探秘“地坑窑院”营造的地质智慧
来源:地学科普旅游之窗 作者:章秉辰|时间:2019-07-06|浏览次数:673次

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1、人类渐渐远去的“穴居生活”

“天然洞穴”是在生产力水平低下的原始荒芜时代,人类最宜居住的“家”。从早期人类的北京周口店山顶洞穴遗址开始,原始人居住的天然岩洞在全国许多地方都有所发现,穴居是早期人类的主要居住方式,它满足了原始人对生存的最低要求。

在中国黄河中上游地区,是世界闻名的黄土高原。生活在黄土高原上的人们,利用那里又深又厚、立体性能极好的黄土层,建造了一种独特的住宅——窑洞。

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废弃的靠崖式窑洞民居

窑洞是黄土分布区独具特色的一种民居,也是人类“穴居”发展演变的实物见证。黄土窑洞利用黄土壁立不倒的特性而挖掘的拱形穴居式住宅。窑洞的形式各式各样。但从建筑的布局结构形式上划分可归纳为靠崖式、下沉式(天井窑院)和独立式三种形式。其中利用丘陵、山崖、干涸河道两岸的塬壁向纵深挖掘的称为靠崖式或沿山式窑,利用台地向下挖成矩形深坑后,再向四壁纵深挖掘的,称为地坑式或天井式窑,仿地窑式样用砖、石、土坯在地上筑拱式房屋称为覆土窑或锢窑。

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陕北的靠崖式窑洞

在城镇化快速发展的今天,原始的“穴居生活”方式大都退出了历史舞台,但作为一定时期内,特定地理环境下的产物,那些原始人类曾经住过的多不胜数的洞穴,至今还残留在神州大地的角角落落。近年来,随着旅游业的快速发展,古老的窑洞式民居再次走进人们的生活。

2、“进村不见房,闻声不见人”的秘境世界--“下沉式窑居村落”

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陕州曹村地坑院群与黄土剖面卫星影像图


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下沉式窑居村落近景

这是一种有“中国最神奇的村庄”之美誉的地方,一个个以“地坑院”群为主体的“下沉式窑居村落”,这里曾被国内外游人称作“建筑奇迹”,那就是“见树不见村,见村不见房,闻声不见人”的“下沉式窑居村落”,人们也称它地坑院、天井院。这兴许是一种中国最具风情的窑洞群,它们的大片分布区不在黄土高原腹地的陕北,而在黄土高原南部边缘的河南陕州,在山西运城、甘肃陇东的庆阳及陕西的部分地区也有所分布。如果你有机会去这个地区旅游,你定会慨叹这种地坑院的神奇,这“地坑”,对远道而来的游客一点儿都不坑!

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80年前德国飞行员拍摄的陕州地坑院群

如今在河南省三门峡市陕(县)州境内仍有一百多个地下村落、近万座地坑院。

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有人居住的地坑院

2007年河南陕县被中国民协命名为中国地坑窑院文化之乡。2011年“地坑院营造技艺”入选第三批国家级非物质文化遗产名录。2013年,陕县庙上村地坑院入选第七批全国重点文物保护单位,2014年陕县西张村镇庙上村因地坑院分布广泛入选国家住建部首批“中国传统村落”名录。

据资料介绍,地坑院”,是在平地挖一个6至7米的四方深坑,然后再在坑的四壁凿挖8至12孔窑洞居住。有的窑里还挖有小拐窑,用于储藏柴草、蔬菜等杂物,以增加使用面积。窑里多用土坯垒成火炕,供人休息。出口是从窑院一角的窑洞内凿出斜坡通向地面,为住户进出之阶梯式通道。在通道一旁挖有水井一眼,供人畜用水。距井口3至4米,打有红薯窖,可储藏红薯,因井水能保持一定温度和湿度,使红薯保存得非常新鲜而持久。院中间挖有渗井1个或2个,同窑院深度一样,直径一米,底层铺炉渣50公分左右,供存渗雨水之用。

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现代地坑院

这种“下沉式窑居村落”,进入村内,只闻人言笑语,鸡鸣狗叫,却不见村舍房屋,“进村不见人,见树不见村”就是它的真实写照。

3、“地坑窑院”营造的地质智慧

我对地坑院的认识和了解始于2007年郑州黄河国家地质公园博物馆的布展工作,因为郑州黄河国家地质公园是以窑洞为特色的地质公园博物馆,博物馆要展示黄河、黄土的一些特性,特别是黄河文化展区要展示黄土高原与黄河流域的民俗风情,而简单地研究了一下中国的窑洞,后来又对陕州地坑院做了一次专项考察。

2019年的暮春时节,受河南某电视节目科普片拍摄的需要,我作为地学旅游与地学科普专家再次对三门峡陕州区“地坑院”群进行了科学考察。

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考察黄土剖面

(1)陕州黄土地貌“三大黄土塬”

中国黄土高原素有“千沟万壑”之称,大大小小的沟谷将地面切割为支离破碎景观,黄土塬、黄土梁、黄土峁是黄土地貌的主要类型,它们是当地群众对桌状黄土高地、梁状和圆丘状黄土丘陵的俗称。黄土塬为顶面平坦宽阔的黄土高地,又称黄土平台。

