第十章第四紀氣候變化及海平面變化

第十章

第四紀氣候變化及海平面變化第一節(jié)第四紀沉積物年齡測定第二節(jié)前第四紀氣候變化概述第三節(jié)第四紀氣候變化第四節(jié)晚更新世以來的海平面變化第一節(jié)第四紀沉積物年齡測定近四十多年來，新技術(shù)、新方法的應(yīng)用在第四紀研究中有了明顯的進展，開發(fā)出多種沉積物測定年齡的方法，提高了第四紀研究的精度。雖然每種研究方法都具有很強的專業(yè)性，但從事第四紀研究的工作者了解主要的第四紀測定年齡方法的基本原理和應(yīng)用條件，有助于提高工作質(zhì)量和與國際研究接軌。從1949年W.F.利貝(Lebby)提出放射性碳法(14C法)以來，現(xiàn)在可供選擇的第四紀沉積物年齡測量方法選20多種，但各種方法的發(fā)展進程和應(yīng)用程度是相差較大的。隨著對第四紀事件研究的深入和多種年齡測量方法的應(yīng)用，對第四紀的認識也越來越深入。第四紀沉積物年齡測量方法有三類：物理年代法、同位素年代法和其他方法。一、物理年代學方法1、古地磁學方法古地磁學方法是利用巖石天然剩余磁性的極性正反方向變化，與標準極性年表對比，間接測量巖石年齡的方法。地球是一均勻磁化球體，其磁場相當于放在地心的一個磁偶極子的磁場。磁偶極子的磁軸與地軸的交角為11.5°(下圖左)。磁軸的延長線與地面相交于

兩點，分別稱地磁北極(N極，正極)和地磁南極(S極，負極)?；鸪蓭r溫度達到居里點(一般為

500~650℃)便獲得磁性，沉積巖和變質(zhì)巖中含有鐵磁性礦物顆粒，三類巖石都會受到形成時的地磁場的作用而磁化，磁化方向與當時地磁場方向一致，這是一種全球現(xiàn)象。地理極、地磁極及地理赤道、地磁赤道地磁要素圖（引自地質(zhì)科學研究員《古地磁學》講義，1984）地球上任何一點的總磁場強度(T)是一個矢量(上圖右)，它可以分解為磁偏角(D)、磁傾角(I)、水平磁場強度(H)、東向水平磁場強度(Y)、北向水平磁場強度(X)和垂直磁場強度(Z)6個變量，其中只要知道X、Y、Z或H、D、I三個矢量便可求出另外3個，從標本中測得的天然剩余磁場要素，便獲得古地磁的基本資料。地磁要素(磁傾角、磁偏角)和磁極位置都隨時間而變化。磁極位置的變化時間長而不顯著，如距今兩千多萬年來(中新世以來)的火山巖剩磁的磁極位置總是繞地理極變化，中國第四紀以來的磁極位置都集中在北緯80°～90°范圍內(nèi)繞地軸游移，而地磁極性方向變化周期則為0.01～1Ma，所以極性變化更適合于第四紀沉積物年齡測量。古地磁極性的正反方向交替變化是古地磁歷史的基本特征。正極性(正向磁化)是指巖石剩磁的極性方向與現(xiàn)代地球極性方向一致，其磁傾角為正值，磁偏角接近于零。反極性(或磁極性顛倒)是指巖石剩磁的極性方向與現(xiàn)代地球極性方向相反，其磁傾角為負值，磁偏角接近180°。在地球地磁極性正反變化歷史中，在長期以某種極性為主的時期內(nèi)有若干短時期極性方向變化的事件發(fā)生，反映出極性變化的大趨勢與小變化之間的關(guān)系。有關(guān)地磁極性方向變化的原因是古地磁學中尚來解決的基本問題。古地磁極性年表是根據(jù)一系列主要用K—Ar法測定年齡的不同時間尺度的極性變化事件編制的地球極性時間表，目前用于第四紀研究的極性年表是A.考克斯等1969年根據(jù)陸地和大洋已有的140多個數(shù)據(jù)擬定的約5MaBP以來的地磁極時間表，后經(jīng)許多研究者補充修正，綜合成下圖。用于第四紀的古地磁極性年表該表使用兩級時間單位：極性時(過去稱世或期)和極性亞時(過去稱事件)。極性時是指以某種極性占優(yōu)勢持續(xù)時間較長的時間單位；極性亞時是極性時中短暫(1萬年至十幾萬年)極性倒轉(zhuǎn)時期。該表把約5MaBP以來極性時變化從早—晚分為：吉爾伯特反極性時、高斯正極性時、松山正極性時和布容正極性時，每個極性時中各包含若干個極性反方向變化亞時。古地磁學方法在第四紀測定年齡中應(yīng)用廣泛，主要用于沉積較連續(xù)、厚度較大的剖面或鉆孔巖芯。雖然古地磁極性變化的全球性使方法具有相對的獨立性，但也有不足之處，如難以判斷不同層位相同極性所屬時代。但本方法與古生物地層學和其他年代學方法結(jié)合，就能揚長避揮短發(fā)其優(yōu)勢。古地磁學方法在黃土、湖沼沉積物、大陸架和平原鉆孔巖芯研究中廣泛應(yīng)用。河北平原肅寧縣東官亭村一個厚達500m第四紀沉積物的古地磁極性變化2.熱發(fā)光法(TL)根據(jù)從沉積物堆積之日起，其中的破碎絕緣礦物晶體(如石英、長石)所接受的周圍地層中放射性物質(zhì)的輻射總劑量(TD)、年均吸收劑量(AD)和礦物移至沉積地點之前的初始劑量(ID)關(guān)系計算沉積物年齡(t):

