地理人物

刘秀铭——福建师范大学地理科学学院教授

,男,教授,福建省“**计划”入选者。兼澳大利亚Macquarie大学环境与地理系高级研究员、兰州大学西部环境与气候变化研究院教授。主要从事古地磁、环境磁学与全球环境变化研究。1983-1989年在中国科学院地质研究所学习,师从国家最高科技奖获得者刘东生院士。随后,在英国、澳大利亚等国家的大学从事科研教学,在中国黄土环境磁学方面做了大量开创性的工作。并应用环境磁学开展世界各地黄土地层所记录的古气候重建工作。近年来开展了对中-新生代古土壤地层的识别和古环境重建研究。从2007年回国任职至今,主持国家自然科学基金项目5项。为Geology,Quaternary Research,Earth and Planetary Science Letters,Environmental Pollution,《中国科学》,《第四纪研究》等科学杂志专家审稿人。

1983年入读北京中国科学院地质研究所刘东生研究员研究生。完成了甘肃西峰黄土磁性地层剖面(现已成为黄土标准剖面之一),应用磁组构区分原生风成和次生水成黄土,并指出下伏第三纪红粘土也应属风积成因。1986年经导师推荐并所学术委员会通过,硕士论文跳级直接作为博士论文答辩。

1986转为中科院地质所和瑞士苏黎世高等理工大学(ETH-ZURICH)联合培养博士生;主持中科院黄土高原古气候钻孔项目,随后赴瑞士苏黎士(1988-1999)进行实验室研究。博士论文题为中国黄土磁学研究。1989年获中科院博士学位。

1990年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,曾经作为英国学者代表利物浦大学,参加英国-德国学者交换项目,前往德国海德堡大学地质系, 协助德方建立古地磁和环境磁学实验室(1991);也曾作为客座研究员(guest scientist),前往德国基尔(Kiel)大学地质系,参加德国GEOMAR格陵兰古气候研究项目(1992)。

1992年转到英国利物浦大学地理系,研究员,在环境磁学创始人F.Oldfield教授指导下,从事中国黄土磁学性质和定量古气候重建的研究,完成英国科学工程研究委员会(SERC)研究项目。

世界各地风积黄土古土壤地层、环境磁学与地球环境变化、磁性矿物与环境、红色地层形成的古地理环境、中生代恐龙生活的地球环境研究。

1、国家自然科学基金重大国际(地区)合作研究项目(2013-2017年):中新生代古土壤地层研究及其形成古地理环境分析,批准号:41210002;经费:300万元。

2、国家自然科学基金面上项目(2011-2013年):甘肃新生代风积与湖积过渡地带地层特征及其变化研究,批准号:41072124;经费:54万元。

3、教育部博士点基金(2008-2009年):中国和西伯利亚黄土磁化率气候记录机理研究(课题编号:),经费:6万。

4、国家自然科学基金国际合作研究中俄协议项目(2009-2010年):中国与西伯利亚黄土古气候记录对比研究,经费:9万。

5、国家自然科学基金重点项目(2009-2012年):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,批准号:40830105;经费:165万元。

过去二十多年来,除了考察黄土高原,川西和新疆黄土,还考察了阿拉斯加黄土,西伯利亚,塞尔维亚,罗马利亚,澳大利亚,新西兰和阿根廷等地黄土。对黄土地层中磁性矿物,磁化率与古气候的关系有独到见解。主要取得以下几方面成就:(1) 确立了中国黄土-古土壤序列与磁化率的对应关系;(2)最早提出第三系红粘土风成成因的观点;(3)定量估算黄土高原古降雨量;(4) 以氧化与还原环境作为外围影响条件,首先阐述了黄土磁化率与古气候的正相关,负相关以至不相关三种关系,以成土环境改变磁性矿物来统一认识世界各地黄土不同磁化率气候记录模式,在国内外学术期刊发表学术论文100余篇。

(1) 确立了中国黄土-古土壤序列的年代及其与磁化率的对应关系:对黄土高原中部甘肃西峰、会宁白草原和陕西宝鸡(宝鸡与丁仲礼合作)黄土剖面作了详细大密度的采样研究,建立了高分辨率的中国黄土磁性地层标准剖面和一个高分辨率的古地球磁场转换详细记录(1986-1992)。证实了中国第四纪黄土初始堆积年代为250万年前。

