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博客

已有 405 次阅读2016-6-8 03:51 |个人分类:科普|系统分类:学术打假| 苏德辰, 地质论评, 壶穴, 蹄窝

是“蹄窝”还是壶穴?

蹄窝还是壶穴?

 

嵇少丞

 

 

上网查查, 有很多、很多文章谈到京西古道,神气活现地谈到在一个叫牛角岭关城的关隘西南的山坡石头上留下了156个大大小小、深浅不一的蹄窝蹄痕,最深的达半尺多深。有人以此感慨岁月穿梭,当年的京西古道,车马云集,马帮畜蹄日月不息地蹬踩踢踏,形成如此奇观

蹄窝最为密集的地方竟然主要集中于一段十几米长的基岩路面上。

为了配合北京西山韭菜园村的的旅游开发以及证明王平镇韭菜园村干部的““京西古道”,最近中国地质科学院地质研究所苏德辰研究员在中国地学核心期刊《地质论评》发表了一篇可笑的“论文”,题目是《是蹄窝,不是壶穴  北京西山古道蹄窝成因考, 重复王平镇韭菜园村干部的“学术观点”:北京西山韭菜园村缓山坡上的各式形状的坑是以前骡马或驴子的蹄子踩出来的,而非流水造成的壶穴。

 可是,据本人的实地考察发现,实际的地质事实与不懂地质的村民的结论恰恰相反。

 

证据1. 岩石“酒窝”,无论内中有水无水,皆有岩砾、沙粒,正是流水冲动它们在坑水中旋转研磨着洼处的石面,久而久之形成冲刷坑。坑中岩砾与沙粒就是我们要找的“作案凶手”。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

雨后坑内积水,水-岩长期发生化学反应,使岩石发生风化蚀变,呈红黄色,岩石软化,更容易被研磨刻蚀,形成洼坑。

 

本人骑过驴子骑过马、发现马很聪明,驴也不傻,它们专捡草地或土上走,不喜欢走在石头上,特别是不走石头窝窝里,或许经验告诉它们,石头窝窝里,有水,不知深浅,要是壶穴弯弯,蹄子插进去,弄破了,小事,要是拔不出来,怎么办?而且,石头窝窝里常有咯蹄的砾石。农民蹄窝说,要求驴马步步迈进石头窝窝里,不能以自己的想象度衡驴马的智力。

 

 

 

 

上幅照片中一个坑很像人的脚印, 是人踩出来的?

 

 

证据2. 石面上还有许多比驴蹄、马蹄小得多的冲刷坑,有的直径还不到硬币大小,这些坑不可能是驴蹄出来的、马踩出来的。见下图及其一角硬币作为比例尺。

 

 

证据3 冲刷坑具非对称性,即进水处缓、出水处陡,指示水流方向从上到下,这是沉积岩中冲刷构造的普遍特征。若是马踩驴踢出来的就没有这样的非对称性了。

 

 

证据4冲刷坑内只见横向圆圈刻痕,却不见纵向刻痕,见下列照片。横向圆圈刻痕是流水冲击岩粒刻画泥岩而成。若是由马踩驴踢,纵向刻痕必不可少。

 

 

 

证据5: 没有任何洼坑具马蹄形状(见下图)。冲刷坑形状受两组节理走向与岩石层理走向控制,可以形成菱形,三角形,哑铃形等。

 

 

   菱形的冲刷坑,不可能是马踩驴踢出来的。

 

 马蹄长这样子。

 

证据6:有的“蹄坑”出现在驴马明显地不可能去的地方,例如,倾角较陡、并不是路面的山坡上,下图中的2个箭头处。

 

 

证据7冲刷坑起源之地总是出现在岩石层面与两组共轭或多组节理交界处,那里原为薄弱地段,形成初始的洼坑,然后岩砂进入,被流水带动开始冲刷刻蚀,坑越来越大,坑壁越来越光滑。见下图:

 

 

有人错误地以为壶穴必须是在水很深的河道里才能形成, 忽略暴雨对山坡的冲刷与携带岩块对基岩的磨蚀作用; 还有人错误地以为任何地方的壶穴必须具有口小、肚大、底平的特点, 不知壶穴在不同环境形成的形态多样性。
 


硬说北京西山坡上壶穴是驴踢的,你问过驴吗?别以为驴傻,几百年总按着画好位置的点反复踩

驴马畜蹄在坚硬的基岩上焉能踩出大大小小、深浅不一,最深半尺多蹄窝

   其实,这些所谓的蹄窝在地质上叫壶穴(Pothole),是暴雨之中从坡上流下来的携带碎石的雨水磨蚀与腐蚀而成,其形成主要受两种地质作用控制:(1)磨蚀作用(Abrasion),水流中挟带砂、砾石刮擦、磨蚀不规则石面河床而产生的圆形、椭圆形、或近圆形的凹坑,然后,水流进入凹坑,形成涡流,盘旋冲击并转动坑内石子或砾石,不断磨蚀着坑壁,越磨越大,越磨越深,若在深部再遇到软弱岩层或薄弱面如节理或破裂等,冲蚀刮磨的速度就更快、效率更高,造成凹坑的侧向扩展、延长,使得一系列壶穴甚至在地下相互连通,形成地下河流。上述是机械作用。(2)腐蚀作用(Corrosion),即壶穴中水特别是酸性的溶液对岩石的溶解和腐蚀等化学作用。

