本刊記者　宋　潔

接過(guò)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(lán)山考察洪積砂巖和紅土

劉秀銘成長(zhǎng)在一個(gè)特殊的時(shí)代，中學(xué)畢業(yè)后，就“上山下鄉(xiāng)”當(dāng)了農(nóng)民。1977年2月，他入讀福州大學(xué)地質(zhì)專業(yè)。當(dāng)時(shí)的他不知道，在這個(gè)不經(jīng)意的開端下，他竟然會(huì)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(gè)世界“黃土版圖”

劉秀銘科研的真正定向是從中國(guó)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(lái)到北京攻讀碩士學(xué)位。他的導(dǎo)師是我國(guó)著名地質(zhì)學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士劉東生。劉先生素有“黃土之父”美譽(yù)。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?！八ㄟ^(guò)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。”劉東生院士意識(shí)到，古地磁是確定黃土形成年代有效的方法，而國(guó)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(shí)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(gè)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(zhǎng)的地質(zhì)歷史中，有些時(shí)候也會(huì)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(cè)量出來(lái)，根據(jù)地磁極轉(zhuǎn)換時(shí)間確定年代。劉東生院士安排劉秀銘跟隨剛從英國(guó)回來(lái)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(guó)帶回來(lái)的珍貴的儀器對(duì)甘肅西峰剖面樣品仔細(xì)反復(fù)地測(cè)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(jì)紅粘土也應(yīng)屬風(fēng)積特點(diǎn)。這項(xiàng)研究被發(fā)表在1989年的《中國(guó)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(biāo)準(zhǔn)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(guó)風(fēng)積物成因研究，不僅為結(jié)束長(zhǎng)期以來(lái)第四紀(jì)黃土是風(fēng)成還是水成的爭(zhēng)論提供了進(jìn)一步可靠證據(jù)，而且建立判別標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為下伏第三紀(jì)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(huì)答辯資格審查會(huì)上，他提議將劉秀銘的碩士論文直接跳級(jí)作為博士論文來(lái)通過(guò)。劉院士的提議得到了委員會(huì)的一致通過(guò)，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(xiàng)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(xiàng)目，并在兩年后赴蘇黎世大學(xué)進(jìn)行研究，論文題目為“中國(guó)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(guó)皇家學(xué)會(huì)邀請(qǐng)，前往英國(guó)利物浦大學(xué)地球科學(xué)系地磁實(shí)驗(yàn)室做博士后研究，繼續(xù)從事中國(guó)黃土與古氣候的研究。這一次，他走得有點(diǎn)久。

“以前沒聽說(shuō)過(guò)除了中國(guó)，還有多少地方有黃土。但是沒聽說(shuō)過(guò)不代表沒有?！焙Ｍ饽切┠辏瑒⑿沣懓l(fā)現(xiàn)黃土堆積其實(shí)并非中國(guó)特有，阿拉斯加、西伯利亞有，澳大利亞、新西蘭有，歐洲的德國(guó)、波蘭、塞爾維亞、羅馬尼亞、烏克蘭有，南美的阿根廷也有。其實(shí)，不僅世界上所有干旱半干旱地區(qū)到處都有，就連濕潤(rùn)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(guò)程中所形成的顏色、成土強(qiáng)度以及土壤發(fā)育特點(diǎn)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(jī)會(huì)去見識(shí)這么多黃土類型，對(duì)比各地黃土古土壤特點(diǎn)，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(guó)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(jí)研究員，兼澳大利亞國(guó)家基金委專家評(píng)委，并主持澳大利亞國(guó)家基金委等項(xiàng)目。他的研究版圖逐漸鋪開了。