(2)研究原生风积黄土和次生水成黄土(1987-1989):首次将磁组构的方法和原理应用于第四纪黄土研究,发现在空气中(原生)和在水中(次生)沉积下来的黄土物质,其磁颗粒定向排列程度具有很大差别,可以建立判别标准区分原生风积黄土和水成次生黄土。消除了黄土高原风成和水成的争论。导师刘东生获2003年国家最高科学奖,CCTV10作了专题报道,评价刘先生的功绩之一:平息了一个世纪以来黄土的风成与水成之争。

(3)最先明确提出第三系红粘土年代及其风成成因的观点(1986-1989):将磁组构的方法区分原生风成黄土和次生水成黄土的研究结果,进一步应用到黄土下伏的第三系红粘土,根据磁组构特征和地质外貌与上覆黄土古土壤相似性以及陆生化石等综合分析,提出第三纪红粘土应该属风积成因(现已被不断证实),从而揭开了2.6Ma以前更老的黄土和古土壤序列研究序幕。

(4)古气候冷暖转化研究:利用黄土地层频率磁化率变化来研究古气候冷暖转化,揭示了古气候从寒冷(冰期)向温暖(间冰期)转变,多数发生的相对较快(突变),而由温暖变寒冷则多数经历了缓慢(渐变)的过程(1990)。

(5)黄土磁性矿物研究和磁化率记录古气候机理初步分析(1991-1995):认为中国黄土和古土壤层所含磁性矿物种类相同,均为磁铁矿,磁赤铁矿和赤铁矿;但是在粒度分布和含量方面有所差别。在气候环境更佳的古土壤形成时期(间冰期),更温暖和湿润的成土条件形成了许多超细(小于0.1mm)的磁铁矿和/或磁赤铁矿颗粒,使黄土磁化率增高。

(6)定量估算黄土高原古降雨量(1992-1995):1992年就将黄土磁化率与现代年降雨量和年均温联系起来。1994年设计和建立低温剩磁实验方法,建立黄土磁学参数与现代年降雨量建立转换函数,将黄土剖面的古降雨量历史定量地估算出来(1994-1995)。

(7)研究化学CBD方法,指出该方法不可能选择性溶解磁赤铁矿:美国Verosub教授认为,CBD化学方法可以选择性地溶解磁赤铁矿,而本人认为该方法不能选择性地溶解磁赤铁矿(1994-95),它不仅溶解磁赤铁矿,同时也溶解磁铁矿。 1996以来在澳大利亚Macquarie大学科研成果:

(8)建立黄土磁化率记录古气候的理论模式:成土和保存条件的氧化还原环境影响其相关关系(1989-至今):磁化率是研究古气候重要代用指标之一。在中国黄土高原磁化率与成土强度基本呈正比,但是在阿拉斯加和西伯利亚地区,这个关系正好相反。而在新西兰,阿根廷甚至黄土高原边缘地区,表现为不相关。根据这些地区样品磁性矿物研究分析,本人综合提出,以上关系主要是因为黄土形成和保存环境的氧化与还原条件对磁性矿物影响的结果。目前承担的中国国家基金委重点项目课题就是要将这个理论完善和提高。

(9)试从黄土古气候变化趋势来研究青藏高原隆升(2009)。中国黄土古土壤序列所记录的全球气候变化,不仅受天文轨道要素周期影响,同时也会受大地构造因素驱动。根据周期函数的理论特点,首次提出用长期变化趋势分离方法:将古气候记录中周期因素与构造隆升因素分离。因此,根据22百万年以来连续的黄土风积地层的古气候长期变化趋势来研究青藏高原隆升问题。

(10)磁赤铁矿系统研究。磁赤铁矿是一种表生氧化环境下磁性矿物,尤其在风化表土中常见,通常表现为加热不稳定,350℃以上转变成为赤铁矿。根据大量磁学研究发现,该矿物受热稳定性有多种形式,也有不同的转变温度,甚至存在完全(100%)热稳定的实验结果,根据它受热稳定程度以及转变温度等特征,首次将它归纳成为四种类型磁赤铁矿(2010)。

1 目标样本粒度判据在海湾环境演变研究中的运用以福建前湖湾为例 俞鸣同;刘秀铭; 杨华玮; 曹宏伟; 唐荣骏; 刘巍; 龚正权; 陈有喜; 陈樱; 孙巧红; 郭杰 海洋学报 2015/09