一般非金屬破碎絕緣礦物(如石英)具有受激發(fā)光現(xiàn)象，其發(fā)光強度與礦物以前吸收的輻射能量成正比，而輻射量的積累是時間的函數(shù)，因此通過測量材料的發(fā)光強度可以推算其年齡。熱發(fā)光現(xiàn)象有2個階段：①貯集階段，有缺陷的石英受到來自地層中的鈾、釷作用產(chǎn)生自由電子，這些處在亞穩(wěn)態(tài)的電子具有一定壽命保存在石英晶格中(又稱貯能電子)，其數(shù)量與礦物所受輻射量成正比。②發(fā)光階段，對取自沉積物的石英加熱時，使亞穩(wěn)態(tài)電子獲得能量而處于受激狀態(tài)，一旦加熱超過晶陷對電子的束縛力時，亞穩(wěn)態(tài)電子產(chǎn)生躍遷與空穴復(fù)合，并以發(fā)光(輝光)形式釋放能量，使自由電予數(shù)目減少。最后，石英不再受激發(fā)光，只有石英再次獲得輻射能量后才能再度發(fā)光。埋藏在第四紀沉積物中的石英晶體來源復(fù)雜，年齡各異，不同程度受到輻射具有相當數(shù)量的自由電子。但在石英被搬運過程中受陽光照射即光退作用(相當于加熱)使其貯能電子減少到一定數(shù)量。石英被埋藏后從周圍沉積物中重新獲得輻射能量并產(chǎn)生新的自由電子。測量石英埋藏階段的發(fā)光強度，即可算出其沉積物年齡。熱發(fā)光法常用于約1MaBP內(nèi)的黃土、沙丘沙、海濱沙、沖積沙、考古材料和晚更新世以來活動斷層等的年齡研究。近年來在熱發(fā)光法基礎(chǔ)上又開發(fā)出“光釋光”法(盧演儔．1990)。不同類型樣品的熱發(fā)光年齡的計時起點不同，人為燒制的古陶片、磚瓦、燒土等的熱發(fā)光年齡起點是從最后一次加熱作為起點(TL=0)，所測年齡是從最后一次加熱后埋藏至今所經(jīng)歷的時間。地層中石英等熱發(fā)光計時是從最后一次被陽光照曬后作起點(TL≠0)，所測年齡值是最后一次陽光照曬后埋藏之日起至測量之日所經(jīng)歷的時間。3.裂變徑跡法

