论黄土就是火山灰

来源:休闲读品•天下
关键字:黄土,火山灰,格陵兰
发布时间:2015-04-01 09:41

　　提出问题有时比解决问题更重要—为什么冰碛总是有泥质？格陵兰冰盖冰芯里为什么有“矿物粉尘”[1]（或直接称为火山灰[2]），并比其浓度高时气温低？公元79年维苏威火山爆发，以火山灰为主的喷发物能够覆没庞贝等两个城镇[3]，如果第四纪大冰期由火山喷发引起，大量的火山喷发物遗迹在哪里？为什么“格陵兰与南极冰芯记录的CO2浓度梯度太大，超出了可能的实际值”[4]63，“实际上，南极记录的高温事件分别对应于格陵兰的冷期”[4]67？来源于沙漠、戈壁的中国风积黄土[5]5[6]，凭什么能够成为反映全球气候长期变迁的最好记录，并与极地冰芯、深海沉积物成为全球环境变化的三大国际对比标准？为什么被称为“石质黄土”的黄土物质具有全球一致性，且有规律地分布在南、北半球的中纬度地带？这些问题魅力非凡。笔者在完成大冰期成因探讨[7]和大冰期成因论[8]之后，禁不住要着重在黄土的研究成果中寻觅第四纪大冰期的成因信息，并且得出“黄土就是火山灰”的结论，既证明了笔者的大冰期成因论，又指明了黄土的本质，解决了黄土风积理论的所有困惑，还令人为大自然的造化拍案惊奇，为哲学的“事物是有机联系的”添加了地质学证据。

　　前人对黄土的成因已列出“风积黄土、风积湖积黄土、风积洪积黄土、湖积黄土、冲积黄土、洪积黄土、洪—冲积黄土、冰积黄土、坡积黄土、冰缘黄土、海成黄土，以及原生黄土、次生黄土、次生黄土状土、次生黄土状岩石、黄土状沉积物、典型黄土、冷黄土、热黄土、沙漠黄土、冰川黄土等”[5]321种名目，从岩石学性质出发的则有“黄土垆姆”、“黄土状亚砂土”、“黄土状亚粘土”、“石质黄土”、“松散灰质土”、“粉土”、“碳酸盐黄土”、“非碳酸盐黄土”、”层状黄土”、“红色土”[5]3、4等等。黄土的风积理论的一系列研究，包括指出中国“黄土与古土壤或风化层交替出现，表明黄土堆积过程中存在多个粉尘堆积间断或粉尘堆积缓慢期”；晚中更新世以来成壤期与粉尘堆积期交替的节奏明显，“发育有11个厚度大于2米的黄土层，它们经受了微弱或中等程度的风化作用，记录了更新世黄土源的11个持续较长的干冷粉尘堆积期”[5]56，以及按此思路获得的更多次干冷粉尘堆积期，都是正确的并具有重要意义。但是，被称为“黄土之父”（注意，不是“中国黄土之父”）的刘东生称黄土风积“这种理论的基础却是描述性的，其理论依据并不稳固，因为这种假说仅仅建立在若干旁证和反证的材料之上”[5]15，且认为“黄土—古土壤系列所反映的地质事件突然发生的地质意义，目前还未被人们普遍注意”[5]47。显然，人类对黄土的认识并未完成。

　　自1907年“huangtu—黄土”一词出现[5]3，自李希霍芬提出黄土的大气粉尘沉积（风成）说、黄土的研究重心由西欧转移到中国和中亚地区[5]9，自1954年中国开展黄土研究，国内外学者投人了大量工作，特别是“J.戴利克（Dylik，1954，1961）提出，波兰等地的黄土是风尘堆积物在冰缘环境中受到冰融风化作用而形成的。K.K.马尔科夫（Марков，1961）强调冰融作用在黄土形成中的意义”[5]10。“就广义的冰缘概念来说，黄土的堆积环境是一种冰缘环境”[5]10等。按照大冰期成因理论，黄土就是火山灰的认识，已经呼之欲出。

　　前人功亏一篑的关键，在于未知大冰期的成因和黄土的成因。不认识事物的成因，就等于没有认识这个事物，黄土的这种风积理论因此就是描述性的并且基础不稳固，包括对“冰缘环境”、“沙漠黄土”[5]10等的取舍颠倒。黄土是火山灰的论点，几乎是只要指出，就可以成立。因为前人已经为黄土的成因研究打下了坚实的基础，“画龙”已毕，只需“点睛”。引用前人重要素材和可靠的研究结论，可极大节省篇幅，以论文形式即可予以充分论证。

　　任何发展都有否定之否定的过程，科学的特征之一是可证伪性，对黄土的认识过程就是如此。如认为中国的黄土是沙漠黄土（“热黄土”），西欧和中欧地区的黄土是冰川黄土（“冷黄土”[5]10），就部分否定了风积理论。刘东生称“如此巨厚的黄土如何能够由就地风化成壤而产生？”[5]10就是对“黄土化”理论的否定。黄土就是火山灰论点的建立过程，就是与前人的黄土成因理论比较和鉴别的过程。笔者引用的主要参考资料为刘东生等的《黄土与环境》（71.3万字）巨著[5]，为方便查核，笔者在正文中标出引用资料的页码。

　　1黄土概貌

　　黄土覆盖着约10%的地球陆地表面，集中分布在温带半干旱地区，亦即分布于现今的北纬30°～55°和南纬30°～40°的中纬度带[5]1。“在北半球，集中分布于中纬地区，主要有欧洲的莱茵河流域、多瑙河流域、中亚细亚、中国黄河流域等，其分布所处的纬度界于45°到60°之间，构成不连续的环球分布带。中国黄土分布所处的纬度在全球黄土分布带中稍稍偏南。”[5]26在中国，“黄土分布面积达44万平方千米，黄河中游地区厚层的黄土连续覆盖面积约27.3万平方千米，黄土高原蔚为壮观，为世界所罕见”[5]1。“在南半球的若干地点，如新西兰、南美的巴拉那流域，都有零星的黄土分布报道，其位置也处于中纬地区。[5]26”规模巨大，分布于南北两个半球的中纬度地带，是首先必须描述的黄土宏观特征。

