哈密巴里坤鸣沙山的由来

中国有四大鸣沙山，分别是甘肃敦煌鸣沙山、宁夏中卫县沙坡头、内蒙古包头响沙湾以及新疆哈密巴里坤鸣沙山。鸣沙山最为神奇的自然现象是能发出各种声音，故称之为“响沙”或“鸣沙”。国内外学者对“鸣沙”的成因已经做了大量的研究工作，以戴枫年等1997年发表在《科学通报》上的文章为例，其认为“鸣沙”的发声机制与石英矿物颗粒表面多孔（坑）状结构形成的共鸣腔有关，沙粒在运动的过程中因相互摩擦碰撞而产生极微弱的振动声响，经大量的共鸣腔共振放大后，形成可以被人耳接收到的频谱。据说在这四大鸣沙山中，巴里坤鸣沙山的响声最大。

巴里坤盆地鸣沙山近照

巴里坤鸣沙山位于新疆哈密巴里坤哈萨克自治县境内，距离哈密市北约70公里，西距县城约60公里。与地处戈壁、沙漠环境的其它鸣沙山不同，巴里坤鸣沙山四周被丰美碧绿的草场所包围，草场外为巍峨的天山东段，山脚绿树如茵，长满了松树，山坡上则是裸露的岩石，山顶被冰雪覆盖（如图）。鸣沙山置于其间犹如湛蓝大海中的一座金色小岛，北东向长约6公里，北西向宽约4公里，单个沙丘多呈北东-南西向展布，与盛行的西北风向垂直，最高沙峰约100米，背风向的陡坡下有泉水出露，塔水河和柳条河绕沙山两侧蜿蜒流过。在如此美丽的环境下，巴里坤鸣沙山的沙从何而来？又是在什么时间形成的？则是几千年来人们还在苦苦探寻的问题。

一、关于巴里坤鸣沙山的传说

鸣沙山的由来有很多传说。（1）《巴里坤地名志》记载：“史载，东汉元嘉一年（151），汉王朝驻伊吾司马毛恺为维护蒲类和伊吾的安全，率骑兵500与北匈奴呼衍王大战于蒲类海东，在沙处全军覆没”。（2）唐朝军队四十八座营屯驻扎在此地，忽一夜风起沙飞，形成沙山，四十八营将士尽为黄沙掩埋。清代诗人萧雄的《沙垒》是这样记述的：“雾里辕门似有痕，浪传四十八营屯。可怜一度风沙恶，埋没英雄在覆盆”。（3）唐代女帅樊梨花挂帅西征，在此地与突厥军队遭遇，一场恶战之后，有一营女兵集体遇难。当樊梨花率部凯旋回朝，走到这里时突然狂风大作，飞沙遮日，整整刮了7天7夜，风停歇后，巴里坤草原依旧翠绿、山水溪流依旧潺潺，但是这营女兵牺牲的地方却平地出现了这座沙山，历经数千年，这堆松散的沙子却风吹不走，雨淋不垮。沙山的鸣沙声犹如战鼓擂擂，铁蹄杂沓，兵戈相击，娇叱阵阵，旌旗烈烈，刀枪磕碰回荡于耳畔不绝。（4）唐代女帅樊梨花西征至此地，见水草丰美，于是选择在此安营扎寨，结果夜间突然狂风大作，风停歇后，这里就多出了一座沙山，驻扎在这里的一营女兵全部葬身沙山。鸣沙山的沙鸣声像是埋葬在此、怀念家乡的女兵们仰空长泣。

人们以传说的形式讲述了巴里坤鸣沙山的由来。在这些传说中，鸣沙山成为这些为了维护国家稳定统一、人民安居乐业而战死他乡，永远留守在异乡的古代远征将士们的永恒丰碑（详见彭兴礼, 2013），寄托了人们对英雄的敬意。鸣沙山北麓现存古兵营和樊梨花马桩等遗迹，以及上世纪军马场职工在鸣沙山发现的古代兵器、马和骆驼等动物残骸，似乎就是对这些古老传说的印证。

