李希霍芬与黄土的风成学说

1、第四纪研究vo l. 25, no. 4j u ly, 2005第 25卷 第 4期2005年 7月qua ternar ysc iences文章编号1001 - 7410 ( 2005 ) 04 - 438 - 05李希霍芬与黄土的风成学说 3孙继敏(中国科学院地质与地球物理研究所 ,北京 100029 )摘要第四纪古气候重建在最近半个世纪的时间里取得了前所未有的进展 ,这在很大程度上与对陆相黄土地层 ,特别是中国黄土 - 古土壤序列 的研究 , 以 及对深海沉积氧同位素 的研究密不可分 。现 在我们已经可以在黄土 - 古土壤序列的基础上 ,建立起 260万年来地球轨道尺度的古气候变化 。一

2、个不容否认的事实是 ,这些进展都 是在黄土风成成因的基础上 ,结合土壤地层学 、年代学 、磁性地层学 、古生物学等方面的进展逐渐发展起来的 。只 有解决了黄土的风成成因 ,才可能将堆积于各地的黄土 ,通过搬运粉尘的风力系统与区域 、甚至全球的古气候变化 联系起来 。文章回忆了黄土的早期研究历史 ,回顾了黄土风成成因的奠基人李希霍芬教授在黄土成因方面的杰出 贡献以及其后黄土成因的完善与发展 。主题词李希霍芬 黄土成因风成学说文献标识码中图分类号k81 , p941. 74a中国历史 文 献 中 1 , 2 , 这 比 国 外 最 早 的 、始 于 1820年前后的欧洲黄土研究 ,至少早了两千年

3、。只不过 这些早期的 、记录于中国历史文献中的黄土降尘的 朴素描述 ,并不为很多的国外第四纪学家所熟知 。 英文中的“loe ss”一词 ,是从德语 “ loe sch ”演化而来 ,后者是德国莱茵河上游的当地居民对附近黄 色 、疏松 、易于耕作的垆姆状沉积物的称谓 ,由伦纳 德 ( k. c. von l eonha rd )于 1824 年前后最早运用于描述黄土的研究中 3 。在伦纳德之后 ,真正将黄土介绍给世界地学界的学者是著名 地质 学 家莱 伊尔 ( c. l ye ll ) 。莱 伊 尔 在 德 国 的 蜜 月 旅 行 中 , 在 h e ide lbe rg遇见了 伦 纳德 ,

4、后 者将 德 国莱 茵 河 畔 的 黄土沉积介绍给莱伊尔 。以莱伊尔的科学敏感性 , 自然对这些独特的 沉 积物 有着 极 深刻 的印 象 。随后 ,在其 1833 年出版的著名论著“the p rinc ip le s of1 引言如果说 20 世纪第四纪研究方面最突出的进展 是建立了 260万年来完整的高分辨率古气候历史的 话 ,那么 ,黄土和深海沉积应当是这一进展最为重要 的基础 。黄土是全世 界分 布最 广 的表 生沉 积 物之 一 。在中亚 ,西至帕米尔高原以西 ,东至太平洋东岸 的中国近海 ,北至西伯利亚南部 ,南至秦岭甚至汉中 盆地 ,均在不同地貌位置 、海拔高度分布有黄土 。这

5、 里不仅是全球分布范围最大的黄土区 ,而且生息 、养 育了数亿人民 ,也是人类文明的发祥地 。厚层的黄 土是记录第四纪以来古气候演变 的最 好的 陆 相沉 积 ,也因此与极地冰芯和深海沉积并称全球古气候 变化研究的三大支柱 。黄土的重要性与贯穿于黄土 研究过程中几个重要科学问题的 认识 是密 不 可分 的 ,这包括 :黄土成因的科学认识 ,第四纪时期完整 的黄土地层的建立 ,黄土堆积的古气候意义 。而在 上述问题中 ,对黄土成因的研究是最基本 ,也是最重 要的 。提到黄土成因 ,有一个人的功绩是应当永远 为我们所记住 ,他就是 19世纪德国的著名科学家李 希霍芬 ( fe rd inand v

