北京沙尘暴“颗粒”的过去、现在和将来及对地质工作的启示——第51个世界地球日“珍爱地球 人与自然和谐共生”感悟

     2020年“超长待机”的寒假里，许多的家长用“神兽”这个词形容学龄的孩子，表达着“爱恨情仇”。那么，北京沙尘暴里的颗粒是何方“神兽“呢？一个很简单的道理，它随风而至，所以，我们“跟风”就能找到它的家。每年的春天，北京和我国北方大部分地区仍常受西伯利亚和蒙古地区冷气团高压的控制，虽然逐渐转弱但仍会频起北风，所以，北风便成为北京沙尘颗粒的交通工具。就如饮水思源一样，我们百般抵抗地呼吸着空气中的沙尘，也会想到风从哪里搭载了这么一群乘客。北京向北，分布着大面积的尘沙裸露之地，人们习惯上称之为沙地，其中，毛乌素沙漠、浑善达克沙地和科尔沁沙地是三个面积较大、距离较近的地区，被认为是北京沙尘最主要的物源区（图2），甚至有一种观点认为：当我们呼吸的时候，吸入10颗沙子，可能会有8粒来自于浑善达克沙地。

     人们常用尘埃来形容一种漂泊的生活，那么，以浑善达克沙地为代表的北部荒漠区是否就是北京沙尘暴颗粒的家呢？又或许那也只是它的一个驿站而已。当我们把时空的尺度放大到地质角度，就会有所答案。基于中国地质调查局 “锡林郭勒盟-通辽地区基础地质调查” 二级项目的实施，北京探矿工程研究所在西拉木伦河流域的沙地内实施了批量的钻探工程，岩心资料表明该地区地下如地表露头一样（图3，图4），还是一片“沙的海洋”。

     在地表十余米起起伏伏的砂丘链之下，仍有平均超过150米的砂质碎屑，并存在多个相变非常一致的界面，或许为地质历史时期湖泊沉积与风沙沉积相变界面（图5）。因为时间很短，这些松散的沉积物还没有固结成岩。我们采用特殊的设备与工艺将它们从地下原状取出后，研究了它们的成分和年龄。这些砂颗粒级的碎屑主要是由石英、长石等矿物和岩屑组成，利用光释光（OSL）的测年方法，测定它们聚集在一起已经很久了，其中，埋深在100米左右的地层形成于大约10万年前（图6），如果以前也是这样的沉积速率，那么，这些砂级颗粒最早可能在20万年左右开始批量的聚集在一起。筛选如此之好的颗粒经过了大风大浪的打磨，是来自于不同地方更大的岩石经风吹日晒、千锤百炼、辗转腾挪而来的。地质学工作者采用了重矿物、地球化学和同位素年代学等沉积物源恢复方法帮它们寻根问祖，比如在这些碎屑里面挑选一种叫做锆石的矿物，利用放射性原理，对U-Pb两种元素的比值进行测量，计算出20万年以来聚集在一起颗粒的本身年龄，发现它们大多已经有了26-23亿年、22-16亿年和1-5亿年的年纪。当然，我们通过钻孔岩心仍会继续对沙地地质历史时期的沉积物源做进一步的研究，精细刻画物质成分变化的过程（图6）。物源分析结果表明，北京北部的沙地与外蒙古和我国西部沙漠戈壁的成分差异悬殊，这一地区的沙地物质更接近于古老的华北克拉通板块和中亚造山带（图2），而所谓的华北克拉通其实就是华北地质历史时期的稳定块体，北京便位于这个稳定块体之上；中亚造山带则是这个稳定块体北部一个消失了的大洋与诸多微陆块产物，人们称这个消失的大洋为古亚洲洋，地球的板块运动在斗转星移中造就沧海桑田之变。

     总结而言，北京沙尘暴的颗粒来自于一个修建了大概20万年的家，并可刨根问底地追溯到稳定的华北和面目全非的古亚洲洋，看来有一部分颗粒属于历经磨难后的“自产自销”。

     尽管沙尘暴是极具灾害性的天气，但毫无疑问它也一种客观存在的自然现象，我们应该不带感情色彩地辩证看待它。科学研究表明，沙尘暴天气的历史要远远大于人类历史。黄土高原形成于地质历史时期频繁的沙尘天气，数不清的颗粒为人类文明的诞生和发展提供了丰富的物质基础，简而言之，黄河文明就与黄土高原密不可分，大量的降雨和河流冲蚀了黄土高原，碎屑颗粒随河流沉积，沿河而居的人类得以生存发展。

     风和水无疑是地球表面最为欢快自由的两支力量，北方沙地的颗粒在风的作用下被人们所“诟病”，但它仍然不计较、不气馁、不放弃地为人们带来财富。水便是它财富价值得以发挥的重要依托。虽然气候干旱，但只要有水，沙地里的颗粒就毫不吝啬地养育生命，一望无际的草原扎根于砂层，一颗颗草原明珠和玉带组成的河湖流淌其上，随水而“迁居”的颗粒又形成了另一片平原。浑善达克沙地的砂粒除了随风飘散和养育本地生态外，还通过西拉木伦河、滦河分别向东北平原、华北平原输送，哺育了灿烂的农牧业文明。西拉木伦河流域的人们对此心怀感念，古老的民族歌曲颂扬着这片土地，而现代诗歌“父亲的草原母亲的河”通过表达离家游子对故乡的怀念之情，更是将浑善达克、西拉木伦河、科尔沁沙地优美的另一面推向新高度和新广度。砂粒随河流不断迁移和沉积，形成了富饶的辽河平原。若继续向前追溯，比古老的中华文明更古老的红山文明就诞生在科尔沁沙地南缘，该文明的成就或会将中华文明从世界四大文明中的第四推至第三名。

