争鸣:是蹄窝,还是壶穴? 勘查《饶科知识份子》脸上“酒窝”是兽踢下的“苏式蹄印”吗?
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《蝌蚪士导读》为了帮助读者弄清楚来龙去脉，蝌蚪士再推送下文：《基岩山坡上的暴雨流冲刷坑岂能被误认为驮兽蹄窝？》这是与前天发表的那篇《重弹炮轰《饶科知识分子》歪理谬论! 逐条严词批驳"伪科份子"绕议京西石窝......：北京西山石窝的学术争论：是蹄窝，还是壶穴？》(作者| 孙劳伦) 是姐妹篇。 不过，下面这篇文章才是大姐大：让科学爱好者弄清楚：“伪科知识分子饶议” 脸上“酒窝”误为被踢的“苏式兽蹄印”: 其学术争鸣焦点，是驮兽蹄窝, 还是天然壶穴？一位著名科学家提醒: 做科普的人自己要有对伪科学的识别能力，不能把伪科学“科普”给大众; 否则，做的不是科普而是精神污染。大多数伪科学或“不科学即科盲”视乎戴着一顶科学的帽子，貌似比科学还科学，如何识别？做科普的人不能为伪科学兜售其奸，可惜《饶科知识分子》就这么做了，毕竟又不懂地质学，为何不把双方争议同时发表，让国际一流学者或专业科学家甄别其真伪?
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基岩山坡上的暴雨流冲刷坑岂能被误认为驮兽蹄窝？
作者|嵇少丞
E-mail : sji@polymtl.ca
本文原发于《大地构造与成矿学》2016，Vol. 41， No. 6，pp. 1039-1052）
摘要： 山脉的隆升与夷平无不与地表岩石的风化剥蚀密切相关，暴雨冲刷作用对山区岩石的风化剥蚀至关重要。雨水顺着倾斜的山坡迅速汇聚，形成湍急洪流，冲携山坡上的砂砾与小石块，对石坡上原先小幅度的洼凹之地或薄弱部位进行机械性磨蚀与化学溶蚀，上述地质过程不断重复，逐渐形成山坡壶穴。美国加州华斯克巨岩公园、澳大利亚中部大红山以及中国北京西山的山坡壶穴都是暴雨流壶穴的典型例子。可惜过去一段时间里北京西山地区的山坡壶穴被有些人误认为是“京西古道上骡马驴踩出来的蹄坑”，这样解释的前提条件是在数百年间、数以万计的骡马驴不断地踩进同一处、且不断加深的石头蹄坑。动物行为学研究表明，马之类的动物在行走过程中会本能地躲避踩进较深（≥5-10 cm）的洼坑或水坑，以防扭伤蹄腕或折断腿骨。世界上著名的铺石古道上只见车辙痕不见马蹄坑，亦是有力的证明。
《地质论评》第62卷第3期发表了中国地质科学院地质研究所研究员苏德辰《是蹄窝，不是壶穴——北京西山古道蹄窝成因考》的论文。这篇文章分为“古代陆路交通及遗迹类型简述”、“京西古道概述”、“京西古道上的蹄窝” 、“成因讨论”与“结论”等5个部分，作者提出那些在山坡基岩路面上出现的形态各异、深高达30多cm的凹坑是运煤的驮兽踩出来的蹄坑， 并以此勾画出下列情形：明清两朝，数百年间，年复一年、运货驮煤的马骡驴，蹄子下钉了铁掌，日夜不断地穿行往来，把古道上的坚硬的基岩路面踩磨得锃光瓦亮，留下了永久的痕迹——串串蹄窝。其实，上述观点最初是由历史文化学者提出来的(北京市门头沟区文化文物局， 2001；陈保亚等， 2016)，并作为京西古道在明清两朝商贸繁荣的证据。但是，这样缺乏地质科学论证的观点出现在地质学家发表于国家核心学术期刊的论文中，不可避免会导致许多游人形成模糊认识。更重要的是，把暴雨流冲刷形成的山坡壶穴误当动物蹄窝，而前者是一种重要的地质作用，对山区岩石的风化剥蚀至关重要，山脉的隆升与夷平无不与地表岩石的风化剥蚀密切相关。为此，笔者特对苏德辰的文章做如下讨论，供读者明辨是非。
1.
