花岗岩地貌多景观综合研究实例之一：山脊壶穴

    看到这个镜头，我们会产生何种想法？

    有人啥也不想：只当没看过…

    有人大喊一声：震撼！然后…

    有人可能会问：这都是啥啊？如何形成的？

    有人比较淡定：风霜雨雪等各种地质作用的结果（多成因、多阶段）

    有人信心满满：都是第四纪冰川侵蚀的结果（一种思想解释一切）

    地质学家解释：燕山期花岗岩，遭受冰川融水侵蚀形成壶穴和泄水槽，冰后期沿着剥离面理发育了盐风化穴。（科学的解释来自于详细的研究，依赖于充分的证据）

    2022年5月初，我主笔完成的一篇花岗岩表面多种地质构造综合研究论文终于正式发表了。见地质通报官网：

    吕洪波，浦津，高于. 2022.内蒙古赤峰召庙花岗岩表面的冰川壶穴、泄水槽、盐风化穴和剥离面理。地质通报，41（4）：517—532.

    下面就利用科学网平台谈一下自己的感受，并进一步介绍本文所探讨的各种地质景观。

一、原创成果难发表，跟风论文易过关

    从题目中就可看出：这篇论文同时探讨四个地质景观：冰川壶穴、泄水槽、盐风化穴、剥离面理。国内地学同仁中，同时熟悉这四种地质景观的学者还很少，也正是这个原因导致本文费尽周折才得以发表。初稿成文于2019年底，先后投了国内四个杂志，历经坎坷：

    第一次：编辑认为花岗岩山脊上的壶穴“不是冰川融水侵蚀成因”而拒稿。

    第二次：编辑部认为文章很好，但接收后三个月没有音信。询问后被告知：找不到熟悉该内容的审稿人，于是只好要求退稿。

    第三次：虽然有编辑喜欢，但编辑部集体讨论认为内容不适合该杂志，于是退稿。

    作为审稿人，编辑们给足了面子仍拒稿，问题在于内容：壶穴有争议，盐风化穴刚破解，泄水槽和剥离面理国内尚无研究先例。集四种地质景观于一体的原创：孤独啊……

    第四次：辗转半年后于2020年6月投到《地质通报》，编辑部当机立断，经审阅终于被接收。然而，因为杂志社稿件积压太多，一直推迟到现在才发表。感谢地质通报收留此文并减免了部分版面费！感谢审稿人及时审阅并提供宝贵的修订意见。

摘要：

   在内蒙古赤峰市巴林左旗政府林东镇以南大约20千米的地方有一座寺庙—召庙，周围出露一片面积大约20km2的花岗岩，称为召庙花岗岩体。该岩体被至少两组垂直节理及与地面起伏一致的剥离面理切割成大小不等的弧形岩块，构成高于周围地表三四百米的花岗岩山区。在多条花岗岩山脊上保存有大小不等的壶穴，山脊两侧则发育从上到下紧密排列的泄水槽，而泄水槽则被剥离面理横向切割，沿着剥离面理的露头线则发育了大小不等的风化穴。通过详细的野外调查，我们认为：花岗岩山脊上的壶穴不是风蚀和风化所致，而是晚更新世冰盖上的冰川融水下泄冲刷形成；山脊两侧的泄水槽也是冰川融水下泄冲刷的结果；剥离面理是第四纪冰川发育导致地表之下岩石温度变化的热变应力所致，可用以恢复第四纪冰川作用时期的基岩古地貌；盐风化穴是第四纪冰川退缩后本区重要的物理风化类型，优先沿着剥离面理发育。本区三种微型地貌景观和大型的剥离面理共生组合记录了更新世以来召庙花岗岩山区的地貌演化史。

    关键词：花岗岩体，壶穴，泄水槽，盐风化，风化穴，剥离面理，更新世冰盖

原文链接：http://dzhtb.cgs.cn/gbc/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=20220401&flag=1&year_id=2022&quarter_id=4

         http://dzhtb.cgs.cn/gbc/ch/index.aspx 地质通报本期页面

    一般的研究论文主要聚焦于一个地质景观，而本文一下子涉及四个地貌形态。为何我将这四种地质景观放在一篇论文中讨论呢？因为这些景观确实同时存在，而且紧密地交织在一起，一个镜头包含全部。有些景观在成因上相互关联，有的景观却一直改造或破坏其他景观。研究者的任务就是探讨每一种地质现象的形成机理，理清不同景观的形成次序以及相互影响，最终阐明本区花岗岩地貌演化的历史规律。