在现代山区河床或洪水多次泛滥的倾斜山岩上,壶穴或水流的冲蚀坑非常之常见。在我带学生去怒江和金沙江考察时,我都会顺便让学生看壶穴,给他们讲壶穴成因。壶穴有大有小,大的就是深潭,小的就是驴蹄窝, 更小的不到指甲大


壶穴或激流的冲蚀坑有两个显著特点:一是坑壁光滑如镜,在坚硬、各向同性的岩石之中更为明显,例如,花岗岩、大理岩、灰岩、泥岩、砂岩等。二是,只要没有人动过,坑内总有砾石存在,其表面非常光滑,磨圆程度高。原先有棱角的石块,在涡流的冲击下,反复研磨着坑壁,石头磨石头,最后,棱角磨圆了,呈鸭蛋和鸡蛋状,大小不一。

壶穴是由水流携带乱石、砂子对原先小幅低凹之地(例如,节理与层理交界处)岩石进行研磨、摩擦、刻划、撞击等过程形成的。研磨有壁磨底磨之分。底磨主要由壶穴内大石块完成,而壁磨主要由冲进壶穴内的碎石与砂子完成。壶穴的直径与深度之比主要取决于壁磨和底磨作用的相对比例。高速水流推动石子猛烈撞击石面,使原先破裂张开、水被压进岩石裂隙内部、细沙子也挤进裂隙。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就被流水冲走。

 

壶穴之间可以相互合并,形成复杂的形态。

壶穴形成的速度相当惊人,例如在二战之中人工开挖的一条渠道底部,渠水仅用60年时间就在坚硬的玄武岩上形成长1.1米、宽0.8米,深1.29米的壶穴(Vishwas Kale and Veena Joshi (2004 Current Science, 86,23-726)。在阿拉斯加上乌卡克(Ukak)河,仅用了85年时间就形成直径4-6米、深2-3米的壶穴(Whippe et al., 2000, Geology, 28, 835-838)。在页岩和粉砂岩上,20年的时间使壶穴的大小增加4倍(Bloom et al., 2002.

壶穴是基岩上河流下切的重要过程。山间河流的下切速率为0.01-0.10/年。 当你走进长江三峡、虎跳峡、怒江峡谷,你看到的两岸悬崖峭壁,正是河流快速下切的结果。怒江峡谷有个石月亮的地方,山顶上有个圆圆的洞,看上去就像挂在半空的月亮。其实,那个圆圆的洞就是个壶穴,当时河底还在那个高度。如果河流每年下切5厘米,则每一万年河底就要下降500米。这个速度是非常惊人的。就是这样,山里的物质源源不断的被水流搬运到海洋,再沉积下来。由于地壳的均衡作用,山区地表物质的被搬运走了,又进一步导致那里地壳的整体抬升,就如漂浮水面的船,船上货物被卸载下来,船就抬升起来,侵到水下的船体高度就减小了。通过山体的剥蚀作用,原先深藏地下20-30公里的岩石就抬升出来、暴露地表了。所以说,壶穴作用对于地壳抬升意义重大。

 

 

 

所以,看大的深的壶穴必须去水流湍急、岩石坚硬的峡谷去看。因其交通便利,长江三峡是普通游客看壶穴的最佳地方。您可以结伴去重庆万州--奉节的瞿塘峡巫山巫峡--湖北巴东楠木园一带的长江两岸。最佳时间只能在每年3-4月份,因为其他时间长江水位高,壶穴淹没于江水之中,只有冬春枯水时节才露出水面。但是,三峡地区在每年3—4月份为多雾季节,若碰上一个好天气是您的运气。三峡壶穴是记录长江地形、地貌变迁、江水与岩石相互作用的关键性证据。

 

 

 

 

 

  这是美国加州Los AngelesSierra Pelona山顶,不是京西古道,依然蹄窝醒目。这里可以类比北京西山那段蹄窝斜坡路面。

 

 

 

 

     美国加州北部海滩上美丽的蜂窝构造,有的像蹄窝,有的像脚印,还有的像高尔夫球洞,其中许多还保留小块鹅卵石。这些都是水溶的坑。

      普通游客把岩面上壶穴或水流的冲蚀坑臆想成古畜的蹄窝蹄痕,可以原谅,毕竟他们缺失必要的基础科学知识。但是, 著名的地学期刊也这么讲,就误人子弟了。

 

在远古,生产力的低下,人们对自然科学无知不解,缺少道路和交通工具,更无通信设备和地理定位与定向设备,对材料包括岩石的物理化学性质知之甚少,对自然现象只能用神话、迷信、臆想去解释。现在,我们生活在21世纪,无需把浅的壶穴说成人(神)的脚印或兽的蹄坑”。

 

 

 

意大利庞贝古城大理岩铺的路上留下留下车轮的沟槽, 独独不见蹄坑

 

 

 

 

 

 

 