暴雨流壶穴
与壶穴对应的英文词是Pothole（吕洪波和章雨旭，2008）。在国际上，Pothole有两层意思， 一是指由冰雪（体积变化）或雨水(冲刷)造成路面损坏所形成的凹坑（例如， Koch and Brilakis, 2011； Tiong et al., 2012）; 二是指由流水携带岩粒或砾石对基岩表面研磨钻掘而形成的凹坑 (Depressionson bedrock surfaces, created by the abrasive action of solid particles swirlingin running water, Tarbuck et al., 2009) ， 其形成过程中亦有水-岩反应（例如，化学溶蚀作用）参与。流水既可以是河道的水，也可以是山坡上的雨水与洪水。由前者形成的壶穴叫河道壶穴（Stream-bed pothole or bedrock channel pothole, Pelletier et al.,2014; Wang et al., 2009），由后者形成的称之为山坡壶穴（Hillside pothole）或暴雨流壶穴（Rainstorm-inducedpothole）。
暴雨是常见的气象现象，雨水顺坡迅速汇聚，形成激流，冲携山坡上的砂砾与小石块，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砂砾与岩块冲进山坡壶穴，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小石块，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。
暴雨流成因的山坡壶穴在基岩裸露、光秃秃的山上尤其常见， 例如，在美国加州、犹他州、内华达州、亞利桑那州的山上，这类暴雨流成因的壶穴比比皆是。图1所示的是位于美国加州洛杉矶县北部华斯克巨岩（Vasquez Rocks）州立公园（地理坐标：34.6000 N， 118.3167 W）内的暴雨流壶穴。这些嶙峋的巨石群位于Sierra Pelona山区， 后者夹在东边的San Andreas 断层与西边的San Gabriel断层之间，主要出露的是华斯克巨岩组的灰黄色砂岩，局部含有泥岩、砾岩或玄武岩夹层， 形成于距今20-30 Ma之前（Hendrix and Ingersoll, 1987）。太平洋板块相对于北美大陆板块的运动形成区域性的褶皱构造，造成岩层倾斜，倾角40-50°（图1）。当地年降雨量介于230-560mm/年之间， 平均值约为376 mm/年 (Woodruffet al., 1970)，比北京地区还少得多， 后者为601 mm/年 (图2)。尽量如此， 年复一年的暴雨流依然在山间的石坡上冲刷出许许多多的凹坑，即地质学上的暴雨流壶穴。1873-1874年间，臭名昭著的江湖大盗华斯克（Tiburcio Vasquez）为了逃避政府警察的追捕，藏匿此山，此山因此得名。华斯克巨岩具有很高的知名度，因为其独特的地形地貌，先后成为几十部著名电影与电视剧（例如，喜剧片《凯撒万岁！》、故事片《生活大爆炸》、《星际大战》等）的外景摄制场地。
图1. 位于美国加州华斯克巨岩州立公园内部由暴雨流冲刷而成的山坡壶穴。
Fig. 1. Typical rainstorm-induced potholesobserved on the stony hillsides of the Vasquez Rocks Natural Area Park innorthern Los Angeles County, California, USA.
图2. 1949年来北京地区年降雨量的情况。平均值为601 mm/年， 最大值达1406 mm/年。
Fig. 2.Variation of annual rainfall in the region ofBeijing (1949-2016) with an average value of 601 mm/year and the maximum of1406 mm/year (1959).
笔者再举一个暴雨流壶穴的例子，那就是位于澳大利亚中部的大红山（地理坐标：25.3450 S， 131.0361 E），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”。该山很小，长只有3千米， 宽2千米，拔地高度348米（海拔867米）， 周围是一片广垠的荒漠。大红山的知名度特别高，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。
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。
大红山的山顶与山坡上几乎没有土壤与植被， 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3），内壁光滑，底部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4），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。除前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。
图3. 澳大利亚大红山上的山坡壶穴，即暴雨流冲刷坑。
Fig. 3. Typical rainstorm-induced potholesobserved on the stony hillsides of the Ayers Rock (Uluru, Northern Territory,Australia).
图4. 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. 4.The Ayers Rock turned into massivewaterfall during heavy rains.
2.