    需要说明的是，我和朋友在内蒙古东部进行地貌研究十几年了，已经奠定了良好的研究基础。对本区的认识是：召庙花岗岩宏观地貌显示为第四纪冰川侵蚀地貌，已识别的宏观地貌标志有：刃脊、角峰、冰斗、巨型羊背石等，当然还有微地貌景观：冰川壶穴（见吕洪波等，2006，2008，2010，吕洪波，2019）。

相关论文如下：

    ①吕洪波，任晓辉，杨超.2006. 赤峰等地第四纪大陆冰川的地貌证据。地质论评，52（3）：379-385.

    ②吕洪波，任晓辉，许民，等. 2008. 壶穴差异风化或风蚀作用成因质疑。地质论评，54（2）：192-198.

    ③吕洪波，任晓辉，许民，等. 2010. 再论山脊壶穴的冰川融水成因—兼与施雅风院士商榷。 地质论评，56（5）：693-702.

    ④吕洪波，2019. 网上发布最新成果：大兴安岭更新世冰盖的证据和影响。科学网吕洪波的博客，https://blog.sciencenet.cn/blog-39040-1189267.html

    地学研究中容易出现两类明显的错误倾向：

    第一类倾向：用单一成因说解释所有地质现象（一招鲜，吃遍天？）；

    第二类倾向：用“多成因”、“多阶段”解释单一的地质现象（求保险，啥都算）。

    前一种倾向：观点明确，立场坚定，不管事实如何，坚信自己观点正确，陶醉于自圆其说的“理论”之中；后一种倾向：为了保险，各种可能都算上，其实啥都不清楚。

    这两种错误倾向的根源在于：研究者基础理论不扎实，知识面偏窄，野外基本功欠缺，要么偏执地钻牛角尖，要么圆滑地忽悠大众。如何避免？勤思考，多实践。水平提高了，错误就少了。

    下面就以内蒙古赤峰北部召庙花岗岩地貌为例，看我如何解释壶穴、泄水槽、剥离面理和盐风化穴四种地质景观的形成机理和地貌演化次序。因为内容太多，博文也分四次介绍，第一部分是壶穴：花岗岩地貌多景观综合研究实例之一：山脊壶穴

二、召庙花岗岩山脊壶穴及成因

    壶穴常用于道路工程中，是指路面破坏形成的凹坑。地质、地貌学中的定义如下：

    壶穴（pothole）是发育在基岩表面呈桶状的凹坑，为水流对基岩进行强烈冲刷磨蚀的结果。壶穴一般发现于河流瀑布或跌水下方的河床上，或者发育在花岗岩类山脊之上。

    英文定义：A pothole is a smooth, bowl-shaped or cylindrical hollow, carved into the bedrock of a watercourse in a valley or on hilltop region.

    壶穴（pothole）的名称国内外都使用混乱，有人称锅穴（kettle），而国内就更乱些，冰川成因的壶穴专门叫冰臼（glacial pothole）。后来有人又创造了一个新的词汇：岩臼，造成更大的混乱。建议使用规范词汇：壶穴，如果是冰川成因则叫冰川壶穴，对应的英文名称：glacial pothole。

    事实上，壶穴仅分布于两个地方：河谷或山脊。国际上给壶穴赋予的意义是：由旋转水流垂直向下侵蚀形成的椭圆形或圆形桶状凹坑才是壶穴。其中在河床上的多为河水强烈冲刷的结果，少数为冰川融水侵蚀所致；而在花岗岩山脊上的壶穴 则只能是冰川融水侵蚀的结果。根据原始定义，除了河流瀑布或冰川融水形成的凹坑叫壶穴，其他的凹坑不应该叫壶穴。

    简言之，壶穴就是从高空向下的水流旋转冲刷的产物，其他成因的凹坑不是壶穴。有人将地表其他成因的凹坑也称作壶穴，并声称其为流水冲刷所致，显然是基本概念错误，因此而导出的认知自然是错误的。