6、on r ich thofen)教授 。2 对黄土早期研究历史的简短回顾全世界最早的黄土记录 ,出现在两千多年前的 4 geo logy”第 3卷 中 ,专门增加了对黄土的描述 ,也由此使英文的 “loe ss”一词 ,真正推向全世界 。尽管 鉴于当时的科学认知水平 ,莱伊尔对黄土成因的认 识还局限在洪积成因上 ,但他在向世界宣传黄土沉 积方面的贡献 ,应当为当前及今后的第四纪学家所 牢记 。同时 ,莱伊尔在其书中 ,还进一步提及除伦纳 德以外的另外一些研究莱茵河谷地黄土堆积的德国 科学家的名字 ,如 : b ronn, boue, vo ltz, noegge ra th,作者简介 : 孙继

7、敏 男 40 岁 研究员 第四纪地质学专业 e2m a il: jm sunm ail. igca s. ac. cn3 国家杰出青年科学基金项目 (批准号 : 40125009 )资助2005 - 03 - 05 收稿 , 2005 - 04 - 06 收修改稿ste in inge r, m e rian, roze t, von m eye r, h ibbe rt,他们均在 1835年之前发表过有关黄土的研究论文 。尽 管我们现在已难以列举上述科学家文章的出处 ,但一个不容忘记的历史事实是 ,国外对黄土的早期研究 ( 1840年之前 )主要是由德国科学家完成的 。约 8 000 英尺

8、、甚至更高 ,在欧洲 ,黄土在 5 000 英尺以下的各种高度均有分布 ; 黄土地层也不具有水平 层理 。上述特点显然不能为水成成因所解释 ,也不可能由海洋 、湖泊抑或河流将黄土物质堆积在 8 000英尺高的山坡上 。 李希霍芬不仅提出了黄土的风成学说 ,而且还根据自己多年在中亚的野外考察经历 ,进一步阐述3 李希霍芬与黄土风成学说的建立李希霍芬是德国著名的地质地理学家 ,其来华 的经历与当时强大的普鲁士欲开辟东亚地区的贸易 通商密切相关 。从 1868年 11月至 1872 年 5 月 ,李 希霍芬以上海为基地 , 7 次对中国进行实地调查 ,重 点做了地质 、地理调查 ,以及物产 、人口

9、、交通 、商业 、 风土人情等经济 、社会情况 ,其考察范围之广 、时间 之长 、所到地区之多 ,均非其他外国来华的考察者所 可比拟 。此系列考察的最大成果 ,是在德国对考察 中国的材料研究汇总后 ,经过 35 年的时间才出齐的 德文巨著中国 。全书分 5 卷 , 其中 , 第 1、2 卷由 李希霍芬自己编成 ,其他 3 卷由他的学生及同事参 与下共同完成 。尽管李希霍芬作为一个德国人 ,生 长在正值德国的殖民主义者急于 向世 界扩 张 的时 期 ,但这终究掩盖不了他的中国之行在科学上取得 的非凡成就 。李希霍芬对中国地质学 、地理学有着非常重要 的贡献 ,而对中国黄土高原的考察和因此而得出的

10、 黄土风成成因的看法 ,是其最杰出的地质成就之一 。 应当说 ,德国的李希霍芬是黄土风成学说的奠基人 , 而正是由于风成学 说 的建 立 , 才使 黄土 沉 积 , 在区 域 、甚至全球尺度上 ,通过搬运黄土的风力系统与全 球气候之间建立起紧密联系 。而在此之前 ,黄土的 成 因 有 各 种 假 说 , 包 括 : 莱 伊 尔 的 洪 积 说 4 , pump e lly的湖相沉积说 5 , kingsm ill的海成说 6 等等 。李希霍芬在其专著中国 的第 1 卷中 ,首次提 出了中国黄土由大气搬运而来 ( subae ria l o rigin) ,即 为风成成因 7 。李希霍芬于 18