北京西山的暴雨流壶穴
北京西山地区典型的暴雨流壶穴可见于的峰口鞍（115.9992°E, 39.9258° N）、牛角岭（116.9638° E, 39.9638° N）和石佛岭（116.0075° E, 39.9747° N）等处的基岩路面上，其中峰口鞍的侏罗系粉砂岩山坡路面上有暴雨壶穴120多个， 最大直径达30 cm，深度达33 cm，壶穴之间的距离无规律性。牛角岭有410多个大小不等的暴雨壶穴，分布不均匀，间距变化很大（图5-6）， 基岩为钙质或泥质胶结的粉砂岩或含砾砂岩。石佛岭的暴雨流壶穴目前发现的只有几十个，由于基岩为相对致密、孔隙度小的奥陶纪石灰岩，暴雨流壶穴普遍较浅（˂6 cm）。可惜，北京西山这些暴雨流壶穴被有些人误认为骡马驴的蹄窝，并以此作为京西古道的考古证据 （北京市门头沟区文化文物局， 2001；陈保亚等， 2016； 苏德辰， 2016)。牛角岭所在王平镇韭菜园村还把“蹄窝”围起来开发成“京西古道”的旅游景区。
图5. 北京西山（王平镇韭菜园村）牛角岭的山坡壶穴，由无数次暴雨重复冲刷而成，却被人误认为“京西古道”上骡马驴的蹄窝。白色箭头指示山坡倾向，即暴雨流的流动方向。
Fig. 5.Typical storm-induced potholes observed at Niujiaoling, Western Hills, Beijing,which were erroneously interpreted by Dechen Su(2016) as hoof holes.
图6. 北京西山（王平镇韭菜园村）牛角岭的山坡壶穴的典型特征，见文中说明。
Fig. 6.Typical characteristics of the storm-induced potholes observed at Niujiaoling,Western Hills, Beijing. See the text for explanation.
经实地考察发现，北京西山的暴雨壶穴具有如下特点：
（1） 无论壶穴大小与形态，以及内中有水无水，但皆有岩砾、沙粒（图5， 图6a-d），正是暴雨流冲动这些岩砾与沙粒不断研磨着坑内的石面，久而久之才形成山坡壶穴。
（2） 雨后坑内积水，水-岩发生化学反应，使孔隙度较高的沉积岩发生风化蚀变（呈红黄色，图6a-d），岩石发生软化，使其更容易被研磨刻蚀，形成洼坑。
（3） 北京西山的石坡上有许多比骆驼、驴蹄、马蹄小很多的冲刷坑，其直径还不到硬币大小，这些凹坑不可能是骆驼、骡、马、驴的蹄子踩出来的（图6e）。
（4） 冲刷坑主要沿暴雨流容易集中的低洼沟槽部位分布（图5），冲刷坑具非对称性，即进水处缓、出水处陡，指示水流方向至上而下，这是暴雨流壶穴的普遍特征。 39 57847 39 23042 0 0 4052 0 0:00:14 0:00:05 0:00:09 4053若是蹄窝，马帮有去有回，双向行走，骡马踩出来的就不会有这样的非对称性。
（5） 还有的壶穴具有明显涡旋形状。受地势影响，流水从一侧进入冲刷坑，涡流裹挟着沙砾研磨坑壁，逐渐形成涡旋形状的壶穴，这样的坑是骡马驴踩不出来的。
（6） 冲刷坑内只见横向圆圈刻痕，却不见纵向刻痕。横向圆圈刻痕是流水冲击岩砾刻磨沉积岩而成。若是由马踩驴踢，纵向刻痕必不可少。
（7） 许多凹坑出现在陡坡上（图6e）或紧贴山岩陡壁的地方，那些地方明显是骡马驴不可能常去的地方。
（8） 没有任何凹坑具马蹄或驼蹄形状（图5-8）。暴雨流冲刷形成的山坡壶穴的形状受岩石层理与多组构造节理定向的控制（图6a-d），形状多变，可以呈菱形，三角形, 哑铃形等。事实上，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汇处，那里是薄弱地段，容易形成初始的洼坑，然后岩砾与砂粒被暴雨流水冲入，进行磨蚀，坑越来越大，坑壁越来越光滑。
（9） 凹坑的深度与基岩路面的坡度成正比，即地形较陡的地方，壶穴普遍较深（最深者约33 cm）， 坡度较缓的路段，则壶穴较浅，一般介于1~10 cm之间。这种的现象正好说明北京西山的凹坑是暴雨流冲刷而成的，因为下暴雨时，水流的速度随地面坡度增加而增加。水流急，砾石与砂粒对山坡壶穴的底部与穴壁磨蚀就快。
图7. 马蹄（a， 比例尺的单位是英寸，1英寸等于2.54cm）及其留在沙土表面蹄印的形态（b：没有打蹄铁； c-d：打了蹄铁）。蹄印的直径约为12 cm。
Fig.7. Shapes of a horse hoof (a, scale in inch, 1 inch = 2.54 cm) and hoof printson sands or soils. With (c-e) and without (b) metallic shoes nailed into thehoofs. Diameters of the hoof prints are about 12 cm.
