第四紀地質(zhì)與環(huán)境：第十一章 第四紀氣候變遷及其動力機制

1、第十一章 第四紀氣候變遷及其動力機制一、第四紀氣候的一般概念二、第四紀氣候變化的標志三、第四紀氣候變化的特征四、中國更新世的氣候特征五、近一萬年來世界氣候變化六、第四紀氣候的研究方法七、第四紀氣候波動的動力因素一、第四紀氣候的一般概念（一）基本概念天氣某一地區(qū)、某一時刻、某一條件下的大氣物理狀況。氣候指某一地區(qū)長期的具有特征的天氣狀態(tài)綜合。包括溫度、降水等情況。年均溫，甚至以十 、萬、十萬為單位。氣候反應(yīng)經(jīng)常性的天氣，同時也包括特殊性的天氣。一、第四紀氣候的一般概念（二）地質(zhì)歷史上的三大冰期：前寒武紀冰期：5.7108 a. B.P震旦紀大冰期發(fā)生于8.55.7億年前的震旦紀，冰川最盛時覆蓋了

2、亞洲、歐洲、美洲、大洋洲的 許多地區(qū)，有的地方冰層厚達千米。我國宜昌的南沱冰磧層，是這次大冰期的典型剖面。一、第四紀氣候的一般概念（二）地質(zhì)歷史上的三大冰期：C-P冰期：2.5108 a. B.P晚古生代大冰期:發(fā)生于3.52.3億年前的石二疊紀，南半球的廣大地區(qū)，包括大洋洲的大部、南美洲巴西與阿根廷的大部、現(xiàn)在赤道非洲的民主剛果與烏干達以及熱帶的安哥拉與莫桑比克等，都為冰川所覆蓋。巴西圣保羅的冰川沉積的厚度超過了千米。處在北半球的印度，在這次大冰期中，也有13的面積被冰川覆蓋。一、第四紀氣候的一般概念（二）地質(zhì)歷史上的三大冰期：Q冰期：2106 a. B.P第四紀大冰期，發(fā)生在最近的300萬

3、年期間。在這次大冰期冰川最盛時，極地與高緯度地區(qū)的冰蓋、中低緯度的山岳冰川都大規(guī)模擴張，以致地球上32的陸地面積為冰川覆蓋 （現(xiàn)代冰川面積只占全球陸地面積的10），不僅西北歐平原、東歐平原與北美平原被大面積冰川所 占據(jù)，就是非洲的乞力馬扎羅山的冰川，也下降到比現(xiàn)在雪線低1500米的地方，我國的長江流域與黃河流域中下游的一些地方也有冰川分布。一、第四紀氣候的一般概念（二）地質(zhì)歷史上的三大冰期：冰川活動總的特點持續(xù)時間：一千萬年間隔2.5億年 脈動形式第四紀約200萬年，但冷暖波動更明顯一、第四紀氣候的一般概念（三）第四紀氣候的基本特征：1、全球的降溫。2、冰川擴大。 A.冰川覆蓋率增加。 B.冰

4、蓋數(shù)量和范圍增加。 C.山谷冰川下移。 D.雪線下降。3、具有波動式的周期性變化?，F(xiàn)代冰川與冰緣帶分布圖末次冰期全盛期冰蓋和永久凍土的最大范圍一、第四紀氣候的一般概念（四）氣候變化的意義：氣候變化對人類的居住環(huán)境、生物、地貌都具有重要的影響。（五）研究第四紀氣候變化的作用：劃分對比第四紀地層研究古環(huán)境的變化預測未來變化二、第四紀氣候變化的標志1、宏觀氣候標志2、微觀氣候標志1、宏觀氣候標志（1）巖石氣候標志（2）地貌氣候標志（3）生物化石氣候標志（1）巖石氣候標志A、顏色 紫 紅 橙 黃 灰 暖 冷B、成因類型 寒冷沉積物 寒冷氣候 溫暖沉積物 溫暖氣候 干旱沉積物 干旱氣候（2）地貌氣候標志

5、寒冷氣候：冰川、凍土地貌溫暖氣候：巖溶、河流、湖泊地貌干旱氣候：風蝕、風積地貌（2）地貌氣候標志具有重要意義的幾種典型地貌： 冰斗形成于雪線附近，年均溫0C，可推算冰期古雪線下降時的降溫值。古冰楔和凍褶構(gòu)造發(fā)育于永 久凍土層中，年均溫-2-9C間。沙丘和湖岸線研究干旱、半干旱區(qū)干濕氣候變化的重要標志。（3）生物化石氣候標志原理：利用化石組合中的現(xiàn)代相似種的生存條件, 推測化石埋藏時的古氣候與古環(huán)境。A、植物化石：B、哺乳動物化石：C、海生軟體動物化石、珊瑚化石：D、其他微體動物化石：A、植物化石植物是陸地上最敏感的氣候標志。a.生態(tài)分析b.葉片形態(tài)分析c.孢子花粉d.年輪分析 A、植物化石a.