梳理出一個(gè)黃土體系

提及中國(guó)黃土研究，劉秀銘對(duì)導(dǎo)師的故事津津樂道。上世紀(jì)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(yuǎn)處有幾排燈光，第二天發(fā)現(xiàn)是從一排排窯洞投射出來(lái)的。走近觀察，劉東生注意到每個(gè)窯洞頂部上方都有一層厚厚的紅色粘土層?！盀槭裁串?dāng)?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(dāng)他百思不得其解的時(shí)候，遇上了土壤學(xué)家朱顯謨?cè)菏俊Ｖ祜@謨告訴他，你看到的實(shí)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(rèn)識(shí)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(guò)黃土對(duì)應(yīng)著干冷時(shí)期的粉塵堆積，古土壤則對(duì)應(yīng)著溫濕氣候條件下植被生長(zhǎng)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(guò)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(shuō)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(jià)值。

沉積巖是三大巖石類型之一?！斑^(guò)去地質(zhì)學(xué)家總是習(xí)慣認(rèn)為，層狀的沉積巖地層都是水中形成的。其實(shí)自從黃土中的古土壤被證實(shí)，就說(shuō)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(huì)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(dāng)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(shí)別出古土壤之前，學(xué)界很多學(xué)者對(duì)黃土高原的認(rèn)識(shí)。第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)家經(jīng)過(guò)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(jì)地質(zhì)學(xué)家重要?dú)v史職責(zé)之一，就是總結(jié)這些風(fēng)積地層的特征，從一個(gè)全新的角度去重新認(rèn)識(shí)更老地層形成環(huán)境。整個(gè)黃土高原平均百多米厚，就是由一層黃一層紅疊加起來(lái)的。黃的是黃土層，紅的是古土壤層，它們記錄著過(guò)去古氣候冷暖變化。在劉秀銘心目中，正因?yàn)橛辛藙|生院士帶領(lǐng)同事和學(xué)生們平息了一個(gè)世紀(jì)以來(lái)的黃土“風(fēng)成”“水成”之爭(zhēng)，才奠定了他自己日后的研究能站在一個(gè)比較高的起點(diǎn)上。

每當(dāng)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(lái)堆積的黃土，與古土壤的反差是由過(guò)去經(jīng)歷了不同程度的暖濕氣候下成土過(guò)程造成的。冷的時(shí)期堆積形成黃土，暖的時(shí)期堆積形成古土壤。我們的研究就是將過(guò)去氣候冷暖變化的歷史重建起來(lái)。從更廣泛的地質(zhì)學(xué)來(lái)說(shuō)，第四紀(jì)如同現(xiàn)在，認(rèn)識(shí)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(wèn)題，尤其是沉積紅層形成環(huán)境的問(wèn)題。”

“測(cè)量古地磁目的是要根據(jù)地磁倒轉(zhuǎn)來(lái)建立黃土古土壤序列形成的年代。測(cè)量磁化率等物理參數(shù)是把肉眼能看到的不同成土強(qiáng)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(lái)。這樣，我們就可以根據(jù)土壤剖面磁化率大小來(lái)分析判斷過(guò)去氣候冷暖變化?！?/p>

劉秀銘所說(shuō)的“磁化率”是個(gè)物理參數(shù)，用來(lái)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(gè)參數(shù)在黃土高原卻展現(xiàn)出與成土強(qiáng)度密切正相關(guān)，說(shuō)明隨著成土發(fā)育形成了相應(yīng)比例細(xì)小的磁赤鐵礦和磁鐵礦。在劉秀銘之前，已經(jīng)有人在測(cè)量報(bào)道這些相關(guān)參數(shù)。劉秀銘的出色之處在于，他第一個(gè)系統(tǒng)又比較高密度測(cè)量了完整的西峰黃土剖面。1985年，他在西安國(guó)際黃土研討會(huì)上做完報(bào)告，立即吸引了國(guó)際第四紀(jì)研究行家們的注意。從此西峰黃土成為國(guó)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(shuō)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(shí)是有一定適用范圍的，如果超過(guò)范圍，情況就會(huì)變化。怎么回事？其實(shí)早在1989年劉東生帶領(lǐng)學(xué)生們考察對(duì)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(qiáng)，土層磁化率就會(huì)越高。這是學(xué)界最早認(rèn)識(shí)到的?！翱墒侨魏问虑槎加袀€(gè)界限，超過(guò)界限就會(huì)向反方向發(fā)展。磁化率也如此。如果向南到了寶雞，你就會(huì)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(qiáng)的第五層古土壤磁化率反而最低?！蹦菚r(shí)，他就已悟出，是濕度過(guò)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(bào)道了美國(guó)阿拉斯加黃土磁化率與中國(guó)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(lái)解釋：冰期風(fēng)力強(qiáng)，吹來(lái)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(shí)驗(yàn)來(lái)支持該解釋。他認(rèn)為阿拉斯加黃土磁化率，與中國(guó)黃土磁化率反映成土氣候溫濕條件的機(jī)理不同，是反映古風(fēng)力強(qiáng)度。