图8. (a) 20世纪初北京的运煤驼队（美国人 C.E. LeMunyon 拍摄）； (b) 走在松软沙滩上的骆驼留下来的蹄印。北京西山的蹄窝无一具有这样的形状；（c-d）驼蹄的形状及其无法打脚铁的肉掌。
Fig. 8. (a) A picture taken by C.E. LeMunyon in Beijing around 1906, showinga camel troop. (b) Camel hoof prints in the sandy beach. (c-d) Characteristicsof camel hoofs impossibly with metallic shoes nailed into the hoofs.
3.
讨论
3.1. 北京用煤量与运煤方式
陈保亚等（2016）与苏德辰(2016)等提出北京西山基岩路面那些形态各异、深达30多cm的凹坑是打了脚铁的骡马驴日复一日、年复一年的踩出来的。据学者邱仲麟（2016）估计，北京每人每年使用煤约250 公斤。据韩光辉（1996）的《北京历史人口地理》与高寿仙（2014）的《北京人口史》， 明朝崇禎年间，北京人口约有 70 万。李自成进京与清兵入关的战争使得北京人口降至15 万多，顺治四年（1647）京城人口恢复到54 万左右。康熙二十年（1681）时，城内人口约为64 万，乾隆四十六年（1781），京城人口约近78 万。此后，城居人口没有大幅增加。光绪八年，城内人口仍与乾隆四十六年差不多。即使按80万计，则每年用煤约20 万吨（比苏德辰说的32万吨要少很多）。驴的负载能力不高，每次能运约100 kg，行走速度不快，每年运输20 万吨煤则需要约2万头驴。马的价格比驴骡高很多，当时的马多用于军事和邮驿，取其挽乘之功和快速之长，不太会用于干驮煤这样的粗话（乾隆28年，50 kg煤才卖50文钱），否则成本太高。骡的耐力比马强，负载力比驴强，每次可以驮100-150 kg。 自清朝定都北京到民国初，从西山向北京运煤却主要靠骆驼。乾隆年间的周广业在《过夏杂录》和光绪年间的孙宝瑄（1874-1924）在日记中都写过：“京师运煤，多用骆驼”。“一驼可负四百斤（200 kg），伏地装货，捆载毕，牵之即起，则力能胜任；不能即起，则所任太重，当为减去”。华学澜在《庚子日记》十二月十六日记道：“早，酌升出城，卸煤十四骆驼，共五千六百十斤”。同月十九日华学澜再次写道：“早，卸煤三骆驼，共净煤一千一百八十五斤”。可见，每驼驮煤约四百斤（200 kg）。 1886年，一匹骆驼售价40~50两白银（福岛安正， 1886），当时一个六品官员（正局级）年薪才45两银子。当时，北京运煤的商号以钱粮胡同的鸿顺和观音寺的大德生两家最大，后者有690匹骆驼（邱仲麟， 2016）。
清朝民间有一些客观的反映了当时北京考骆驼运煤的情况，例如，
凿断山根煤块多，
抛砖黑子手摩挲。
柳条筐压峰高处，
阔步摇铃摆骆驼。
还有，
肿背马行铃声长
或五或十联作行
背上捆载高如墙
驼能辨风色
驼能识泉脉
不用驼智用驼力
城中千烟复万烟
仗尔西山运煤石
大家知道，骆驼蹄子是肉掌（图8）， 无法往上打铁掌。为了防止骆驼磨破肉掌，人们给它们蹄子套上了特制的“皮布娃”（皮鞋），这也与陈保亚等（2016）与苏德辰(2016)等人的铁掌在坚硬岩石上踩出蹄窝假说相悖。
