探秘“地坑窯院”營造的地質(zhì)智慧
1、人類漸漸遠去的“穴居生活”
“天然洞穴”是在生產(chǎn)力水平低下的原始荒蕪時代，人類最宜居住的“家”。從早期人類的北京周口店山頂洞穴遺址開始，原始人居住的天然巖洞在全國許多地方都有所發(fā)現(xiàn)，穴居是早期人類的主要居住方式，它滿足了原始人對生存的最低要求。
在中國黃河中上游地區(qū)，是世界聞名的黃土高原。生活在黃土高原上的人們，利用那里又深又厚、立體性能極好的黃土層，建造了一種獨特的住宅——窯洞。
廢棄的靠崖式窯洞民居
窯洞是黃土分布區(qū)獨具特色的一種民居，也是人類“穴居”發(fā)展演變的實物見證。黃土窯洞利用黃土壁立不倒的特性而挖掘的拱形穴居式住宅。窯洞的形式各式各樣。但從建筑的布局結(jié)構(gòu)形式上劃分可歸納為靠崖式、下沉式（天井窯院）和獨立式三種形式。其中利用丘陵、山崖、干涸河道兩岸的塬壁向縱深挖掘的稱為靠崖式或沿山式窯，利用臺地向下挖成矩形深坑后，再向四壁縱深挖掘的，稱為地坑式或天井式窯，仿地窯式樣用磚、石、土坯在地上筑拱式房屋稱為覆土窯或錮窯。
陜北的靠崖式窯洞
在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的今天，原始的“穴居生活”方式大都退出了歷史舞臺，但作為一定時期內(nèi)，特定地理環(huán)境下的產(chǎn)物，那些原始人類曾經(jīng)住過的多不勝數(shù)的洞穴，至今還殘留在神州大地的角角落落。近年來，隨著旅游業(yè)的快速發(fā)展，古老的窯洞式民居再次走進人們的生活。
2、“進村不見房，聞聲不見人”的秘境世界--“下沉式窯居村落”
下沉式窯居村落近景
這是一種有“中國最神奇的村莊”之美譽的地方，一個個以“地坑院”群為主體的“下沉式窯居村落”，這里曾被國內(nèi)外游人稱作“建筑奇跡”，那就是“見樹不見村，見村不見房，聞聲不見人”的“下沉式窯居村落”，人們也稱它地坑院、天井院。這興許是一種中國最具風情的窯洞群，它們的大片分布區(qū)不在黃土高原腹地的陜北，而在黃土高原南部邊緣的河南陜州，在山西運城、甘肅隴東的慶陽及陜西的部分地區(qū)也有所分布。如果你有機會去這個地區(qū)旅游，你定會慨嘆這種地坑院的神奇，這“地坑”，對遠道而來的游客一點兒都不坑！
80年前德國飛行員拍攝的陜州地坑院群
如今在河南省三門峽市陜（縣）州境內(nèi)仍有一百多個地下村落、近萬座地坑院。
2007年河南陜縣被中國民協(xié)命名為中國地坑窯院文化之鄉(xiāng)。2011年“地坑院營造技藝”入選第三批國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄。2013年，陜縣廟上村地坑院入選第七批全國重點文物保護單位，2014年陜縣西張村鎮(zhèn)廟上村因地坑院分布廣泛入選國家住建部首批“中國傳統(tǒng)村落”名錄。
據(jù)資料介紹，地坑院”，是在平地挖一個6至7米的四方深坑，然后再在坑的四壁鑿挖8至12孔窯洞居住。有的窯里還挖有小拐窯，用于儲藏柴草、蔬菜等雜物，以增加使用面積。窯里多用土坯壘成火炕，供人休息。出口是從窯院一角的窯洞內(nèi)鑿出斜坡通向地面，為住戶進出之階梯式通道。在通道一旁挖有水井一眼，供人畜用水。距井口3至4米，打有紅薯窖，可儲藏紅薯，因井水能保持一定溫度和濕度，使紅薯保存得非常新鮮而持久。院中間挖有滲井1個或2個，同窯院深度一樣，直徑一米，底層鋪爐渣50公分左右，供存滲雨水之用。
