接过黄土研究的大旗——记福建师范大学地理科学学院海西学者特聘教授刘秀铭

本刊记者　宋　洁

接过黄土研究的大旗——记福建师范大学地理科学学院海西学者特聘教授刘秀铭

本刊记者宋洁

1998年7月陪同刘东生先生访悉尼蓝山考察洪积砂岩和红土

刘秀铭成长在一个特殊的时代，中学毕业后，就“上山下乡”当了农民。1977年2月，他入读福州大学地质专业。当时的他不知道，在这个不经意的开端下，他竟然会沿着风积黄土古土壤地层及相关研究走上这么多年。

走出一个世界“黄土版图”

刘秀铭科研的真正定向是从中国科学院地质研究所开始的。1983年8月，他告别了福州大学的助教生涯，来到北京攻读硕士学位。他的导师是我国著名地质学家、中国科学院院士刘东生。刘先生素有“黄土之父”美誉。就在刘秀铭大学毕业的1980年，刘东生背着沉重的黄土样品去了瑞士。“他通过古地磁研究首次得出了可靠的黄土堆积年代，成果发表在1982年《自然》期刊上。”刘东生院士意识到，古地磁是确定黄土形成年代有效的方法，而国内才刚刚起步，基础薄弱，还处于摸索阶段。他希望刘秀铭能够去发展这门研究，课题定为“甘肃西峰黄土磁性地层剖面”，同时去了解磁化率各向异性，这是刘东生院士在瑞士接触到的一个比较陌生的参数。

众所周知，我们如今的地磁极是朝北的，但是在漫长的地质历史中，有些时候也会发生倒转，地磁极朝南。磁性地层就是将记录在沉积物中的古地磁极测量出来，根据地磁极转换时间确定年代。刘东生院士安排刘秀铭跟随刚从英国回来的古地磁学博士许同春学习。刘秀铭利用许老师从英国带回来的珍贵的仪器对甘肃西峰剖面样品仔细反复地测量，最终研究区分出原生风成和次生水成黄土在磁化率各向异性方面的不同特征，并指出下伏第三纪红粘土也应属风积特点。这项研究被发表在1989年的《中国科学》上，而刘秀铭所完成的甘肃西峰黄土磁性地层剖面，也成为经典的黄土标准剖面之一。

1986年8月，刘秀铭要完成硕士论文答辩了。看到学生在短短3年内，完成了磁性地层、磁化率与古气候关系，掌握了磁化率各向异性原理并创新地应用到中国风积物成因研究，不仅为结束长期以来第四纪黄土是风成还是水成的争论提供了进一步可靠证据，而且建立判别标准认为下伏第三纪红粘土也应属风积形成，刘东生院士止不住内心的赞赏。在地质所学术委员会答辩资格审查会上，他提议将刘秀铭的硕士论文直接跳级作为博士论文来通过。刘院士的提议得到了委员会的一致通过，刘秀铭也在瞬间完成了从硕士到博士的转身。就在这一年，中科院地质所和瑞士苏黎世高等理工大学开展了联合培养博士生项目，刘秀铭中选了。他开始主持中科院黄土高原古气候钻孔项目，并在两年后赴苏黎世大学进行研究，论文题目为“中国黄土磁学研究”。1989年，刘秀铭获得博士学位，1年后，应英国皇家学会邀请，前往英国利物浦大学地球科学系地磁实验室做博士后研究，继续从事中国黄土与古气候的研究。这一次，他走得有点久。

“以前没听说过除了中国，还有多少地方有黄土。但是没听说过不代表没有。”海外那些年，刘秀铭发现黄土堆积其实并非中国特有，阿拉斯加、西伯利亚有，澳大利亚、新西兰有，欧洲的德国、波兰、塞尔维亚、罗马尼亚、乌克兰有，南美的阿根廷也有。其实，不仅世界上所有干旱半干旱地区到处都有，就连湿润区如阿拉斯加也有，只是不同的气候条件下，黄土在地表成土过程中所形成的颜色、成土强度以及土壤发育特点有所不同而已。此外，沉积之后保存条件差异，也造就了各地黄土地层的形成年代、厚度不一样。有机会去见识这么多黄土类型，对比各地黄土古土壤特点，刘秀铭很珍惜。