11、82年在为 geolog ica l m agazine撰 写的论 文 中 8 , 更 进 一 步 地 阐 述 了 黄 土 的 风 成 成 因 ,并列举了他所观察到的 、用其他理论所不能解释 的有关黄土的 12 大 性 状 , 其中 最 主要 的沉 积 特点 有 :无论是中亚 、还是欧洲的黄土 ,其成分与结构十 分均一 ,这是水成沉积不具备的特点 ;黄土的分布不 受海拔高度的限制 ,在中国 ,其分布高度从几英尺到 8 了黄土 物 质 的 堆 积 过 程 及 其 形 成 的 气 候 条 件 。他特别提出了构成黄土的物质主要由风从干旱区吹 来 ,而在堆积区则由于植被的固定而得以保存下来 , 尽管在

12、坡度较陡的地方 ,堆积的粉尘会遭受后期的 雨水冲刷 ,但在地势平坦的地方则会加积成厚层黄土 。不仅如此 ,李希霍芬对形成黄土的气候条件也 做了阐述 ,他认为最适合黄土堆积的气候条件应当具备一年之中干 、湿季节分明的特点 ,最为适合上述特点的地区应当是中亚等大陆内部 ,这里不仅干 、湿 季节分明 ,而且由于地表径流的冲刷能力有限 ,堆积 的粉尘可达数百米 。4 黄 土沉 积的 全过 程与 风成 学 说 的 发展完善在李希霍芬提出黄土的风成学说之后 ,俄国科 学家 v. a. o b ruchev (奥勃鲁契夫 )对欧亚的黄土进 行了长达半个世纪的科学研究 , 并提出了“沙漠黄 9 土 ”的概念

13、,他进一步认为中国黄土是“热 ”黄土 ,在成因上与沙漠有关 ,而欧洲的黄土为“冰川 ”黄土 (所谓 冷 黄 土 ) , 成 因 上 与 冰 川 作 用 有 联 系 。然 而 i. j. sm a lley认为冰川作用在粉土级物质产生方面有 10 着非 常 重 要 的 作 用, 刘 东 生 先 生 在 1987 年 的inqua 大会上也曾报道中国的部分黄土可能为冰1 ) 11 , 12 川成因 。根据笔者最新的研究, 将中国黄土表述为沙漠黄土并不确切 ,因为这仅仅是将空间上两个相邻的地质体简单地联系起来 。事实上 ,第四 纪冰期气候的来临及晚新生代以来中亚高大山脉的 快速隆升所导致的冰川研磨作

14、用 、岩体剥蚀作用等在内的“高 山 过 程 ”的 加 强 , 才 是 产 生 大 量 黄 土 级(主要为粉砂 )物质的原因 ,这些物质不断地被冰川 融水或山 洪带 到山 前 , 形成 广 泛的 冲 、洪积 扇 。戈 壁 、沙漠 、黄土的空间分带 ,只不过是风力对山前冲 、洪积扇的物质分异而已 。从这一意义上说 ,中国黄 土尽管在空间上与戈壁 、沙漠联系密切 ,但戈壁 、沙1 )与刘东生先生私人交流440第四纪研究2005年漠仅是黄土级物质的储存地 ,或称“中转站 ”, 无论是欧洲的黄土 ,还是中国的黄土 ,其黄土级物质的产 生最终是与冰川研磨作用关系最大 11 , 12 。从 1954年开始

15、,刘东生先生直接参与并领导了对中国黄土的广泛调查与研究 ,其研究范围之大 、测 量剖面之多 、手段之全面以及野外的艰苦程度是任 何前人所不能比拟的 。正如刘东生先生在黄土与接收不到降尘 ,而且地面气象观测站也观测不到沙尘天气 18 。因此 ,笔者提出中国黄土是由近地面风(基本在 3 000m 以下 ) 搬运的 , 而由西风带搬运的 粉尘则被更远地带到了北太平洋甚至美国东部和格 陵兰地区 12 。因此 ,笔者不同意 sun 20 所认为的黄土粒度分 布的粗 、细组分代表了冬季风和西风带两种搬运方式的看法 。一个最简单的道理是 , 即便一个非常局 地 ( loca l)的扬尘事件足可以在当地产生富