6、生態(tài)分析現(xiàn)生種屬類比法：大氣降溫率推算變化的年均溫 現(xiàn)代的年均溫變化的年均溫當時的年均溫A、植物化石b、葉片形態(tài)分析葉相學（Foliar physiognomy) 葉級（葉片面積的大?。?降水量減小時，葉的大小也隨之減小，在熱帶低地大葉達到最大值（20.25cm2)。 Dicher(1973)指出葉的大小與溫度的關(guān)系，緯度的增加大型葉的種的比例減少，而小型葉的比例增加。 小型 中型 大型熱帶雨林（巴西1027s) 15.1 68.3 11溫帶雨林（巴西260 s) 14.4 64.4 11.1常綠闊葉林（浙江） 53.3 37.1 5.4溫帶山地針葉林（長白山）39.5 31.8 8.8全緣葉

7、 淺裂 (Lobed) 鋸齒型serrated葉緣: 全緣葉的統(tǒng)計，推測氣候類型；葉緣形態(tài)與氣候的關(guān)系 熱帶雨林 全緣葉 比例 75 副熱帶雨林 5775 亞熱帶雨林 4050 溫熱帶雨林 035葉脈密度、形式： 單位面積內(nèi)的葉脈數(shù)量， 熱帶雨林 密度小 網(wǎng)眼大 溫帶雨林 密度大 網(wǎng)眼小滴水尖（drip tip):使葉面上 的水迅速排放，而不致于葉子因漬水而腐爛。巴拿馬（熱帶）： 具滴水尖的占 76加里福尼亞 （溫帶）： 9c、孢子花粉分析推斷古氣候的冷熱演變：推算古降溫值：利用化石暗針葉林與現(xiàn)代林線的差值（類似于古冰斗的研究方法）孢粉重點曲線圖式孢粉水平圖式d.年輪分析年輪寬濕熱年輪窄干冷B

8、、哺乳動物化石只能指出氣候類型，且化石必須完整。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C、海生軟體動物化石、珊瑚化石a、典型種屬法：冰島北極蛤（冷水種） 牡蠣（溫水種）b、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20C ，水深20m，鹽度35 。是良好環(huán)境的指示計。D、其他微體動物化石包括海相有孔蟲、介形蟲等窄溫性示冷示暖有孔蟲常用于第四紀海洋古氣候的分析。喜冷：Hyalina balthca(飾帶透明蟲喜暖：Globorotalia menardii(敏納圓輻蟲）2、微觀氣候標志(1)氧同位素（O1

9、8） 冰期: 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：太平洋中：冰期CaCO3高 間冰期CaCO3低2、微觀氣候標志（4）磁化率：磁化率大溫濕、 磁化率小干冷（5）粘土礦物：高嶺土濕熱 伊利石干冷井兒洼鉆孔巖芯磁化率反映的湖泊演化階段三、第四紀氣候變化的特征（一）冰川作用區(qū)的氣候變化冰 期第四紀時期全球性的降溫，發(fā)生大規(guī)模的冰川活動時期。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

10、帶向下遷移。（一）冰川作用區(qū)的氣候變化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。 （二）非冰川作用區(qū) 指大陸冰蓋以外的廣大的中低緯地區(qū)。第四紀時期主要 是干燥和潮濕的氣候波動，因此稱為雨期和間雨期。 雨期第四紀氣候轉(zhuǎn)潮 的時期，特點是潮濕多雨，降雨充沛，水域擴大，湖面上升。 間雨期氣候處于兩雨期之間相對干燥的時期，降水少，湖群縮小，湖水位下降。 標志：高岸線、淡水沉積雨期 低岸線、泥裂、風沙間雨期（三）冰川外圍中低緯區(qū)雨期、間雨期與高山區(qū)高緯區(qū)冰期、間冰期的關(guān)系冰川外圍西風帶中高緯中國潮濕雨期冰期冬（干

11、燥）干燥間雨期間冰期夏（多雨）四、中國更新世的氣候特征1、新生代的氣候特征2、早更新世的氣候特征3、中更新世的氣候特征4、晚更新世的氣候特征1、新生代的氣候特征全球的降溫，并在幾個時期出現(xiàn)氣候突變事件：古新世晚期始新世早期：最熱事件漸新世早期：降溫事件中新世中期：降溫事件全球冰量劇增干旱化、降溫亞洲出現(xiàn)沙化南極冰蓋出現(xiàn)降溫上新世更新世新生代氣候降溫事件與深海巖芯氧同位素記錄 新生代實際或推測的氣候階段性變化1、新生代的氣候特征古近紀（E） 總的來看，這時期氣候相對溫暖（或稱炎熱），高低緯度氣溫相對比較均勻。新近紀（N） 氣候總的來看溫暖濕潤，溫度較早古近紀有所降低，溫帶面積擴大，而熱帶面積縮小