    虽然“壶穴”和“冰臼” 早已收录到多本地质学词典中，但国内地学界真正研究壶穴却很晚。1997年，中国地质科学院韩同林研究员等在河北丰宁喇嘛山花岗岩山脊上发现冰川壶穴，他们称其为冰臼，是冰川融水侵蚀的标志（韩同林，郭克义，1998），在中国地学界引起轩然大波。

    从上世纪八十年代起，以施雅风院士、李吉均院士、崔之久教授等为首的地理学界达成了新的权威性共识：李四光先生一百年前在中国东部识别出的第四纪冰川地貌是错的。在这种氛围之下，韩同林研究员却用“冰臼”作为证据重新支持李四光，一下子招来了全面的批判，而无辜的壶穴便成为论战的焦点。

    无法改变壶穴的存在，那就改变壶穴的出身！

    于是在中国地学界，围绕着壶穴的成因开始了长达二十多年的论战，除了原始定义中的河水冲刷说和冰川融水侵蚀说，先后增加了风蚀说、风化说、多成因说等。地学界出现明显对立的两大阵营—冰川派和非冰川派，对立的双方都拿壶穴说事儿。作者坚持什么学说，壶穴就必须是什么成因的。冰川派坚持是冰川融水侵蚀成因，非冰川派则坚持：只要不是冰川成因，都是正确的。有人声称：“用泥石流就能解释，为何还去借助冰川？”更有甚者，有人号召对韩同林研究员的“冰臼论”进行“学术打假”……

    这是中国地学界一道“亮丽” 的风景线，有人说是“百花齐放，百家争鸣”，其实是混乱不堪：二十多年面对壶穴的成因一直争论不休！这期间正反两方观点都发表了一系列论文，形成了新一轮的学术大论战。这里仅列部分代表性文献：

    韩同林，郭克毅. 1998. 河北及内蒙古中低山区罕见的冰臼群. 中国地质, 25 (6): 42-45.

    韩同林，2004.  发现冰臼(Moulin Discovered)。北京: 华夏出版社,190页。

    崔之久，李洪江，南凌，李德文，1999.内蒙、河北巨型壶穴与赤峰风道的发现。科学通报，44（13）：1429—1434。

    李洪江，崔之久，赵亮，2001，内蒙、河北山区壶穴的成因探讨—兼论壶穴的成因分类。地理学报，56（2）：223—231。

    刘尚仁，2000.关于冰臼形成与保存机理认识上的几个误区。热带地理，20（2）：156—161。

    施雅风，2010. 韩同林的“冰臼论”是对花岗岩类岩石“负球状风化”的误解。地质论评，56（3）：??—??.

    孙洪艳，田明中，武法东，2007，克什克腾世界地质公园青山花岗岩臼的特征及成因研究。地质论评，53（4）：486—490。

    章雨旭，2005．“冰臼”成因争鸣———以克什克腾旗青山岩臼群为例。地质论评，51（6）：680、712．

    周尚哲，2006. 锅穴一定是第四纪冰川的标志吗？第四纪研究，26（1）：117—125。

    朱诚，崔之久，李中轩，高洁，王立新，邬祥林，郑朝贵，沈庆凡，郑献章，2008. 浙江缙云县大洋山石鼓尖花岗岩坑穴成因。地理学报，63（7）：735—743。

    章雨旭，刘恋. 2011. 山脊壶穴不能作为中国东部第四纪冰川的证据。科技导报，29（33）：62-68.

    吕洪波，杨超，2005，山东新泰青云山发现第四纪大陆冰川遗迹。地质论评，51（5）：608。

    吕洪波，任晓辉，杨超，2006，赤峰等地第四纪大陆冰川的地貌证据。地质论评，52（3）：379－385。

    吕洪波，任晓辉，许民，欧阳江城，2008，壶穴差异风化或风蚀作用成因质疑。地质论评，54（2）：192—198。

    吕洪波，章雨旭，2008，壶穴、锅穴、冰臼、岩臼等术语的辨析与使用建议。地质通报，27（6）：917—922。

    吕洪波，任晓辉，许民，等. 2010. 再论山脊壶穴的冰川融水成因—兼与施雅风院士商榷。 地质论评，56（5）：693-702.