　　中国黄土高原大约在240万年前就已开始堆积，洛川黄土剖面中所保存的生物气候长期变迁的记录可以和第四纪深海沉积物剖面中所保存的记录—通常被认为反映全球气候长期变迁的最好记录相媲美，而且两者可互相对比和印证[5]2。黄土与极地冰芯、深海沉积物成为全球环境变化的三大国际对比标准；黄土堆积遵循地层叠覆律。这是第二和第三个必须描述的黄土宏观特征。

　　2黄土的特征

　　（一）黄土堆积物的组成特征

　　黄土的组成是判别黄土成因最重要的特征。前人称“世界各地（如黄河中游、中亚、东欧、西欧和北美洲等地）的黄土物质成分上最重要的共同特征是粉尘颗粒（粒径为0.005～0.05毫米）占极大比例（含量一般为50%～80%）”“以及富含碳酸盐（CaCO3含量通常达10%～15%或更高）”[5]4。笔者归纳黄土的组成特征有四。一是黄土是多种矿物的粉尘集合体，黄土非“土”。

　　黄土中矿物含量达70%，矿物超过60种[5]360。轻矿物10种以上[5]214，石英、长石和云母占所有碎屑矿物含量的80%[6]173，石英、长石和方解石，三者占整个碎屑矿物含量的80%～90%，尤以石英为高，可达48%～65%[5]239。粘土矿物以伊利石为主要组分，还有高岭土、蒙脱石、绿泥石、蛭石及少量无序和或有序混合层结构矿物[5]221。重矿物40种以上[5]210表52，占碎屑矿物含量的4%～7%[5]360。黄土非“土”，前人“石质黄土”[5]3之谓实至名归。

　　前人对各层位黄土进行对比的重矿物多达40种（类），包括“不稳定矿物”10种（括号内标出占洛川黄土剖面重矿物平均值百分比，数值不大于1者不标数值）：普通角闪石（12.00），黑云母（5.77）、普通辉石（2.00）、紫苏辉石、顽火辉石、锂辉石、钠闪石（偶有蓝闪石）、直闪石（偶有玄武闪石）；“较稳定矿物”14种：绿帘石（18.45）、石榴石（5.62）、白云母（3.26）、黝帘石（2.17）、透闪石（1.78）、阳起石（1.49）、透辉石、斜黝帘石、褐帘石、绿泥石、硅灰石、夕线石、重晶石、磷灰石；“稳定矿物”6种：不透明矿物（32.50，包括磁铁矿、褐铁矿、赤铁矿、白钛矿等）、榍石（2.59）、蓝品石；“极稳定矿物”10种：锆石（3.85）、电气石（1.64）、尖晶石、金红石、锐钛矿、红柱石、黄玉、板钛矿、独居石、十字石等[5]210表52。不透明矿物、绿帘石和普通角闪石含量较高，前人通盘估计值分别达30%～40%、15%～25%和10%～15%，三者占重矿物总重量的80%以上[5]212。前人称“这表明，黄土含有各大类岩石的碎屑矿物”[5]210，认为“黄土中含有如此多而且复杂的碎屑矿物，这是其他各类第四纪沉积物中罕见的，表明黄土的物质只能来源于广阔的地区，而不可能是由一个小范围的基岩风化碎屑产物所能够提供的[5]214”。同一作者曾经有黄土中还存在正长石、微斜长石及不经常出现的橄榄石、钠微斜长石、条纹正长石、条纹钠长石、钠铁性辉石；有玉髓、火山玻璃；以他生矿物为主，自生矿物甚少的描述[6]173。前人从黄土的组成上，已经察觉到了黄土的不同凡响。

　　二是“碳酸盐物质是使黄土具有独特的组织结构的重要组成物”[5]5，“我国黄土中普遍存在与石英、长石颗粒混杂堆积、浑圆状的粉砂级的方解石颗粒，称之为原生方解石，其数量的多寡与黄土中CaCO3含量高呈正相关[5]5”。

　　CaCO3含量达10%～15%或更高[5]4（原生碳酸盐为主，原生碳酸盐主要以碎屑方解石形式出现。次生碳酸盐不多[5]246）洛川黄土CaC03含量范围为3.6%～20.9%，平均11.6%。黄土颗粒较粗，其CaCO3含量就较高[5]6。CaCO3主要富集于粉土粒级（0.005～0.05毫米）中[5]245。黄河中游马兰黄土CaCO3含量由北西向南东递减。1972年4月22日及1973年7月21日美国西南部亚利桑那州天皮镇收集到沙漠地区吹来的尘土（约75%的颗粒直径为0.005～0.05毫米），含CaCO3为3%，一般呈被膜状态[5]5。

　　三是黄土中“这些碎屑矿物抗风化性能极不相同”[5]214。

　　黄土的Eh值处于420～470毫伏范围内，平均值为440毫伏，反映了氧化环境[5]256。黄土“各个样品中都能见到抗风化能力强的，如锆石、金红石、电气石、锐钛矿等稳定矿物，也可见到容易风化的普通角闪石、普通辉石、黑云母等不稳定矿物”[5]210。“褐土型古土壤（自中更新世离石黄土中出现的13层古土壤之统称）内的重矿物颗粒，尤其是抗风化性能较差的普通角闪石、普通辉石、黑云母、绿帘石等矿物，都遭受到比较明显的风化蚀变[5]213，“由此看来，不同时代黄土重矿物组成的差异，主要表现在不稳定矿物(主要是角闪石类）与稳定矿物（主要是不透明矿物）含量的相对变化。随着时代的变新，不稳定矿物含量增加，而稳定矿物含量减少”[5]212，说明这些不稳定矿物，在表生条件下容易遭受风化的程度，在240万年内就可明显显现。