這種“下沉式窯居村落”，進入村內(nèi)，只聞人言笑語，雞鳴狗叫，卻不見村舍房屋，“進村不見人，見樹不見村”就是它的真實寫照。
3、“地坑窯院”營造的地質(zhì)智慧
我對地坑院的認識和了解始于2007年鄭州黃河國家地質(zhì)公園博物館的布展工作，因為鄭州黃河國家地質(zhì)公園是以窯洞為特色的地質(zhì)公園博物館，博物館要展示黃河、黃土的一些特性，特別是黃河文化展區(qū)要展示黃土高原與黃河流域的民俗風情，而簡單地研究了一下中國的窯洞，后來又對陜州地坑院做了一次專項考察。
2019年的暮春時節(jié)，受河南某電視節(jié)目科普片拍攝的需要，我作為地學旅游與地學科普專家再次對三門峽陜州區(qū)“地坑院”群進行了科學考察。
（1）陜州黃土地貌“三大黃土塬”
中國黃土高原素有“千溝萬壑”之稱，大大小小的溝谷將地面切割為支離破碎景觀，黃土塬、黃土梁、黃土峁是黃土地貌的主要類型，它們是當?shù)厝罕妼ψ罓铧S土高地、梁狀和圓丘狀黃土丘陵的俗稱。黃土塬為頂面平坦寬闊的黃土高地，又稱黃土平臺。
黃河、三門峽市與陜州黃土塬位置關(guān)系衛(wèi)星影像圖
地處黃土高原東南邊緣的三門峽陜州區(qū)（原陜縣），轄區(qū)內(nèi)有張村塬、張汴塬、東凡塬等3大代表性的黃土塬地貌。三大塬上分布的黃土厚度均在150米以上。其中位于張汴塬上張汴鄉(xiāng)東南約l千米的曹村為主要的黃土科學研究剖面所在地，積累了大量的科學研究資料。為了揭開地坑窯院的地質(zhì)結(jié)構(gòu)之謎，我?guī)ьI(lǐng)科學攝制組考察了曹村黃土剖面。
曹村位于張汴塬的東部邊緣，這里的最高海拔高度為760米，曹村東側(cè)為流水沖刷而形成的一系列黃土峽谷，峽谷間為黃土梁，峽谷內(nèi)谷壁直立，植被不發(fā)育，黃土天然結(jié)構(gòu)露頭清晰。根據(jù)科研資料，這里出露了厚達145米的黃土地層，內(nèi)含33個淺黃色的黃土層和32個紅褐色的古土壤層，層層可數(shù)，結(jié)構(gòu)清晰漂亮，下伏上新世紅粘土厚8米（未見底）。從黃土結(jié)構(gòu)與地質(zhì)時代上，剖面自上而下分別為：0～1.5m部分為馬蘭黃土（L1）；1.5～87.55米為離石黃土(S1～L15)；87.55～145米為午城黃土(S15～L33)；145～153米為上新世紅粘土層。也就是說，這里地表局部分布有結(jié)構(gòu)疏松的馬蘭黃土外，大部分地表出露的是離石黃土最頂部的第一層古土壤層。
曹村黃土剖面上部景觀
（2）“地坑窯院”營造的地質(zhì)智慧
據(jù)不完全統(tǒng)計，在陜州區(qū)三大黃土塬上，上世紀80年代初期，農(nóng)民居所中95%以上還是地坑院。時至今日，集中連片的地坑院村落仍有200多個，有地坑院12000余座，保存最完整現(xiàn)存時間最久的地坑院已有300多年。為了揭開地坑院營造的神秘面紗，我們找到了獲得國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)代表性項目窯洞營造技藝（地坑院營造技藝）代表性傳承人西張村鎮(zhèn)人馬寨村的王四虎老先生。
王四虎今年70歲，1949年出生與共和國同歲，從小記事起就住在地坑院里，后跟隨父親學習地坑院的營造技術(shù)，王家的這門技術(shù)是祖輩上傳承下來的，傳到自己至少已經(jīng)四代了。
地坑院營造技術(shù)傳承人王四虎
