0 问题的提出

进入到21世纪以来，国际地质学界正在经历着一场新的变革，即由过去传统的侧重地球各分支学科的研究，向多学科交叉融合的“地球系统科学”发展。这一概念最早来源于美国国家航空航天局(NASA)于1983年成立的地球系统科学委员会(Earth System Science Committee)，但正式提出是1986年^[1]，旨在强调地球系统是由大气圈、水圈、岩石圈和生物圈(包括人类圈)组成的有机整体，各圈层之间不仅相互作用、相互关联，而且任何一个圈层的变化，都会通过复杂的反馈过程影响其他圈层，甚至地球的整体行为。事实上，发生在地球上的许多重大地质或气候事件，都与岩石圈、水圈、大气圈、生物圈的层圈相互作用密切相关，如果还是以传统的地质学观点审视地质问题，很难获得新的突破。

对于地球上的表生沉积物而言，黄土无疑是独具特色的沉积物，可以分布在不同海拔、覆盖于不同年龄的基岩之上，不仅来自广阔的源区，而且在搬运过程中经过了充分的混合，因此黄土的平均化学成分十分接近现在使用的地壳克拉克值^[2]。纵观黄土在世界上的分布^[3~4](图 1)，中国的黄土高原以最广的面积、最大的厚度堪称世界之最。除中国之外，风成黄土在各大洲均有分布，亚洲除了黄土高原，中亚的帕米尔山前、塔吉克盆地、费尔干纳盆地，西亚的伊朗、以色列也有黄土分布；在欧洲，黄土分布在德国的莱茵河畔以及中欧的罗马尼亚、塞尔维亚等地；南半球的阿根廷、新西兰，北美的中部地区，甚至靠近北极地区的阿拉斯加也有黄土分布。

面对如此广布的风成沉积物，不禁有这样的问题：究竟什么样的地质过程可以产生如此巨量的粉砂级物质？组成黄土的物质是从何处搬运而来？什么样的风力系统参与了黄土的搬运过程？何种因素决定了黄土的分布厚度？有哪些过程决定了粉尘堆积后的“黄土化”或成壤过程？诸如此类的问题，在以往的研究中已有涉及，但本文将从地球系统科学角度出发，重新审视与黄土有关的科学问题。

1 岩石圈、冰冻圈演化与黄土的物质来源

在过去很长的一段时间里，世界上的黄土曾经根据其地理分布特点，简单的划分为“热黄土”及“冷黄土”^[5]。前者被认为主要从沙漠吹扬而来，成因上与沙漠相关，譬如中国的黄土；后者被认为从冰缘地带吹扬而来，成因上与冰川作用有关，类似现今在西欧、中欧阿尔卑斯山冰川外围区的黄土堆积。

事实上，将中国黄土仅仅依据与沙漠分布的地缘性而冠以“沙漠成因”，并不确切。无论是分布于西北内陆盆地外围的黄土，还是黄土高原的黄土，在黄土物质的产生机制上，均与岩石圈、冰冻圈的演化密切相关。

就中国黄土的分布特点而言，西北内陆盆地的黄土主要分布在昆仑山、天山等高大山脉的山麓地带，其共同的特点就是主要分布在山麓的迎风坡。这些高大山脉均属于“高亚洲”(High Asia)巨型造山带。新生代以来伴随印度与欧亚大陆的碰撞，受其远程效应的影响，无论是青藏高原东北缘祁连山脉、还是天山山脉在晚中新世以来均发生构造复活与隆升^[6~9]，隆升的山脉增加了造山带与盆地的地势高差，也加强了寒冻风化过程。特别是当第四纪冰期气候来临之后，上述造山带发育山地冰川，雪线以上的基岩进入了冰冻圈，成为地表能量转化最为剧烈的地区，在冰川作用下，大大加速了造山带的剥蚀，大量的基岩碎屑物质被冰川及冰融水带到山前，形成了巨型、叠置的冲洪积扇。上述碎屑物质再经风力分选，被风吹扬至山麓迎风坡，形成了西北内陆的山麓黄土。因此，从这一意义上讲，西北内陆黄土物质的原产地在高山地区，岩石圈演化与冰冻圈的参与，大大加速了上述地区黄土级物质(loess-sized materials)的产生过程。