12、，但氣溫仍比現(xiàn)在高。 N2末期大約從3百萬年開始，地球氣候逐漸變冷，并由此過渡到第四紀的冰期氣候。階段性變冷和部分波動變化1、新生代的氣候特征2、早更新世的氣候特征早更新世早期：氣候比較寒冷，出現(xiàn)黃土堆積早更新世中期：氣候比較溫暖，南方的動物群進入華北地區(qū)。早更新世晚期：氣候寒冷，在華北地區(qū)出現(xiàn)冰緣地貌。早更新世晚期亞寒帶溫帶熱帶亞熱帶寒帶3、中更新世的氣候特征中更新世中期中溫帶南亞熱帶、熱帶寒溫帶暖溫帶中北亞熱帶4、晚更新世的氣候特征為一個完整的氣候旋回：暖（末次間冰期）冷（末次冰期）早期為間冰期，時間為13075ka BP，也稱末次間冰期，在阿爾卑斯山地區(qū)稱里斯玉木間冰期；在北歐叫魏克塞爾

13、間冰期；在北美桑加蒙間冰期；在中國的東部稱為廬山大理間冰期。這個時期的氣候特點是溫暖濕潤，海平面上升。晚期為冰期，時間為7510kaB P，也稱末次冰期，在阿爾卑斯山地區(qū)稱玉木冰期；在北歐叫魏克塞爾冰期；在北美稱威斯康星冰期；在中國的東部稱為大理冰期，或太白冰期；在青藏高原稱絨布寺冰期或珠穆朗瑪冰期。 末次間冰期全球平均年氣溫比現(xiàn)今高23相當深海沉積物氧同位素的第5階段（MIS5） 由三個溫暖階段（MIS5a、c、e）和兩個相對寒冷階段（MIS5b、d）構(gòu)成次一級的氣候波動 末次冰期與末次冰盛期末次冰期在北美被稱為魏克塞爾（Wisconsin），歐洲稱威斯康星（Weichsel），在阿爾卑斯稱

14、玉木（Wrm） 。歷時約6.5萬年（7510ka BP），相當深海沉積物氧同位素的第4、3、2階段（MIS4、3、2）末次冰期對應(yīng)于氧同位素2-4段，約7410 ka BP；末次冰盛期（LGM）從嚴格意義上講是指最近一次冰蓋體積最大的時期，并不一定是最近一次溫度最低的時期，日歷年齡約為2118 ka BP（Bard, 1999）。聶高眾等（1996）根據(jù)黃土粒度曲線認為LGM約在2018 ka BP。末次冰期向全新世過渡期又稱晚冰期，包括老仙女木期（Oldest Dryas）、Bolling暖期、中仙女木期（Older Dryas，）、Aller暖期和新仙女木期（Younger Dryas）。

15、 晚更新世晚期亞寒帶寒帶寒溫帶溫暖帶亞熱帶寒帶五、近一萬年來世界氣候變化 冰后期指末次冰期冰川作用之后，全球又進入到一個較溫暖的時期。1、 研究從以下幾方面入手：A、雪線和冰斗的高度變化；B、據(jù)冰川末端的終磧堤；C、水面的上升和下降；D、物侯材料（開花時間、結(jié)冰化冰時間、農(nóng)作物標志）。五、近一萬年來世界氣候變化2、一萬年以來的氣候期方案前北方期： 10.39.5 ka BP；氣候干冷；北方期：9.57.5 ka BP；氣候干暖；大西洋期： 7.55.0 ka BP；溫暖潮濕、氣候適宜期；亞北方期： 5.02.7 ka BP；氣候干暖；亞大西洋期：2.70 ka BP ；氣候溫涼；中國冰后期氣候

16、分期五、近一萬年來世界氣候變化3、中國5000年來的氣候變化廣義小冰期5000年來大西洋期以后的時期。狹義小冰期公元17001750以后的時期（現(xiàn)代小冰期）。現(xiàn)代小冰期廣義小冰期我國近五千年來的氣候變化表4-8 我國近5000年來氣候變遷（據(jù)竺可楨，1973） 氣候分期 年代 文獻記載 氣候特征 第四寒冷期 600100 京杭大運河封凍；太湖、漢水、淮河、洞庭湖結(jié)冰 氣候轉(zhuǎn)冷，冬季-2 第四溫暖期 800700 西安一帶有大面積竹子 氣候轉(zhuǎn)暖 第三寒冷期 1000800 太湖結(jié)冰；杭州降雪頻繁 氣候寒冷 第三溫暖期 14001000 黃河流域生長梅、竹、柑橘 第二寒冷期 20001400 淮河結(jié)冰 年均溫-12 第二溫暖期 28502000 黃河流域梅、竹等普遍生長 氣候溫暖 第一寒冷期 31002850 長江支流漢水出現(xiàn)封凍 氣候轉(zhuǎn)冷 第一溫暖期 50003100 黃河下游生活水獐、竹鼠、貘、水牛等 年均溫+2，1月+35 六、第四紀氣候的研究方法1.選定古氣候記錄載體2.建立時間序列3.提取氣候信息（溫度、降水量、風等）氣候代用指標(地質(zhì)、生物、物理、化學）4.重建氣候歷史（周期）5.探討氣候演變機制6.預測未來變化趨勢高分辨率的古氣候研究方法1. 樹輪2. 紋層 （石筍、珊瑚、紋泥）3. 冰心東北龍崗火山群瑪珥湖和沉積物巖芯。1998-