高原上的背影——地质学家刘东生

揭开黄土高原的奥秘

　　１９７９年，刘东生被调回北京中国科学院地质研究所之前，经涂光炽和于仙春介绍，在贵阳光荣地加入中国共产党。１９８０年刘东生当选为中国科学院学部委员（后更名为院士）。

　　为了攀登科学高峰，刘东生迎着困难又一次出征。回京后他本来有三个单位可以选择，其中有的科研条件比较优越。出于深深的黄土情结，他决定仍回归地质所。然而，尽管他具有强烈的科研愿望，现实却是冷酷的，科研工作三大件——人员、课题、经费，此时他一样都没有。课题和经费倒是可以去争取，但人员配备必须有所里的支持。当年参与黄土研究的同志，大部分已于１９６4年调往中科院贵阳地球化学所，少数没去贵阳的也改行从事其他研究。而今除了刘东生本人外，还仅剩三人。这几个人勉强凑合着成立了一个研究组，挂靠在地层研究室。所用办公室，还是地质学研究元老尹赞勋出于同情让给他们的。为了早日开展研究，刘东生四处奔波组建队伍。在他的感召下，一些离开的研究人员归队了，陆续招收的研究生毕业后也留在了他的身边，加上慕名而至的从国外学成归国的留学生，新的强有力的研究队伍终于建立起来了。与此同时，由刘东生领衔的西安黄土与第四纪地质研究室也逐渐成长壮大起来。刘东生又准备甩开膀子大干了。

　　基础研究只争世界第一，不争世界第二。而要做到这一点，必须跟踪国际前沿。刘东生明白，黄土研究工作的基础是野外地质记录。为此，他要选择出露最全、地层最为完整的剖面作为基地。经过多方探寻，他们终于找到了洛川黑木沟坡头村剖面。这里的黄土厚度超过１００米，沿着一个古滑坡后壁顺沟而下，可以清楚地看到完整的黄土地层，甚至能够瞧见可以细分的一层层古土壤，还有黄土以下的红黏土层。

　　综合野外和室内研究成果，刘东生组织大家对洛川剖面展开讨论，经过讨论，他们将第一层古土壤以上约8米厚的黄土命名为马兰黄土。以第一层古土壤的顶面作为离石黄土的开始，以具有特征的第五层古土壤作为离石黄土上、下部之间的界线。他们还根据土质粒度首次在黄土剖面定义了“第一和第二粉砂层”，并以第二粉砂层的底为界，将下面的黄土地层定义为午城黄土。这个划分，将原先分别根据离石和午城所建立的黄土地层单位统一到同一个剖面上，使洛川剖面成为中国黄土标准剖面，并为国内外科学家所接受。

　　通过剖面样品分析，他们还注意到了黄土沉积颗粒粒度的韵律性以及碳酸盐含量的周期性变化特征，这为后来研究黄土古土壤多次重叠所代表的第四纪气候变化的多周期特征奠定了基础。

　　就地质研究而言，研究出时空变化是关键。中国黄土的空间分布，经过刘东生等人的多年研究已获得答案，１９６４年前出版的《黄河中游黄土分布图》和《中国黄土分布图》即是这一研究成果的代表。至于黄土的年龄，尽管有文章说中国黄土地层占据了第四纪的早、中、晚更新世各个时期，但黄土堆积的确切时间仍是个谜。这个问题一直让刘东生魂牵梦萦，他下决心要予以攻克。

　　刘东生明白，尽管他已经建立了多种地质年代测定方法，但无论哪一种应用到第四纪上都有这样或那样的不足。确认黄土年龄，最佳选择是对样品进行磁性地层和岩石磁学测定。这是当时世界上一种先进的测定技术，谁要想知道某一地层年龄，通过沉积物记录的古地磁极性测定，再参阅地磁年表（地球的磁极在地质历史时期曾经发生过多次倒转，７０多万年前，地球的北极和南极与现在正好相反。科学家便根据古地磁极性变化的次序，建立了标准地磁年表），便可得出结果。上个世纪70年代末，由于超导磁力仪的应用，深海钻探计划中磁性地层学得到快速发展，不但为多年来盛行的海底扩张学说提供了佐证，也导致板块构造学说的创立。刘东生认为，应用这种技术同样能够确定黄土的年龄。然而由于当时我国古地磁实验室设备和技术与国外有较大差距，因而所获数据常常得不到国际同行认可，若想确认黄土年龄，只有带着样品到国外去测试。

　　借助苏黎世瑞士联邦高等理工大学许靖华教授牵线，刘东生最后找到了利用许教授所在大学的超导磁力仪进行测试的机会。为此，他组织人员在洛川黄土塬进行钻探采样。当时钻孔深达１３６米，共采到２５０块样品，平均分辨率是６０厘米／块。刘东生的学生安芷生等参与了钻探过程，安芷生后来回忆说：“为此，我在冬日的洛川足足呆了两个月，看钻、取样、作剖面。”