王老先生帶領(lǐng)我們來到他近年來營造的一處半成品（樣品）“地坑院”，現(xiàn)場給我們講解地坑院的營造技術(shù)。王老師的地方口音很重，個別方言我也是似懂非懂，慢慢的交談中我讀懂了地坑院的結(jié)構(gòu)。
王老先生示范地坑院窯洞的挖掘
王老先生說，陜州這一帶的黃土特別適宜建造地坑院，距離陜州不遠的靈寶市等地就不適宜建地坑院，因為我們陜州這里的土質(zhì)比較結(jié)實，容易立窯（建居住的窯洞），靈寶等地的土質(zhì)比較疏松，不立窯（無法建可以居住的窯），所打造的窯洞容易塌方。從這一席話和曹村黃土剖面的考察，我一下子明白了，這些地坑院營造技師們對當?shù)赝翆咏Y(jié)構(gòu)的熟悉。
1）黃土中發(fā)育的垂直節(jié)理確保了地坑院的壁立
黃土與其它的火山巖、變質(zhì)巖和一般的海洋與河湖里沉積形成的巖石不同，“黃土”是一種非常特殊的“巖石”，它是大風吹來的，無論是陜州的黃土塬還是整個黃土高原，都是距今260萬年以來強大的西北季風以沙塵暴的形式，從西北的戈壁沙漠里吹揚搬運而來，也就是說黃土是以風力搬運的黃色粉土沉積物。
垂直節(jié)理發(fā)育的黃土與古土壤
這些黃土在堆積壓實過程中，由于黃土自身的重力等因素的作用使土粒間上下距離變得瑜伽緊密，而土粒左右之間變化較小，甚至會形成一些垂直的空隙密集帶，致使黃土出現(xiàn)垂向上與橫向上的顯著差異，當這些土層暴露或接近地表時，下滲與蒸發(fā)的地下水和空氣便沿著抵抗阻力最小的方向移動，也就是沿著黃土中逐漸形成的垂直方向的空隙密集帶不斷地做升降運動，這就形成了黃土中的垂直節(jié)理。節(jié)理，也稱為裂隙，是巖體受力斷裂后兩側(cè)巖塊沒有顯著位移的小型斷裂構(gòu)造。黃土的這種垂直節(jié)理發(fā)達的特性，使黃土的直立性變得非常強大，黃土土層在垂直方向上的節(jié)理發(fā)育,使黃土在豎起方向承壓能力較強,在黃土分布地區(qū)開鑿窯洞不易崩塌，這就為當?shù)鼐用裉峁┝髓徃G洞而居的便利條件。
“地坑院”一般是在黃土地上挖一個6-7米的四方深坑，由于巨厚層的黃土中垂直節(jié)理的發(fā)育和黃土的直立性，才使地坑院的營造可以是直立的下挖，而不會崩塌。
2）結(jié)實的古土壤層成為地坑院理想的洞頂
原來，陜州的三大黃土塬上，地表結(jié)構(gòu)疏松的馬蘭黃土的分布厚度較小，大部分塬上直接出露的是離石黃土中厚達4米的第一層紅褐色古土壤層（專業(yè)名稱為S1古土壤），因這層古土壤層黏土質(zhì)含量極高，且位于頂部的部分古土壤化最強顏色最紅，該古土壤層底部顏色變淺，并可見一薄層的鈣質(zhì)結(jié)核層，因為該層古土壤黏土質(zhì)含量高，結(jié)構(gòu)致密，強度高，滲水性差，經(jīng)壓實后，在確保了地坑院窯洞洞頂結(jié)實的同時，又確保了地表水不下滲到下面的窯洞內(nèi)，保障了窯洞內(nèi)的干燥不潮濕，該層古土壤層成為陜州三大塬上地坑院最理想的直接洞頂。
地坑院頂部裸露的褐紅色古土壤層
3）疏松的黃土層成為理想的窯洞居所層位
地坑院內(nèi)窯洞開挖的主要層位為古土壤化較弱的第一層古土壤層的下部與第二層黃土層（L2）。王老先生說窯洞不能直接開挖在紅膠泥土中（專業(yè)名稱為紅褐色的古土壤層），一是在紅膠泥土比較堅硬，刨不動，刨一下只是一個小點，再是紅膠土（古土壤層）干澡后容易開裂，窯洞易掉塊。其下的灰黃色黃土層屬黏土質(zhì)含量稍低的粉砂土，硬度和粘度特別適宜營造洞穴，王老先生示范性地為我們刨了幾塊土展示給我們。
王四虎老先生在示范挖窯