礦物中含有微量的天然重同位素鈾（U238）自行裂變，它的一個原子核分裂成2個中等質(zhì)量的原子核碎片(中子碎片)，這種高能碎片在通過絕緣物質(zhì)(云母、玻璃等)時，產(chǎn)生條損傷徑跡，即留下一條裂變徑跡，這種裂變徑跡可以用化學蝕劑處理后顯露出來，并可用光學顯微鏡觀察。在大塊樣品上易于和難于測量的徑跡密度分別為每平方厘米平面上幾百條到幾條；而粒狀(0.05～0.03mm)礦物則是從每顆平面上幾條到十幾個顆粒平面上只有一條。礦物中裂徑密度與礦物形成以來的時間呈函數(shù)關(guān)系，故通過測量礦物中的裂變徑跡量是可以計算出地質(zhì)體和部分考古材料的年齡。理論上，采用裂變徑跡法可以測量年代的范圍從1a至幾十億年，尤宜用于測1MaBP以來事件。本法優(yōu)點是樣品用量少，對研究第四紀火山活動和地熱歷史信息最佳。二、放射性同位素年代學也叫核地質(zhì)年代學，這是利用礦物巖石和化石中含有微量放射性同位素(U、Th、K、Ra、14C等)的自行衰變計算年齡的一大類方法。按放射性同位素來源不同這一大類方法又分為三類：宇宙成因同位素法、鈾系放射同位素法和人工核放射性沉降法。通過測定巖石的放射性同位素含量，依據(jù)其蛻變規(guī)律而計算出巖石的年齡。例如：U－Th－Pb（鈾系法，鈾－釷－鉛）；K－Ar（鉀氬法）；Rb－Sr（銣鍶法）；14C（碳14同位素法）。N0表示時間=0時放射性同位素的初始原子數(shù)N表示經(jīng)過時間以后剩下的未衰變母體原子數(shù)λ為衰變常數(shù)經(jīng)任何時間由母體衰變的子體原子數(shù)為D=N0-N第二節(jié)前第四紀氣候變化概述一、地球的三次大冰期地球已經(jīng)歷了46億年歷史，根據(jù)已有研究發(fā)現(xiàn)，在其發(fā)展的歷史長河中曾經(jīng)歷三次大冰期，即：早元古代冰期約2.3

GaBP石炭紀-二疊紀冰期約300

MaBP

第四紀冰期約3MaBP

對人類生存環(huán)境影響最大的是第四紀冰期，這是本課程所要講述的。二、第四紀冰期發(fā)生的背景第四紀冰期是在中生代高溫和新生代第三紀緩慢降溫的基礎(chǔ)上突然發(fā)生的。第三節(jié)第四紀氣候變化一、第四紀氣候標志研究分為宏觀氣候標志和微觀氣候標志兩類

1、宏觀氣候標志宏觀氣候標志也稱直接氣候標志，通過其可直接確定出氣候的類型和特征。宏觀氣候標志可分為三類：(1）沉積物氣候標志由于不同氣候環(huán)境形成不同的成因類型，因而沉積物成因類型可用來反映沉積時古氣候狀況，具體可見下表：

第四紀主要沉積物成因類型氣候標志表（2）地貌氣候標志由于地貌形態(tài)是內(nèi)外動力共同作用的結(jié)果，外力主要受控于氣候條件。所以地貌類型也是氣候標志的一個重要方面。如:冰川、凍土地貌——寒冷氣候巖溶、河流、湖泊地貌——溫暖氣候風蝕、風積地貌——干旱氣候

（3）生物氣候標志第四紀生物絕大多數(shù)為現(xiàn)生種類亞種，因此,可以利用化石組合中的現(xiàn)代相似種的生存條件,來推測化石埋藏時的古氣候與古環(huán)境。用于第四紀古氣候研究的主要生物化石有：A、植物化石植物是陸地上最敏感的氣候標志。可通過以下分析獲取氣候信息：a、生態(tài)分析b、葉片形態(tài)分析c、孢子花粉分析d、年輪分析B、哺乳動物化石一定氣候環(huán)境生活著與其相適應(yīng)的生物群，從第四紀地層中所含的哺乳動物化石的成分、種屬的比例就可分析其生態(tài)環(huán)境。如：寒冷：猛犸象、披毛犀、北極狐動物群溫暖：河馬、亞洲象、大熊貓、犀牛半干旱（草原環(huán)境）：嚙齒類、草食動物北極狐C、海生軟體動物化石、珊瑚化石