    地学研究的一大特色就是野外观察，用看到的结果推测过去发生的事件。然而，由于事件发生太过遥远或者人类无法现场观察，人们只能遵从一般的物理化学乃至生物学原理而根据结果反推过去。因此，在理论分析中的最低要求是“自洽”（self-consistant）,即自己的理论或假说不能前后矛盾，或者说至少达到“自圆其说”（justify oneself）。

    当然，地学研究定位于“自圆其说”是远远不够的。根据我几十年的研究经历，必须强调的是：

    地质学的真谛不是自圆其说，而是尊重事实。翻译成英语就是：

        The essence of geology is not to justify oneself, but to respect facts.

    在地学研究中，我们必须找到排他性证据支持自己的论点。

    如：不能为了强调冰川成因就将V形谷说成U形谷，也不能为了否定冰川就将U形谷说成是V形谷，即：不能否认基本事实。当我们面对一系列与自己认识相悖的证据时，还不改变观点而固执己见，就是愚蠢，就是科学的障碍，就是社会发展的阻力！

    曾几何时，两大学派对立激烈时好像成了敌对的双方，不顾证据，只有立场，在很多场合都相互攻击，根本没有讨论与交流。我多次在讨论会上呼吁：观点对立不应成为敌人，认识一致也不一定是朋友。学界共同的敌人是学术不端，比如：无中生有、弄虚作假、剽窃他人、跪舔权威、压制新人……

    经过大家的共同努力，近年来地学界关于中国东部第四纪冰川存在与否的争论也逐渐趋近理性，尽管有人试图扩大化，也有人还在全盘否定，但有了点共识：拿证据说话！

    在探讨争议现象时，一个最基本的方法是：找到对方不能自洽的弱点，用事实指出其错误；同时论证自己时不但要在逻辑上自洽，还要提供排他性证据支撑自己的观点。

2.1 错误的壶穴成因说到底错在哪里？

    第一、山脊壶穴的形成与风蚀无关。崔之久等（1999）认为本区七锅山上的壶穴是风蚀的典型；李洪江等（2001）采集本区七锅山壶穴内的碎屑堆积物做热释光测年所获结果是3.63±0.28ka BP，将壶穴沉积物当作风力吹蚀的证据。

    常识告诉我们：风在地表是以水平运动或者围绕凸起障碍物运动为主，侵蚀工具主要为风所能吹动的跳跃碎屑总体（砂粒和少量极小砾石），因此风蚀作用在地表之上几十厘米范围内最强，即使是龙卷风的强烈气流也是在地表盘旋向上的。然而，山脊壶穴开口是朝向天空的，什么风能这样吹？而壶穴内保存的沉积物恰恰证明不是风蚀所致而是风沙堆积的场所，也常常是牧羊人避风的地方；召庙花岗岩山脊上的壶穴内堆积物测年证明至少在3600多年前就已形成，从那以后一直是风的沉积场所。

    风的强度能在坚硬的花岗岩表面吹蚀出从地表朝下的壶穴吗？看看花岗岩风蚀的标志好吗？

    第二、山脊壶穴不是差异风化的结果。章雨旭（2005）、孙洪艳等（2007）、章雨旭和刘恋（2011）认为壶穴是风化作用形成的，而且强调现今的环境还正在缓慢形成不同阶段的壶穴。

    风化说需要解释：为何选择壶穴位置进行风化？从地表向下凹进的过程中风化的产物（长石和石英等）如何被清除到壶穴之外而让壶穴内部的花岗岩继续向深处风化？大家知道：花岗岩山坡上的大面积风化会在地表保留着风化壳物质，壶穴内部的风化呢？

    如果需要借助于风和降水将风化的产物带到壶穴之外，那么这种搬运的证据在哪里？没人能给出清晰的答案。本区七锅山上壶穴的口缘都是尖锐的而非风化所致的圆滑状外凸边缘，大型壶穴中堆积沉积物并长草更无法用风化作用解释，因为一旦长草壶穴就无法再加深了。李洪江等（2001）所测得的召庙地区壶穴内部沉积物堆积年龄（3.63±0.28ka BP）也恰恰证明那个壶穴至少在三千六百年前就已经形成了，与今天正在进行的“差异风化”假设相悖。此外，壶穴出水口的存在显然与水的冲刷有关，而非差异风化所致。

