高原上的背影——地質學家劉東生

揭開黃土高原的奧秘

　　１９７９年，劉東生被調回北京中國科學院地質研究所之前，經塗光熾和於仙春介紹，在貴陽光榮地加入中國共產黨。１９８０年劉東生當選為中國科學院學部委員（後更名為院士）。

　　為了攀登科學高峰，劉東生迎著困難又一次出征。回京後他本來有三個單位可以選擇，其中有的科研條件比較優越。出於深深的黃土情結，他決定仍回歸地質所。然而，盡管他具有強烈的科研願望，現實卻是冷酷的，科研工作三大件——人員、課題、經費，此時他一樣都沒有。課題和經費倒是可以去爭取，但人員配備必須有所裏的支持。當年參與黃土研究的同誌，大部分已於１９６4年調往中科院貴陽地球化學所，少數沒去貴陽的也改行從事其他研究。而今除了劉東生本人外，還僅剩三人。這幾個人勉強湊合著成立了一個研究組，掛靠在地層研究室。所用辦公室，還是地質學研究元老尹讚勳出於同情讓給他們的。為了早日開展研究，劉東生四處奔波組建隊伍。在他的感召下，一些離開的研究人員歸隊了，陸續招收的研究生畢業後也留在了他的身邊，加上慕名而至的從國外學成歸國的留學生，新的強有力的研究隊伍終於建立起來了。與此同時，由劉東生領銜的西安黃土與第四紀地質研究室也逐漸成長壯大起來。劉東生又準備甩開膀子大幹了。

　　基礎研究隻爭世界第一，不爭世界第二。而要做到這一點，必須跟蹤國際前沿。劉東生明白，黃土研究工作的基礎是野外地質記錄。為此，他要選擇出露最全、地層最為完整的剖麵作為基地。經過多方探尋，他們終於找到了洛川黑木溝坡頭村剖麵。這裏的黃土厚度超過１００米，沿著一個古滑坡後壁順溝而下，可以清楚地看到完整的黃土地層，甚至能夠瞧見可以細分的一層層古土壤，還有黃土以下的紅黏土層。

　　綜合野外和室內研究成果，劉東生組織大家對洛川剖麵展開討論，經過討論，他們將第一層古土壤以上約8米厚的黃土命名為馬蘭黃土。以第一層古土壤的頂麵作為離石黃土的開始，以具有特征的第五層古土壤作為離石黃土上、下部之間的界線。他們還根據土質粒度首次在黃土剖麵定義了“第一和第二粉砂層”，並以第二粉砂層的底為界，將下麵的黃土地層定義為午城黃土。這個劃分，將原先分別根據離石和午城所建立的黃土地層單位統一到同一個剖麵上，使洛川剖麵成為中國黃土標準剖麵，並為國內外科學家所接受。

　　通過剖麵樣品分析，他們還注意到了黃土沉積顆粒粒度的韻律性以及碳酸鹽含量的周期性變化特征，這為後來研究黃土古土壤多次重疊所代表的第四紀氣候變化的多周期特征奠定了基礎。

　　就地質研究而言，研究出時空變化是關鍵。中國黃土的空間分布，經過劉東生等人的多年研究已獲得答案，１９６４年前出版的《黃河中遊黃土分布圖》和《中國黃土分布圖》即是這一研究成果的代表。至於黃土的年齡，盡管有文章說中國黃土地層占據了第四紀的早、中、晚更新世各個時期，但黃土堆積的確切時間仍是個謎。這個問題一直讓劉東生魂牽夢縈，他下決心要予以攻克。

　　劉東生明白，盡管他已經建立了多種地質年代測定方法，但無論哪一種應用到第四紀上都有這樣或那樣的不足。確認黃土年齡，最佳選擇是對樣品進行磁性地層和岩石磁學測定。這是當時世界上一種先進的測定技術，誰要想知道某一地層年齡，通過沉積物記錄的古地磁極性測定，再參閱地磁年表（地球的磁極在地質曆史時期曾經發生過多次倒轉，７０多萬年前，地球的北極和南極與現在正好相反。科學家便根據古地磁極性變化的次序，建立了標準地磁年表），便可得出結果。上個世紀70年代末，由於超導磁力儀的應用，深海鑽探計劃中磁性地層學得到快速發展，不但為多年來盛行的海底擴張學說提供了佐證，也導致板塊構造學說的創立。劉東生認為，應用這種技術同樣能夠確定黃土的年齡。然而由於當時我國古地磁實驗室設備和技術與國外有較大差距，因而所獲數據常常得不到國際同行認可，若想確認黃土年齡，隻有帶著樣品到國外去測試。

　　借助蘇黎世瑞士聯邦高等理工大學許靖華教授牽線，劉東生最後找到了利用許教授所在大學的超導磁力儀進行測試的機會。為此，他組織人員在洛川黃土塬進行鑽探采樣。當時鑽孔深達１３６米，共采到２５０塊樣品，平均分辨率是６０厘米／塊。劉東生的學生安芷生等參與了鑽探過程，安芷生後來回憶說：“為此，我在冬日的洛川足足呆了兩個月，看鑽、取樣、作剖麵。”

