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暴雨流冲刷形成壶穴被误作蹄窝

2019-2-20 09:55| 发布者: admin| 查看: 498| 评论: 0|原作者: p9032

摘要: 嵇少丞 暴雨是常见的气象现象,雨水顺坡迅速汇聚,形成激流,冲携山坡上的石块与砂砾,对石坡上原先小幅度的洼凹之地(例如,节理与层理交界处、岩石经风化蚀变形成的薄弱部位等)的岩石进行磨蚀、刻划、撞击与溶 ...
北京西山的暴雨流冲刷形成的壶穴被误当京西古道的蹄窝

嵇少丞

      暴雨是常见的气象现象,雨水顺坡迅速汇聚,形成激流,冲携山坡上的石块与砂砾,对石坡上原先小幅度的洼凹之地(例如,节理与层理交界处、岩石经风化蚀变形成的薄弱部位等)的岩石进行磨蚀、刻划、撞击与溶蚀,形成无数形态各异、大小与深浅不同的洞穴,即暴雨流冲刷坑或山坡壶穴。下一次暴雨又将山坡上新的岩块与砂砾冲进山坡壶穴,质量较大的石块或砾石沉底, 对凹坑底部进行进一步研磨,不断加大凹坑的深度,而那些较小的砂粒则随山坡壶穴中的涡流对壶穴壁进行磨蚀,逐渐加大凹坑的直径。那些早先冲进山坡壶穴中的石块,在涡流的冲击下,反复研磨着坑底与坑壁,棱角磨圆了,呈鸭蛋和鸡蛋状; 而那些新近才冲进山坡壶穴的石块,则磨圆度较差。暴雨流冲刷坑在澳大利亚中部的大红山非常典型,本文将先对大红山的暴雨流冲刷坑做些简扼的介绍,然后对中国部分地区山坡上的暴雨流冲刷坑被误认为骡马驴的蹄坑(北京市门头沟区文化文物局, 2001;陈保亚等, 2016; 苏德辰, 2016); 做些学术讨论。

      澳大利亚中部是一片广垠的荒漠,上面有座长3千米, 宽2千米,拔地高度348米(海拔867米)红色的山,英文名叫Ayers Rock(艾尔斯石), 当地的原居民称之为乌鲁鲁石(Uluru Rock),Uluru 的意思是“相聚集会的地方”, 可见这些土著人把其当做重要的自然地标。去过那里旅游的华人一般将之称为大红山 (图1)。据说艾尔斯石这个名字是一位做地质勘探的技术员于1873年7月19日给起的, 他的名字叫威廉·克里斯蒂·高斯(William C. Gosse )。那天,他横跨这片荒漠进行地质考察,于又饥又渴之际发现眼前这座红黄色的山, 就像在一望无际的平地上摆着一块孤立而巨大的石头,开始他以为是幻觉,难以置信。这位地质勘探的技术员家住南澳洲,于是就用南澳州省长亨利·艾尔斯(Henry Ayers)的名字命名了这座岛山(Island Mountain)。

        大红山位于澳大利亚行政省份——北方领地的首府艾丽斯泉市(Alice Springs)西南方向约450公里处,地理坐标:25.3450 S, 131.0361 E,号称世界七大奇景之一,被联合国科教文组织确定为世界自然和文化保护遗产,美国《国家地理杂志》甚至将其列入地球上“51个一生中必须看一次”的著名旅游地。尽管路途遥远,大红山依然每年能吸引着来自澳大利亚国内外约40万游客前去旅游观光。


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图1. 澳大利亚中部大红山 (Ayers Rock 或Uluru Rock)的全景图。 (1)俯视图, (2)侧视图
Fig. 1. Aerial views of the Ayers Rock (Uluru, Northern Territory, Australia). Rainstorm-induced potholes of various dimensions can be observed on its stony hillsides.