典型種屬法：冰島北極蛤（冷水種），牡蠣（溫水種）組合比較法：根據(jù)生物化石反映的緯度變化來推測氣候的變化

珊瑚化石：水溫13~16度，水深<40~60m，是良好環(huán)境的指示計D、其他微體動物化石窄溫性示冷示暖有孔蟲常用于第四紀海洋古氣候的分析。如：喜冷：Hyalinabalthca(飾帶透明蟲〕喜暖：Globorotaliamenardii(門氏元球蟲）

珊瑚2、微觀氣候標志由于微觀氣候標志存在的廣泛性，在古氣候研究中越來越引起人們的關(guān)注。目前比較成熟和常用的微觀氣候標志主要有以下幾種：（1）氧同位素冰期環(huán)境:

海洋沉積物中

O18/O16——高

極地冰蓋中

O18/O16——低（2）粘粒分子率（SiO2/Al2O3、SiO2/Fe2O3）比值低——濕熱，比值高——干冷（3）CaCO3含量冰期——CaCO3高，間冰期——CaCO3低

（4）磁化率一般地：磁化率大——溫濕，磁化率小——干冷（5）粘土礦物

一般地：高嶺土——濕熱，伊利石——干冷二、第四紀氣候變化的特征

1、幾個基本概念冰

期－－－第四紀時期全球性的降溫期，此期內(nèi)發(fā)生大規(guī)模的冰川活動，在大陸冰川作用區(qū)，大陸冰川從高緯向中緯擴大，引起生物群從極地向赤道遷移，在高山區(qū)，高山上部的山岳冰川向山下或向山外圍擴大，生物群垂直分帶向下遷移。間冰期－－－兩次冰期之間全球性的增溫期，地表大量的冰雪消融以致消失，大陸冰川消失或向高緯后退，高山區(qū)由山下向山上后退，但有大量的新生種產(chǎn)生。冰

階－－－冰期中的冰川發(fā)育階段。間冰階－－－冰期中一次相對溫暖的氣候寒冷階段。

2、冰川作用區(qū)的氣候變化冰川作用區(qū)是指第四紀時期受到古冰川的侵擾和掃蕩的地區(qū)，一般是35°N以北的中高緯地區(qū)和高山地區(qū)經(jīng)過。研究最早也是最經(jīng)典的地區(qū)是阿爾卑斯地區(qū)。德國的A.Penker.bulukenier,1909年對該區(qū)進行了研究，根據(jù)寒冷和溫暖氣候所造成的地貌和沉積物的交替出現(xiàn)劃分了4次冰期。從而建立了第一個第四紀氣候演化方案。