　　四是黄土中的粘土矿物以伊利石为主（占粘粒总量的50%），既有高岭石（占粘粒总量的15%～20%），又有蒙脱石（占粘粒总量的15%以下）。

　　前人称“粘土矿物的来源一向是粘土矿物学者关注的问题。A.斯威福尔德和J.C.弗立（SwinefordandFrye，1951），A.H.比韦尔斯(Beavers，1957)研究美国的黄土，发现其中的粘土矿物是伊利石和蒙脱石，并根据蒙脱石不是北美冰碛物中的主要粘土矿物，认为其中的蒙脱石可能是由黄土中存在的火山玻璃转变而成的。R.V.鲁赫等（RuheandOlson，1980）对印第安纳州南部瓦巴西盆地和俄亥俄盆地内分属早、晚威斯康星期的法姆德尔黄土和皮奥利亚黄土中粘土矿物的研究认为：法姆德尔黄土与发育在伊利诺安冰碛或基岩上的桑加蒙期古土壤有关；皮奥利亚黄土中的粘土矿物，从统计分析结果看，两个盆地有不同的来源，瓦巴西盆地内的皮奥利亚黄土中的粘土矿物与冰碛物有关，而俄亥俄盆地的皮奥利亚黄土则仍然间接地受桑加蒙期古土壤的影响。”“因为黄土的各种性状表明它形成于偏碱性的干旱—半干旱且较冷的气候条件下，这种环境下生成高岭石一般认为是不可能的。”[5]232王永焱等(1978)提出是不是“粘土矿物的形成取决于各种因素，它与介质反映(pH)之间没们直接关系。蒙脱石之形成与碱性环境相适应，高岭石之生成与酸性环境有关的论调应从本质上予以纠正”[5]232的意见。美国学者也描述了黄土中存在火山玻璃；前人对粘土矿物生成环境存在困惑。

　　(二)黄土堆积物在时间和空间上的变化规律

　　1.在时间上，黄土堆积物矿物成分和化学成分含量存在规律变化关系中国黄土化学成分变化的最大特征，是钙、碳跳跃式变化极大，使得所有组分不同程度都呈现跳跃式变化。碳、钙含量折算成氧化钙和二氧化碳或碳酸钙，变化区间分别为0.70%～10.50%和0.02%～9.20%或0.2%～20.9%，左右了其他元素的含量比例，Si02、Al2O3、Fe2O3、FeO跳跃式变化较显著，MgO和Mn02、P205、Ti02也呈跳跃式变化，不过是比较不显著而已。如SiO2（变化于54.71%～68.99%），A1203（变化于10.95%～15.09%）含量都失去了与一般岩石、土壤的对比意义，它们都只有含量(包括比值)变化趋势具有意义。就化学成分而言，受风化时间最短、最新层位的黄土，如马兰黄土的L1与离石黄土的L2和之间S1(第一层古土壤)，是跳跃式变化最突出的三层。洛川黄土剖面不同时代的主要化学成分，其碳酸钙含量跳跃式变化。中国黄土在时间上还存在趋势性宏观变化。

　　中国黄土化学成分、矿物组分含量跳跃性变化的同时，还表现出趋势性变化的特征，其中易遭受风化的硅酸盐矿物表现得比较明显。不稳定矿物和角闪石类矿物含量，从早更新世午城黄土(平均5.0%和2.7%)到晚更新世马兰黄上（平均31.4%和23.7%)，有明显上升趋势。而稳定矿物或不透明矿物含量都有相反的变化趋势（分别由51.2%和43.8%下降为30.04%和27.90%)[5]212，即随时代变新不稳定矿物含量增加，而稳定矿物含量减少。前人称“在含量变化上，角闪石类与不稳定矿物，帘石类与较稳定矿物，不透明矿物与稳定矿物都存在显著的线性正相关关系，相关系数分别为0.896、0.702和0.958”[5]215。“角闪石类矿物与不透明矿物有显著的负相关关系，帘石类与不透明矿物含量也有线性负相关系。”[5]215洛川黄土重矿物中普通角闪石含量、不稳定矿物总量变化示意图中表现出随层位增高这些矿物含量增加的宏观态势。

　　洛川剖面中不同层位粒度组成，“表现出一定的旋回性和韵律变化”[5]199，成为所谓“粒度韵律”[5]202。马兰黄土和上砂质黄土粒度粗细的变化与CaCO3含量变化近于同步发生，粒度较粗时CaC03含量较高，粒度较细时CaC03含量较低[5]202”；“pH值分布曲线在剖面上的变化与CaCO3含量分布相吻合，即由下而上pH值逐渐增高，但显示出多次有节奏的波动[5]256；风化作用也影响黄土堆积物的粒度，随着风化作用增强，黄土堆积物的粒度变细，由下而上洛川黄土剖面总体上表现出粒度跳跃式变粗的特征。由于＜0.005mm这一粒级含量增加与0.01～0.05mm粒级含量减少往往同时出现，它们有显著的负担相关关系，由此建立的“粉砂、粘粒比值”（“粉砂粘粒比值Kd：0.01～0.05mm含量/＜0.05mm含量”[5]197），也跳跃式增大。

　　如果舍弃细节，从宏观上看，黄土化学成分、矿物成分在跳跃式变化中，也呈现趋势性的增减变化。洛川黄土剖面中，由下而上FeO/Fe2O3、CaO/MgO增高，K2O/Na2O降低，其中FeO/Fe2O3增高、K2O/Na2O降低最为典型。黑木沟剖面显示，由下而上，黄土剖面中的不稳定矿物总量显著增加，由午城黄土的7.47增加至马兰黄土的31.35，增长3.2倍；而普通辉石含量由0.85增加至2.70，普通角闪石则相应地由18.58增加至32.60，分别只增长2.18倍和增长0.75倍[5]210表51。

　　2.在空间上，由北西向南东黄土粒度变细、大比重矿物减少和CaCO3降低世界各地(如黄河中游、中亚、东欧、西欧和北美洲等地)的黄土最重要的共同特征是颗粒极细小，“粉尘颗粒”（粒径为0.005～0.05毫米）占极大的优势(含量一般为50%～80%)”[5]4，约98%颗粒粒径在0.1mm以下，主要粒级为0.01～0.05mm，占近一半。