钢铁浇注的车轮或包了铁皮的车轮几百年在大理岩路面上不断机械研磨,留下沟槽,可是车是马拉的,为啥石头路面上没有留下马的蹄窝?大家知道,载重车的圆车轮的与石头的接触点上的压力比马蹄下面高多了,再说马不会老踩同一点。这证明所谓的蹄窝说不可能。

 

上图是苏德辰"下雨后专门去"牛角岭拍的照片,可见“蹄坑”与斜坡上的流水槽子(C)受控于岩石中两组共轭的剪切节理。AB两凹穴紧靠岩壁,驴马驼若走在苏德辰指定的位上,其身体必然撞上岩壁,更不谈这些畜牲身上还驮着向两侧外延的货物及包装。放着好好的路中间不走,这些畜牲偏偏找死往石头上撞,自杀寻解脱?俗话说,老马识途,就是驴子也不傻。蹄窝沿着岩石的劈理(薄弱面)分布。驼马驴聪明地能利用劈理?

 

 

 

  形成壶穴的磨损机理示意图

 

风化作用的化学过程, 包括化学反应、溶解-搬运-沉淀、氧化、水解等过程。在水、酸雨、盐水中溶解度越大的矿物(方解石、盐等)越容易失去,从而使岩石留下空洞。风化的物理过程和化学过程还可以相互促进,使得风化速度变得更快。例如,水-岩作用使得岩石发生蚀变,形成软矿物,更容易被磨蚀。磨蚀造成的微裂隙又会使水-岩化学反应加速。

 

 

 

水滴石穿就是“Drop impact erosion”

 

 

这个陡坡,驴子肯定踩不上去,怎么也有酒窝

有的人从“壶穴”这个“壶”字,就联想到茶壶或水壶的形状,以为“上面小,下面大”。其实不然, 壶穴发展有个过程,先开始是浅盘子、然后深盘子、碗、桶……还有,桶底相连,形成地下河流。就看我们在野外看到的是那个阶段。各种阶段的壶穴,我都看过。壶穴的直径向下能否变大,主要取决于向下的岩性是否更软或更硬。若有软岩,则变大。

      我参观过无数国外的地质公园,壶穴看过不少,没有一处采用驴踢马踩这样荒唐的学说" 解释岩石的风化空洞。上次我在课堂上介绍了某先生的“Potholes”形成的最新学说—— “蹄窝,老外学生笑翻了。为什么这样不值一驳的学问偏偏出现在中国并有一定市场?

驴拉磨: 北京西山蹄窝形成的证伪实验

 我们不妨一起再做个驴拉磨的思想实验,看驴很否在坚硬的石头上踩出半尺多深的蹄窝
  
许多人见过驴拉磨,驴沿着磨道、围绕着磨轴、拉着沉重的磨石,不断地原地转圈……. 

我们把单位时间内、单位道路面积上、驴蹄踩地的次数,定义为蹄踩量

 如果驴拉磨一天的蹄踩量可能不比京西古道一年的平均蹄踩量少,一年的驴拉磨的蹄踩量相当于京西古道365年的蹄踩量,两年多的驴拉磨的蹄踩量相当于京西古道在元、明、清三朝的总蹄踩量。如果,磨道是用牛角岭同样的岩石铺成,只用了两年多的时间,驴子就能在石头上踩出半尺多深的蹄窝?我看不可能。

 

这驴走在砖头路上,不留蹄迹

 

 

 
其实, 驴子是不喜欢走在坚硬的石头上(伤蹄子),喜欢走在松软的泥土上。所以,农村里懂驴、爱护驴的主人用泥巴铺磨道给驴走。

 

把西山坚硬石头上的壶穴成因,硬说是驴干的,驴也承受不起。

 

有人认为: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驴马的蹄窝。我在前面已经讲过,山坡上的壶穴可以由暴雨造成的流水形成。北京西山真的长年干旱, 从不下暴雨吗?

2012721日北京地区降大暴雨,其中房山区高达460 mm, 暴雨造洪灾,79人死亡,房屋倒塌10660间,160.2万人受灾,经济损失116.4亿元。北京周围的山区,洪水冲垮了很多道路、桥梁、田埂、农庄、房屋, 搬动了多泥沙、土壤、石块?石块之间经过多少次相互碰撞、刻划、摩擦、研磨、旋转?北京不建大空间的排水系统其实也与北京长年干旱"这样错误认识有关。北京长年干旱"这是的错误观点真是害人不浅!

 历史上北京地区有过多少次这样的暴雨?下图是近70年来北京特大暴雨的部分记录:

 

 

下面7.21暴雨造成北京地区道路、桥梁、村庄的破坏情况。学地质的一定要知道流水的作用。


反思: 科学是实实在在的东西,主观臆想不能代替科学研究。全国旅游区这类“人文景观”或“赝品文物”还有不少,有必要从自然科学的角度重新认识,给出正确的解释,不能以诈传诈,误导游客特别是青少年。中国大陆个别科研人员,缺少基本的科学素质与研究能力,又去迎合商业利益,不惜牺牲自己学术信誉,胡编乱凑,制造“成果”,招摇于市。


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