2 全新世中晚期福建海岸沙丘记录的海岸环境与人类活动 靳建辉; 李志忠; 胡凡根; 张辉; 王贤立; 夏菁; 姜锋; 邓涛; 靳姝豫;刘秀铭地理学报 2015/05

3 澳大利亚悉尼Long Reef Beach中新世古土壤岩石磁学特征及环境意义 王涛; 郭晖;刘秀铭; 吕镔; 毛学刚; 周子博; 温昌辉; 侯顺民; 苏龙剑 地球物理学报 2015/03

6 风积地层中铁矿物随环境变化及其启示刘秀铭; 吕镔; 毛学刚; 温昌辉; 俞鸣同; 郭雪莲; 陈家胜; 王涛 第四纪研究 2014, 34(3): 443-457

7 花岗岩上发育的带红土岩石磁学特征 吕镔;刘秀铭; 王涛; 温绣娟; 赵国永; 陈渠 第四纪研究 2014/03

8 新疆尼勒克黄土岩石磁学特征及变化机制研究 王涛;刘秀铭; 吕镔; 马明明; 赵国永; 陈家胜 第四纪研究 2014/03

9 大气CO2浓度变化与全球气候变化关系初步探讨 郭晖;刘秀铭; 郭雪莲; 刘植; 马明明; 吕镔; 李平原 带资源与环境学报 2013/02

10 佳县红粘土磁学性质 赵国永;刘秀铭; 吕镔; 陈渠; 李平原; 郭晖; 刘植; 王涛 第四纪研究 2013/03

11 红黏土磁化率增强机制 赵国永;刘秀铭; 吕镔; 陈渠; 李平原; 郭晖; 刘植 中国沙漠 2013/03

12 加热环境对人工合成磁赤铁矿热磁行为的影响刘秀铭; 吕镔; 李平原; Field Russell; 毛学刚; 郭晖; 马明明; 赵国永 地球物理学报 2013/05

13 西北戈壁沙漠-黄土高原区表土磁化率特征及其意义 李平原;刘秀铭; 郭雪莲; 吕镔; 赵国永; 马明明 第四纪研究 2013/02

14 全球变暖与变冷利弊分析刘秀铭; 赵国永; 李平原; 吕镔; 陈渠 带资源与环境学报 2013/01

15 兰州沙尘暴样品磁学性质与粒度分析及其与悉尼样品的对比 马明明;刘秀铭; 李平原; 吕镔; 丰华; 雷培文 中国沙漠 2013/01

16 塞尔维亚黄土的磁学性质及其环境意义刘秀铭; 刘植; 吕镔; S.B.Markovi?; 陈家胜; 郭晖; 马明明; 赵国永; 丰华 科学通报 2012/33

17 新疆博乐黄土岩石磁学特征及环境意义 吕镔;刘秀铭; 赵国永; 马明明; 陈渠; 陈家胜 兰州大学学报(自然科学版) 2012/05

18 CBD方法对天然样品磁性矿物影响 吕镔;刘秀铭; 陈渠; 赵国永; 陈家胜; 毛学刚; 郭雪莲 地球物理学报 2012/09

20 甘肃临夏盆地红色地层磁组构特征与沉积环境分析刘秀铭; 郭晖; 刘植; 李平原; 李志忠; 吕镔; 陈秀玲; 毛学刚; 俞鸣同; 陈渠; 雷国良; 陈家胜; 姜修洋; 郭雪莲; 赵国永 第四纪研究 2012, 32(4):615-625

21 腾格里沙漠边缘表土磁学性质及其意义 李平原;刘秀铭; 刘植; 吕镔; 郭雪莲; 赵国永; 马明明; 郭晖; 丰华; 陈渠 第四纪研究 2012/04

22 全新世黄土记录的古气候演化及磁化率和粒度参数灵敏性探讨 赵国永;刘秀铭; 吕镔; 陈渠; 陈家胜; 郭晖; 马明明; 丰华; 刘植; 李平原 第四纪研究 2012/04

23 罗马尼亚第四纪黄土沉积的岩石磁学特征及成土模式探讨 郭晖;刘秀铭; 吕镔; 陈晓耀; 刘植; 马明明; 赵国永; 李平原; 陈渠 第四纪研究 2012/04