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黄河、三门峡市与陕州黄土塬位置关系卫星影像图

地处黄土高原东南边缘的三门峡陕州区(原陕县),辖区内有张村塬、张汴塬、东凡塬等3大代表性的黄土塬地貌。三大塬上分布的黄土厚度均在150米以上。其中位于张汴塬上张汴乡东南约l千米的曹村为主要的黄土科学研究剖面所在地,积累了大量的科学研究资料。为了揭开地坑窑院的地质结构之谜,我带领科学摄制组考察了曹村黄土剖面。

曹村位于张汴塬的东部边缘,这里的最高海拔高度为760米,曹村东侧为流水冲刷而形成的一系列黄土峡谷,峡谷间为黄土梁,峡谷内谷壁直立,植被不发育,黄土天然结构露头清晰。根据科研资料,这里出露了厚达145米的黄土地层,内含33个浅黄色的黄土层和32个红褐色的古土壤层,层层可数,结构清晰漂亮,下伏上新世红粘土厚8米(未见底)。从黄土结构与地质时代上,剖面自上而下分别为:0~1.5m部分为马兰黄土(L1);1.5~87.55米为离石黄土(S1~L15);87.55~145米为午城黄土(S15~L33);145~153米为上新世红粘土层。也就是说,这里地表局部分布有结构疏松的马兰黄土外,大部分地表出露的是离石黄土最顶部的第一层古土壤层。


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曹村黄土剖面上部景观

(2)“地坑窑院”营造的地质智慧


据不完全统计,在陕州区三大黄土塬上,上世纪80年代初期,农民居所中95%以上还是地坑院。时至今日,集中连片的地坑院村落仍有200多个,有地坑院12000余座,保存最完整现存时间最久的地坑院已有300多年。为了揭开地坑院营造的神秘面纱,我们找到了获得国家级非物质文化遗产代表性项目窑洞营造技艺(地坑院营造技艺)代表性传承人西张村镇人马寨村的王四虎老先生。

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密集分布的地坑院村落

王四虎今年70岁,1949年出生与共和国同岁,从小记事起就住在地坑院里,后跟随父亲学习地坑院的营造技术,王家的这门技术是祖辈上传承下来的,传到自己至少已经四代了。

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地坑院营造技术传承人王四虎

王老先生带领我们来到他近年来营造的一处半成品(样品)“地坑院”,现场给我们讲解地坑院的营造技术。王老师的地方口音很重,个别方言我也是似懂非懂,慢慢的交谈中我读懂了地坑院的结构。

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王老先生示范地坑院窑洞的挖掘

王老先生说,陕州这一带的黄土特别适宜建造地坑院,距离陕州不远的灵宝市等地就不适宜建地坑院,因为我们陕州这里的土质比较结实,容易立窑(建居住的窑洞),灵宝等地的土质比较疏松,不立窑(无法建可以居住的窑),所打造的窑洞容易塌方。从这一席话和曹村黄土剖面的考察,我一下子明白了,这些地坑院营造技师们对当地土层结构的熟悉。

1)黄土中发育的垂直节理确保了地坑院的壁立

黄土与其它的火山岩、变质岩和一般的海洋与河湖里沉积形成的岩石不同,“黄土”是一种非常特殊的“岩石”,它是大风吹来的,无论是陕州的黄土塬还是整个黄土高原,都是距今260万年以来强大的西北季风以沙尘暴的形式,从西北的戈壁沙漠里吹扬搬运而来,也就是说黄土是以风力搬运的黄色粉土沉积物。

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垂直节理发育的黄土与古土壤

这些黄土在堆积压实过程中,由于黄土自身的重力等因素的作用使土粒间上下距离变得瑜伽紧密,而土粒左右之间变化较小,甚至会形成一些垂直的空隙密集带,致使黄土出现垂向上与横向上的显著差异,当这些土层暴露或接近地表时,下渗与蒸发的地下水和空气便沿着抵抗阻力最小的方向移动,也就是沿着黄土中逐渐形成的垂直方向的空隙密集带不断地做升降运动,这就形成了黄土中的垂直节理。节理,也称为裂隙,是岩体受力断裂后两侧岩块没有显著位移的小型断裂构造。黄土的这种垂直节理发达的特性,使黄土的直立性变得非常强大,黄土土层在垂直方向上的节理发育,使黄土在竖起方向承压能力较强,在黄土分布地区开凿窑洞不易崩塌,这就为当地居民提供了凿窑洞而居的便利条件。

“地坑院”一般是在黄土地上挖一个6-7米的四方深坑,由于巨厚层的黄土中垂直节理的发育和黄土的直立性,才使地坑院的营造可以是直立的下挖,而不会崩塌。

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废弃的地坑院院壁仍然直立

2)结实的古土壤层成为地坑院理想的洞顶

原来,陕州的三大黄土塬上,地表结构疏松的马兰黄土的分布厚度较小,大部分塬上直接出露的是离石黄土中厚达4米的第一层红褐色古土壤层(专业名称为S1古土壤),因这层古土壤层黏土质含量极高,且位于顶部的部分古土壤化最强颜色最红,该古土壤层底部颜色变浅,并可见一薄层的钙质结核层,因为该层古土壤黏土质含量高,结构致密,强度高,渗水性差,经压实后,在确保了地坑院窑洞洞顶结实的同时,又确保了地表水不下渗到下面的窑洞内,保障了窑洞内的干燥不潮湿,该层古土壤层成为陕州三大塬上地坑院最理想的直接洞顶。