1992年，刘秀铭成为利物浦大学地理系环境磁学创始人Frank Oldfield教授的助理研究员，和Jan Blomendal博士一起从事中国黄土磁学性质和定量古气候重建研究。1995年，受聘为澳大利亚麦考瑞大学地理系研究员，2002年后为高级研究员，兼澳大利亚国家基金委专家评委，并主持澳大利亚国家基金委等项目。他的研究版图逐渐铺开了。

梳理出一个黄土体系

提及中国黄土研究，刘秀铭对导师的故事津津乐道。上世纪50年代，刘东生参加了三门峡大坝选址野外考察。一天晚上雨后，他看到远处有几排灯光，第二天发现是从一排排窑洞投射出来的。走近观察，刘东生注意到每个窑洞顶部上方都有一层厚厚的红色粘土层。“为什么当地老百姓都把红色土层作为窑洞的天花板？为什么红色土与黄色土相间出现？”正当他百思不得其解的时候，遇上了土壤学家朱显谟院士。朱显谟告诉他，你看到的实际上不是什么红色土，而是黄土里边红颜色的古土壤层。刘东生的第一反应是，百多米厚的黄土高原正是由许许多多这样的红色古土壤层和相间的黄色黄土层所构成，如果红色土是古土壤，那么以前关于黄土高原“水成”的推论岂不是就不成立了？而且认识了古土壤，暗示着不论黄土层还是古土壤层，都是大气之下风积形成，只不过黄土对应着干冷时期的粉尘堆积，古土壤则对应着温湿气候条件下植被生长土壤发育。巨厚的黄土高原就象磁带一样，分别以黄土和红土（红色古土壤）交替出现，记录着地球过去发生的气候冷暖变化。随着古土壤被发现，不仅黄土“水成”说法渐渐得到平息，而且贫瘠的黄土高原也从此被赋予了古气候研究的宝贵科学价值。

沉积岩是三大岩石类型之一。“过去地质学家总是习惯认为，层状的沉积岩地层都是水中形成的。其实自从黄土中的古土壤被证实，就说明沉积岩至少存在一种水体以外沉积的风积类型：它是在大气之下的地表环境中粉尘堆积和风化成土形成的。沙漠沙丘也是如此类型。完整的古土壤层还会从上而下分异形成粘化层、淀积层等层次，这些层与层之间也呈大致平行。特别是某些淀积层就如同水泥板似的钙板层，如果不熟悉古土壤，就很容易误把这些土壤层次当作沉积岩水成层理，从而使地质学家很容易作出误判：红色古土壤层是水下红层，钙板层则是水中沉积的石灰岩。这种情形恰如几十年前刘东生尚未识别出古土壤之前，学界很多学者对黄土高原的认识。第四纪地质学家经过几十年探索研究，已经熟知黄土古土壤层性状。刘秀铭以为，第四纪地质学家重要历史职责之一，就是总结这些风积地层的特征，从一个全新的角度去重新认识更老地层形成环境。整个黄土高原平均百多米厚，就是由一层黄一层红叠加起来的。黄的是黄土层，红的是古土壤层，它们记录着过去古气候冷暖变化。在刘秀铭心目中，正因为有了刘东生院士带领同事和学生们平息了一个世纪以来的黄土“风成”“水成”之争，才奠定了他自己日后的研究能站在一个比较高的起点上。