16、含细粒 组分的粉尘堆积 ,因此没有任何理由将细粒粉尘全 归于远程来源 、进而提出由西风带搬运而来的推测 ( sp ecu la tion) 19 。所以 ,笔者不认为中国黄土中的既有近地面风又有西风带搬运的粉尘 。事实上 ,不 结合现代沙尘暴的综合分析 ,仅仅从黄土粒度的众 数分布特点是难以分辨其搬运方式及物质来源区 。环境 一书前言中所写的那样“时间已经过去二十多年了 ,当时许多走过的地方 ,很多还没有人再” 13 。在此次系统的 、大规模科学考察之去过后 ,刘东生先生对中国的黄土分布 、地层划分 、物质组成 (包括粒度 、矿物 、地球化学 ) 、年代等有了更为 科学的认识 ,并于 1964

17、 1966 年相继完成了黄河中游的黄土 14 、中 国的 黄土 堆积 15 、黄 土的物质成分与结构 16 的 3部专著 ,与后期的黄土与 环境 13 ,堪称黄土研究的 4 部曲 。在上述论著中 ,刘东生先生从空间尺度上对黄土分布及其物质组成等进行了系统的论述 ,明确指 出了末次冰期的马兰黄土其堆积厚度自西北而东南 逐渐减小 ,而黄土厚度沿着冬季风方向的逐渐变薄 , 是风成学说的强有力的证据 。不仅如此 ,刘东生先 生还发现黄土粒度自西北向东南方向变细 ,并据此将黄土高原的黄土自西北向东南划分为砂黄土 、黄 土和粘黄土 3 个带 。显然 ,粒度组成向下风方向的 变细 ,是黄土风力搬运的又一有力

18、证据 。因此 ,尽管 李希霍芬最早提出了黄土的风成学说 ,但刘东生先 生真正系统地论证 、并完善了黄土的风成学说 ,特别是大大丰富了对黄土碎屑产生 、风力搬运 、沉积作用 和后生改造的全过程的认识 。不仅如此 ,刘东生先生也系统开展了现代尘暴 事件的研究 17 ,因为这是了解黄土粉尘物质搬运和 沉积全过程的基础 。他们对沙尘天气的研究表明了 中国黄土粉尘物质的搬运和堆积与不同尺度的大气活动有关 ,尤其与强冷锋发展过程有着更密切的关 系 。强冷锋在西伯利亚 、蒙古国南部出现 ,伴随发生 大风天气 ,把黄土区上风方向戈壁 、沙漠中的粉尘扬 起 ,随锋面活动向东南方向移动 。结合笔者最新的 研究 1

19、1 , 18 , 19 ,现在 我 们知 道 , 中 国 黄 土 是 由 近 地 面风 (基本在 3 000m 以下 ) 搬运的 , 而由西风带搬运 的粉尘由于颗粒较细 ,且被飚升到了 5 000m 以上的 高度 ,因而极少降落在中国的黄土高原 。其最直接 的证据就是通过我们对近 40 年沙尘暴的时空分布 的研究发现 ,一旦粉尘在其源区被飚升到了西风带的高度 ,则在中国境内的黄土高原及华北地区几乎5 风成黄土与第四纪古环境重建从李希霍芬 、奥勃鲁契夫到刘东生 ,黄土的风成 成因在黄土研究中得到广泛的传播和认同 ,作为一 种风力搬运的物质 ,其扬起 、搬运过程以及沉积和沉 积后的次生变化必与大尺

20、度东亚季风系统具有密切 联系 ,也因此使黄土能够记录第四纪以来的古气候 演变历史 。在时间尺度上 ,刘东生先生在对中国黄土地层 的研究中 ,识别出了 多层 的 、不同 发育 程 度的 古土 壤 ,明确指出古土壤是在温暖湿润气候条件下 ,由于 堆积的粉尘受到较强的风化作用而发育的 ,而黄土 是在干冷气候条件下堆积的 。因此 ,中国黄土 - 古 土壤序列不仅是第四纪以来连续的风成沉积 ,而且 记录了第四纪以来古气候的变迁 。事实上 ,直至如 今 ,许多西方的第四纪学家对中国黄土的认识尚存 缺陷 ,一个典型的例子是 ,在笔者向国外杂志送审黄 土文章的过程中发现 ,西方很多审稿人到现在还认 为古土壤时