元朝的熊梦祥《析津志》记录说：“城中内外经济之人（商家），每至九月间买牛装车，往西山窑头载取煤炭，往来于此”。“冬月，则冰坚水固，车牛直抵窑前；及春则冰解，浑河水泛则难行矣。往年官设抽税，日发煤数百（车），往来如织”（北京图书馆善本组《析津志辑佚》，北京古籍出版社1983年版）。当时的析津府即后来的北京。上述记载似乎反映元朝时北京主要用牛车运煤，而不是苏德辰（2016）所说的用骡马驴背荆筐驮煤，后者的运输效率明显小于前者。此外， 北京的用煤也并不是全都来源于西山。清朝的漕运非常发达，从山东或唐山沿水路用船往北京运煤也是常有的事。乾隆、嘉庆年间，“商贾辐輳，炭窑时有增置。而漕运数千艘，连檣北上，载煤动数百万石，由是矿业大兴” （邱仲麟， 2016）。道光三十年（1850），华长卿(1805-1881)有诗为证：“秋熟丰年稼，如云颂大田。羊牛来夕矣，妇稚乐欣然。远景绿千里，晚霞红半天。琉璃河畔水，乱泊载煤船”。光绪十三年(1887年) 闰四月，史梦兰（1813-1898）自唐山河头登舟西行，赴定州访王灏，途中作《东西淀舟行杂咏》：“新河潮汐接芦台，早晚煤船次第开。不是家家养乌鬼，纷然指道黑猪来。”诗註表明“煤船为黑猪”。光绪二年（1876年），在北洋大臣兼直隶总督李鸿章的主持下，于河北成立了开平煤矿公司，决定向西方国家学习，建铁路，以解决运煤之需。1881年，唐山矿井到胥各庄的铁路正式通车。据《房山县志（民国）， 卷2，交通、路政》，1909年，房山到青水港74 km长的运煤索道建成，最多一年运煤18万吨。京汉铁路于1906年以及西直门到门头沟的铁路于1909建成通车，从此用火车向北京运煤， 效率大增。
3.2. 北京地区降雨量与暴雨流形成的山坡壶穴
持蹄窝说的苏德辰（2016）等认为，北京西山的这些凹坑位于基岩路面上，后者高出永定河河道40~230 m，“ 京西古道不受河水冲蚀”，“河水根本不可能经过的（西山）峰口鞍、牛角岭和石佛岭三个（准）垭口位置，这些位置不存在河流的冲刷作用，也不存在长时间大量雨水的冲刷作用。流水冲刷形成壶穴的条件在京西古道上根本不存在”（苏德辰， 2016）。他们坚持认为：在降雨量较小的北京地区，壶穴只有在永定河与大石河的河道上才能形成（例如， 延庆县大庄科乡的白龙潭，就是河道上流水冲刷出来的河道壶穴，而不是雨水冲刷的山坡壶穴，吕洪波等， 2010; 章雨旭和刘恋，2011）。吕洪波等也（2008）强调，“壶穴是光滑的圆形、碗状或圆柱形的凹坑（通常情况下这些坑的深度大于直径），是由涡流或水流携带石头或粗沉积物研磨基岩河床形成的，在强急流或瀑布下方容易形成”。从美国加州华斯克巨岩公园和澳大利亚大红山的实例分析看来，上述这些作者的认识明显只适用于河道壶穴，而不适应雨水冲刷形成的基岩山坡壶穴。连续不断的深水流并不是基岩壶穴形成的必要条件，最著名的例子就是美国亚利桑那州羚羊谷（图9a-b）和犹他州锡安峡谷（图9c）。 羚羊谷是一条地下河谷，与锡安峡谷一样都是由一系列壶穴连结贯通而成的。春秋冬三季干枯，只有夏季暴雨之后，洪水激流冲动河底的砾石，像一个个锋利的钻头，刨蚀掏空着基岩，形成无数个大大小小的壶穴，然后彼此贯通，使得基岩上河道不断切或峡谷逐渐加深。
图9. 美国亚利桑那州的羚羊谷 (a 为地表，b为 地下)和犹他州锡安峡谷（c）。
Figure9. Antelope Canyon (a and b) in Arizona and ZionCanyon in Utah, USA.
