接過黃土研究的大旗——記福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院海西學(xué)者特聘教授劉秀銘

本刊記者　宋　潔

接過黃土研究的大旗——記福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院海西學(xué)者特聘教授劉秀銘

本刊記者宋潔

1998年7月陪同劉東生先生訪悉尼藍山考察洪積砂巖和紅土

劉秀銘成長在一個特殊的時代，中學(xué)畢業(yè)后，就“上山下鄉(xiāng)”當了農(nóng)民。1977年2月，他入讀福州大學(xué)地質(zhì)專業(yè)。當時的他不知道，在這個不經(jīng)意的開端下，他竟然會沿著風(fēng)積黃土古土壤地層及相關(guān)研究走上這么多年。

走出一個世界“黃土版圖”

劉秀銘科研的真正定向是從中國科學(xué)院地質(zhì)研究所開始的。1983年8月，他告別了福州大學(xué)的助教生涯，來到北京攻讀碩士學(xué)位。他的導(dǎo)師是我國著名地質(zhì)學(xué)家、中國科學(xué)院院士劉東生。劉先生素有“黃土之父”美譽。就在劉秀銘大學(xué)畢業(yè)的1980年，劉東生背著沉重的黃土樣品去了瑞士。“他通過古地磁研究首次得出了可靠的黃土堆積年代，成果發(fā)表在1982年《自然》期刊上?！眲|生院士意識到，古地磁是確定黃土形成年代有效的方法，而國內(nèi)才剛剛起步，基礎(chǔ)薄弱，還處于摸索階段。他希望劉秀銘能夠去發(fā)展這門研究，課題定為“甘肅西峰黃土磁性地層剖面”，同時去了解磁化率各向異性，這是劉東生院士在瑞士接觸到的一個比較陌生的參數(shù)。

眾所周知，我們?nèi)缃竦牡卮艠O是朝北的，但是在漫長的地質(zhì)歷史中，有些時候也會發(fā)生倒轉(zhuǎn)，地磁極朝南。磁性地層就是將記錄在沉積物中的古地磁極測量出來，根據(jù)地磁極轉(zhuǎn)換時間確定年代。劉東生院士安排劉秀銘跟隨剛從英國回來的古地磁學(xué)博士許同春學(xué)習(xí)。劉秀銘利用許老師從英國帶回來的珍貴的儀器對甘肅西峰剖面樣品仔細反復(fù)地測量，最終研究區(qū)分出原生風(fēng)成和次生水成黃土在磁化率各向異性方面的不同特征，并指出下伏第三紀紅粘土也應(yīng)屬風(fēng)積特點。這項研究被發(fā)表在1989年的《中國科學(xué)》上，而劉秀銘所完成的甘肅西峰黃土磁性地層剖面，也成為經(jīng)典的黃土標準剖面之一。

1986年8月，劉秀銘要完成碩士論文答辯了?？吹綄W(xué)生在短短3年內(nèi)，完成了磁性地層、磁化率與古氣候關(guān)系，掌握了磁化率各向異性原理并創(chuàng)新地應(yīng)用到中國風(fēng)積物成因研究，不僅為結(jié)束長期以來第四紀黃土是風(fēng)成還是水成的爭論提供了進一步可靠證據(jù)，而且建立判別標準認為下伏第三紀紅粘土也應(yīng)屬風(fēng)積形成，劉東生院士止不住內(nèi)心的贊賞。在地質(zhì)所學(xué)術(shù)委員會答辯資格審查會上，他提議將劉秀銘的碩士論文直接跳級作為博士論文來通過。劉院士的提議得到了委員會的一致通過，劉秀銘也在瞬間完成了從碩士到博士的轉(zhuǎn)身。就在這一年，中科院地質(zhì)所和瑞士蘇黎世高等理工大學(xué)開展了聯(lián)合培養(yǎng)博士生項目，劉秀銘中選了。他開始主持中科院黃土高原古氣候鉆孔項目，并在兩年后赴蘇黎世大學(xué)進行研究，論文題目為“中國黃土磁學(xué)研究”。1989年，劉秀銘獲得博士學(xué)位，1年后，應(yīng)英國皇家學(xué)會邀請，前往英國利物浦大學(xué)地球科學(xué)系地磁實驗室做博士后研究，繼續(xù)從事中國黃土與古氣候的研究。這一次，他走得有點久。

“以前沒聽說過除了中國，還有多少地方有黃土。但是沒聽說過不代表沒有?！焙Ｍ饽切┠?，劉秀銘發(fā)現(xiàn)黃土堆積其實并非中國特有，阿拉斯加、西伯利亞有，澳大利亞、新西蘭有，歐洲的德國、波蘭、塞爾維亞、羅馬尼亞、烏克蘭有，南美的阿根廷也有。其實，不僅世界上所有干旱半干旱地區(qū)到處都有，就連濕潤區(qū)如阿拉斯加也有，只是不同的氣候條件下，黃土在地表成土過程中所形成的顏色、成土強度以及土壤發(fā)育特點有所不同而已。此外，沉積之后保存條件差異，也造就了各地黃土地層的形成年代、厚度不一樣。有機會去見識這么多黃土類型，對比各地黃土古土壤特點，劉秀銘很珍惜。