見過(guò)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(jìn)行磁學(xué)測(cè)量，結(jié)果證實(shí)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?yàn)辄S土堆積時(shí)的原始磁化率已被風(fēng)化成土過(guò)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(guò)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(rèn)為，阿拉斯加磁化率反相關(guān)是濕潤(rùn)成土條件所導(dǎo)致。同年實(shí)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(shuō)明今天測(cè)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(shí)的磁化率，故不能反映堆積時(shí)的風(fēng)力。

2006年，劉秀銘已經(jīng)回國(guó)到蘭州大學(xué)任職，是該?！拜陀W(xué)者”特聘教授。他實(shí)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(shí)到的黃土和中國(guó)的黃土研究結(jié)合起來(lái)，形成一套比較完整的理論體系。2009年，在國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)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(jī)制以及古氣候重建問(wèn)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(qiáng)度“正相關(guān)”類型，中國(guó)的黃土高原中部屬于這個(gè)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(shí)蘭州以西，當(dāng)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(qiáng)，磁化率已經(jīng)在向這一個(gè)方向發(fā)展了。第三種，是濕潤(rùn)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(rùn)區(qū)年均降雨量通常在900毫米以上。在此濕潤(rùn)條件下，風(fēng)積物中高磁化率的鐵氧化物變得不穩(wěn)定，會(huì)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(rùn)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(gè)濕度臨界值，如果一個(gè)黃土剖面的濕度是在臨界值附近來(lái)回?cái)[動(dòng)，那么這個(gè)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(yán)謹(jǐn)

2011年，在福建省千人計(jì)劃邀請(qǐng)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(guò)去認(rèn)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(rèn)為是沉積物抬升出水面才氧化形成。其實(shí)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(shuō)，直到今日還沒得到證實(shí)。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(jì)黃土古土壤看，也是如此?！?/p>

他認(rèn)為自己很僥幸，能跟劉先生學(xué)習(xí)第四紀(jì)地質(zhì)。因?yàn)榈谒募o(jì)是地質(zhì)歷史最新的紀(jì)，也最簡(jiǎn)單。科學(xué)研究從簡(jiǎn)單開始，由淺入深，才能更好理解地質(zhì)過(guò)程?，F(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(guò)程，他就能站在很有利的位置去“將今論古”，識(shí)別更老地層沉積環(huán)境。

一直以來(lái)，劉秀銘都只是在真誠(chéng)地表述。他更想的是踏踏實(shí)實(shí)地做事。他總結(jié)了第四紀(jì)黃土在世界各地地表環(huán)境下變化規(guī)律，認(rèn)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(guò)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(wú)法解釋這種地質(zhì)過(guò)程。在2015年10月北京召開的地球歷史風(fēng)積國(guó)際研討會(huì)上，他對(duì)澳大利亞第三系海相石灰?guī)r提出異議，認(rèn)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(lái)，他去以色列參加撒哈拉沙漠邊緣風(fēng)積黃土土壤國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)，用他的話說(shuō)，就是去看撒哈拉邊緣的黃土，并“驗(yàn)證一下自己研究的東西”?！皠|生先生過(guò)去的研究為我們開拓了一個(gè)很大的方向。認(rèn)識(shí)、理解和總結(jié)黃土、古土壤、紅粘土第四紀(jì)地質(zhì)過(guò)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(gè)新的研究方向?！?/p>

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