     所以，我们应该客观的看待沙尘暴颗粒的另一面，被我们嫌弃的颗粒聚集到一起，实际上恰恰是我们无法离弃的乡土。从这个角度而言，当风沙再起时，我们至少可以说沙尘暴是令人讨厌的，而小颗粒是无辜和令人惋惜的。

     尘归尘，土归土，彷佛注定了许多事物的归宿。地质学家认为岩石物质也是这样的一个基本规律，各类岩石在经历风化和剥蚀后，形成数不尽和大小不等的颗粒，在风与水的作用下被搬运和沉积，形成了广覆于地表的沉积岩。沉积岩又在漫长的地质长河里，或经历变质或经历熔融再上涌，形成变质岩或岩浆岩，之后，再被风化、剥蚀和沉积成岩，反反复复，似乎无穷尽也（图7）。

     当我们依然把时空尺度拉大，用过程的眼光动态地看待北京沙尘暴的颗粒，就会理解了它的去处。在北京地区，靠风运移的沙尘颗粒会随着风力的逐渐减弱而降落，没有降落的那部分将会吹到风向下游的其他地方，比如日本和广泛的太平洋，甚至一些报道说可以到达美国西海岸。因为搬运沙尘颗粒的营力是风，所以，它们并不像水流搬运一样直接对地形敏感的避高就低。降落在北京山区的颗粒一部分被原地沉积和保存，形成土壤，比如北京西山的斋堂一带就沉积保存了厚层黄土，称之为“马兰黄土”，是北京地区第四纪环境学研究的一个重要剖面；而另一部分颗粒则随着山区河流搬运到平原区，如沿永定河、潮白河、拒马河等一系列河流流域的厚层沉积，虽然这些沉积物绝大多数都是构造活动控制下的碎屑，但仍不能排除河流汇水区域内风积物的搬运与再沉积过程。降落在平原区的颗粒则更易被保存为土壤，或经历河流水系的侵蚀、搬运与再沉积，最终淡出人们的视野，成为富饶和美丽华北平原的一部分，久而久之，这些颗粒就会固结成为岩石。

     在地质历史时期，盆山是经常互相转换的地貌单元，比如北京西部的山脉在恐龙盛行的侏罗纪，其实是一个低洼的盆地，而现今北京平原区则是隆起的山脉，它们在白垩纪的初期发生了转换。当把时间向后大幅度推移，今天的北京平原区可能又会再次隆升为山脉，那么，今天沉积下来的颗粒所形成的岩石，将会再次经历风吹雨打，在风与水的作用下进入下一个循环。

     十八大以来，党和国家把生态文明建设提升到新的历史高度。2020年4月27日，《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划（2021-2035年）》经中央审议通过，强调从自然生态系统演替规律和内在机理出发，统筹山水林田湖草一体化保护与修复。通过认识北京地区沙尘暴形成的地质过程和内在机理，对其碎屑颗粒物源区的浑善达克沙地等一带开展地质调查，属于统筹兼顾，整体实施的举措。人与自然是生命共同体，人们若要减少沙尘暴的灾害天气，就应该更多的去认识它。既要认识到它早于人类历史就已发生，也要明白它在未来仍会持续，这样才能接受它当前的存在。明察其过去，洞悉其未来，找到人类在哪些方面影响了自然，以及影响的因素与程度，进而做到与自然和谐相处。

     当今的地质调查注重地球系统科学理论，强调大气圈、生物圈、水圈和岩石圈等多圈层相互作用，采用地球物理、地球化学和钻探技术等获得与生态文明密切相关的地球关键带信息，尤其是钻探技术的应用，极大拓展了地质调查的时空范围。钻探工程作为唯一获取地下实物的技术方法，为科学家提供了不同深度的岩心样品，而深度在某种程度上也是时间，如浑善达克和科尔沁沙地一带的钻探岩心，揭示了该地区大约20万年以来的盆地、山脉、河流、湖泊、沙漠和动植物等演替的过程，为我们认识内蒙古高原、大兴安岭、东北平原和辽河等不同地理生态单元成因和互有影响的关系提供了信息，使我们认识到辽河水系沟通了不同地理单元，并为人类文明发展提供了物质基础，而恰恰也是河流的自然发展加上人类干预，侵蚀了以前的沉积物，在该地区出现了日益加剧的“古沙翻新”现象，大量早期沉积的砂泥质松散物质被剥蚀于地表，冬春干旱的气候并强劲的西北风，就容易形成沙尘暴。

     治理风沙的需求导向，决定了服务于生态文明建设的地质工作应较以往有所改变。当我们了解了沙尘暴形成的基础和机理，就需要进一步做好有关山水林田湖草的自然资源综合调查工作，查清为沙尘暴提供物源的早期沉积层空间分布范围，了解河流演化的过程与趋势，监测水资源的变化，辨析支撑林田草等生态系统发育的岩石、地层、构造和成土成壤关系，提出诸如规避松散沉积砂层的工程开挖、农田开垦与灌溉、深埋古老河道等地下水开采和“因地制宜”植树造林的建议，进而做到科学化管理自然资源，把地质为生态文明建设提供服务落到实处。