二、巴里坤鸣沙山沙子的来源

“参天之木，必有其根；怀山之水，必有起源”。我们如何探寻巴里坤鸣沙山沙子的来源呢？在地质学研究中，有很多种方法可以追溯构成岩石和沉积物的物质来源。对于沉积物而言，当前最为有效的方法之一是锆石的物源示踪分析。锆石是岩浆岩、变质岩和沉积岩三大岩类中最为常见的副矿物，主要化学成分是ZrSiO4，并含有U、Th、Pb等多种放射性元素及稀土微量元素。锆石在三大岩类中的含量虽然微小，但是其物理、化学性质非常稳定，具有极强的耐风化性。锆石按成因通常分为岩浆锆石和变质锆石两类。岩浆锆石是在岩浆冷却成岩的过程中直接从岩浆中结晶形成的，一般具有环带状结构。变质锆石是在变质作用的过程中形成的，锆石的形态和内部结构都比岩浆锆石复杂。岩浆岩和变质岩中的锆石矿物一旦形成，就开始计年，其原理是利用锆石矿物中的U和Th放射性元素的衰变速率进行定年。在地质学上，放射性元素的衰变速率称为半衰期，即放射性母体同位素的原子数衰减到原有数目的一半所需要的时间。放射性同位素的半衰期不受外界因素的影响，一旦含有放射性同位素的矿物生产，矿物内的放射性元素就开始衰变，其不变的半衰期就像天然时钟一样开始计时。通过测定矿物内放射性同位素（母体）的量与其衰变生成的同位素（字体）的量，就可以计算得到矿物形成的年龄。锆石矿物中的铀有²³⁴U、²³⁵U和²³⁸U三种同位素，²³⁵U和²³⁸U以不同衰变速率分别衰变成²⁰⁷Pb和²⁰⁶Pb；²³²Th则衰变成²⁰⁸Pb。由于²³⁵U、²³⁸U和²³²Th的半衰期分别为4.468×10⁹年、0.7038×10⁹年和14.010×10⁹年，锆石U-Th-Pb测年的范围完全可以涵盖地球上最古老岩石的年龄（地球的形成年龄约为46亿年）。因此，通过检测锆石矿物中母体U和Th的含量与衰变生成的子体Pb的含量，就可以通过半衰期获得岩石形成的年龄。

巴里坤鸣沙山的沙子中含有丰富的锆石矿物，通过对这些锆石进行U-Th-Pb同位素测年，可以得到这些锆石形成的绝对年龄。鸣沙山沙丘的延伸方向为北东向，北西侧坡度较缓，南东侧坡度较陡，说明主要风向是由西北向东南，与现今我国冬季盛行的西北风风向一致，这首先启示我们鸣沙山的沙子都是来自西北地区。鸣沙山西北是大量的戈壁、沙漠环境，如塔里木沙漠、准噶尔盆地以及阿尔泰地区，这些地区都有可能为鸣沙山提供沙子的来源。那么，如何确定鸣沙山沙子的具体来源呢？这就是涉及到了锆石U-Th-Pb年龄的示踪意义。国内外学者对包括天山、阿尔泰山、准噶尔盆地、塔里木盆地和巴里坤盆地内的岩石和沉积物进行了大量的锆石年龄测定。由于不同地区岩浆岩和变质岩的形成年龄不同，不同盆地内沉积物中的锆石矿物的年龄谱也不同，通过测定鸣沙山沙子中锆石矿物的年龄谱，并与鸣沙山周边可能物源区的锆石年龄进行对比，就可以确定鸣沙山沙子的来源。我们测定了鸣沙山两个样品中的锆石年龄，通过对比发现，鸣沙山的锆石年龄谱与塔里木盆地和阿尔泰地区都不一致，但是与准噶尔盆地东部和东天山基本一致。巴里坤盆地是东天山内的一个山间小盆地，盆地周边山体岩石在自然环境下不断发生风化破碎，这些破碎的碎屑物被水流带入盆地堆积，形成数百米厚的松散沉积物。这些松散沉积物里就含有盆地周边山体岩石里的锆石矿物。在风力作用下，这些碎屑物连同锆石矿物一起被吹移，在巴里坤盆地东口，由于山脉阻挡，发生堆积，从而形成了鸣沙山。准噶尔盆地东部与巴里坤盆地西部之间的山体海拔较低，也有部分沙尘可以越过低山进入巴里坤盆地。因此，巴里坤盆地鸣沙山的沙子主要来自巴里坤盆地内的碎屑物及准噶尔盆地东部地区。