        大红山出露的岩石主要是杂砂岩, 内含长石(~ 50%,主要是钾长石, 斜长石很少), 石英( 25–35%)以及玄武岩的砾石(~25%),后者已经部分蚀变成绿泥石与绿帘石集合体。杂砂岩在古生代400–300 Ma 期间经受造山运动, 岩层遭受构造挤压变形,形成区域性的褶皱,造成大红山的岩层向西南倾, 倾角高达85°。 因为当地气温炎热(夏季的平均温度为37.8 °C, 最高温度甚至达到过46 °C),岩石中的铁几乎全部转变成三价的氧化铁,山体的颜色随着太阳照射角度和天气的改变而变化。当太阳从荒漠的边际冉冉升起时,山体呈浅红色;到中午,则呈橙色;当夕阳西下时,山体则姹紫嫣红,在蔚蓝色的天空下犹如熊熊的火焰在燃烧;至夜幕缓缓降临时,它又呈神秘的黄褐色, 令人称奇。

        大红山被澳大利亚的原居民赋予宗教信仰的意义, 他们认为上帝创造了澳洲大地与山河, 乌鲁鲁石恰好位于澳洲大陆的地理中心,它代表澳洲的心脏与灵魂。在大洪山的岩洞(壶穴)里,迄今还留存有几千年前他们祖先留下的古老绘画和壁刻,描绘着“梦幻时代”的传奇和神话故事,大洪山是他们民族的“神山圣石”,每年部落都要在这里举行各种祭祀活动。

        大红山赤身裸体, 山顶与山坡上没有土壤与植被, 光滑滑的石坡上发育大小不同、形状多样、深度各异的壶穴(图1-2),但是它们有个共同的特点,就是内壁都比较光滑,底部常常有不同磨圆度的砾石和粗砂粒。每当下暴雨(常常在夏季), 大红山上形成无数条细长的瀑布(图3),雨水顺坡汇聚,形成激流,冲携山坡上的石块与砂砾,对原先小幅度洼凹之地,主要是节理与层理交界处或玄武岩砾石经风化蚀变形成的薄弱部位的岩石进行反复的磨蚀,形成一系列形态各异、大小与深浅不同的洞穴,即地质学上所说的冲刷坑或壶穴。这些山坡壶穴是无数次暴雨流反复冲刷的综合结果。除了本文开头所述的冲刷磨蚀作用之外,顺坡的高速水流还会推动石子猛烈地撞击石面,使岩石内的破裂张开、水被压进岩石裂隙内部、细沙子也被挤进裂隙。水中携带的气泡撞进岩石裂隙内部还会产生爆破,产生新的微破裂。随之,从石头上裂解出来的颗粒或岩屑被流水冲走。雨停之后,积水还会对山坡壶穴的内壁与底部产生溶蚀作用,使得空隙度相对较高的砂岩中的钙质胶结成分发生溶解;水与砂岩中的长石颗粒或玄武岩砾发生化学反应, 形成力学强度很低的低温蚀变产物,被下一次雨水冲刷而去。 上述地质过程,年复一年的反复进行, 逐渐形成人们观察到的大红山的山坡壶穴。


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图2. 澳大利亚大红山上的山坡壶穴,即暴雨流冲刷坑。
Fig. 2. Typical rainstorm-induced potholes observed on the stony hillsides of the Ayers Rock (Uluru, Northern Territory, Australia).

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图3. 澳大利亚大红山的暴雨景象图。雨水顺坡流下,进一步冲刷与磨蚀着已有的山坡壶穴。
Fig. 3. The Ayers Rock turned into massive waterfall during heavy rains.

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图4. 1949年来北京地区年降雨量的情况。平均值为601.2 mm/年, 最大值达1406 mm/年。
Fig. 4. Variation of annual rainfall in the region of Beijing (1949-2016) with an average value of 601.2 mm/year and the maximum of 1406 mm/year (1959).

   持蹄窝说的人刻意强调:“京西地区的气候属于典型的大陆性季风气候,年平均降水量仅数百毫米”、“北京西山处于长年干旱的北方、又位于山脊上的牛角岭根本不具备形成壶穴的河流条件”, 所以,山坡上的洼坑肯定就是骡马驴的 “蹄窝” (苏德辰, 2016)。可见,他错在以为壶穴只有在河床上才能形成。图4表示1949年以来北京地区年降雨量的情况, 平均值为601.2 mm/年, 最大值达1406 mm/年《中国气象灾害大典:北京卷》, 温克刚, 谢璞, 2005)。澳大利亚大红山地区的年平均降雨量仅为307.7 mm,比北京地区少近一倍。尽管如此,在数以千年计的时段里,一次又一次的暴雨还是在大红山光滑的山坡上迅速汇聚,顺坡冲刷, 形成一系列壶穴(图1-3)。