　　１９８１年，劉東生親自攜帶樣品飛往瑞士。他在瑞士隻有三個月時間，由於時間緊，工作量大，樣品檢測基本安排在夜間，具體實施黃土樣品測試任務的是赫勒博士和他的助手。每當測量時，已年過花甲的劉東生總是不辭勞苦地守在現場，要麽幫助加工樣品，要麽旁觀測量過程。實驗室位於郊區，夜晚氣溫較低，為了禦寒，他將所穿的軍用棉大衣捂得嚴嚴的，累了就在過道長椅上躺一會兒。實驗室的年輕人看到這個場景，無不為之感動。

　　在劉東生回國之前，古地磁測試結果終於趕了出來，他的辛勤勞動總算有了結果。

　　瑞士測量儀器給出的整個黃土剖麵磁化率曲線出來後，劉東生一眼掃去便有似曾相識之感。然而來不及細想他就踏上了回國行程。在飛機上，他展開印有黃土-古土壤磁化率曲線的紙張仔細察看，這才恍然大悟，原來整條曲線與當時風行的深海沉積物中有孔蟲介殼得到的氧同位素曲線類似，難怪看起來十分眼熟。回到家中，來不及洗去征塵，他就趕忙取出文獻對照，“天哪，怎麽會如此相似！”他喊道。顯然，中國黃土-古土壤序列很好地記錄了第四紀時期的氣候和環境變化，表明黃土層形成於較為幹冷時期，古土壤則在相對濕熱時段發育。他立即通過電話將他的發現告訴遠在瑞士的赫勒博士。　

　　地質學家將過去２５０萬年以來的時期，即與人類發展密切相關的這一地質時期稱為第四紀，把在第四紀中氣候變冷，導致北美和歐洲大陸出現了像現在南極、格陵蘭這樣為冰蓋所覆蓋、高山上的冰川向下延伸的時期稱為“冰期”，把在兩個冰期之間出現的氣候溫暖、歐洲和北美大陸冰蓋消失、高山冰川向山上退縮的時期稱為“間冰期”。冰期與間冰期的每一次交替稱為一個“旋回”。２０世紀初，歐洲科學家通過對阿爾卑斯山冰川沉積的研究發現，這個地區出現了４次冰期、間冰期變化，據此他們提出了第四紀全球氣候出現了４次冷暖“旋回”學說。這一經典的四次冰期的理論統治了第四紀科學界近一個世紀。

　　而對中國黃土-古土壤序列精確的古地磁研究發現，中國黃土開始堆積於２５０萬年前第四紀開始時。黃土高原夾在黃土層之間多達３０多層的古土壤，表明第四紀時期的氣候變化絕不是四次冰期—間冰期模式所能概括的。盡管冰川研究也發現了更多的次級的冷暖變化，但黃土與深海沉積記錄研究還是徹底地打破了四次冰期的第四紀氣候變化模式，建立了全新的多旋回的氣候變化理論。在這一過程中，劉東生領導的團隊對中國黃土的研究起到了關鍵作用。中國的黃土-古土壤序列提供了陸相地層中最為完整的多旋回氣候變化記錄。

　　根據這一重大科學突破，劉東生等在有影響的《自然》雜誌上發表了論文。這標誌著中國黃土研究進入了新的階段。劉東生和他的團隊的研究成果，奠定了中國黃土與深海沉積、極地冰芯並列為全球環境變化研究三大支柱的基礎。

　　有了權威的黃土古地磁測量數據，１９８４年夏，劉東生開始組織撰寫並出版《黃土與環境》一書，他認為“這不僅是總結中國黃土研究的好機會，而且是將中國黃土研究推向世界的必然之路”。果然，此書１９８５年一經推出，便震驚世界，很快再版。洛川剖麵因之成了世界上所有黃土研究者爭相目睹的“聖地”。

　　這就是劉東生院士，“文革”重挫改變不了他對黃土的依戀，重新起步的困難更擋不住他邁向黃土高原的腳步，他在逆境和困難中勇往直前，最後竟然生發出一片中國地質科研的新天地。這一過程中，沒有幸運，沒有照顧。他的成功，是因為他把“鍥而不舍”四個大字寫在了黃土大地上。他曾經深情地說：“我的黃土生涯是一條始終沒有斷的線！”

　　“文革”之後，中國第四紀科學研究組織迅速發展壯大，劉東生在國際第四紀研究中的地位也隨之不斷提升。１９７９年，中國正式成為國際第四紀聯合會成員。第二年劉東生任中國第四紀研究委員會主任。1982年後，劉東生在第11屆和12屆國際第四紀研究聯合會大會上，連續兩屆當選國際第四紀研究聯合會副主席，任職時間達8年。１９９１年，中國作為東道主主持召開了第１３屆國際第四紀研究聯合會大會，劉東生當選主席，此後他又以前主席的身份在國際第四紀研究聯合會執委會任職到１９９９年。權威人士評價說，中國同一位科學家在國際第四紀學術組織中任職長達１７年，足以證明他在第四紀研究上所作出的貢獻為國際所公認。

　　此後，中國黃土研究的新成果不斷湧現。先是劉東生的學生丁仲禮院士發現了６００萬至８００萬年前的風成沉積記錄。２００２年，劉東生的學生郭正堂博士等在英國《自然》雜誌發表了題為《中國黃土指示亞洲荒漠化起源於２２００萬年前》的論文，更是將中國風成沉積記錄向前推進到２２００萬年前。德國的肖英博士對這篇文章的評述稱：“新發現的中新世黃土-古土壤序列是‘喜馬拉雅山的新傳’。”