三、巴里坤鸣沙山形成的时间

上述回答了巴里坤盆地鸣沙山沙子的来源问题，那么，鸣沙山又是什么时候形成的呢？这就涉及到了第四纪研究中的沉积物定年技术。第四纪定年技术最常用的是¹⁴C放射性同位素定年和释光定年。¹⁴C测年需要一定量的有机质，而鸣沙山中几乎不含有机质，因此，释光测年是最好的选择。释光测年的基本原理是，沉积物中的矿物颗粒（主要是石英和长石）被掩埋之后不再见光，不断接受来自周围环境的辐射，即沉积物中的U、Th和K等放射性物质衰变所产生的射线，这会导致矿物颗粒随时间的增长不断累积辐射能。这些累积的辐射能经过加热或者光照射激发之后会被清空或者降低到可以忽略的水平（释光信号被晒退清零），埋藏之后又会重新积累（即开始计时），埋藏的时间越长，矿物颗粒中累积的辐射能就越高。因此，通过测量石英、长石矿物颗粒中累积的辐射能（等效剂量），然后再测量出矿物颗粒单位时间内接受的辐射能（年剂量率），那么，累积的等效剂量除以年剂量率即是矿物颗粒最后一次曝光之后接受辐射的时间长度，也即埋藏至今的年代（赖忠平和欧先交, 2013）。考古中出土的陶瓷是哪一年烧制的？就是利用释光测年获得的年龄。

我们在巴里坤鸣沙山的不同位置采集了释光测年样品，具体是先挖去鸣沙山表面的沙粒，一般挖进去的深度超过1米，然后在避光的条件下，用500px长、管口内径125px的钢管砸进沙子里，然后取出钢管，并把两头遮光密封。剩余的工作则在实验室完成。根据实验室最终测定的累计等效剂量和年剂量率，就可获得鸣沙山沙子埋藏的年龄。我们由此获得的鸣沙山最老的年龄约为9000年。这个年龄并不代表鸣沙山的年龄是9000年。为什么这么说呢？这还要从释光测年的原理和沙丘的运动说起。由于形成沙丘的沙子在沉积并被掩埋后，在风的作用下有可能会被重新剥露并再次搬运，沙丘的活动性越强，这种重复搬运的几率就越大。因此，鸣沙山的沙子测出来的约9000年的年龄只是代表了沙粒最后一次被掩埋后的年龄，即鸣沙山形成的最年轻年龄。

巴里坤鸣沙山是在风的作用下，在约9000年前形成的。那么，为什么会是这个时间呢？根据陈发虎院士对中亚地区全新世以来气候环境的研究结果，在约8000年之前，中亚地区是一个广泛存在干湖床或低湖平面的干旱气候（Chen et al., 2008）。巴里坤盆地地处中亚腹地，盆地西段有一个巴里坤湖，现在的湖水面积约112平方公里，湖水深度多小于1米，湖里有储量丰富的芒硝矿和盐田。这么大的一个湖泊，在8000年之前可能是干涸的或者湖水面积很小，那么裸露出来的湖床为风力侵蚀和搬运提供了大量的松散砂土，在西北风的吹蚀下，这些较大颗粒的沙子被搬运到盆地东部的鸣沙山位置沉积下来，更细小的土可能搬运到巴里坤盆地以东更遥远的地方，如黄土高原，甚至太平洋里。

“观芥子知须弥”。巴里坤鸣沙山的秘密都隐藏在这细小的沙子中，等待着人们的细心解读。