   大凡对气象知识有所了解的人都知道,中国的大暴雨常发生在北方而不是南方,原因是:印度洋蒸腾出的水汽,被夏季风从孟加拉湾或南海方向,带入中国大陆。湿润的季风一旦在中国北方碰到强劲的冷空气,就会在短时间形成大量降水,就好像毛巾里的水被一双有力的手拧出来一样。这就是为什么我们在中国的夏季云图上经常看到西南———东北走向的白色的云雨线上,有几个凝结的“云团”,它们是冷暖空气纠结的中心,也是暴雨的母巢,它们常位于中国的北方。例如,1963年8月4日,华北降大暴雨,河北邢台市内丘县獐么乡的最大日雨量为950 mm。当时报纸报道,中央调动八个师保卫天津,以防海河决口淹没城镇。同年8月8日,北京降大暴雨,朝阳区来广营的最大日雨量为464 mm, 240平方公里被淹。1972年7月27日,北京降大暴雨,怀柔区怀北镇枣树林的最大日雨量为479.2 mm。2012年7月21日,北京降大暴雨,房山区河北镇最大日雨量为460 mm,暴雨造成洪灾,冲垮了很多道路、桥梁、田埂、农庄、房屋, 造成79人死亡,房屋倒塌10660间,160.2万人受灾,经济损失116.4亿元。这些降雨量还不是华北最大的。1975年8月5日至7日,华北大暴雨,河南省中部漯河、驻马店、南阳和平顶山之间的淮河上游地区总雨量超过1000 mm的面积达到1460平方公里。暴雨中心在河南省沁阳县林庄,3天总雨量达到1605 mm, 其中最大的日降雨量为1054 mm。1977年8月1日到2日,在陕西内蒙古交界的毛乌素沙漠里,降水更高达1400 mm。这样的日降雨量超过常受台风影响的广州与海口,广州同类数据的记录不过是320 mm,海口是333 mm。长江流域各地,超过300 mm也是“百年一遇”的级别。

     史书上有关北京西山地区暴雨成灾的记录比比皆是,现仅举几例。据《钦定大清会典事例(光绪)》【〔清〕崑冈等修,台北:启文出版社,1963),卷 951,〈工 部?薪炭?开采煤窑〉】记载,“由于地表土石裸露,经大雨冲刷,往往形成泥石流,漫溢至煤路及山涧中,为煤炭运输带来困扰,众煤商共议抽取路稅以供修路之用”(邱仲麟, 2016)。据门头沟《煤行公议碑记》:“门头沟,僻在山陬,宅幽而势阻,凡煤窰处所,尽在山峦起伏之中,驼载往来,崎岖不易。每当大雨时行,山水冲刷,乱石壅塞,涧道泉流,不平治之,跬步亦甚难耳”。同治十一年(1872)《重修西山大路碑》记载:“西山一带仰赖乌金(煤炭)以资生理,而京师炊爨之用,犹不可缺。道路忽尔梗塞(暴雨造成的塌方与泥石流阻塞交通),各行生计攸关」。“同治十年(1871),暴雨成灾,冲毁道路,各商号不得不捐资修路,参加者有三家店的煤厂 14 家,琉璃渠村煤厂 3 家”。 房山县运煤的山道也常被水冲毁。如该县西北的大安山,距离县城上百里,山中“无地不煤”,居民种谷不足,则仰食于采煤。可是,大安山之煤,运出报门 20 里,皆“崎岖陡绝,运煤者以为苦”;再进入报门 10 里,若遇山洪暴发,“无所逃命”。光绪十四年(1888) 大雨成灾,“土随水去,五谷不登”。由此可见, 苏德辰(2016)拿华北的平均年降雨量否定北京西山的暴雨冲刷能力以及山坡壶穴的暴雨流成因是不可行的。

        在天然的坚硬岩石上踩出深达30-35 mm的蹄窝的必要条件是:数以万计的骡马驴在几百年间总按着固定的位置点反复不断地踩。 然而, 这是不可能的。大凡骑过马的人就知道,马不傻,它们专捡松软的草地或土上走(赛马场上都是用泥巴铺道给马跑的),不喜欢走在坚硬的石头上,特别躲避路面上的凹坑(视屏:Puddle monster, https://www.youtube.com/watch?v=Tipl_qaiktE; Some horses think that a puddle is going swallow them up, https://www.youtube.com/watch?v=nUOUHCXD8bw; Driving horse youngster afraid of puddle,https://www.youtube.com/watch?v=eXeSofg7IlU)。有关马行为与心理学的研究书籍(e.g., Cabell-Self, 1974;Skipper, 2007; Wendt, 2011)写道:马最惧怕踩进较深(≥5-10 cm)的洼坑或水坑,特别是比蹄子大不了多少的坑(直径15-20 厘米),以防扭伤蹄腕或折断腿骨 (If a horse stepped into a deep enough pothole or “gulche” there was the possibility that the animal could be crippled. A broken ankle or leg was often fatal for a horse)。 加拿大1937年的报纸 The St. John’s Evening Telegram 就曾专门讨论过这个问题, 那时候马还是乡村人主要的交通与运输工具,马不小心踩进洼坑,造成马伤与人伤的事时有发生。