每当提到自己所从事的研究，刘秀铭的热情度总是很高。“黄土高原是风积形成的，风吹来堆积的黄土，与古土壤的反差是由过去经历了不同程度的暖湿气候下成土过程造成的。冷的时期堆积形成黄土，暖的时期堆积形成古土壤。我们的研究就是将过去气候冷暖变化的历史重建起来。从更广泛的地质学来说，第四纪如同现在，认识了现代风积物在世界各地不同气候条件下的成土特征，有助于‘将今论古’去理解沉积学一些普遍问题，尤其是沉积红层形成环境的问题。”

“测量古地磁目的是要根据地磁倒转来建立黄土古土壤序列形成的年代。测量磁化率等物理参数是把肉眼能看到的不同成土强度的古土壤显示的不同程度的红，以定量、半定量的方式用数据曲线刻画出来。这样，我们就可以根据土壤剖面磁化率大小来分析判断过去气候冷暖变化。”

刘秀铭所说的“磁化率”是个物理参数，用来衡量黄土样品被磁化能力大小，它与样品中所含的磁性矿物种类以及颗粒粒度大小有关。本质上，磁化率与气候不存在任何关系，但是这个参数在黄土高原却展现出与成土强度密切正相关，说明随着成土发育形成了相应比例细小的磁赤铁矿和磁铁矿。在刘秀铭之前，已经有人在测量报道这些相关参数。刘秀铭的出色之处在于，他第一个系统又比较高密度测量了完整的西峰黄土剖面。1985年，他在西安国际黄土研讨会上做完报告，立即吸引了国际第四纪研究行家们的注意。从此西峰黄土成为国内外熟知的最经典剖面之一。

“但是有局限”，外界还没有说什么，刘秀铭已经开始找不足了。他和伙伴们发现，这种方法其实是有一定适用范围的，如果超过范围，情况就会变化。怎么回事？其实早在1989年刘东生带领学生们考察对比了西峰和宝鸡磁化率之后，刘秀铭就已经心中有数了。在黄土高原中部，磁化率大小与成土发育“正相关”，即气候温湿程度越高，成土越强，土层磁化率就会越高。这是学界最早认识到的。“可是任何事情都有个界限，超过界限就会向反方向发展。磁化率也如此。如果向南到了宝鸡，你就会发现这里温度和降水均比西峰和洛川更高，而成土发育最强的第五层古土壤磁化率反而最低。”那时，他就已悟出，是湿度过高的成土环境使得磁性矿物向不同方向转变。

同一年，《自然》杂志报道了美国阿拉斯加黄土磁化率与中国恰好相反的情形：古土壤获低值，黄土得高值。作者用“风速论”来解释：冰期风力强，吹来更多更大磁铁矿颗粒，使得黄土层磁化率高于土壤层，而且用磁铁矿颗粒做了风洞实验来支持该解释。他认为阿拉斯加黄土磁化率，与中国黄土磁化率反映成土气候温湿条件的机理不同，是反映古风力强度。

见过宝鸡磁化率异常，刘秀铭正想去开展反相关研究。1997年，他向这位作者要了几块代表性样品，进行磁学测量，结果证实了他的想法：阿拉斯加黄土反相关磁化率也是风化成土造成的，因为黄土堆积时的原始磁化率已被风化成土过程改变了。阿拉斯加湿度大温度低导致高磁化率铁氧化物不稳定，变成铁的氢氧化物和硫化物使得磁化率降低，即成土风化过程导致古土壤层磁性矿物的种类与黄土层存在明显差异。因此，它并不能反映古风力。他的文章认为，阿拉斯加磁化率反相关是湿润成土条件所导致。同年实地考察发现，该黄土古土壤露头普遍可见锈斑，即原生风积物中的磁性矿物已经被风化转变为针铁矿（锈斑）。说明今天测量的磁化率是风化作用的最终结果，已经不是沉积时的磁化率，故不能反映堆积时的风力。

