一个间冰期的高峰，如果没有 人类活动引起的温室效应，现在正开始滑向下一个冰期。20世纪60年 代，通过对欧洲阿尔卑斯山冰川的研究，人们认为第四纪总共发生过4次 冰期。当时的深海沉积物研究发现，第四纪的冰期－间冰期冷暖循环 （称为“气候旋回”）远远不只4次，但这一观点没有被广泛接受。刘东 生院士和他的协作者通过黄土研究证实，过去260万年来地球气候至少发 生过37次这样的旋回。 　　证据来自厚厚黄土层中夹杂的一条条红色的条带，这是过去生长着 植被的古土壤。例如在陕西宝鸡附近，地质学家发现了黄土/红土/黄土/ 红土……交错堆叠的35层黄土和34层古土壤，这个巨大的千层饼，是古 代气候冷暖/干湿变化的完美记录。寒冷而干燥的时期因为地面植被少， 有利于粉尘形成，而且冬季风比较强，容易把粉尘扬起来，造成黄土堆 积。在温暖湿润的气候中，夏季风带来降雨，有利于植物生长，促进土 壤发育。刘院士在20世纪60年代就认识到这一点，通过黄土/古土壤研究 给第四纪气候的“多旋回理论”提供了支持。 卫星上观察到的亚洲沙尘暴 　　分析黄土的结构和成分，可以得到当时气候环境的线索，例如颗粒 的粗细能反映冬季风的强弱；不同矿物抵抗风化的能力不同，环境的变 化就会反映在黄土的矿物和化学成分里。另外，黄土里有大量生物化 石，这就要求古地质学家同时也必须是一个好的古生物学家——刘东生 院士改行研究黄土之前正是一位古生物专家，研究鱼化石。有两种动物 在黄土研究中特别受到青睐：蜗牛和鼢鼠（一种田鼠）。 　　蜗牛需要从环境里获取碳酸钙来建造它背上那幢小小的房子，而钙 质含量高正是黄土的特征，因此黄土里盛产蜗牛。而且蜗牛一辈子也走 不了多远，它的化石所记载的一定是当地的历史气候信息。把黄土层里 发现的各种蜗牛与现在生存于世界各地的同类蜗牛对比，通过其生活习 性——喜欢湿润、喜欢干旱或各种条件都能适应——就能推断古代气候 环境。对鼢鼠的研究则发现，在进化历程中，鼢鼠渐渐失去了牙根，意 味着它的牙齿可以没完没了地长下去，这是气候恶化使得食物来源减 少、质地粗糙、嚼起来费牙的体现。从黄土埋葬的古土壤、碳同位素、 古植物孢子花粉及动物化石来看，过去这些地区是草原而不是森林，气 候比较干旱，很可能黄土高原上从来就没有过大面积的森林植被，这对 于如何合理有效地保护和治理黄土高原的环境有重要启示。 　　中国黄土记载的是区域气候变化，它是否有全球意义？20世纪80年 代初，刘东生院士与合作者一起，把黄土地层与深海沉积物逐层对比， 发现结果是一致的。这个突破性的进展是黄土研究的一个里程碑，从此 将中国黄土纳入了全球环境变化的框架，使黄土古气候学成为一个重要 的研究领域，并对研究过去的海陆相互作用对环境的影响十分重要。 　 青藏高原的传记 　　今天的亚洲中部有着大片干燥的荒漠地区，几千万年前这些地方曾 有河流存在，气候温暖宜人，和煦的西风吹拂在大地上。后来碰撞的大 陆吞没了古地中海，青藏高原隆起，喜马拉雅山开始伸向天空，隔断了 来自印度洋等海洋的湿气，使气候严酷起来。青藏高原的隆起大大改变 了亚洲上空的大气运动，促使地球上最强大的亚洲季风系统形成，对中 国乃至全球气候变化都有重要影响。如果没有青藏高原，中国西北部就 不会像现在这样干旱，而东南部也就不会像现在这样湿润，烟雨江南会 变成阿拉伯半岛那样的沙漠，黄土高原不会形成。刘东生院士等人关于 中国黄土的研究，对揭示青藏高原的形成过程及对环境的这些影响有重 要帮助。 　　1964年，刘东生暂时放下黄土研究工作，与冰川学家施雅风共同主 持青藏高原希夏邦马峰科学考察。这座山峰是当时全球8000米以上高峰 中唯一的处女峰。