1992年，劉秀銘成為利物浦大學(xué)地理系環(huán)境磁學(xué)創(chuàng)始人Frank Oldfield教授的助理研究員，和Jan Blomendal博士一起從事中國黃土磁學(xué)性質(zhì)和定量古氣候重建研究。1995年，受聘為澳大利亞麥考瑞大學(xué)地理系研究員，2002年后為高級研究員，兼澳大利亞國家基金委專家評委，并主持澳大利亞國家基金委等項目。他的研究版圖逐漸鋪開了。

梳理出一個黃土體系

提及中國黃土研究，劉秀銘對導(dǎo)師的故事津津樂道。上世紀50年代，劉東生參加了三門峽大壩選址野外考察。一天晚上雨后，他看到遠處有幾排燈光，第二天發(fā)現(xiàn)是從一排排窯洞投射出來的。走近觀察，劉東生注意到每個窯洞頂部上方都有一層厚厚的紅色粘土層。“為什么當?shù)乩习傩斩及鸭t色土層作為窯洞的天花板？為什么紅色土與黃色土相間出現(xiàn)？”正當他百思不得其解的時候，遇上了土壤學(xué)家朱顯謨院士。朱顯謨告訴他，你看到的實際上不是什么紅色土，而是黃土里邊紅顏色的古土壤層。劉東生的第一反應(yīng)是，百多米厚的黃土高原正是由許許多多這樣的紅色古土壤層和相間的黃色黃土層所構(gòu)成，如果紅色土是古土壤，那么以前關(guān)于黃土高原“水成”的推論豈不是就不成立了？而且認識了古土壤，暗示著不論黃土層還是古土壤層，都是大氣之下風(fēng)積形成，只不過黃土對應(yīng)著干冷時期的粉塵堆積，古土壤則對應(yīng)著溫濕氣候條件下植被生長土壤發(fā)育。巨厚的黃土高原就象磁帶一樣，分別以黃土和紅土（紅色古土壤）交替出現(xiàn)，記錄著地球過去發(fā)生的氣候冷暖變化。隨著古土壤被發(fā)現(xiàn)，不僅黃土“水成”說法漸漸得到平息，而且貧瘠的黃土高原也從此被賦予了古氣候研究的寶貴科學(xué)價值。

沉積巖是三大巖石類型之一?！斑^去地質(zhì)學(xué)家總是習(xí)慣認為，層狀的沉積巖地層都是水中形成的。其實自從黃土中的古土壤被證實，就說明沉積巖至少存在一種水體以外沉積的風(fēng)積類型：它是在大氣之下的地表環(huán)境中粉塵堆積和風(fēng)化成土形成的。沙漠沙丘也是如此類型。完整的古土壤層還會從上而下分異形成粘化層、淀積層等層次，這些層與層之間也呈大致平行。特別是某些淀積層就如同水泥板似的鈣板層，如果不熟悉古土壤，就很容易誤把這些土壤層次當作沉積巖水成層理，從而使地質(zhì)學(xué)家很容易作出誤判：紅色古土壤層是水下紅層，鈣板層則是水中沉積的石灰?guī)r。這種情形恰如幾十年前劉東生尚未識別出古土壤之前，學(xué)界很多學(xué)者對黃土高原的認識。第四紀地質(zhì)學(xué)家經(jīng)過幾十年探索研究，已經(jīng)熟知黃土古土壤層性狀。劉秀銘以為，第四紀地質(zhì)學(xué)家重要歷史職責之一，就是總結(jié)這些風(fēng)積地層的特征，從一個全新的角度去重新認識更老地層形成環(huán)境。整個黃土高原平均百多米厚，就是由一層黃一層紅疊加起來的。黃的是黃土層，紅的是古土壤層，它們記錄著過去古氣候冷暖變化。在劉秀銘心目中，正因為有了劉東生院士帶領(lǐng)同事和學(xué)生們平息了一個世紀以來的黃土“風(fēng)成”“水成”之爭，才奠定了他自己日后的研究能站在一個比較高的起點上。

