第四纪气候和海平面变化

第四纪气候和海平面变化

第四纪气候及海平面变化(4学时)

教学目的：

主要讲述第四纪气候的总体演变特征；更新世气候变化的地质记录；第四纪世界气候的变化规律及第四纪海平面变化的总体规律及其与第四纪气候变化的关系。

教学重点和难点：

重点掌握第四纪气候的总体演变特征；第四纪世界气候的变化规律，第四纪海平面变化的总体规律及其与第四纪气候变化的关系；难点是海岸地区地质记录中如何区分是新构造运动还是海平面引起的升降。

主要教学内容及要求：

1. 了解更新世气候变化的地质记录；

2. 了解第四纪世界气候的变化规律；

3. 理解中国第四纪气候演化的基本特点；

4. 掌握第四纪海平面变化的总体规律及其与第四纪气候变化的关系。

第四纪是一个气候变化非常剧烈的地质时代，学习和研究第四纪的气候特征及其变化

规律对认识地球的气候演化是非常重要的。同时，由于第四纪是距今最近的一个地质时代，

今天的气候就是第四纪气候的延续，因此，学习和研究第四纪的气候特征及其变化规律，

对认识今天的气候，预测未来的气候变化，具有重要的实际意义。

3.1 前第四纪气候变化概述

一、地球的五次大冰期

地球已经历了46亿年历史，根据已有研究发现，在其发展的历史长河中曾经历用于全新世高分辩率研究的石笋及样本。

三次大冰期，即： 早元古代冰期约2.3 GaBP

石炭纪-二叠纪冰期约300 MaBP

第四纪冰期约3 MaBP

其中对人类生存环境影响最大的是第四纪冰期，这也正是本课程所要讲述的。

二、第四纪冰期发生的背景

第四纪冰期是在中生代高温和新生代第三纪缓慢降温的基础上突然发生的。

3.2 第四纪气候变化

一、第四纪气候标志研究

分为宏观气候标志和微观气候标志两类

1、宏观气候标志

宏观气候标志也称直接气候标志，通过其可直接确定出气候的类型和特征。宏观气候标志

可分为三类：

(1）沉积物气候标志

由于不同气候环境形成不同的成因类型，因而沉积物成因类型可用来反映沉积时古

气候状况，

具体可见下表：

第四纪主要沉积物成因类型气候标志表

（2）地貌气候标志

由于地貌形态是内外动力共同作用的结果，外力主要受控于气候条件。所以地貌类型也是气候标志的一个重要方面。

如:

冰川、冻土地貌——寒冷气候 岩溶、河流、湖泊地貌——温暖气候

风蚀、风积地貌——干旱气候

（3）生物气候标志

第四纪生物绝大多数为现生种类亚种，因此,可以利用化石组合中的现代相似种的生存条件,来推测化石埋藏时的古气候与古环境。

用于第四纪古气候研究的主要生物化石有：

A、植物化石

植物是陆地上最敏感的气候标志。可通过以下分析获取气候信息：

a、生态分析

b、叶片形态分析

c、孢子花粉分析

d、年轮分析

B、哺乳动物化石

一定气候环境生活着与其相适应的生物群，从第四纪地层中所含的哺乳动物化

石的成分、种属的比例就可分析其生态环境。

如：寒冷：猛犸象、披毛犀、北极狐动物群

温暖：河马、亚洲象、大熊猫、犀牛

半干旱（草原环境）：啮齿类、草食动物

C、海生软体动物化石、珊瑚化石

典型种属法：冰岛北极蛤（冷水种），牡蛎（温水种）

组合比较法：根据生物化石反映的纬度变化来推测气候的变化

珊瑚化石：水温13~16度，水深<40~60m，是良好环境的指示计

D、其他微体动物化石

窄温性示冷示暖有孔虫常用于第四纪海洋古气候的分析。如：

喜冷：Hyalina balthca(饰带透明虫〕

喜暖：Globorotalia menardii(门氏元球虫）

2、微观气候标志

由于微观气候标志存在的广泛性，在古气候研究中越来越引起人们的关注。目前比较成熟和常用的微观气候标志主要有以下几种：

（1）氧同位素

冰期环境: 海洋沉积物中 O18/O16——高

极地冰盖中 O18/O16——低

（2）粘粒分子率（SiO2/Al2O3、SiO2/Fe2O3）

比值低——湿热，比值高——干冷

（3）CaCO3含量

冰期——CaCO3高，间冰期——CaCO3低

（4）磁化率

一般地：磁化率大——温湿，磁化率小——干冷

（5）粘土矿物

一般地：高岭土——湿热，伊利石——干冷

二、第四纪气候变化的特征

1、几个基本概念

冰期－－－第四纪时期全球性的降温期，此期内发生大规模的冰川活动，在大陆冰川作用区，大陆冰川从高纬向中纬扩大，引起生物群从极地向赤道迁移，在

高山区，高山上部的山岳冰川向山下或向山外围扩大，生物群垂直分带向

下迁移。

间冰期－－－两次冰期之间全球性的增温期，地表大量的冰雪消融以致消失，大陆冰川消失或向高纬后退，高山区由山下向山上后退，但有大量的新生种产生。

冰阶－－－冰期中的冰川发育阶段。

间冰阶－－－冰期中一次相对温暖的气候寒冷阶段。

2、冰川作用区的气候变化

冰川作用区是指第四纪时期受到古冰川的侵扰和扫荡的地区，一般是35°N以北的中高纬地区和高山地区经过。

研究最早也是最经典的地区是阿尔卑斯地区。德国的A.Penker.bulukenier,1909年对该区进行了研究，根据寒冷和温暖气候所造成的地貌和沉积物的交替出现划分了4次冰期。