事实上，不仅西北内陆的山麓黄土与岩石圈、冰冻圈演化密切相关，黄土高原的黄土同样如此。纵观黄土高原的分布特点不难看出，其最上风方向为戈壁，其次为沙漠，下风方向则为黄土。这样的空间分布特点，很容易让人将黄土高原的物质来源归结为沙漠。但戈壁、沙漠仅仅是“中转站”^[10~12]。在地表看到的戈壁，实为造山带的冲洪积扇。空间上，从西北向东南的戈壁、沙漠、黄土的分带，是风力作用对山前冲洪积扇风力分选的结果(图 2)，黄土级物质最初的原产地在高山地区^[11~12]。

粒度分析表明^[12]，黄土高原上风方向的沙漠，在风力的长期吹扬下，其粉砂级(< 63μm)含量很低，远低于造山带前缘的洪积扇及戈壁地区(图 3)。如果没有基岩风化物质的持续补偿，沙漠中的粉砂级物质早已吹蚀殆尽。

在上述戈壁与沙漠的外围，同样有巨型的造山带，隶属于中亚造山带。其中的戈壁阿尔泰山(Gobi Altai)、杭爱山脉(Hangay)均位于黄土高原外围戈壁、沙漠的上风方向。印度-欧亚板块碰撞的远程效应不仅影响了天山的构造复活，其远程效应同样导致了地处中亚内陆的戈壁阿尔泰山、杭爱山脉在晚新生代的构造复活和隆升^[13]。在寒冻风化与冰川作用的双重作用下，产生了巨量碎屑物质，被源源不断地搬运到山前，形成了一系列在空间上相互叠置的冲洪积扇(图 4a)；在风力作用的参与下，才形成了向下风方向展布的戈壁、沙漠、黄土的空间分带(图 2)^[12]。此外，青藏高原北缘的祁连山脉，其洪积扇不仅分布于河西走廊，以黑河流域为代表的巨型洪积扇，南北向长度超过350km，东西向宽度超过150km，其最远端可抵达中蒙边界(图 4b)，该巨型洪积扇的外围与巴丹吉林和腾格里沙漠相接^[12]。因此，祁连山的冰川作用同样为黄土高原的粉尘提供了重要物质来源。

综上所述，中国黄土的初始产区在高山地区，如果没有岩石圈演化导致的造山带隆升以及全球变冷导致的冰冻圈出现，中国黄土级物质的产生过程将慢得多、也不可能形成现今所见的巨厚的黄土堆积。

2 粉尘输送与大气圈的关系

黄土作为一种风成沉积，其搬运过程离不开大气系统。笔者曾经统计了近40年(1960~1999年)3~5月份中国中等、强沙尘暴(持续时间在两天以上，且粉尘被中、长距离搬运的沙尘暴)的发生、分布规律，并结合对中国戈壁、沙漠地区的野外调查，讨论了粉尘的源区与输送过程^[10]。结果表明：中国有两个沙尘暴中心，其一为南疆的塔里木盆地；其二为中国北方中部戈壁、沙漠(巴丹吉林、腾格里、乌兰布和、库布齐、毛乌素)。下面我们将对二者粉尘输送与大气圈的关系展开讨论。

塔里木盆地的黄土主要分布在盆地南缘的昆仑山迎风坡。塔里木盆地是一个三面环山的盆地，其北面是天山山脉，西侧是帕米尔高原，南侧是昆仑山山脉，只有东边存在出口。气象资料的研究已经表明，当西伯利亚的冷空气爆发时，经常发生冷空气沿着塔里木盆地的东侧山口倒灌入盆地的现象^[10]。塔里木盆地内部常年盛行近地面的东北风，仅仅在西部边缘由于受帕米尔阻挡出现西北风。因此，在盛行近地面的东北风、且仅仅在东部有出口的情况下，被近地面风搬运的粉尘不可能从风力的入口移出盆地。而且，南侧昆仑山的海拔多在4000~5000m以上、甚至可超过7000m，受其阻挡，源自塔里木盆地的粉尘主要堆积在了昆仑山的北麓。也就是说，塔里木盆地的粉尘如果在海拔5000m以下搬运，是不可能移出盆地向黄土高原输送。不过沙尘暴记录表明在少数情况下，当湍流强大时，源自塔里木盆地的粉尘可以被飙升到5000m以上^[10]。此种情况下，粉尘能够被高空西风急流带出塔里木盆地。但是，当塔里木的粉尘被高空西风急流搬运时，在华北的黄土高原的诸多气象站并没有降尘记录，而是被西风急流远距离携带到更远的北太平洋、美国东部地区，甚至格陵兰^[10]。