　　从匈牙利多瑙河中游盆地—苏联阿尔泰地区—中国各地比较，黄土粒级有逐渐变细的规律，主要表现是前两者有更大的粒度分级[5]203。由于“各地黄土类沉积物在粒度组成上出现差别是不足为奇的，一则是由于作者对黄土的定义有不同的理解，难免把次生黄土或黄土状土当作黄土，二则是各地的地理位置、地貌地形条件不同，即使同样是干旱、半干旱区的大气粉尘堆积物，也会由于距离来源区远近不同，或受到局部补给不同而产生差别”[5]202，其中或者存在人为因素。由相同研究者提出的研究结论是：中国黄土有由北西向南东粒度变细的规律，分为砂黄土（白云山以北到沙漠地带南缘，兴县—米脂—同心南为南界）、黄土（白云山与陕西黄龙山之间太原—洛川—定西北、兰州南为南界）、粘化黄土3个带[5]208。将两者结合起来判断，在欧亚大陆，黄土粒度存在由北西向南东变细的规律是有证据的。中国黄土自西北而东南，尚有马兰黄土厚度趋于变小，粒度变细，CaCO3含量变少，pH值趋于减低，干容量趋于增大，孔隙比下降，湿陷性变弱，力学性质不断增强等特征[5]11。

　　(三)黄土地层特征是黄土层与古土壤(或埋藏风化层)互相叠覆、交替出现洛川黄土剖面与黄土的矿物成分、化学成分跳跃式变化的根本原因是黄土层中“黄土与古土壤或埋藏风化层交替出现”[5]56。

　　黄土地层的这种特征，其一表现为各层大同小异：“午城黄土有3个较密集的古土壤组合(WS-1，2，3)。每一组合中古土壤或风化层彼此叠覆，其间可见厚度小于1米的黄土薄层。各土壤组合与厚层黄土(WL-1，2，3)相间，每一厚层黄土中也夹有多个钙质结核层”；“离石黄土下部，自S5古土壤层至下砂质黄土层(L15)，有3个古土壤组合(S5，S6～S8，S9～S14)，每一组合含有一定厚度(1～2m)的黄土层。3个古土壤组合被2个黄土厚层(L6，L9)分隔”。“离石黄土上部(自S1至S6)及马兰黄土(L1)的段落有4个黄土—古土壤组合，古土壤与黄土有规律地相间出现”。其二“发育有11个厚度大于2m的黄土层(Ll-8、L9，L15，WL-1，2，3)，它们经受了微弱或中等程度的风化作用，记录了11个持续较长的干冷粉尘堆积期”，“其中上、下砂质黄土层，颜色灰黄，碳酸钙含量高，厚度大，质地疏松多孔，在地形上多呈陡壁，是识别地层层位的良好标志”。其三有“特征的古土壤层。S1古土壤，厚度较大，褐红色，棱柱构造较显著。在塬区呈水平产状，近沟各地区略有倾斜，似构成侵蚀面，分隔了马兰黄土与离石黄土。S5古土壤，深褐红色，棱柱状构造显著，铁锰薄膜发育，由3层古土壤重叠，厚度达5米，在剖面中十分显著[5]56。它是区分离石黄土上、下部的标志层。又称为洛川土壤层(刘东生等，1965；俗称“红三条”)”。“午城黄土中发育最好的W8-2古土壤组合，颜色深褐红色，质地粘重，位于午城黄土中部。S1、S5与W8-2古土壤组合指明了气候适宜的成壤期”[5]57。其四是“洛川黑木沟剖面中尚未发现侵蚀面或不整合面，表明黄土—古土壤发育的连续性”[5]57。黄土层之下为晚上新世红粘土。黄土层与下伏地形同起伏。“黄土和晚上新世红粘土的界线，恰好接近于松山期和高斯期的分界，年龄大约距今240万年”。红粘土则不整合于下伏地层之上。其五是许多黄土、古土壤之间是有明显界限的，在野外清晰可见[5]47。

　　洛川黄土剖面的pH值为7.5～8.6，属弱碱性介质条件；“洛川黄土剖面中的Eh值变化很小且无一定规律”(420～470毫伏)，“平均值约为420毫伏，反映了氧化环境”，“而古土壤Eh值略高于黄土，说明古土壤是黄土堆积过程中明显的氧化和风化事件。古土壤中Fe2O3含量较高也证实了这一点[5]256”。

　　(四)黄土物质的其他特征

　　黄土物质的其他特征，如无层理、疏松多孔、水生化石极少和旱生软体化石零散分布、未受流水改造、分布于不同地貌单元、黄土物质与地基岩成分不相关等，前人已经作为黄土风积成因的论据予以分别描述。

　　笔者强调黄土的其他特征主要是黄土物质的形态特征和矿物颗粒的风化特征。“各个时代的黄土样品中，几乎都可以见到各种形态的亚矿物颗粒，有棱角状的、次棱角状的，也有次圆和浑圆的，同时这些矿物颗粒受风化的程度也轻重不同”[5]1214，“有的保存完好晶形(如锆石等)，有的具新鲜的贝壳状断口(如石榴子石等)[5]210；“一个样品中，重矿物同时出现各种形态、风化程度不一，有时同一种矿物也以不同形态和不同风化状况出现”[5]210”，粉砂石英颗粒具有不规则的次棱角状形态，并且经研究表明“这些粉砂石英颗粒都是由机械破碎产生的[5]5”。前人解释为“这种现象也可能反映了黄土的碎屑矿物至少是部分碎屑矿物，在参与黄土堆积之前就已经进入沉积体系”。不同层位黄土和古土壤粉砂石英表面结构具有“多样性和复杂性”[5]214。

　　3黄土特征分析

　　按照“大冰期成因论”，黄土的特征已经清楚地反映了它的成因信息。（1）根据黄土概貌，其分布特征指明了黄土物质受控于中纬度副热带气流下沉区；其全球一致性特征指明了黄土物质有统一的来源；黄土按照叠覆律堆积，保存明确的和有序的年代信息，指明不是已经沉积物质，包括风化壳物质的再堆积。