2006年，刘秀铭已经回国到兰州大学任职，是该校“萃英学者”特聘教授。他实地考察了西伯利亚、塞尔维亚和罗马尼亚黄土，希望能够将在世界各地见识到的黄土和中国的黄土研究结合起来，形成一套比较完整的理论体系。2009年，在国家自然科学基金重点项目的支持下，他主持了“世界各地黄土磁化率与古气候不同关系机制以及古气候重建问题系统研究”。

刘秀铭将黄土磁化率与成土气候环境的关系归纳成3种类型。第一种是在半干旱条件下，黄土磁化率与成土强度“正相关”类型，中国的黄土高原中部属于这个范围。第二种则是极端干旱条件下的沙漠黄土磁化率反相关类型，如戈壁滩边缘的新疆黄土。其实兰州以西，当年降雨量降低到300毫米以下，成土作用渐弱，物理风化增强，磁化率已经在向这一个方向发展了。第三种，是湿润区黄土磁化率反相关类型，如阿拉斯加黄土和西伯利亚黄土。湿润区年均降雨量通常在900毫米以上。在此湿润条件下，风积物中高磁化率的铁氧化物变得不稳定，会慢慢转化成针铁矿甚至硫铁矿，导致磁化率不是增高，而是降低。这3种类型刻画了从干旱、半干旱到湿润环境下，随着成土环境湿度增加，磁性矿物种类随之发生变化以适应环境，结果导致了不同形式的磁化率变化。这3种类型之间存在两个湿度临界值，如果一个黄土剖面的湿度是在临界值附近来回摆动，那么这个剖面磁化率就找不到与成土气候条件明显的关系。

求真，追求严谨

2011年，在福建省千人计划邀请下，刘秀铭回到故乡的福建师范大学。“西北有不少红色地层，南方也有丹霞地貌。过去认为，南方丹霞红层是氧化条件下山间盆地中河流湖泊中沉积形成，红颜色被认为是沉积物抬升出水面才氧化形成。其实科学家明白，水下缺氧环境不能形成红色。次生色倒是比较合理的解释。但这只是一种假说，直到今日还没得到证实。根据野外观察，丹霞总体红色，却存在红色深浅变化，而这深浅红色的变化是随着层理变化而变化的，因此，丹霞红色是原生形成，而不是次生色，在水下缺氧环境不能够形成红色丹霞层。这符合化学的氧化还原原理。根据世界各地第四纪黄土古土壤看，也是如此。”

他认为自己很侥幸，能跟刘先生学习第四纪地质。因为第四纪是地质历史最新的纪，也最简单。科学研究从简单开始，由浅入深，才能更好理解地质过程。现在又了解了全球各地风积黄土经受不同气候条件的成土作用而形成了不同颜色的土壤，把握了现代过程，他就能站在很有利的位置去“将今论古”，识别更老地层沉积环境。

一直以来，刘秀铭都只是在真诚地表述。他更想的是踏踏实实地做事。他总结了第四纪黄土在世界各地地表环境下变化规律，认为红层是氧化层，水下是缺氧环境，没有足够证据或者现代过程能够支持水下环境能够形成红层，更重要的是，化学的氧化还原原理无法解释这种地质过程。在2015年10月北京召开的地球历史风积国际研讨会上，他对澳大利亚第三系海相石灰岩提出异议，认为该地层具有陆地古土壤特征，应该是风积岩层序列，而不是大陆架海相石灰岩沉积。接下来，他去以色列参加撒哈拉沙漠边缘风积黄土土壤国际学术研讨会，用他的话说，就是去看撒哈拉边缘的黄土，并“验证一下自己研究的东西”。“刘东生先生过去的研究为我们开拓了一个很大的方向。认识、理解和总结黄土、古土壤、红粘土第四纪地质过程就可以将其理论引申应用到更老的地层去，去开拓一个新的研究方向。”

如今，他要做的事情还有很多。在这个厚重的目标面前，要接过导师那面“黄土大旗”，前行是他唯一的选择。