24 德国Chiemsee湖磁性细菌干湖泥的磁学性质 刘植;刘秀铭; 李平原; 毛学刚 第四纪研究 2012/04

25 宝鸡剖面S_5古土壤磁化率变化机制 郭雪莲;刘秀铭; 郭晖; 陈渠; 李平原; 马明明; 刘植 第四纪研究 2012/04

26 从陆地和海洋生态系统角度辨析大气CO2浓度与全球变暖关系 范跃新; 徐玲琳;刘秀铭; 陈光水; 杨智杰; 王健 带资源与环境学报 2012/01

27 辨析“气候变暖”刘秀铭; 李志忠; 雷培文; 赵国永; 姜修洋; 陈秀玲; 陈家胜; 朱芸; 吕镔; 雷国良; 李平原; 靳建辉; 陈渠 带资源与环境学报 2012/01

28 试论未来极端气候事件发展趋势的不确定性 李志忠;刘秀铭; 陈秀玲; 姜修洋; 雷国良; 朱芸; 靳建辉; 胡凡根 带资源与环境学报 2012/01

29 中国中世纪暖期气候变化的基本特征 陈秀玲;刘秀铭; 李志忠; 姜修洋; 雷国良; 朱芸; 靳建辉 带资源与环境学报 2012/01

30 北极地区20世纪温度变化趋势的不确定性 雷国良; 朱芸; 李志忠;刘秀铭; 姜修洋; 陈秀玲; 靳建辉 带资源与环境学报 2012/01

31 全球气候变化大趋势与次级波动 靳建辉;刘秀铭; 赵国永; 祝淑雅; 陈斐然; 叶桂萍 带资源与环境学报 2012/01

32 全球气候变暖的影响问题辨析 朱芸; 雷国良;刘秀铭; 李志忠 带资源与环境学报 2012/01

33 从增长率角度讨论现代温度与CO2的关系 陈家胜;刘秀铭; 吕镔; 王兴 带资源与环境学报 2012/01

34 从地质时期大气CO2浓度与温度的对应关系分析现代气候变暖不确定性 马明明;刘秀铭; 吕镔; 郭晖; 雷培文; 赵国永; 刘植; 李平原 带资源与环境学报 2012/01

35 从沙尘暴变化趋势看全球气候变化 丰华; 刘植; 李平原;刘秀铭; 吕镔; 赵国永; 马明明; 郭晖; 陈渠 带资源与环境学报 2012/01

36 火山活动对全球气候变化的影响 李平原;刘秀铭; 刘植; 赵国永; 马明明; 吕镔; 郭晖 带资源与环境学报 2012/01

37 大气CO2变化与气候 刘植;刘秀铭; 李平原; 吕镔; 陈家胜; 陈渠; 郭雪莲 带资源与环境学报 2012/01

38 兰州市大气降尘磁学特征及其环境意义 丰华;刘秀铭; 吕镔; 马明明; 李平原; 刘植; 赵国永; 毛学刚 地理学报 2012, 67(1):36-44.

40 天山黄土区与黄土高原表土磁性特征对比及环境意义 郭雪莲;刘秀铭; 吕镔; 汤德平; 毛学刚; 陈家胜; 陈晓耀 地球物理学报2011, 54 (7): 1854-1862.

41 第十届中国第四纪学术大会在兰州举行 夏敦胜; 孟兴民; 赵艳; 张家武;刘秀铭第四纪研究 2010/05

42 民勤盆地地下水水-岩作用地球化学模拟 郭雪莲; 朱锡芬;刘秀铭; 毛学刚; 吕斌; 陈家胜; 陈渠 干旱区资源与环境 2010/09

43 兰州地区不同分辨率DEM提取地面坡度的转化方法 丰华; 商叶华;刘秀铭; 马金辉 兰州大学学报(自然科学版) 2010/S1

46 耀县黄土记录的全新世东亚冬夏季风非同步演化 贾佳; 夏敦胜; 魏海涛;刘秀铭; 汪海斌; 金明 第四纪研究 2009/05

48 一位带领中国第四纪研究走向国际科学前沿的三军统帅–永远怀念导师刘东生先生。刘秀铭,2009. 纪念刘东生院士,中国第四纪科学研究会,商务印书馆,333-336。

49 兰州市街道尘埃的元素空间变化特征研究 王冠; 夏敦胜; 陈发虎;刘秀铭; 杨丽萍; 魏海涛 干旱区资源与环境 2008/06

50 兰州市街道尘埃粒度空间变化特征 王冠; 夏敦胜; 陈发虎;刘秀铭; 杨丽萍 环境科学与管理 2008/03

51 兰州市城市街道尘埃磁学特征时空变化规律 王冠; 夏敦胜;刘秀铭; 陈发虎; 余晔; 杨丽萍; 陈建徽; 周爱锋 科学通报 2008,53(4):446-455