　　①黄土的分布规律指明黄土受大气环流控制，堆积于大气环流的副热带气流下沉区。大气圈在南北半球分别存在对称分布的三大大气环流，即低纬环流(哈德来环流或低纬度正环流)、中纬环流(费雷尔环流)和高纬环流(极地环流或极区正环流)。大气圈平均厚度按100km计，即使按外大气层底界800km计，对于地球来说，仍然过薄(两极更薄)，受热由赤道上升的气流和受冷在极地下沉的气流之间，不可能以一个完整的环流形式运动。低纬环流在赤道上升的气流至中纬度30°左右地带下沉，形成下沉气流区。下沉气流区在地面形成副热带高压，而赤道地带由于上升气流造成地表“赤道低气压带”，气流顺地面流向赤道低压区，补充并维持赤道上升气流，形成“大气的低纬环流”；极地下沉气流在地面造成高压，顺地面流向赤道方向，而副热带高压区一部分气流也流向极地方向，两者在高纬度地带60°左右相遇、气流被迫抬升，形成极峰，气流在高空则分别流向副热带和极地，形成大气的“中纬环流”(或称逆环流或间接环流)和“高纬环流”[9]。

　　尘埃和水蒸汽一般不能上升至平流层，所谓“天气”，一般只出现在对流层。黄土分布受控于气流下沉区，说明数量巨大的黄土物质曾经上升至平流层，再随低纬环流和中纬环流共同的气流下沉区堆积于南北两个半球的中纬度地带。当然，黄土物质也可以随极地下沉气流搬运至两极。黄土物质能够上升至平流层，就也不排除可以散落于世界各地，但数量则应当相当少。它们的堆积区的多寡排序，应当是陆壳型火山爆发区→中纬度地带(包括海洋)→两极地区→其余区域。应当说，只有陆壳型火山爆发产生的火山灰，能够大量上升至平流层；黄土的保存完好程度则取决于其堆积之后遭受剥蚀(主要是大气降水造成的水流侵蚀)的强烈程度，中国的黄土高原应当是属于遭受剥蚀最轻微的地区，干旱气候(年降雨量300～500ml)和高原地势两项，应当是遭受剥蚀轻微的基本原因，所谓水土流失严重，系指横向(千沟万壑)和总量(1970～1976年黄河陕县输砂量每年为16.3亿吨，70年代黄土高原水土流失量每年可能达20亿吨[5]402)而言，从纵向看，最年轻全新世黄土的14C年龄为0.769±0.02万年，可以说剥蚀轻微。剥蚀轻微的可能性是存在的，因为火山灰堆积之后可能因为土壤化得以保存。

　　②黄土物质的全球一致性表明，黄土物质有统一的来源。如果中国黄土来源于北西部150万平方千米的沙漠、戈壁[5]5。何以解释西欧和中欧以及北美的那些远离沙漠、戈壁的黄土的来源？“就广义的冰缘概念来说，黄土的堆积环境是一种冰缘环境”[5]10，是更宏观的概念，它与黄土物质的全球一致性之间的联系，显然更值得强调和重视，黄土物质的全球一致性还表明，黄土物质是地球的一种重大地质作用的产物，对于北半球而言，生成时期与第四纪大冰期一致的、数量巨大的黄土物质与第四纪大冰期这样两个重大的地质事件之间，就必定存在有机联系。按照“洋壳型、陆壳型火山交响曲”[10]的大冰期成因论，只可能产生一个结论，即黄土就是火山灰，在堆积于冰缘环境的同时，黄土也向第四纪冰川堆积。南半球火山喷发的火山灰，同样堆积于其中纬度下沉气流区，规模较小而已。

　　③黄土按照地层的叠覆律堆积，就否定了黄土物来源于风化壳的所有理论。中国黄土能够成为“与极地冰芯、深海沉积物成为全球环境变化的三大国际对比标准”的事实说明，必须是先出现的黄土物质(包括供14C、热释光测年物质，黄土古地磁)先沉积、后出现的黄土物质后沉积，联系其他特征，黄土物质必须是一种新生物质，先生成的先沉积、后生成的后沉积才满足这个要求，其最佳结论是黄土就是火山灰。如果黄土由风化壳物质堆积而成，则总体面貌应当是底层位黄土最年轻，顶层位黄土最古老，或者难以保存明确的年代记录。

　　(2)黄土组成特征极具特色，“黄土含有各大类岩石的碎屑矿物”，“这是其他各类第四纪沉积物中罕见的”认识完全正确。但由此演绎出“表明黄土的物质只能来源于广阔的地区”[5]214，却是完全错误的，因为联系黄土的其他特征，就有理由认为这不属于提供物质来源区范围大小的问题。前文已经从黄土地层的下老上新层序、黄土分布局限于中纬度地带、全球黄土的一致性等论证了黄土不是已经沉积物质再堆积的产物，不可各别解释的道理，有沙漠、戈壁为前提的来源区的范围大小，更难与黄土的组成之间产生有说服力的必然联系。

　　①黄土有60多种矿物和40种(类)以上重矿物，被称为“石质黄土”，本身就与被雾化和被炸碎的围岩(包括先期固结的岩浆)的火山灰之间产生联系，并且难以质疑，在否定黄土物质来源于沙漠、戈壁之后，火山灰就成为形成“石质黄土”的唯一的可能选择。此其一；前人对黄土中重矿物按照变质矿物概念，分为极稳定至不稳定矿物这4类本身，就是对黄土的“沙漠、戈壁”风化壳物质来源的一种否定，因为风化壳来源的物质堆积，从始到终都不涉及变质作用环境。这种分类，倒是寓示黄土物质的生成过程，应当包括某种变质作用过程。尽管表生条件不属于变质作用条件，黄土中的紫苏辉石、普通辉石、普通角闪石、黑云母依次属于橄榄石之外，在风化壳中也属于最不稳定的硅酸盐矿物[11]，而黄土中普通角闪石含量比例还相当大，也说明它们不可能来源于沙漠、戈壁等风化壳。