    第三、山脊壶穴更不能用多成因解释。施雅风（2010）试图用多成因说解释中国东部山脊壶穴的成因，却唯一排除了冰川融水的作用。

    “多成因”说在地学界流行几十年，但其本质是根本还没弄清楚。以施先生的观点为例，不但壶穴形成机制不清，而且还要借助于风化、风蚀甚至冻融作用等多成因来自圆其说，更是无法令人信服。

    召庙花岗岩表面的壶穴毫无例外地发育在高低不等的山脊上，一般为深度10-100cm的圆筒状，少量深度超过2m，而直径从30cm到3m不等，个别的超过10m。多数壶穴内比较干净，降雨后常有积水，呈现为口小肚大底平的特征。在发育最密集的地方，相邻两个壶穴甚至相切而贯穿。少量壶穴底部有沙土堆积并长草，个别大型壶穴底部可见花岗岩风化的长石和石英碎屑。所有壶穴都在山脊外侧发育一个窄而深的出水口，而且出水口底部高度一般在壶穴内壁上部，出水口通向陡崖则转变为向下延伸的泄水槽。看看我提供的照片及图片文字说明：

    由于对壶穴的成因认知差异，从上世纪九十年代末起，中国地学界关于壶穴的成因争论就从未停止过。韩同林等自从发现山脊壶穴就一直使用冰臼一词，并赋予其冰川融水侵蚀成因。崔之久等认为召庙花岗岩山体七锅山景区的壶穴为风蚀成因；李洪江等、周尚哲否定壶穴的冰川融水侵蚀成因；章雨旭、孙红艳等、周旭等则强调花岗岩山脊上的壶穴为风化成因。施雅风等一直认为中国东部海拔2500米以下的地方不存在第四纪冰川地貌的发育条件，主要理由是现今的位置温度偏高和海拔偏低，后来又专门撰文用“负球状风化”和差异风化以及风蚀等综合因素解释中国北方山脊壶穴的成因。

2.2山脊壶穴的唯一成因机制：冰川融水下泄侵蚀

   在我以前的工作中，根据花岗山脊上发育壶穴和剥离面理（exfoliation）等构造认为赤峰北部存在着第四纪大陆冰川，而山脊壶穴就是冰川融水沿着冰裂隙下泄而对基岩进行快速侵蚀的重要标志。最近几年的研究更加认清了山脊壶穴的成因机理。

    下面我就列几点理由（请结合照片阅读）：

    第一、山脊上的壶穴都有至少一个通向外侧山崖的出水口，而出水口仅在壶穴内壁的上部开口。出水口的存在说明壶穴与水流冲刷有关，但也非现今常规降雨能力所致。因为有的出水口高度比壶穴口缘还高，只有从高空对着壶穴下来的强大水流才能造成这样的结果，这个强大的水流只能来自于冰盖上的冰川融水。为何壶穴都在外侧有出水口？因为外侧连接着泄水槽（后面讨论），可以将冰上融水及壶穴侵蚀物转运走。壶穴口缘没有出水口的地方是无法排水的，因为有冰体盖着，那个外侧出水口比壶穴内侧口缘还高的壶穴就是良好的例子。

    第二、以前人们认为壶穴是缓慢侵蚀形成的，冰川融水长时间对着山脊上的一个点侵蚀而不位移难以理解。现在我们必须强调：一个壶穴形成的时间仅几个小时。最近二十年来对格陵兰冰盖的观察发现，每年夏季冰盖上都会因冰川表面融化而产生很多冰上湖泊，其中有些面积超过几平方千米的湖泊因某处冰裂隙（即冰体壶穴moulin）与底部基岩连通就可突然下泄，仅仅一两个小时湖水就消失殆尽。

    这就告诉我们：一个壶穴的形成其实应该与一次冰上湖泊泄漏事件对应起来，其形成不是传统意义上的缓慢侵蚀过程，而是用小时计算的突发事件。每一个壶穴代表着一次冰川融水下泄事件，数百甚至上千米厚冰盖上的冰川融水下泄就如同巨大的高压水枪切割基岩而形成壶穴，也只有如此强大的水流才能将侵蚀下来的花岗岩碎屑通过出水口带走。壶穴的直径大小和形态对应于冰体内下泄通道的形态，而深浅则取决于冰川融水下泄的总量：水量大就侵蚀的时间长，壶穴深度就大。