也就是说，源自塔里木盆地的粉尘，无论是5000m以下的近地面风，还是5000m以上的高空西风急流搬运，都不会对黄土高原的粉尘堆积有重要贡献。需要指出的是，近年有很多仅仅依据黄土和沙漠的矿物/化学成分的简单对比，将塔里木盆地粉尘与黄土高原物源挂钩的文章^[14]；也有学者认为黄河的冲积物是黄土高原的重要物源^[15]。事实上，对于风成沉积而言，必须要考虑下垫面特征与风力输送系统，审慎探讨黄土高原的物质来源。

上述关于塔里木盆地粉尘输送特点的观点^[10]，已经被很多后续气象观测所证实。Iwasaka等^[16]通过雷达气象探测，多次评述并证实了塔里木盆地的低空粉尘主要沉积在昆仑山前，而高空粉尘被西风急流远距离输送至太平洋深海及北极地区的观点。Gao和Washington^[17]通过大气气溶胶输送模拟，也同样支持有关塔里木盆地粉尘近地面堆积在山前或远程输送至太平洋的观点。Kent等^[18]的大气气溶胶模拟实验结果，也支持了笔者提出的“塔里木盆地粉尘一旦飙升至5000m以上，被西风急流远距离输送至更远的北太平洋”的观点。

综上所述，中国北方中部戈壁、沙漠(巴丹吉林、腾格里、乌兰布和、库布齐、毛乌素)的粉尘输送中心，其粉尘的输送过程与塔里木盆地相差很大，这个中心才是黄土高原粉尘的主要来源区。当然，严格意义上讲，这个中心的戈壁、沙漠只是粉尘“中转站”，原产地在中亚造山带的戈壁阿尔泰山、杭爱山脉以及青藏高原东北缘的祁连山脉。

近40年沙尘暴的统计资料表明，源自蒙古国南部及其与此相邻的阿拉善盟、鄂尔多斯一带的戈壁、沙漠地区的粉尘，90 %以上都由近地面风搬运，并主要沉降在近源的黄土高原及其临近的华北平原及北太平洋近海区域^[10]。需要指出的是位于黄土高原的六盘山、吕梁山其迎风坡黄土分布的最大高度为2100m左右，足以证明堆积在黄土高原的黄土，主要由3000m以下的近地面风从蒙古国南部以及相邻的包括巴旦吉林、腾格里、乌兰布和、库布齐、毛乌素等在内的戈壁、沙漠地区搬运而来^[10]。这一观点也被后续的气象证据所证实，Tsai等^[19]的粉尘输送模型结果，支持了源自中国的北方戈壁、沙漠的粉尘，主要在对流层下部(3000m以下)近源输送及沉积的观点(主要沉降在黄土高原及北太平洋近海)。

只有在少数情况下(约10 %)，源自上述戈壁、沙漠地区的粉尘能够被飙升到5000m以上的高空，从而被西风急流输送到北太平洋地区^[10]。在此种情况下，西风带携带的粉尘主要是远源降落。这可以1998年4月19日的强沙尘暴为例，此次沙尘暴发生时，在黄土高原及华北平原地区的气象台站观测不到降尘，但卫星资料清楚表明了此次尘暴产生的粉尘在约一周后越过太平洋，甚至到达了美国的西海岸地区^[20]。

3 粉尘堆积与造山带的关系

不仅粉尘物质的初始产生过程与岩石圈演化导致的造山带隆升密切相关，粉尘的堆积过程同样受造山带的海拔、走向等因素控制。

中亚造山带的天山山脉自中新世末期以来发生构造复活^[6~9]，成为近东-西展布的高大山脉，分割了准噶尔与塔里木盆地。源自准噶尔盆地的粉尘不可能逾越天山山脉进入南疆或向黄土高原输送，而是被山体阻挡，主要堆积在天山的迎风坡，海拔950~2400m的山麓地带^[21]。