从而建立了第一个第四纪气候演化方案。即：

贡兹冰期（G）

贡兹－－民德间冰期（G－M）

民德冰期（M）

民德－里斯间冰期（M－R）

里斯冰期（R）

阿尔卑斯地区的研究成果推动了全世界第四纪古冰川的研究，欧洲、北美、亚洲等地相继发现了古冰川。我国李四光教授也在庐山发现了古冰川遗迹，并进行了冰期划分。世界各地划分的冰期与阿尔卑斯地区有较好对比（见下表），反映了气候变化的全球性特点。

3、深海沉积物的多波动气候旋回

深海沉积环境宁静，沉积过程比较连续，比陆地上更完整地记录了第四纪气候变化历史。海洋沉积车在10～10mm／ka间，干旱区较小，温润区较大，一般生物扰动很少，厚几米至几十米的深海沉积物可以记录下第四纪全部气候变化历史。现在全球海区已施工钻孔数以千计，为第四纪气候变化史研究提供了有利的条件。目前，已获得多条深海氧同位素气候曲线，而它们又是可以对比的。这是目前人们获得的最为理想的第四纪气候变化曲线。

在众多曲线中，以V28—238和V23—239孔曲线最为完整。位于太平洋近赤道海域水下3000m多的V28—238(01oN，160o29′ E)和V23—239(3o1 5N，159o11′E)2个深海钻孔试样的有孔虫壳δ18O曲线在布容正极时的0.7Ma内反映

的冷（或冰期）、暖（或间冰期）气候波动情况类似：在布容正极时(0.73Ma BP)以前气候波动频繁而幅度较小，布容正极性时内气候波动幅度较大而更有规律。如V28－238孔岩芯长16m，用14C法、铀系法、古地磁法和沉积率外推法划分氧同位素边界年龄(图10-12)，在孔深12.4m内记录了0.73Ma BP以来8个半由暖(奇数阶段)到冷(偶数阶段)组成的气候旋回(从A –I，B为复杂旋回，A为半旋回)。

δ18O气候曲线呈不对称锯齿状，显示降温和冰雪积累过程较长，升温和冰雪消融过程较快。冰期持续时间最长67ka，最短为11ka；间冰期最短为18ka，最长为71ka。近0.73Ma内有明显的准l00ka气候变化周期。深海沉积物反映的多波动气候旋回模式不同于经典的阿尔卑斯冰期方案，前者的连续性较好，后者的地层间断多，且难以估计，所以太平洋V28- 238和V23-239等孔气候曲线可作为海陆气候对比的标准孔，但应慎重。因为，无论海陆气候曲线多因使用的气候标志不同而有“长”、“短”气候年表差异。

中国黄土的多波动气候旋回

刘东生等通过数十年对黄土高原黄土研究，以陕西洛川剖面的黄土－古土壤序列为基础，利用多种宏观和微观气候标志，建立了2.4Ma以来的气候曲线（图10－24），发现了10个时间尺度较大的温湿和干冷的多波动气候旋回，并可与深海氧同位素曲线对，首先了气候变化的海陆对比。

4、130(或150)ka BP来气候与环境变化

130(或150)ka BP来，气候与环境变化是目前第四纪气候变化研究的重点，包括末次间冰期、末次冰期和冰后期。

①晚更新世 (末次间冰期—末次冰期)气候变化

这一时段大约从130(或150ka BP开始到11ka BP左右，包括里斯－玉术间冰期和玉木冰期，相当于V28—238深海钻孔δ18O气候曲线上的第5、4、3、2阶段和冰期旋回 B (图10—12)。

末次间冰期始于l30ka BP左右，终于75ka BP，是一个温暖气候阶段，其最温暖期大约在开始的l20ka BP左右，当时年均温比现在约高 2～3℃，以后气温渡动下降，在75 ka BP 进人末次冰期。末次间冰期内世界许多沿海地带发生海侵(如欧洲北部沿海、中国华北平原东部)，湖糟发育，阔叶林扩大。

末次冰期始于75 ka BP，终止于11 Ka BP，一般划分为两寒夹一暖3个阶段。早冰阶气候寒冷但非最严寒阶段，年均温比现代低 5～6℃。中期是相对温暖的寒冷气候阶段。晚期(尤其是 18ka BP) 末次冰期气候严寒干冷的盛冰期，年均温比现代低 8～9℃左右，也是130ka

BP来海平面下降幅度最大和沙漠显著发展的干旱期。由于气候干冷，故末次冰期球川规模不太。世界各地根据其地貌(如终硕堤)、冰碛物等对末次冰期都作了详细的研究，但气候期划分与时限也不尽相同。末次冰盛冰期之后的14一11ka BP的3ka期间，是由冰期往冰后期(暖)的转化时期。对研究预测气候与环境变化有参考价值。欧洲大陆根据冰川终碛、植被、冰盖变化和海平面变化，揭示出这一从冷到暖过渡的约3ka内有过几百年内7月均温变幅在 2～3℃内的冷暖气候变化频繁出现(有的研究者把一时段称为“晚冰期”)。

②全新世(冰后期)气候变化

A、全新世气候研究的主要材料

全新世气候与环境的变化主要根据植被演替，冰川末端、冻土边界和林线位置高度变化，海(湖)面升降、冰岩中δ18O及其尘土含量，树木14C及稳定同位素 (H2、δ18O)，树本年轮，物候记录和考古历史资料等的研究推断, 近年来，纹泥、珊瑚、石笋、冰芯等，也成了全新世高分辨率研究的主要材料。

主要材料

(图中明暗相间代表了气候的变化)

全用于新世高分辩率研究的珊瑚及样本

用于全新世高分辩率研究的冰芯及样本

B、全新世气候变化的基本特征

全新世气候变化按其特征可分为A、B、C、D 4个阶段：