　　②按照矿物的一般产状和矿物共生组合，可推测存在中酸性岩浆与包括碳酸盐岩在内的沉积岩、变质岩接触变质作用过程。其中包括了岩浆岩的副矿物组合(如锆石、榍石、磷灰石、独居石、金红石、电气石、尖晶石、黄玉等及磁铁矿等不透明矿物)；常见于接触变质带的矽卡岩矿物组合(如透辉石、透闪石、阳起石、石榴石、硅灰石等)；常见于中—酸性岩浆岩或泥质岩石变质岩的常见代表性造岩矿物(典型的如普通角闪石，地质辞典[12]称之为“中性及中酸性侵入岩和喷出岩的重要矿物”；常见于泥质岩石热变质带的矿物组合（如十字石、红柱石、蓝晶石、矽线石等铝硅酸盐矿物)；属于变质矿物的钙镁硅酸盐矿物。重矿物的这种组成，加上轻矿物石英、长石和方解石等碳酸盐占极大比例，还可组成花岗岩—花岗闪长岩的石英、长石、角闪石—黑云母组合和灰岩的方解石单矿物组合。黄土矿物组成的这些特征，共同勾勒出一幅中酸性岩浆岩与砂岩、泥质岩和碳酸盐岩(不排斥包括它们的变质岩)在接触变质作用过程喷发，造成大量火山灰、形成“石质黄土”的图像。可供参考的例证，如奥斯陆地区泥质岩和泥灰岩接触变质角岩中存在的10种矿物共生组合包括12种矿物。为红柱石、堇青石、斜长石、钠长石、钙长石、紫苏辉石、透辉石、钙铝榴石、硅灰石、正长石、石英、黑云母[13]。这应当能够辅助说明，生成黄土的过程也存在单纯的热变质作用。

　　如果只抓主要矛盾，黄土中石英、长石和云母占所有碎屑矿物含量的80%，这三类矿物是组成花岗岩类的主要矿物；方解石占10%～15%，是CaCO3CaO+CO2逆反应产生的。只抓这两点，就可以得出花岗岩类和碳酸盐岩是形成黄土的主要岩石类型。

　　③黄土除富含CaCO3、以方解石为主要产出形式，并有富钙的硅酸盐矿物如伊利石、高岭石、硅灰石、绿帘石、褐帘石等，表现出富钙特征外，同时表现出富镁特征，如斜方辉石中有富镁的顽火辉石、紫苏辉石，角闪石族有含镁的透闪石、直闪石，粘土矿物有含镁的蒙脱石等，前述碳酸盐岩中应当包括白云岩，或白云质灰岩。这与环北大西洋地质条件是能够对应的；从黄土物质的矿物组成有铁元素较少的特征分析，“角闪石类矿物与不透明矿物有显著的负相关关系，帘石类与不透明矿物含量也有线性负相关关系”[5]215的含义，除相关关系指明黄土堆积的旋回性之外，可能喻示黄土物质的来源区，岩浆作用未牵涉铁矿层或富铁地层，因为矽卡岩等变质矿物组合中，不存在一般常见的富钙铁的接触变质矿物，如钙铁辉石。有限的铁，或者成为不透明矿物，或者进入角闪石类、帘石类矿物。

　　④酸碱环境是决定化合物溶解和沉淀的最重要环境。高岭石和蒙脱石同时存在应当说明黄土的生成—堆积过程既存在酸性环境，也存在碱性环境。现今测定得到的碱性环境，仅仅是黄土堆积之后的环境，由此应当推测黄土堆积之前，即生成过程存在过酸性环境。火山灰被雾化于高浓度CO2(所谓碳酸气)环境下，应当属于酸性环境。推测高岭石应当在岩浆在高浓度碳酸气环境下，被雾化的过程中生成。

　　在粘粒级黄土中，方解石的含量变化太大(0.7%～18.5%)[5]1，妨碍了在黄土剖面中对高岭石和蒙脱石含量相对变化的认定。这个素材的不确定性，使得对黄土堆积之后的高岭石与蒙脱石含量的后生变化，难以作出中肯分析。

　　(3)黄土地层层序的两个重大特征，应当是黄土与古土壤“相互叠覆，交替出现”和彼此“有明显界限”。这两个特征所反映的是黄土堆积过程的旋回性和突变性，而这与火山作用的旋回性、突发性一致。

　　①黄土—古土壤相互叠覆，界限清晰，包括矿物成分、化学成分乃至粒度等的跳跃式变化，都反映了黄土堆积过程的旋回性和突变性。样品数众多的洛川黄土化学组分含量变化表[5]240～243尤其清晰地反映了其相互叠覆、界限清晰的特征。“黄土—古土壤系列所反映的地质事件突然发生的地质意义，目前还未被人们普遍注意[5]47”，显然前人认为自己的黄土的风积理论，并不能够圆满解释这种旋回性和突发性。而黄土就是火山灰的论点，以火山作用的旋回性和突发性，却将组分跳跃式突变的黄土—古土壤“相互叠覆，交替出现”，解释得恰到好处。

　　②黄土剖面同时反映出的次要特征，是黄土堆积过程中的趋势性变化，包括某些组分增加或减少，但是这种趋势性变化不显著，前人因此以有递增、递减趋势组分的比值进行描述。这些比值变化的意义，主要表现为黄土堆积之后，在地表风化壳氧化环境[5]256下的演化，如由下而上FeO/Fe2O3、CaO/MgO比值的增高等。[5]244

　　另一些组分的趋势性变化，如K2O/Na2O由下而上的降低，就应当与普通角闪石等的增加幅度联系起来分析。在黄土堆积过程中的风化壳氧化环境下，普通角闪石、普通辉石的增长率，明显低于不稳定矿物总量的增长率，说明它们在遭受长期风化作用后，并没有按不稳定矿物的总体风化衰减速度减少，而存在添加的增量。如果按照4.2倍的速率减少[5]244，它们在午城黄土中的含量必须更低。这样联系起来分析的结果，就反映出火山灰重矿物的组成中基性组分的增加，即喷发的岩浆岩，在向偏基性方向演化。这是更深层次的问题，姑且作为可备一说供检验和深入研究。

　　由于矿物成分分析样品数量较少，自午城黄土到马兰黄土，岩浆岩是否经历由酸性到中酸性甚至中性的演化，还不能得出结论；各层矿物含量的跳跃性并非含量多寡的间隔跳跃，仅仅表现为显著的波动。