    第三、壶穴的形成实乃偶然事件，而且优选在花岗岩山脊出现。冰盖因重力作用而向山脊两侧滑动，所以在山脊上方容易出现张裂缝，一旦裂缝连通就导致冰川融水下泄。偶然满足旋转水流在山脊上侵蚀则形成壶穴，更多的情况下只能形成后面讨论的泄水槽了。每个壶穴都至少连通一个泄水槽而通向山崖，而泄水槽连通山下才是壶穴形成的必要条件，否则即使有水充满壶穴上方也无法继续下泄。

    第四、召庙地区及大兴安岭存在着第四纪冰川地貌宏观标志（如：刃脊、角峰、大型羊背石、U形谷等），这些宏观标志与壶穴相互配套，宏观上显示更新世大兴安岭冰盖的存在（吕洪波等，2019）。因此，壶穴的冰川融水成因说不仅自洽、自圆其说，而且还有着排他性证据。

    第五、壶穴的冰川融水成因并非孤例，在美国纽约州Moss Island北部边缘现在河水水面之上5—20米高的露头上有很多凹凸不平的第四纪冰川侵蚀面，并伴有大量壶穴，最新研究排除了河流成因，确认该壶穴群为末次冰消期（14.8 ± 1.3 ka BP）冰川融水冲刷的结果。我们自己的研究起步晚，就要学习国际上已经成熟的经验，这也是阅读参考文献的重要意义所在。

    下面是我绘制的冰上湖泊冰川融水下泄的平面和剖面示意图，图内注有文字说明。这也同时解释了为何北半球洗脸池排水在理想条件下都是逆时针旋转的！

    下面照片显示召庙花岗岩山脊壶穴中有典型的沉积物堆积，与风蚀成因和风化成因说相互矛盾。

    下面的照片显示：格陵兰冰盖每年夏季冰川融水汇聚成湖。其中有的面积达几平方千米的湖泊里的冰川融水在不足两个小时之内突然下泄排光，这些下泄的水通过一个裂隙到达两三千米之下的冰川底部，对基岩表面进行强烈的冲刷侵蚀，就会产生壶穴！

    下面照片旁我绘制了剖面示意图，展示为何壶穴分布在花岗岩山脊之上。

    下面的照片是延庆大庄科乡白龙潭巨型壶穴挖掘的场景。当年的韩同林老师已经73岁高龄，还亲自下到壶穴底部考察。一般人认为河谷的壶穴是河水冲刷的结果，其实这种情况下，也只有冰盖上的冰川融水下泄才有能力侵蚀出如此巨大的壶穴来。因此说，这也是冰川融水成因。韩同林老师在这里的判断是正确的。向韩老师致敬！

    至此，我们对召庙花岗岩山脊壶穴的成因已经讨论清楚，是冰川融水下泄冲刷的结果。这种规律具有普世意义，今后看见花岗岩山脊上的壶穴，至少可作为冰帽存在的标志看待。

    赤峰召庙花岗岩景区有着典型的第四纪冰川地貌，而且地质景观丰富，值得进一步研究。欢迎朋友们去现场考察，同时欣赏大自然风光。

    最近二十年来，中国东部第四纪冰川地貌研究虽然争议不断，但对立的学术观点也促使我努力到大自然中寻找更多的证据，同时让自己的分析更加谨慎和理性。从这层意义上看，我们应该感谢那些观点对立的学者们的鞭策和监督。祝第四纪地貌学界的同仁们进一步加强交流与合作，为中国第四纪地貌和古环境演化研究做出新的贡献。

    在多次野外考察期间，赤峰召庙景区都给予很多方便，在此顺致敬意！

    接下来将针对泄水槽、盐风化穴、剥离面理等专门成文讨论。欢迎朋友们批评指正，不过要亮出证据啊！

吕洪波等2022召庙花岗岩表面冰川壶穴泄水槽盐风化穴和剥离面理.pdf

附件是刚发表的论文

吕洪波

2022.05.11于青岛