每當提到自己所從事的研究，劉秀銘的熱情度總是很高?！包S土高原是風(fēng)積形成的，風(fēng)吹來堆積的黃土，與古土壤的反差是由過去經(jīng)歷了不同程度的暖濕氣候下成土過程造成的。冷的時期堆積形成黃土，暖的時期堆積形成古土壤。我們的研究就是將過去氣候冷暖變化的歷史重建起來。從更廣泛的地質(zhì)學(xué)來說，第四紀如同現(xiàn)在，認識了現(xiàn)代風(fēng)積物在世界各地不同氣候條件下的成土特征，有助于‘將今論古’去理解沉積學(xué)一些普遍問題，尤其是沉積紅層形成環(huán)境的問題?！?/p>

“測量古地磁目的是要根據(jù)地磁倒轉(zhuǎn)來建立黃土古土壤序列形成的年代。測量磁化率等物理參數(shù)是把肉眼能看到的不同成土強度的古土壤顯示的不同程度的紅，以定量、半定量的方式用數(shù)據(jù)曲線刻畫出來。這樣，我們就可以根據(jù)土壤剖面磁化率大小來分析判斷過去氣候冷暖變化?！?/p>

劉秀銘所說的“磁化率”是個物理參數(shù)，用來衡量黃土樣品被磁化能力大小，它與樣品中所含的磁性礦物種類以及顆粒粒度大小有關(guān)。本質(zhì)上，磁化率與氣候不存在任何關(guān)系，但是這個參數(shù)在黃土高原卻展現(xiàn)出與成土強度密切正相關(guān)，說明隨著成土發(fā)育形成了相應(yīng)比例細小的磁赤鐵礦和磁鐵礦。在劉秀銘之前，已經(jīng)有人在測量報道這些相關(guān)參數(shù)。劉秀銘的出色之處在于，他第一個系統(tǒng)又比較高密度測量了完整的西峰黃土剖面。1985年，他在西安國際黃土研討會上做完報告，立即吸引了國際第四紀研究行家們的注意。從此西峰黃土成為國內(nèi)外熟知的最經(jīng)典剖面之一。

“但是有局限”，外界還沒有說什么，劉秀銘已經(jīng)開始找不足了。他和伙伴們發(fā)現(xiàn)，這種方法其實是有一定適用范圍的，如果超過范圍，情況就會變化。怎么回事？其實早在1989年劉東生帶領(lǐng)學(xué)生們考察對比了西峰和寶雞磁化率之后，劉秀銘就已經(jīng)心中有數(shù)了。在黃土高原中部，磁化率大小與成土發(fā)育“正相關(guān)”，即氣候溫濕程度越高，成土越強，土層磁化率就會越高。這是學(xué)界最早認識到的。“可是任何事情都有個界限，超過界限就會向反方向發(fā)展。磁化率也如此。如果向南到了寶雞，你就會發(fā)現(xiàn)這里溫度和降水均比西峰和洛川更高，而成土發(fā)育最強的第五層古土壤磁化率反而最低?！蹦菚r，他就已悟出，是濕度過高的成土環(huán)境使得磁性礦物向不同方向轉(zhuǎn)變。

同一年，《自然》雜志報道了美國阿拉斯加黃土磁化率與中國恰好相反的情形：古土壤獲低值，黃土得高值。作者用“風(fēng)速論”來解釋：冰期風(fēng)力強，吹來更多更大磁鐵礦顆粒，使得黃土層磁化率高于土壤層，而且用磁鐵礦顆粒做了風(fēng)洞實驗來支持該解釋。他認為阿拉斯加黃土磁化率，與中國黃土磁化率反映成土氣候溫濕條件的機理不同，是反映古風(fēng)力強度。

見過寶雞磁化率異常，劉秀銘正想去開展反相關(guān)研究。1997年，他向這位作者要了幾塊代表性樣品，進行磁學(xué)測量，結(jié)果證實了他的想法：阿拉斯加黃土反相關(guān)磁化率也是風(fēng)化成土造成的，因為黃土堆積時的原始磁化率已被風(fēng)化成土過程改變了。阿拉斯加濕度大溫度低導(dǎo)致高磁化率鐵氧化物不穩(wěn)定，變成鐵的氫氧化物和硫化物使得磁化率降低，即成土風(fēng)化過程導(dǎo)致古土壤層磁性礦物的種類與黃土層存在明顯差異。因此，它并不能反映古風(fēng)力。他的文章認為，阿拉斯加磁化率反相關(guān)是濕潤成土條件所導(dǎo)致。同年實地考察發(fā)現(xiàn)，該黃土古土壤露頭普遍可見銹斑，即原生風(fēng)積物中的磁性礦物已經(jīng)被風(fēng)化轉(zhuǎn)變?yōu)獒樿F礦（銹斑）。說明今天測量的磁化率是風(fēng)化作用的最終結(jié)果，已經(jīng)不是沉積時的磁化率，故不能反映堆積時的風(fēng)力。