        一切动物都有保护自己免受环境伤害的意识与行为,马惧怕踩进坑里,也是由马的身体结构决定的。马是自然界中被捕食的动物,它的两只眼睛长在头的两侧,看东西立体感很差,虽然其视野可以达到330°,但马的两眼视线重叠的部分只有30°。相反,那些捕食动物,例如老虎与人,两只眼睛都长在前面,两只眼睛的视野彼此重叠,可帮助大脑判断物体的远近,为目标的准确定位带来很大的帮助。而骡马驴这类动物几乎只用一只眼睛看事物,而不是同时使用双眼來看同一件事物。因此,有时候骑马的人会发现马在行进过程中,会被同一事物惊吓两次, 因为它的另一只眼睛是第一次看見了那件事物。所以,持蹄窝论的人,想象骡马驴常年不断往10-35 cm 深、还经常灌满浑水的狭坑里踩,有些一厢情愿了。本人曾提议牵几匹马到北京西山王平镇韭菜园村的牛角岭的山坡上做个试验,看马是否愿意踩进10-35 cm深、注满浑水的凹坑, 可惜由于蹄窝论者的胆怯而没有成行。

        笔者也曾在网上寻找磨坊里石头铺面上的“蹄窝”, 因为驴拉着磨,沿着磨道、围绕着磨轴、拉着沉重的磨石,不断地转圈。 日复一日,年复一年,磨道单位面积上的总蹄踩量应该不低任何朝代京西古道单位面积上的总蹄踩量, 最有可能被踩出深深的蹄窝来。可惜,我没有发现任何一间磨坊里的石头铺面上出现北京西山那样的“蹄窝”。

        持蹄窝说的人将蹄窝翻译成英文“Stepping holes”(苏德辰, 2016)。大家知道,Stepping stone,就是铺台阶的条石。Stepping holes,就有些行走于空洞上面腾云驾雾的意思,这大概就是即使到强大的google里用“Stepping hole”作关键词也搜索不到任何内容的原因吧。Stepping into holes 或Stepping in holes倒是正确的英语。
蹄窝论者还用河北省井陉县境秦皇古道东天门关与北京西南卢沟桥石板上的车辙痕的照片,作为北京西山石坡上零星分布的凹坑是骡马驴蹄坑而非山坡壶穴的证据。但是,蹄窝论者不能回答的关键问题是:古道上为什么没有留下拉车的骡马的蹄坑?钢铁浇注的车轮或包了铁皮的车轮几百年在古道石头路面上不断地进行机械研磨,当然可以留下沟槽,路面石头因为载重车的圆车轮的接触点上的压强要比骡马驴的蹄子下面的压强高很多倍。更重要的是,千骡万马不可能来来往往总踩于同一点,它们的蹄点在行车路面上形成车辙的时间尺度(几十年、几百年)里几乎是均匀分布的,这就是有车辙沟痕的古道上却没有出现蹄坑的原因。


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图5. 意大利古城庞贝(a~b)与罗马的古车辙痕, 却无拉车骡马的蹄坑。
Fig. 5. No hoof holes observed on historical traffic routes with cart-ruts. (a-b) Pompeii and (c) Rome in Italy.

        有趣的是,骡马驴在坚硬的天然的石面上留下蹄窝(Hoof holes)或(Hoof prints)这样的事,只在中国大陆有所报道(苏德辰, 2016; 中央电视台摄制的《茶马古道》视频), 并作为京西古道或茶马古道的实物证据。然而,这样的石头蹄窝在欧美以及世界其他地方的古道上却从未报道过 (e.g., Conti and Saliba, 2012;Hughes, 1999; Mottershead et al., 2008; Sagona, 2004; Schneider, 2001; Weston, 2010) ,是这些国家的地质学家有眼不识“蹄窝”,还是他们不把山坡上暴雨流成因的壶穴当成蹄窝?综上所述,结论是不难得出的。可以说,那些被某些人毫无根据地说成北京西山的京西古道、云南的茶马古道、连接湖南与广东二省的湘粤古道上所谓的蹄窝皆是暴雨流形成的山坡壶穴。



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