阿爾卑斯山即：貢茲冰期（G）貢茲－－民德間冰期（G－M）民德冰期（M）民德－里斯間冰期（M－R）里斯冰期（R）里斯－雨木間冰期（R－W）雨木冰期（W）冰后期阿爾卑斯地區(qū)的研究成果推動了全世界第四紀古冰川的研究，歐洲、北美、亞洲等地相繼發(fā)現(xiàn)了古冰川。我國李四光教授也在廬山發(fā)現(xiàn)了古冰川遺跡，并進行了冰期劃分。世界各地劃分的冰期與阿爾卑斯地區(qū)有較好對比（見下表），反映了氣候變化的全球性特點。3、深海沉積物的多波動氣候旋回深海沉積環(huán)境寧靜，沉積過程比較連續(xù)，比陸地上更完整地記錄了第四紀氣候變化歷史。海洋沉積率在1～10mm／ka間，干旱區(qū)較小，溫潤區(qū)較大，一般生物擾動很少，厚幾米至幾十米的深海沉積物可以記錄下第四紀全部氣候變化歷史?，F(xiàn)在全球海區(qū)已施工鉆孔數(shù)以千計，為第四紀氣候變化史研究提供了有利的條件。目前，已獲得多條深海氧同位素氣候曲線，而它們又是可以對比的。這是目前人們獲得的最為理想的第四紀氣候變化曲線。中國黃土的多波動氣候旋回劉東生等通過數(shù)十年對黃土高原黃土研究，以陜西洛川剖面的黃土－古土壤序列為基礎(chǔ)，利用多種宏觀和微觀氣候標志，建立了2.4Ma以來的氣候曲線，發(fā)現(xiàn)了10個時間尺度較大的溫濕和干冷的多波動氣候旋回，并可與深海氧同位素曲線對比。4、130(或150)kaBP來氣候與環(huán)境變化130(或150)kaBP來，氣候與環(huán)境變化是目前第四紀氣候變化研究的重點，包括末次間冰期、末次冰期和冰后期。①晚更新世(末次間冰期—末次冰期)氣候變化這一時段大約從130(或150kaBP開始到11kaBP左右，包括里斯－玉木間冰期和玉木冰期。末次間冰期始于130kaBP左右，終于75kaBP，是一個溫暖氣候階段，其最溫暖期大約在開始的120kaBP左右，當時年均溫比現(xiàn)在約高

2～3℃，以后氣溫渡動下降，在75kaBP進人末次冰期。末次間冰期內(nèi)世界許多沿海地帶發(fā)生海侵(如歐洲北部沿海、中國華北平原東部)，湖槽發(fā)育，闊葉林擴大。馬爾代夫人口密度世界最大，2平方公里擠10萬人

末次冰期始于75kaBP，終止于11KaBP，一般劃分為兩寒夾一暖3個階段。早冰階氣候寒冷但非最嚴寒階段，年均溫比現(xiàn)代低

5～6℃。中期是相對溫暖的寒冷氣候階段。晚期(尤其是

18kaBP)末次冰期氣候嚴寒干冷的盛冰期，年均溫比現(xiàn)代低

8～9℃左右，也是130kaBP來海平面下降幅度最大和沙漠顯著發(fā)展的干旱期。由于氣候干冷，故末次冰期冰川規(guī)模不大。世界各地根據(jù)其地貌(如終磧堤)、

冰磧物等對末次冰期都作了詳細的研究，

但氣候期劃分與時限也不盡相同。末次冰盛冰期之后的14－－11kaBP的3ka期間，是由冰期往冰后期(暖)的轉(zhuǎn)化時期。

對研究預(yù)測氣候與環(huán)境變化有參考價值。

歐洲大陸根據(jù)冰川終磧、植被、冰蓋變化和海平面變化，揭示出這一從冷到暖過渡的約3ka內(nèi)有過幾百年內(nèi)7月均溫變幅在

2～3℃內(nèi)的冷暖氣候變化頻繁出現(xiàn)(有的研究者把一時段稱為“晚冰期”)。②全新世(冰后期)氣候變化A、全新世氣候研究的主要材料全新世氣候與環(huán)境的變化主要根據(jù)植被演替，冰川末端、凍土邊界和林線位置高度變化，海(湖)面升降、冰巖中

δ18O及其塵土含量，樹木14C及穩(wěn)定同位素

(H2、δ18O)，樹本年輪，物候記錄和考古歷史資料等的研究推斷,近年來，紋泥、珊瑚、石筍、冰芯等，也成了全新世高分辨率研究的主要材料。用于全新世高分辯率研究的主要材料

(圖中明暗相間代表了氣候的變化)

用于全新世高分辯率研究的珊瑚及樣本用于全新世高分辯率研究的石筍及樣本用于全新世高分辯率研究的冰芯及樣本B、全新世氣候變化的基本特征

全新世氣候變化按其特征可分為A、B、C、D4個階段：a.全新世早期升溫階段包括北極期、前北方期和北方期，此時冰期過后氣候開始波動升溫，由于冷向干暖轉(zhuǎn)化，但仍較寒冷(圖10－14A段)。b.全新世中期高溫階段主要是大西洋期(又稱氣候適宜期)，此時全球氣候濕暖年均溫比現(xiàn)在高