　　4黄土就是火山灰的相关问题

　　“鉴于中国第四纪冰川规模较小，而且以山地冰川为主，仅仅由于冰川堆积的冰碛物中的细粒部分吹扬并堆积，就造成分布在我国如此大范围之内的厚层黄土是不太容易解释的”[5]232，前人的认识曾经几近完成。产生这种认识的根源，在于冰碛物中的“细粒部分”与黄土特征的相似性和空间上的关联性（冰缘环境）。可惜的是，这种仅“一念之差”的思路，不仅造成规模不相应的困惑，尤其重要的是无法解释地层层序的颠倒问题，冰碛物上部较新者先沉积，冰碛层下部较老者后沉积，不可能形成现今按叠覆律层序堆积的黄土。既然黄土是造成第四纪大冰期的火山灰遗迹，那么，它还应当出现在所有冰碛层中，现今冰芯里应当存在火山灰，在第四纪冰盖区尤甚，这正是冰芯值得研究的根本原因，仅仅是其中的火山灰并非现今研究的重点对象而已，开始认识冰芯中的火山灰和重视火山灰研究[1]，必将成为冰芯研究的又一个发展方向。

　　(一)冰碛物中的“泥质”与格陵兰冰芯中的“矿物粉尘”都是火山灰

　　冰碛层泥质与砾石同时沉积成为泥砾岩，从来被视为冰川刨蚀作用的分选性极差的典型特征，但是，震旦纪大冰期前，地表是否存在现今所见之风化土？此为质疑之一；即使存在表层土，可以因为冰川的刨蚀作用形成泥砾岩中的泥质，也只能成为首期冰川作用的组成物，不可能为后续冰川继续提供泥质，这就与冰碛层始终为泥砾岩的事实不相符。这个事实，只能说明冰碛物中的“泥质”，与冰川的刨蚀作用无关，不是地壳表层土，而与大冰期相关，与造成大冰期的火山作用有关，是造成大冰期火山作用中的陆壳型火山灰的堆积。

　　从另一个角度—对冰芯研究表明，格陵兰冰盖中存在“矿物粉尘”[1]，其浓度在间冰期至冰期时增加100倍，并且是快速的。矿物粉尘的“粒径分布表现出气候越冷，颗粒越大”。该研究经过对比，称“已经清楚地确定了矿物粉尘的源区，即位于中国西部和内蒙古的东亚沙漠”[1]；这些矿物粉尘或者直接被称之为火山灰[2]，称“利用火山灰年代学可以精确地对比这一时期的陆地、海洋和冰芯的记录。其目的是验证火山喷发后气候随之发生变化的假说(Turneyetal.，2004)”，“20世纪90年代中期，Termination1年代—Vedde和Saksunarvata这两个重要的火山灰标志层在GRIP岩心内被识别出……其他时期的火山灰层在GRIP和GISP2记录内也能分辨出来，如Settlement层和灰带2层”。“最近研究表明格陵兰冰芯存在丰富的火山灰，有时1cm厚的火山灰层用肉眼清晰可辨，有时仅出现通常为20～40μm、偶尔出现不超过5～15μm大小的少量碎屑”，“目前，NGRIP序列的详细研究不仅揭示了某些关键标志层的存在，如Vedde和Saksunarvata。火山灰层，在Termination1时期的NGRIP记录中已识别出总计12个火山灰层”。

　　这些研究表明，冰芯里有火山灰并且有多层、可以与中国黄土对比的事实，堪称“洋壳型、陆壳型火山交响曲”[11]大冰期成因论的有力佐证。这些研究的某些结论，如矿物粉尘的粒度与气温的相关关系、矿物粉尘浓度与气温的相关关系，与中国黄土的研究成果和笔者的论点相当合拍，为事物是有机联系的哲学原理提供了地质学证据。

　　黄土堆积之所以属于“冰缘环境”，不是冰碛物中的细粒部分被风积成为黄土，而是火山灰向冰川堆积的同时，也向冰缘环境堆积。格陵兰冰芯中的矿物粉尘与中国黄土可以对比，不是因果关系，而是有共同的来源。

　　海洋地质学的研究也能够察觉冰期与间冰期的差别，例如尘埃：“在间冰期时……整个大气中尘埃物质减少。这种状态在冰期时完全被倒转过来。”[14]303同样说明冰期大气充满火山灰，而间冰期火山灰尘埃落定，“完全被倒转过来”。

　　(二)中纬度地带海洋区应当也存在火山灰沉积

　　这是本理论的必然推论。火山灰既然在大陆堆积于中纬度地带，在海洋一定也按此规律堆积。这个推论很容易得到相关学科研究的印证。海洋沉积物中“风成粘土”，其分布规律正是产出于中纬度地带。如“太平洋内伊利石的分布最明显的特征是20°～40°N之间有一宽的高含量带”[14]298；30°N有一条狭窄的石英高值带横穿太平洋[14]301；这种“风成粘土”就应当是火山灰，是经过海水浸泡、漂移改造的火山灰。这个论点，有助于海洋地质学关于粘土的成因和来源的争论(陆源或海洋来源)[14]296。在北大西洋，却不一定存在沉积层序清晰的“风成粘土”。笔者未查询相关资料，因为按照逻辑推理，北大西洋在第四纪大冰期中的每一次冰期，水位都大幅下降并且全部冰封，火山灰随雪堆积于冰封的海面，需待升温至冰面融化时期之后，整个冰封期堆积的火山灰，包括因为高浓度CO2缺氧和剧热、骤冷造成天空的、水生的生物死灭的遗骸残留，一并沉积到海底，这样的沉积，既不可能在北纬30°有像北太平洋这样稳定的线性沉积，也不可能有像中国黄土那样保存清晰、良好、连续和递变的年代记录。