同理， 过去人们以为是第四纪冰川或差异性溶蚀作用形成的山脊壶穴（韩同林等， 2000， 2001；章雨旭，2005； 章雨旭和刘恋，2011）, 也可能是暴雨流成因的。可见，不要以为壶穴必须是在水很深的河道里才能形成，而忽略暴雨流对山坡的冲刷与携带岩块对基岩的磨蚀与溶蚀作用。无论机械性磨蚀作用还是化学溶蚀作用，都属于地表岩石的风化作用。酸与盐的存在加快水-岩反应，导致岩石弱化，使得后来的磨蚀与溶蚀作用更加容易。此外，温度变化与植物根系对岩石裂隙的侵进也会造成岩石破裂， 然后，大风与雨水再把山坡上裂解后的岩石小碎块带进凹坑，为后来的研磨与掘蚀提供“工具”。有的人从“壶穴”的“壶”字联想到茶壶或水壶的形状，以为任何地方的壶穴都必须具有“口小、肚大、底平”的特点。其实不然，壶穴在不同环境形成的形态具有多样性，而且壶穴发展有个过程，先开始是浅盘子、然后深盘子、碗、桶的形状。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。
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水流不断的河床上才能形成。图2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1，3-4）。
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1000mm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。
3.3. 基岩路面上形成蹄窝的必要条件
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 steppedinto a deep enough pothole or “gulche” there was the possibility that theanimal 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 EveningTelegram 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“Steppingholes”（苏德辰， 2016）。大家知道，Steppingstone，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。
3.4. 来自古道车辙痕的旁证
蹄窝论者苏德辰（2016）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(图10)？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。
图10. 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. 10. No hoof holes observed on historical trafficroutes with cart-ruts. (a-b) Pompeii and (c) Rome in Italy.
4．
结论
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（陈保亚等， 2016；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., Contiand 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。暴雨流的冲刷与溶蚀作用对山区岩石的风化剥蚀至关重要，研究山脉的隆升与夷平不得不考虑上述过程对地表岩石风化剥蚀的重要性。
致谢: 感谢加拿大自然科学与工程基金会（NSERC） 57 57847 57 33154 0 0 5137 0 0:00:11 0:00:06 0:00:05 6315提供研究资助。
5
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Rainstorm-induced erosion as a mechanism for the formation of hillside potholes
Shaocheng Ji，E-mail: sji@polymtl.ca
Abstract：Rainstorm after rainstorm over hundreds or thousands of years has sent water plummeting down the resistant rock, wearing it away to formgrooves, chains of potholes and plunge pools. The potholes, which vary in shape and size, are drilled into the bed rock on the slopes of stony mountain where rapidly flowing water has enough potential energy to carry pebbles, granules and sands to erode deflation hollows through abrasion, corrosion and dissolution. Typical examples of hillside potholes formed and enlarged during the occasional heavy rains are demonstrated in the Vasquez Rocks Natural Area Park (northern Los Angeles County, California, USA)and the Ayers Rock (Uluru, Australia). Unfortunately, rainstorm-originated potholes in the region of the Western Hills (Beijing, China) was erroneously interpreted byDechen Su (2016) as hoof holes formed during the Ming and Qing Dynasties(1368~1912 AD). His interpretation inevitably involves a speculation that thousands of horses have stepped into the same but progressively deepening holes during several hundred years. However, the fact that, by nature, horses instinctively avoid stepping in deep (≥5-10 cm) ormuddy-water-filled potholes as to prevent any possible injury to their ankles of legs, makes Denchen Su’s hypothesis impossible. Furthermore, the absence of hoof holes on the historical traffic routes with cart-ruts (e.g., China,France, Italy, Malta, and Switzerland) consistently indicates that his hypothesis, no matter how highly original it may be, is baseless. The finding presented here has enormous implications for improving the understanding of the rates of bedrock erosionand pothole formation in mountainous regions.