2006年，劉秀銘已經(jīng)回國到蘭州大學(xué)任職，是該?！拜陀W(xué)者”特聘教授。他實地考察了西伯利亞、塞爾維亞和羅馬尼亞黃土，希望能夠?qū)⒃谑澜绺鞯匾娮R到的黃土和中國的黃土研究結(jié)合起來，形成一套比較完整的理論體系。2009年，在國家自然科學(xué)基金重點項目的支持下，他主持了“世界各地黃土磁化率與古氣候不同關(guān)系機制以及古氣候重建問題系統(tǒng)研究”。

劉秀銘將黃土磁化率與成土氣候環(huán)境的關(guān)系歸納成3種類型。第一種是在半干旱條件下，黃土磁化率與成土強度“正相關(guān)”類型，中國的黃土高原中部屬于這個范圍。第二種則是極端干旱條件下的沙漠黃土磁化率反相關(guān)類型，如戈壁灘邊緣的新疆黃土。其實蘭州以西，當年降雨量降低到300毫米以下，成土作用漸弱，物理風(fēng)化增強，磁化率已經(jīng)在向這一個方向發(fā)展了。第三種，是濕潤區(qū)黃土磁化率反相關(guān)類型，如阿拉斯加黃土和西伯利亞黃土。濕潤區(qū)年均降雨量通常在900毫米以上。在此濕潤條件下，風(fēng)積物中高磁化率的鐵氧化物變得不穩(wěn)定，會慢慢轉(zhuǎn)化成針鐵礦甚至硫鐵礦，導(dǎo)致磁化率不是增高，而是降低。這3種類型刻畫了從干旱、半干旱到濕潤環(huán)境下，隨著成土環(huán)境濕度增加，磁性礦物種類隨之發(fā)生變化以適應(yīng)環(huán)境，結(jié)果導(dǎo)致了不同形式的磁化率變化。這3種類型之間存在兩個濕度臨界值，如果一個黃土剖面的濕度是在臨界值附近來回擺動，那么這個剖面磁化率就找不到與成土氣候條件明顯的關(guān)系。

求真，追求嚴謹

2011年，在福建省千人計劃邀請下，劉秀銘回到故鄉(xiāng)的福建師范大學(xué)?！拔鞅庇胁簧偌t色地層，南方也有丹霞地貌。過去認為，南方丹霞紅層是氧化條件下山間盆地中河流湖泊中沉積形成，紅顏色被認為是沉積物抬升出水面才氧化形成。其實科學(xué)家明白，水下缺氧環(huán)境不能形成紅色。次生色倒是比較合理的解釋。但這只是一種假說，直到今日還沒得到證實。根據(jù)野外觀察，丹霞總體紅色，卻存在紅色深淺變化，而這深淺紅色的變化是隨著層理變化而變化的，因此，丹霞紅色是原生形成，而不是次生色，在水下缺氧環(huán)境不能夠形成紅色丹霞層。這符合化學(xué)的氧化還原原理。根據(jù)世界各地第四紀黃土古土壤看，也是如此?！?/p>

他認為自己很僥幸，能跟劉先生學(xué)習(xí)第四紀地質(zhì)。因為第四紀是地質(zhì)歷史最新的紀，也最簡單?？茖W(xué)研究從簡單開始，由淺入深，才能更好理解地質(zhì)過程。現(xiàn)在又了解了全球各地風(fēng)積黃土經(jīng)受不同氣候條件的成土作用而形成了不同顏色的土壤，把握了現(xiàn)代過程，他就能站在很有利的位置去“將今論古”，識別更老地層沉積環(huán)境。

一直以來，劉秀銘都只是在真誠地表述。他更想的是踏踏實實地做事。他總結(jié)了第四紀黃土在世界各地地表環(huán)境下變化規(guī)律，認為紅層是氧化層，水下是缺氧環(huán)境，沒有足夠證據(jù)或者現(xiàn)代過程能夠支持水下環(huán)境能夠形成紅層，更重要的是，化學(xué)的氧化還原原理無法解釋這種地質(zhì)過程。在2015年10月北京召開的地球歷史風(fēng)積國際研討會上，他對澳大利亞第三系海相石灰?guī)r提出異議，認為該地層具有陸地古土壤特征，應(yīng)該是風(fēng)積巖層序列，而不是大陸架海相石灰?guī)r沉積。接下來，他去以色列參加撒哈拉沙漠邊緣風(fēng)積黃土土壤國際學(xué)術(shù)研討會，用他的話說，就是去看撒哈拉邊緣的黃土，并“驗證一下自己研究的東西”?！皠|生先生過去的研究為我們開拓了一個很大的方向。認識、理解和總結(jié)黃土、古土壤、紅粘土第四紀地質(zhì)過程就可以將其理論引申應(yīng)用到更老的地層去，去開拓一個新的研究方向。”

如今，他要做的事情還有很多。在這個厚重的目標面前，要接過導(dǎo)師那面“黃土大旗”，前行是他唯一的選擇。