在海拔5900米的地方，考察人员发现了一块树叶化 石。鉴定表明这块年龄仅200多万年的化石是阔叶树高山栎，而现在的阔 叶林最高只能生存在海拔3000米左右的地方。这意味着在短短200多万年 里，青藏高原上升了约3000米。这块高山栎化石成为青藏高原在第四纪 强烈隆起的一个重要证据，在此之前，地质学界认为青藏高原维持这种 高度已经非常久了。 NASA的飞船拍到的喜马拉雅山 　　青藏高原究竟是怎样隆起的？在什么时候升高到了什么程度？地质 学对此的研究主要集中于地质构造和地球物理方面，刘东生院士别出蹊 径，利用黄土来追溯青藏高原的历史。黄土研究揭示了黄土高原的形成 与季风的关系，表明青藏高原－戈壁沙漠－黄土高原是一个成因上彼此 相关的系统，其影响还可以延伸到黄河起源、华北平原的起源、黄海和 渤海的充填乃至北太平洋海底的粉尘堆积，而青藏高原的隆起是这些现 象的原动力。风从干旱的沙漠中来，往东吹去，带来尘土。黄土高原是 青藏高原升起的产物，黄土的历史就是沙漠的历史，是青藏高原的历 史。 　　2002年3月14日，中国科学院地质与地球物理研究所的郭正堂教授等 人在英国《自然》杂志上报告说，他们在中国北方黄土高原西部发现了 一套厚达250米、多达231层的黄土。根据其中记录的地磁极性变化和小 动物化石，确定它的形成时代为2200万~600万年前。形成这样大面积而 且巨厚的风尘，需要大面积的干旱区作为粉尘来源，还要有强劲的风将 粉尘搬到黄土高原，因此亚洲中部的荒漠化至少在2200万年前就开始 了，这与青藏高原的隆升直接相关。这项历时5年、涉及上万个数据的研 究，把喜马拉雅山传记的起始年代又往前推了1400万年。《自然》杂志 的编辑说：“风尘能够平息喜马拉雅的争议”。对刘东生院士而言，后 辈的新成就，是先驱者最大的欣慰吧！ 地球的吸引力 　　刘东生院士早年师从古生物学家兼地质学家杨钟健先生，在鱼化石 研究方面有突出成就。1954年，新中国建设急需地质人才，刘先生欲待 响应国家号召，又放不下古生物研究，犹豫不决，最后在老师侯德封先 生的鼓励下，定下心来从事地质研究。从1955年起，由包括刘先生在内 的多学科专家组成的考察队，完全靠步行对晋、陕、甘等地区进行黄土 高原水土保持的考察。刘先生说，当时的考察工作应该说是比较苦，但 因为一路走一路总有新发现，所以也并不觉得苦。2000年，刘先生参加 黄土高原可持续农业发展咨询考察团，故地重游，当年走了8个月的路， 利用现代交通工具，8天就转完了。当然，当年的步行考察有利于进行更 细致的观察，不过技术的进步的确大大提高了地质工作的效率，刘先生 对此深有感慨。 　　刘先生说，对于地质学科，新人才的补充非常重要。探索地球的未 知奥秘是非常富有吸引力的，此外，人类离不开地球，但大气中温室气 体含量增加、有毒物质污染环境、生物多样性减少等正使环境日益恶 化，这些环境问题与地质科学关系非常密切，需要有更多的人来参与研 究，泰勒奖正是为鼓励更多的人从事环境研究而设立的。而要让年轻人 将来参与研究，首先就必须让他们了解科学家在做些什么，比如很多人 可能只是对黄土有个模糊概念，并不知道黄土研究究竟是怎么回事。对 现在的年轻人、中学生，网络是一个非常方便的获取信息的渠道，可以 通过网络向他们介绍地质学、生物学、全球变化等自然科学知识，激发 他们对科学的兴趣。刘先生笑着说，他希望见到中国的年轻人将来得到 更多的泰勒奖。 ◇◇新语丝(www.xys.org)(xys10.dyndns.org)(groups.yahoo.com/group/xys)◇◇