21、期粉尘堆积中断是由其下的黄土母质发 育而成 。依据中国黄土的岩石学特征及黄土地层中的哺 乳动物化石和剥蚀面等 ,刘东生先生将中国黄土地 层划分为 :早更新世午城黄土 、中更新世离石黄土和 晚更新世马兰黄土 14 。在黄土磁性地层学工作的 基础上 , 建 立 起 240 万 年 (现 在 最 新 的 m a tuyam a / gau ss界线年龄为 258 万年 21 , 22 ) 以来完整的黄土- 古土壤序列 ,并与深海沉积氧同位素曲线进行很 好的对比 13 。事实上 ,深海沉积物中有孔虫介壳氧同位素曲线只能间接反映全球冰量 (受气候控制 ) ,而且其影响因素除了全球冰量之外 ,至少还受海表

22、温度 ( sea su rface temp e ra tu re, 简 称 sst) 的 控 制 。 然而 ,中国的黄土 - 古土壤序列 ,即使不借助古气候的替代性指标 ,也可以直观地反映冰期 - 间冰期旋回尺度 (即地球轨道尺度 )的古气候演变 ,每一个黄 土 - 古土壤组合 ,即代表了一次冷期 - 暖期旋回 ,因 而完整的黄土地层中的 30 余个黄土 - 古土壤组合至少代表了第四纪时期 30 次以上的气候冷暖旋回 。 因此 ,从这一点上说 ,深海沉积是无法与其相比的 。 其次 ,尽管极地冰岩芯在古气候重建 ,特别是高分辨 率古气候重建方面也扮演了非常重要的角色 ,但极 地冰岩芯的记录非常

23、短 ,不可能记录整个第四纪以来的古环境变迁历史 。此外 ,由于极地冰盖远在两 极 ,其独特的地理位置和特有的下垫面条件使其古 气候记录必定受局地条件的影响 ,因此 ,其气候的代 表性意义无法同深海和陆地黄土相比拟 。因此 ,纵观目前全球古气候研究方面的 3 大支柱 ,中国的陆相黄土地层在长尺度古气候重建方面 是极为重要的 ,而这一切都是与黄土的风成成因的 建立密不可分 。所以 ,即使时间过去了一百多年 ,甚 至将来更长的时间 ,我们都不应忘记李希霍芬教授 对黄土风成学说的提出和贡献 ,因为这是我们认知 黄土古气候记录的基础 。l ondon , 1871 , 27 : 376 383r ich

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33、究 编辑部约稿撰写 ,感谢导师刘东生先生在写作过程中的指导 ,也感谢 王燕海馆员在文献查阅方面的帮助 。1718参考文献 ( r e fe re nc e s )1王嘉荫. 历史上的黄土问题. 中国第四纪研 究 , 1965 , 4 ( 1 ) :1 8w ang j iayin. loe ss reco rd s in h isto rica l docum en ts. q ua terna rias in ica , 1965 , 4 ( 1 ) : 1 8张德二. 历史时期“雨土 ”现象剖析. 科学通报 , 1984 , 2 7: 294297zhang d ee r. d iscu

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36、na ry j ou rna l of geolog ica l s ociety of1922032145226442第四纪研究2005年r ic htho fen a nd h is theo ry o f the eol ia n o r ig in o f lo esssun j im in( institu te of geology and geophysics, ch inese a cadem y of s ciences, b eijing 100029 )a b stra c tloe ss is w ide sp read in the a rid and sem ia

37、rid region s of wo rld. d u ring the la st 150 yea rs, m any a sp ec ts of loe ssre sea rch inc lud ing its d istribu tion, o rigin, p rovenance, tran spo rt, depo sition, and po st2depo sitiona l a lte rna tion s have been we ll2stud ied. among them , eo lian o rigin of loe ss, o rigina lly p ropo

38、sed by r ich thofen, is the ba sis fo r the afte rwa rd s ach ievem en ts of c lim a tic stud ie s of loe ss. r ich thofen fu rthe r a rgued tha t loe ss m a te ria ls we re de rivedfrom the a rid sou rce a rea s m a in ly by nea r2su rface w ind s,and such eo lian du st accum u la ted a s loe ss ( glac ia lp e riod s) in the downw ind region s. a fte r the p ionee ring wo rk s of r ich thofen, bu ried so ils ( p a leo so ls) we reiden ti