　　(三)关于全球变暖与碳循环问题

　　因为全球变暖说兴起，地球系统碳循环就自然成为研究热点。中国气象学家张家诚说，1979～1982年CO2排放量连年下降，之前趋势分析的基础已经变了，现在仍处在第四纪大冰期的间冰期中[15]；地理学家施雅风、大气物理学家王明星说：“地球气候系统极为复杂，包括日、日地关系、海、陆、生物圈(包括人类)，影响气候的这些因子本身也足够复杂，这些子系统的扰动都可能造成不同尺度的气候变化，现代科学至今还不能对大气成分变化引起气候变化准确预测，源(来源)和汇(去向)研究得比较清楚的CO2浓度的变化趋势无力预测，其他影响气候的大气成分的变化，更谈不上预测了。”[16]这些就属于对全球变暖说的不同声音。“对冰期—间冰期气候变化尺度上的解释涉及诸多因素。自1982年以来，学者们对大气的CO2浓度变化的原因进行了大量的辩论，最近对该问题的关注已经消退，并非由于问题得以解决，而是因为参与者己精疲力竭(Benderetal.，1997)[4]70。”地球环境问题，对大气的CO2浓度变化的原因，没有地质学和对地质作用的理解，不认识大冰期成因，是不可能解决的，由此可见地质学的基础学科性质。火山作用能够喷发CO2己经众所周知，但是喷发数量如此之大、其干冰制冷作用能够制造大冰期，却无人认识和理解。由火山爆发产生的火山灰，竟然就是世界研究上百年、中国研究半个多世纪的黄土，也只有查明大冰期成因之后，才可能得到正确的认识。

　　(四)第四纪冰期与间冰期的划分问题

　　第四纪冰期与间冰期被四分，由先而后欧洲地区是群智冰期—民德冰期—里斯冰期—玉木冰期及之间的和现今的间冰期，中国对比划分出来的鄱阳冰期—大姑冰期—庐山冰期—大理冰期及之间的间冰期和现今的间冰期；中国谓之“黄土”的火山灰划分出的冷暖交替有11次；格陵兰冰芯研究发现的火山灰层难以胜数，都代表气温的冷暖交替。这就提出一个问题，是否应当以研究深入细致并且采用了碳、氧同位素的成果，去取代原先的冰期—间冰期划分？笔者认为，应当按照传统的冰碛层代表冰期的粗略方式划分。在欧洲，阿尔卑斯地区是可以按冰碛层划分冰期的地区，中国的西部山区也是可以按冰碛层划分冰期的地区，离北大西洋一定距离的山区，都是可以按冰碛层划分冰期的地区。所有冰碛层既发育，又距第四纪冰盖有一定距离的山区，都可以凭借冰川的有限次数的活动所遗留下来的冰碛层划分第四纪冰期—间冰期。冰芯、黄土研究的成果只能是为充实前人划分的四大冰期，描绘细节。只有这些研究成果可以认定前人的划分出现了错误，才予以纠正，确立新的划分标准。因为在火山作用旋回中，众多火山此起彼伏的爆发与停歇，应当是无序的，即使有规律，也不是人类可以一一查明的。另外，格陵兰冰芯中多层火山灰，显示频繁的降温事件，大多仅属于地域性，将它们称为地球的冰期，显然不适当。

　　(五)其他问题

　　冰芯研究指明，所谓“格陵兰与南极CO2浓度梯度太大，超出了可能的实际值，因此不可能实现对两极间的CO2浓度梯度变化。造成这一现象的原因是格陵兰冰芯中含有较高的杂质，通过碳酸盐反应或有机质的氧化可以产生CO2(Delmas，1993；Anklineta L.，1997；Haanand Raynaud，1998)”，冰芯研究还指明，火山灰层(或者称矿物粉尘浓度高）与气温的冷期相对应[4]63。实际上，南极记录的高温事件分别对应于格陵兰岛冷期。……大气CO2浓度的升高分别对应于南极冰芯记录的升温事件及格陵兰冰芯记录的降温事件。”[4]67学者们的“超出了可能的实际值”和“格陵兰冰芯中含有较高的杂质通过碳酸盐反应或有机质的氧化可以产生CO2”透露出来的事实和“论证”，是认定大气圈CO2浓度具有一致性基础上的误解。须知大气圈CO2浓度是极不均匀的，在对流层尤其如此，不可能获得“代表性数据”，那种将CO2浓度以ppm为单位，试图突出其数值变化的做法，毫无意义。正是认定大气圈CO2浓度的一致性，也必然因此对格陵兰冰芯中的所谓“含有较高的杂质”，会试图以“碳酸盐反应”和“有机质的氧化”去解释其中CO2高浓度的原因。这是对陆壳型火山可以灾变性地喷发大量CO2的基础学科地质学一无所知。所有这一切，使得对CO2浓度变化原因的寻求者精疲力竭。至于南极记录的高温事件分别对应于格陵兰岛冷期，应当是一种普遍现象。因为当第四纪冰盖分布区壳型火山爆发，产生大量CO2干冰制冷作用范围有限，降温范围之外CO2逸散的所有地区，都是CO2温室效应的升温区。干冰制冷作用完成之后，高浓度CO2扩散并以其温室效应迅速制造升温事件，包括第四纪冰盖区的所有区域，都同时出现升温事件。因此冰期降温区可以有先有后，大范围升温区却有全球一致性。

　　祁连山郭德冰芯与西昆仑古里雅冰芯，小冰期以来存在3次冷暖交替循环，3次冷期分别为1451～1500、1601～1690、1791～1880和1420～1520、1570～1680、1770～1890，郭德冰芯记录的气温变化要早于上海10～20年[17]。这就清楚显示这些区域与第四纪冰盖之间气温变化的关系，即愈靠近环北大西洋的区域（第四纪冰盖分布区），冷期开始愈早、延续愈长，而愈远离的地方则其影响愈滞后。那种要求精确对比，在冰芯和黄土中寻觅世界性的统一的低温期的思路，在绝大多数情况下，并不符合大冰期的气温变化规律，只有抓主要矛盾，确认几个全球范围的降温期，才可能有纲有目。这同样要求按照广泛分布冰碛层及其叠覆关系所确认的降温期，才是第四纪大冰期中的冰期，冰芯和黄土研究可确认大纲、充实细目。

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