　　１９８１年，刘东生亲自携带样品飞往瑞士。他在瑞士只有三个月时间，由于时间紧，工作量大，样品检测基本安排在夜间，具体实施黄土样品测试任务的是赫勒博士和他的助手。每当测量时，已年过花甲的刘东生总是不辞劳苦地守在现场，要么帮助加工样品，要么旁观测量过程。实验室位于郊区，夜晚气温较低，为了御寒，他将所穿的军用棉大衣捂得严严的，累了就在过道长椅上躺一会儿。实验室的年轻人看到这个场景，无不为之感动。

　　在刘东生回国之前，古地磁测试结果终于赶了出来，他的辛勤劳动总算有了结果。

　　瑞士测量仪器给出的整个黄土剖面磁化率曲线出来后，刘东生一眼扫去便有似曾相识之感。然而来不及细想他就踏上了回国行程。在飞机上，他展开印有黄土-古土壤磁化率曲线的纸张仔细察看，这才恍然大悟，原来整条曲线与当时风行的深海沉积物中有孔虫介壳得到的氧同位素曲线类似，难怪看起来十分眼熟。回到家中，来不及洗去征尘，他就赶忙取出文献对照，“天哪，怎么会如此相似！”他喊道。显然，中国黄土-古土壤序列很好地记录了第四纪时期的气候和环境变化，表明黄土层形成于较为干冷时期，古土壤则在相对湿热时段发育。他立即通过电话将他的发现告诉远在瑞士的赫勒博士。　

　　地质学家将过去２５０万年以来的时期，即与人类发展密切相关的这一地质时期称为第四纪，把在第四纪中气候变冷，导致北美和欧洲大陆出现了像现在南极、格陵兰这样为冰盖所覆盖、高山上的冰川向下延伸的时期称为“冰期”，把在两个冰期之间出现的气候温暖、欧洲和北美大陆冰盖消失、高山冰川向山上退缩的时期称为“间冰期”。冰期与间冰期的每一次交替称为一个“旋回”。２０世纪初，欧洲科学家通过对阿尔卑斯山冰川沉积的研究发现，这个地区出现了４次冰期、间冰期变化，据此他们提出了第四纪全球气候出现了４次冷暖“旋回”学说。这一经典的四次冰期的理论统治了第四纪科学界近一个世纪。

　　而对中国黄土-古土壤序列精确的古地磁研究发现，中国黄土开始堆积于２５０万年前第四纪开始时。黄土高原夹在黄土层之间多达３０多层的古土壤，表明第四纪时期的气候变化绝不是四次冰期—间冰期模式所能概括的。尽管冰川研究也发现了更多的次级的冷暖变化，但黄土与深海沉积记录研究还是彻底地打破了四次冰期的第四纪气候变化模式，建立了全新的多旋回的气候变化理论。在这一过程中，刘东生领导的团队对中国黄土的研究起到了关键作用。中国的黄土-古土壤序列提供了陆相地层中最为完整的多旋回气候变化记录。

　　根据这一重大科学突破，刘东生等在有影响的《自然》杂志上发表了论文。这标志着中国黄土研究进入了新的阶段。刘东生和他的团队的研究成果，奠定了中国黄土与深海沉积、极地冰芯并列为全球环境变化研究三大支柱的基础。

　　有了权威的黄土古地磁测量数据，１９８４年夏，刘东生开始组织撰写并出版《黄土与环境》一书，他认为“这不仅是总结中国黄土研究的好机会，而且是将中国黄土研究推向世界的必然之路”。果然，此书１９８５年一经推出，便震惊世界，很快再版。洛川剖面因之成了世界上所有黄土研究者争相目睹的“圣地”。

　　这就是刘东生院士，“文革”重挫改变不了他对黄土的依恋，重新起步的困难更挡不住他迈向黄土高原的脚步，他在逆境和困难中勇往直前，最后竟然生发出一片中国地质科研的新天地。这一过程中，没有幸运，没有照顾。他的成功，是因为他把“锲而不舍”四个大字写在了黄土大地上。他曾经深情地说：“我的黄土生涯是一条始终没有断的线！”

　　“文革”之后，中国第四纪科学研究组织迅速发展壮大，刘东生在国际第四纪研究中的地位也随之不断提升。１９７９年，中国正式成为国际第四纪联合会成员。第二年刘东生任中国第四纪研究委员会主任。1982年后，刘东生在第11届和12届国际第四纪研究联合会大会上，连续两届当选国际第四纪研究联合会副主席，任职时间达8年。１９９１年，中国作为东道主主持召开了第１３届国际第四纪研究联合会大会，刘东生当选主席，此后他又以前主席的身份在国际第四纪研究联合会执委会任职到１９９９年。权威人士评价说，中国同一位科学家在国际第四纪学术组织中任职长达１７年，足以证明他在第四纪研究上所作出的贡献为国际所公认。

　　此后，中国黄土研究的新成果不断涌现。先是刘东生的学生丁仲礼院士发现了６００万至８００万年前的风成沉积记录。２００２年，刘东生的学生郭正堂博士等在英国《自然》杂志发表了题为《中国黄土指示亚洲荒漠化起源于２２００万年前》的论文，更是将中国风成沉积记录向前推进到２２００万年前。德国的肖英博士对这篇文章的评述称：“新发现的中新世黄土-古土壤序列是‘喜马拉雅山的新传’。”