推荐甄别:
《北京西山古道蹄窝形成过程解析》
是否真科还是伪科？
（作者| 吕洪波）
1
章雨旭研究员前两天发表博文：
北京西山古道上的蹄窝--现场审稿
http://blog.sciencenet.cn/blog-2719683-979272.html
科学网名博苏德辰教授的文稿，
“是蹄窝，不是壶穴——北京西山古道蹄窝成因考”
已经在《地质论评》付印，并于2016年5月20日正式挂网公开
(http://www.geojournals.cn/georev/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20166203012&flag=1)
该文是2015年12月初投到《地质论评》，作为地质学家，他否定北京西山古道上的一种凹坑是地质作用形成，而认为是驴骡马的蹄子长年踩踏而成。而此前，有著名地质学家,本网另一位名博，地质论评编委，曾经在网上作科普，认为这种凹坑是壶穴
(http://health.gmw.cn/2013-04/13/content_7306352.htm)。
北京西山古道，据苏德辰，2016，图2
上图左侧是丰（台）-沙（城）铁路，右侧是丰台-木城涧小铁路。
丰沙铁路是隧洞穿过牛角岭以北的山脉，而小铁路是绕等高线沿永定河谷行进。
稿件有点超出了地质学的范围，
但若不讨论，在公众中造成错误的科普，也是莫大的“罪过”。
稿件经有关专家审查，认为苏教授说得有理，但作为责任编辑，且对山脊壶穴稍有研究(见：http://www.kjdb.org/CN/abstract/abstract8630.shtml)的本人，对此还有些疑问。
2016年3月26日，在苏德辰教授的带领下，本人和其他几位科学网的网友一起，亲自到现场进行了“审稿”。
本人曾多次研究沿永定河的担礼-下苇甸-韭园-东石古岩-色树坟寒武-奥陶系地层剖面，自以为对这一带的地质地貌还是比较熟悉的。
此前，本人不太理解古人为何在斜河涧上山翻牛角岭，而不是沿着永定河谷沿等高线经丁家滩、下苇甸行进，尽管此路线绕行较远，但若是重货、重车，如此行进应当省力许多。本次考察发现，在斜河涧与丁家滩之间确有古道，但高悬于岩壁之上，且相当狭窄。因为这里是石灰岩的迎水坡。修道路相当不易，20世纪30年代修的小火车道是在岩壁内侧打的隧道。
斜河涧至丁家滩的古道，位于斜河涧北西约1千多米处的悬崖之上（与上图一排铁桩相连的远端），为在悬崖上凿出的内凹的宽仅1米多的栈道（中、下图），20世纪30年代的小火车道为隧道，通过人行古道的靠山一侧，标高比古道高出两米多；在河谷一侧现为一公路，现今公路得以通行，应当归功于官厅水库、珠窝水库和落坡岭水库等的修建。上图中的一排铁桩疑为因修小铁路破坏了原山崖上的内凹栈道作出的补救措施，即将木板置于这些铁桩上构成栈桥，以便连接人行古道。
在牛角岭关城区的东西两侧古道上，有大量的凹坑，基岩主要为细粒的火山碎屑岩。
在石佛岭古道上，基岩为奥陶系石灰岩，灰岩上还有虫迹和角石化石。该古道也是位于迎水坡，高出现永定河河面40多米，30年代的修的小火车道在其下方，也有多个隧道，下苇甸-王平公路则在更低的阶地上。沿小火车道和下苇甸-王平公路均是较好的奥陶系剖面。这段古道较为平坦，蹄窝有，但较少。
石佛岭古道及古道上的蹄窝,基岩为石灰岩或白云岩、白云质灰岩；该古道位于奥陶系灰岩的陡崖之上，距现在河面有40多米高。远处红楼为西石古岩村，为永定河的一古阶地。
在玉河古道的峰口鞍西侧一陡坡处，有一个蹄窝集中分布处，基岩为灰黄色细砂岩。
1）玉河古道，已无昔日的热闹；
2）苏教授现场科普，因为游人向我们介绍古道上的凹坑是壶穴；
3） 玉河古道峰口鞍西侧百余米处的蹄窝；
4） 峰口鞍东眺北京城，中部偏右可见央视的发射塔。
本人认为，从基岩为不同岩性，及这些凹坑的形态、大小及分布看，它们不是差异风化形成，更不可能是流水形成，不是山脊壶穴，也不是流水壶穴。
2 介绍苏德辰研究员刚刚发表的考证论文：
是蹄窝，不是壶穴
—北京西山古道蹄窝成因考