科研資料顯示，第二層黃土層（L2）粒徑>30μm的粗粒組分含量一般在20-30%之間，屬于黏土質(zhì)含量較高的粉砂土。
4）黃土的粗砂質(zhì)層成為地坑院理想的滲排水層
地坑院的排水是大家普遍關(guān)心的事，特別是當遭遇特大的暴雨時，敞開的地坑院會不會被水淹而成為水坑。
王老先生斬釘截鐵地說，再大的雨水，地坑院的滲排水系統(tǒng)都能夠把它們排掉，絕對不會讓地坑院被水淹，讓水進入窯洞。王老先生給我們詳細地講述了地坑院的滲排水系統(tǒng)。
地坑院一般下挖深度為6米左右，院的中央為一個洼地，當?shù)厝朔Q之為滲池，也就是用來滲水的池子，平時的雨水先流入這個滲水池，滲水池的角上還有一口用于滲水的滲井，流入滲池的水增多時便流入邊上的滲井中，王老先生講再大的雨水，進入滲井都能排掉，絕對不會淹掉地坑院，就這么神。
為了揭開滲井這個無底洞神秘的面紗，我和王老先生聊起了地坑院排水系統(tǒng)的開挖情況。院里的滲坑不需要講解，它起到了收集匯聚雨水的功能，滲井是在院中向下開挖的一口井，這口井向下一般在開挖2米左右時會見到一層紅膠土（這便是這里的第二層古土壤層），厚度大約3米左右，滲井必須挖透這層紅膠土，到下面的黃土層中2-3米，雨水在這里再大、再多都能給排掉，就這么神。
我查閱了這里的黃土粒度資料，原來，三門峽陜州一帶的黃土中，以第15層黃土為界，上部黃土的粒度較粗，下部粒度較細。在上部的粗粒黃土層位中，第3、6、9、15這幾層黃土的粗粒含量特別的高，粒度> 30μm的粗砂含量局部層段可達55%，屬于砂黃土系列。地坑院的排水系統(tǒng)正是利用了這里第三層黃土層疏松的結(jié)構(gòu)、粗大的粒徑和巨大的空隙度所產(chǎn)生的強大的排滲水能力。
顆粒粗大在地表極易風化的第三層淺土黃色黃土
原來，地坑院的排滲水系統(tǒng)是又一次巧妙地利用了當?shù)夭煌瑢游坏狞S土特性，其科學性不容置疑。
5）地坑院的吃水來自黃土層中的上層滯水
地坑院的入口通道旁都會打一口吃水井，水井的深度王老先生講一般都在20-30米左右，這口井要打穿3層紅膠泥層，也就是當?shù)攸S土剖面結(jié)構(gòu)中的第2、3、4三層古土壤層和一層比較明顯的姜石（鈣質(zhì)結(jié)核）層，才有少量的水，水不是很大，基本上夠吃的。
地質(zhì)資料顯示，這個位置正是第5層黃土的位置，其下為第5層古土壤層，這第5層深紅褐色的古土壤層，在整個黃土高原地區(qū)都是一個明顯的標志層，它由3層比較密集的古土壤層組成，地貌景觀上形成鮮明的“紅三條”，它是離石黃土上下段的分界，總厚度三門峽陜州一帶厚達5.6米，因其黏土化程度較高，結(jié)構(gòu)致密，區(qū)域上在地下形成了一個擋水層，在其上部結(jié)構(gòu)疏松的黃土層中形成了少量的上層滯水，地坑院的水井主要使用的就是這層量不是很大的地下水。第5層古土壤之下的第6層黃土又是一層粒度粗大的黃土層，如果打穿了第5層古土壤到第6層黃土層中，地下水就會象滲井一樣把僅有的少量地下水也給排滲走而成為干井而無水。
中部深紅色的為第5層古土壤層
4、感悟
王四虎老先生等地坑院的營造藝人，雖然不懂得地質(zhì)知識，甚至也沒有多深的文化，但在長期的實踐中非常熟悉地掌握了當?shù)氐牡貙咏Y(jié)構(gòu)，地坑院的營造充分地利用了當?shù)氐狞S土與古土壤層的不同特性，處處顯示著地質(zhì)智慧，讓人敬佩。
來源：地學科普旅游之窗；作者：章秉辰
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