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地坑院顶部裸露的褐红色古土壤层


3)疏松的黄土层成为理想的窑洞居所层位

地坑院内窑洞开挖的主要层位为古土壤化较弱的第一层古土壤层的下部与第二层黄土层(L2)。王老先生说窑洞不能直接开挖在红胶泥土中(专业名称为红褐色的古土壤层),一是在红胶泥土比较坚硬,刨不动,刨一下只是一个小点,再是红胶土(古土壤层)干澡后容易开裂,窑洞易掉块。其下的灰黄色黄土层属黏土质含量稍低的粉砂土,硬度和粘度特别适宜营造洞穴,王老先生示范性地为我们刨了几块土展示给我们。

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王四虎老先生在示范挖窑

科研资料显示,第二层黄土层(L2)粒径>30μm的粗粒组分含量一般在20-30%之间,属于黏土质含量较高的粉砂土。

4)黄土的粗砂质层成为地坑院理想的渗排水层

地坑院的排水是大家普遍关心的事,特别是当遭遇特大的暴雨时,敞开的地坑院会不会被水淹而成为水坑。

王老先生斩钉截铁地说,再大的雨水,地坑院的渗排水系统都能够把它们排掉,绝对不会让地坑院被水淹,让水进入窑洞。王老先生给我们详细地讲述了地坑院的渗排水系统。

地坑院一般下挖深度为6米左右,院的中央为一个洼地,当地人称之为渗池,也就是用来渗水的池子,平时的雨水先流入这个渗水池,渗水池的角上还有一口用于渗水的渗井,流入渗池的水增多时便流入边上的渗井中,王老先生讲再大的雨水,进入渗井都能排掉,绝对不会淹掉地坑院,就这么神。

为了揭开渗井这个无底洞神秘的面纱,我和王老先生聊起了地坑院排水系统的开挖情况。院里的渗坑不需要讲解,它起到了收集汇聚雨水的功能,渗井是在院中向下开挖的一口井,这口井向下一般在开挖2米左右时会见到一层红胶土(这便是这里的第二层古土壤层),厚度大约3米左右,渗井必须挖透这层红胶土,到下面的黄土层中2-3米,雨水在这里再大、再多都能给排掉,就这么神。

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院中间的渗坑与渗井


我查阅了这里的黄土粒度资料,原来,三门峡陕州一带的黄土中,以第15层黄土为界,上部黄土的粒度较粗,下部粒度较细。在上部的粗粒黄土层位中,第3、6、9、15这几层黄土的粗粒含量特别的高,粒度> 30μm的粗砂含量局部层段可达55%,属于砂黄土系列。地坑院的排水系统正是利用了这里第三层黄土层疏松的结构、粗大的粒径和巨大的空隙度所产生的强大的排渗水能力。

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院中间的渗坑与渗井近景

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颗粒粗大在地表极易风化的第三层浅土黄色黄土


原来,地坑院的排渗水系统是又一次巧妙地利用了当地不同层位的黄土特性,其科学性不容置疑。

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陕州黄土塬近地表黄土与古土壤相间分布景观

5)地坑院的吃水来自黄土层中的上层滞水

地坑院的入口通道旁都会打一口吃水井,水井的深度王老先生讲一般都在20-30米左右,这口井要打穿3层红胶泥层,也就是当地黄土剖面结构中的第2、3、4三层古土壤层和一层比较明显的姜石(钙质结核)层,才有少量的水,水不是很大,基本上够吃的。

地质资料显示,这个位置正是第5层黄土的位置,其下为第5层古土壤层,这第5层深红褐色的古土壤层,在整个黄土高原地区都是一个明显的标志层,它由3层比较密集的古土壤层组成,地貌景观上形成鲜明的“红三条”,它是离石黄土上下段的分界,总厚度三门峡陕州一带厚达5.6米,因其黏土化程度较高,结构致密,区域上在地下形成了一个挡水层,在其上部结构疏松的黄土层中形成了少量的上层滞水,地坑院的水井主要使用的就是这层量不是很大的地下水。第5层古土壤之下的第6层黄土又是一层粒度粗大的黄土层,如果打穿了第5层古土壤到第6层黄土层中,地下水就会象渗井一样把仅有的少量地下水也给排渗走而成为干井而无水。

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中部深红色的为第5层古土壤层

4、感悟

王四虎老先生等地坑院的营造艺人,虽然不懂得地质知识,甚至也没有多深的文化,但在长期的实践中非常熟悉地掌握了当地的地层结构,地坑院的营造充分地利用了当地的黄土与古土壤层的不同特性,处处显示着地质智慧,让人敬佩。


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