http://www.geojournals.cn/georev/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20166203012&flag=1
对于上世纪八十年代以前在中国北方山区农村生活过的人来说，蹄窝本身没有疑问，根本不用“证伪”或“证实”。然而，要让没有看过蹄窝的人士相信，我们还得做点科普工作。以下是我于2015年10月跟随苏德辰研究员在北京西山古道考察时用手机拍摄的照片，现稍作说明并解释其形成机理。
我用蓝边箭头表示斜坡向上方向，用红边箭头表示行走过程中骡马的蹄子向下滑动方向。大家就可以理解蹄窝的形成过程了。
山坡上形成的典型蹄窝有一个共同特点：蹄窝上方一般有很长的滑动沟槽，那是骡马或驴行走过程中蹄子落在斜坡上向下方滑动的痕迹。
如果仅仅是骡马或驴子的角质本身踩踏，只能在土体道路上留下蹄坑，难以将白云质灰岩磨损出明显的滑动沟槽及深坑。也许很多人并不知道，凡是长途运行劳作的骡、马、驴、牛，都要挂上铁掌，以避免过度磨损牲畜的蹄子。在上世纪八十年代以前，北方农村到处都有马车以及驮畜，甚至仅仅是种田的牲畜都需要挂掌。其中，牛挂的是两片双掌，而驴马骡则挂的是半圆形铁掌。请看下面来自网上的图片：
挂掌之后的骡马蹄子如同刻刀，在摩氏硬度不足4的碳酸盐岩表面刻划就容易留下痕迹了。当然，每当骡马在斜坡上行走的时候它们也尽量选择平坦或低洼的地方落脚以保持平衡，而一旦蹄子落在倾斜厉害或打滑的地方则自然向下方滑动，直至到达一个稳定的凹坑位置停止下来。久而久之，蹄窝就形成了。下面的剖面示意图可以很好地说明蹄窝的形成机理。
我之所以这么有把握地解析蹄窝的形成过程，原因是上世纪八十年代前我自己在赤峰农村生活了二十多年，在生产队干农活的经历：
冬天在斜坡土路上赶车上坡行走时往往停滞不前甚或倒退，这时就得有人帮忙推车。不仅骡马需要找低洼处落脚，连人都得找坑洼处落脚才能用上力气推车。而冻结的土路上的坑中很多就是蹄窝。有的新路没有蹄窝，就会人为地用镐头刨坑以便提供落脚点而减少滑倒。知识来源于生活实践！
没见过的人士可以质疑，但还是建议去问问北方山区的老农，或者亲自到北京西山现场考察一下就解决了。
苏德辰研究员的工作是非常仔细的，他带领过很多地学同仁现场考察讨论。章雨旭研究员上大学前在苏北农村的平原地区生活，没见过这样的蹄窝，但他到西山古道考察过后就觉得蹄窝有道理了。他亲自到现场去核实（审稿），体现了《地质论评》编辑部的认真精神。
蹄窝本来是考古学家应该干的事情，几年前科学网上一次激烈的争论促使苏德辰研究员多次考察西山古道蹄窝并成文发表。鉴于此，对当年参与争论的各位同仁表示感谢！
再次感谢苏德辰研究员：西山古道刚刚废弃几十年，蹄窝就争论不休了，如果现在不及时写出来，再过几十年等考古学家去解释，恐怕就会有更多的成因争论了。
趁着现在蹄窝还清楚，上世纪赶牲口的人还健在，欢迎质疑的人士去现场观察和走访农民（在这点上驾驭过骡马的农民是专家和权威），别等再过几十年证据少了而谁嘴大就听谁的，那就会出更大的笑话！
补充：本来不用讨论就可看出古道表面的坑坑不是流水冲刷形成的，但有人不信。故作如下分析：
第一：如果不受河水强烈冲刷，裸露的碳酸盐岩表面根本无法形 74 57847 74 43234 0 0 6176 0 0:00:09 0:00:06 0:00:03 9012深深的冲刷坑。而古道都修建在不受河水影响的斜坡上，不可能受到河水的强烈侵蚀。因此，那些坑坑与水流冲刷无关。
第二：看见斜坡上一系列蹄窝上方的沟槽吗？沟槽都是平底和直立侧壁，直立面和底部之间并非过渡而是近乎直角关系。谁看见过水流能冲刷出这样的小型沟槽？感兴趣的人士可以做个实验看看。
第三：蹄窝上方的沟槽即使有所弯曲，其宽度也是一样的。这除了蹄子滑动刻画外，流水是无法形成宽度不变且规则的沟槽的。
第四：壶穴是在河流陡坎（如瀑布）下方的河床或冰川融水下泄形成的，是有严格定义和特征的，不能将地表上的所有坑坑都当成壶穴。（2016.05.29,09:45补充）
附：壶穴、锅穴、冰臼、岩臼等术语的辨析与使用建议。
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