在塔里木盆地，黄土主要分布在昆仑山北麓，其分布高度介于2500m至5300m之间，披覆于昆仑山北麓。昆仑山成为近地面的东北风向南穿越的地理屏障，黄土也主要堆积在了昆仑山的迎风坡。

在柴达木盆地，同样有黄土堆积，刘东生先生较早对这一地区的黄土分布进行了研究^[3]。该盆地的地表存在大量的沙丘、山前的冲洪积物质以及干涸的湖床，为黄土物质的堆积提供了物源条件。但柴达木盆地整个为高山环绕，其北侧有阿尔金山、东北侧有祁连山、南侧有昆仑山，且冬春盛行西北风，源自该盆地的粉尘极易被下风向的山脉所阻挡，因而主要堆积在盆地的东南侧的脱土、香日德及西宁盆地一带，也形成了壮观的黄土地貌。

此外，黄土高原之所以形成全球面积最广、厚度最大的黄土沉积，也与特殊的造山带格局密切相关。其上风方向的中亚造山带以及青藏高原东北缘的祁连山为黄土高原提供了巨量的岩石风化物质，在粉尘由西北向东南输送的路径上，并无高大山脉阻挡，黄土高原南侧的秦岭、东侧的太行山造山带，很好的限定了粉尘主体上向南、向东的输送，因此才利于在黄土高原堆积了巨厚的黄土沉积^{[3, 12]}。

4 粉尘堆积以后的沉积过程与地球系统科学的关系

粉尘堆积以后，即开始了黄土化(loessification)或成壤化(soil development)过程，这更与地球系统科学息息相关。首先，冰期时，粉尘源区造山带(岩石圈)的寒冻风化与冰川侵蚀作用加强，基岩的物理风化产物增多、粉尘的源区扩大。加之冰期时，北极冰盖扩张(冰冻圈)，直接影响到大气环流(大气圈)，不仅西风带南压，而且西伯利亚冷高压加强，冬春季节的冷空气频繁爆发，导致冬季风的强度加大、持续时间更长。此外，扩大的冰盖，改变了海陆分布(影响到水圈)，在海平面下降的同时，海洋的表面温度降低，海水的蒸发减少，夏季风持续时间变短、强度变弱。冰期的粉尘堆积，主要受干冷的冬季风影响，有限的夏季风降水、较高的粉尘堆积速率、较低的年均温和生物量(生物圈)，导致冰期的化学风化程度有限，基本保持了粉尘的初始特点或极弱的碳酸盐淋溶^[3]。

间冰期时，造山带的寒冻风化及冰川侵蚀作用减弱，基岩风化的碎屑物质减少，粉尘源区收缩。伴随北极冰盖的收缩，西伯利亚冷高压减弱，冬季风的持续时间减少、强度减弱；在二者的共同作用下，间冰期时粉尘堆积速率大大降低。同时，冰盖的融化，加速了海平面上升和海表温度的升高，夏季风环流增强。在湿热同季的气候条件下，黄土堆积区的植被覆盖度增加，导致粉尘经历了不同程度的化学风化，发育成古土壤^[3]。

黄土高原的宝鸡^[22]、西峰^[23]、洛川^[24]黄土均记录了第四纪以来的33个黄土/古土壤旋回，是地球轨道尺度古季风演化的地质档案。

5 结论

黄土物质的产生、搬运、沉积以及堆积后成土过程与岩石圈、大气圈、水圈、生物圈之间存在内在联系，凸现了地球圈层相互作用对黄土沉积的重要作用。巨量黄土级物质(loess-sized materials)的产生与岩石圈上部造山带剥蚀、冰冻圈演化导致的寒冻风化/冰川作用密切相关；其搬运过程则与西风带位置摆动、西伯利亚冷高压及其冬季风强弱相关联，大气系统的变化则受冰冻圈的消长、海陆分布与热力差异以及岩石圈构造变动导致的地貌隆升的共同影响；粉尘堆积后的成土过程更是与季风环流、水圈、生物圈的演化密切相关，冰期堆积黄土，间冰期则发育古土壤。本文将黄土作为一个窗口，从地球系统科学的角度审视黄土堆积的全过程，是地球圈层相互作用的案例。

致谢: 本文应《第四纪研究》编辑部“第四纪与地球科学系统专辑”约稿撰写，感谢王燕海馆员在文献查阅方面的帮助。