52 兰州市街道尘埃元素质量分数季节变化特征 王冠; 夏敦胜; 杨丽萍; 陈发虎;刘秀铭; 魏海涛 兰州大学学报(自然科学版) 2008,44(1):1-5

53 大气降尘磁学特征对城市污染源的指示 夏敦胜; 余晔; 马剑英;刘秀铭; 陈发虎 干旱区资源与环境 2007/12

54 黄土高原-阿拉善高原典型断面表土磁学特征研究 夏敦胜; 陈发虎; 马剑英;刘秀铭; 张卫国; 王训明; 魏海涛 第四纪研究 2007(6):1001-1008

56 兰州市街道尘埃磁学特征及其环境意义 夏敦胜; 余晔; 马剑英; 王冠; 杨丽萍; 金明;刘秀铭; 陈发虎 环境科学 2007/05

59 中国黄土高原红粘土的磁学性质及古气候意义。刘秀铭,安芷生,强小科,鹿化煜,周 杰,蔡延军,中国科学(D辑),2001,31(3),192-205.

60 甘肃第三系红粘土磁学性质初步研究及古气候意义刘秀铭; 安芷生; 强小科; 鹿化煜; 周杰; 蔡演军 中国科学(D辑:地球科学) 2001,31(3):192-205

62 中国黄土高原的风积证据:晚新生代北半球大冰期开始及青藏高原的隆升驱动 安芷生; 王苏民; 吴锡浩; 陈明扬; 孙东怀;刘秀铭; 王富葆; 李力; 孙有斌; 周卫建; 周杰; 刘晓东; 鹿化煜; 张云翔; 董光荣; 强小科 中国科学(D辑:地球科学) 1998/06

63 中国黄土热磁研究与磁赤铁矿成因探讨,刘秀铭, 见刘嘉麒袁宝印主编中国第四纪地质与环境 1997,313-322,海洋出版社,北京。

71 黄土频率磁化率与古气候冷暖变换刘秀铭; 刘东生; F.Heller; 许同春 第四纪研究 1990,1:42-501

73 中国黄土的土壤地层与第四纪气候旋回。丁仲礼,刘东生,刘秀铭,朱照宇,汉景泰,陈明扬,《黄土 第四纪地质全球变化》(一)刘东生(主编),科学出版社,北京,1990,34-46。

74 250万年以来的37个气候旋迴 丁仲礼; 刘东生;刘秀铭; 陈明扬; 安芷生 科学通报 1989/19

75 用旋转式磁化率仪和卡帕桥对岩样磁组构的比测 许同春;刘秀铭; 阎虹 地震学报 1989/03

76 中国黄土磁化率各向异性与成因及其对第四纪研究的意义刘秀铭; 许同春; 刘东生 中国科学(B辑 化学 生命科学 地学) 1989,4:441-448

1佳县红粘土磁性矿物变化及其记录亚洲内陆干、冷化 赵国永;刘秀铭; 丁仲礼 中国地理学会2012年学术年会 国际会议 2012-10-12

2 西天山地区典型黄土剖面磁学特征及其环境意义研究 夏敦胜; 陈发虎;刘秀铭; 贾佳; 魏海涛 中国地球物理学会第二十五届年会 中国会议 2009-10-10

3 一位带领中国第四纪研究走向国际科学前沿的“三军统帅”永远怀念导师刘东生先生刘秀铭纪念刘东生院士 中国会议 2009-02-01

4 中亚极端干旱区湖泊岩芯磁学特征及其环境意义 夏敦胜; 金明; 马剑英; 陈发虎;刘秀铭中国地球物理学会第二十四届年会 中国会议 2008-10

5 黄土高原-阿拉善高原典型断面表土磁学特征 夏敦胜; 陈发虎;刘秀铭; 张卫国; 马剑英; 魏海涛 中国地理学会2007年学术年会 中国会议 2007-11

6 粉尘源区-沉积区典型断面表土磁学特征及环境意义 夏敦胜; 陈发虎;刘秀铭; 魏海涛 中国地球物理学会第二十三届年会 中国会议 2007-10

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。

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。

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。

求线年,在福建省**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。”

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