3℃(有的地區(qū)可能更高一些)，降水顯著增加，全球冰川凍土萎縮，海平面顯著上升

，闊葉森林擴大(山地林線下降)

，其大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)具有間冰期特征。這是人類已經(jīng)歷過的最近的一次全球高溫期(圖10－14B段)。c.全新世晚期降溫階段從大西洋期末期大約

5kaBP全球氣溫開始下降(有的地方闊葉樹量減少)

直到20世紀，氣候發(fā)展是波動降溫，有一系列102a和l03a尺度的1～2℃的全球性寒暖氣候波

動(圖10－14之C段)，而且2ka以來人為活動對氣候與環(huán)境的沖擊加劇。d.

20世紀升溫階段20世紀以來，現(xiàn)代小冰期結(jié)束，進入現(xiàn)代升溫階段（圖10--

14

)

?，F(xiàn)代氣候雖仍有冷暖波動，但總的呈現(xiàn)升溫趨勢

(圖10－15)。工業(yè)革命以來的1.9-1.94kaA.D.氣溫比19世紀80年代高

0.4～0.6℃，一般認為與大量燃用化石燃料使大氣層中CO2溫室效應(yīng)增溫有關(guān)。1.940～1.960kaA.D.地球上火山爆發(fā)增多，“陽傘效應(yīng)”使全球氣溫下降0.3℃。1960年以來地球增溫趨勢加強，氣候異常不斷出現(xiàn)，旱、澇、風、雪、泥石流和森林火災(zāi)此起彼伏，海平面上升威脅著沿岸的城市。第四節(jié)晚更新世以來的海平面變化一、晚更新世海平面(130—11kaBP)變化這一階段包括末次間冰期和末次冰期，后者海平面歷史研究詳于前者。130—75kaBP的未次間冰期的海平面變化歷史，據(jù)新幾內(nèi)亞海成階地珊瑚礁臺的鈾系法測年資料，揭示出有120kaBP、100kaBP和80kaBP3個高海平面時期；可與大西洋巴巴多斯島的3個高海平面：巴巴多斯Ⅲ(125kaBP)、巴巴多斯Ⅱ(103kaBP)和巴巴多斯I(82kaBP)對比。新幾內(nèi)亞海成階地經(jīng)校正后，其中只有120kaBP的海平面比現(xiàn)代海平面

高6m

，其他都低于現(xiàn)代海平面，并呈現(xiàn)下降趨勢。據(jù)有孔蟲和其他資料分析，120kaBP(末次間冰期初期)高海平面階段水溫比現(xiàn)在高2～3℃。75－11kaBP的末次冰期海平面波動下降趨勢明顯，尤其是20－14kaBP間世界幾個大陸架上的試樣14C年齡資料表明，世界海平面繼晚更世以來的降勢，在此期間達到130kaBP以來的最低點(下圖)，海平面位于－100～－135m不等，如北美－105m、日本－135m、黑海－110m、尼日利亞－100m，中國－150m左右，這是目前了解最多的一個全球沿海地帶環(huán)境變化時代。由于全球性海退，各洲大陸的島嶼岸線外推幾公里至幾百公里不等，大部分陸架露出水面許多近岸島嶼與陸地相聯(lián)，內(nèi)海形成湖或縮小，大陸面積暫時增加約10％，氣候的大陸性增強動、植物發(fā)生相應(yīng)的遷移，在露出的陸架上可形成有價值的砂礦和陸相沉積物。中國130－14kaBP海平面變化史是根據(jù)沿海陸架鉆孔與平原海陸相交互地層和貝殼堤推斷的(圖10—21)。130一75kaBP的末次間冰期，中國沿岸普遍發(fā)生海侵，沉積了平原下伏的E層海相層(渤海稱第一海相層)。進次海侵歷史約經(jīng)歷了35ka,海平面時有波動，最高海平面出