第四紀(jì)地質(zhì)與地貌學(xué)第三章第四紀(jì)基本問題3第四紀(jì)氣候

地貌學(xué)及第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)馬維峰第三章第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)基本問題概述內(nèi)容第四紀(jì)沉積物及其成因第四紀(jì)年代學(xué)第四紀(jì)氣候基本特征及其研究第四紀(jì)生物界特征及其研究意義人類的出現(xiàn)與演化階段第四紀(jì)地層及階段劃分基本概念：氣候天氣：某一地區(qū)、某一時(shí)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)綜合氣候包括溫度和降水等情況時(shí)間尺度為月、季、年、數(shù)年到數(shù)百年以上氣候以冷、暖、干、濕這些特征來衡量，通常由某一時(shí)期的平均值和離差值表征氣候反應(yīng)經(jīng)常性的天氣，同時(shí)也包括特殊性的天氣第四紀(jì)氣候的研究意義第四紀(jì)是一個(gè)氣候變化非常劇烈的地質(zhì)時(shí)代，學(xué)習(xí)和研究第四紀(jì)的氣候特征及其變化規(guī)律對認(rèn)識地球的氣候演化是非常重要的第四紀(jì)是距今最近的一個(gè)地質(zhì)時(shí)代，今天的氣候就是第四紀(jì)氣候的延續(xù)，學(xué)習(xí)和研究第四紀(jì)的氣候特征及其變化規(guī)律，對認(rèn)識今天的氣候，預(yù)測未來的氣候變化，具有重要的實(shí)際意義3.第四紀(jì)氣候基本特征及其研究前第四紀(jì)氣候變化概述第四紀(jì)氣候變化第四紀(jì)海平面變化中國第四紀(jì)氣候變化概況氣候變化原因和未來氣候與環(huán)境變化趨勢問題探討3.1前第四紀(jì)氣候變化概述

地球歷史時(shí)期，巖石和化石證據(jù)表明，90%的時(shí)間以溫暖氣候?yàn)橹鳎l(fā)生過多次不同時(shí)間尺度的寒冷氣候事件從溫暖氣候到寒冷氣候稱為一個(gè)氣候旋回地史時(shí)期出現(xiàn)過5次大冰期持續(xù)時(shí)間，>10Ma（除第四紀(jì)冰期）間隔：200-300Ma（后4次）3.1前第四紀(jì)氣候變化概述

地史時(shí)期出現(xiàn)過5次大冰期早元古代冰期約，2.3GaBP晚元古代冰期約，800-600MaBP奧陶紀(jì)-志留紀(jì)冰期約，500-450MaBP石炭紀(jì)-二疊紀(jì)冰期約，300MaBP第四紀(jì)冰期補(bǔ)充資料：冰川形成3.1前第四紀(jì)氣候變化概述

中生代是500Ma以來最顯著的高溫期北極－南極，亞熱帶、熱帶植物群廣泛發(fā)育的造煤環(huán)境侏羅紀(jì)：高20℃白堊紀(jì)：高10-15℃白堊紀(jì)末，快速變冷，轉(zhuǎn)入新生代降溫期新生代是一個(gè)比現(xiàn)在氣候溫暖而不斷降溫的時(shí)代第三紀(jì)和現(xiàn)代的氣候帶比較第三紀(jì)現(xiàn)代第四紀(jì)LGM時(shí)的北美大陸第四紀(jì)時(shí)期，北美大陸被大面積的冰雪覆蓋，圖中是LGM時(shí)冰蓋的范圍。美加邊境上的五大湖地區(qū)也被冰雪覆蓋。LGM與現(xiàn)代北極格陵蘭冰蓋的比較LGM時(shí)北美大陸與歐亞大陸北端均有大規(guī)模連片的冰蓋，海冰范圍很大現(xiàn)在北美大陸與歐亞大陸冰蓋消失，僅格陵蘭有冰蓋，海冰范圍較小小結(jié)：全球性的總降溫過程中出現(xiàn)冷暖氣候波動；中高緯地區(qū)和高山地區(qū)產(chǎn)生大規(guī)模冰川活動；沿海地區(qū)則產(chǎn)生海平面的升降。研究過去，面向未來！3.2第四紀(jì)氣候變化第四紀(jì)氣候變化特征第四紀(jì)氣候標(biāo)志第四紀(jì)氣候期及其環(huán)境特征第四紀(jì)氣候變化史3.2第四紀(jì)氣候變化第四紀(jì)氣候變化特征地質(zhì)歷史時(shí)期全球性的寒冷期約2.4Ma全球降溫基礎(chǔ)上的寒暖氣候波動高緯，高山：冰期，間冰期中底緯：干冷，暖濕氣候變化高緯→赤道（變化幅度變小）陸地比海洋變化明顯3.2第四紀(jì)氣候變化第四紀(jì)氣候變化特征第四紀(jì)氣候標(biāo)志第四紀(jì)氣候期及其環(huán)境特征第四紀(jì)氣候變化史3.2第四紀(jì)氣候變化第四紀(jì)氣候標(biāo)志宏觀巖石學(xué)地貌生物化石微觀氧同位素（δ18O）粘粒分子率CaCO3微量元素粘土礦物沉積物粒度參數(shù)磁化率巖石氣候標(biāo)志A.顏色紫→紅→橙→黃→灰暖→冷B.沉積物美國Bigbend大彎國家公園的馬蹄彎，宏偉壯麗的全景圖，下面是科羅拉多河第四紀(jì)主要巖石氣候標(biāo)志表寒冷（或冰期)沉積物冰磧物、冰水沉積物、凍融堆積物、冰川漂礫、深海浮冰砂、冰巖及其塵土含量、喜冷生物巖層、寒凍風(fēng)化角礫、寒凍洞穴角礫溫暖（或間冰期）沉積物紅粘土風(fēng)化殼、珊瑚堆積、石灰華、石鐘乳、古土壤、河、湖、沼澤沉積物、喜暖生物巖層干旱、半干旱氣候沉積物風(fēng)成沙、黃土、鹽類沉積物、大規(guī)模洪積物、溫差風(fēng)化碎石、風(fēng)棱石4.2第四紀(jì)氣候變化第四紀(jì)氣候標(biāo)志宏觀巖石學(xué)地貌生物化石微觀氧同位素（δ18O）粘粒分子率CaCO3微量元素粘土礦物沉積物粒度參數(shù)磁化率地貌氣候標(biāo)志寒冷氣候：冰川、凍土地貌溫暖氣候：巖溶、河流、湖泊地貌干旱氣候：風(fēng)蝕、風(fēng)積地貌典型地貌氣候標(biāo)志冰斗——形成于雪線附近，年均溫0度，因此可證明古冰川作用的存在并可利用古冰斗與現(xiàn)代冰斗高度差值推算冰期古雪線下降時(shí)的降溫值；古冰楔和凍褶構(gòu)造——發(fā)育于現(xiàn)代極地和高山永久凍土層中，年均溫-2--9度間，越寒冷規(guī)模越大；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(biāo)志；3.2第四紀(jì)氣候變化第四紀(jì)氣候標(biāo)志宏觀巖石學(xué)地貌生物化石微觀氧同位素（δ18O）粘粒分子率CaCO3微量元素粘土礦物沉積物粒度參數(shù)磁化率生物化石氣候標(biāo)志原理：Q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,推測化石埋藏時(shí)的古氣候與古環(huán)境方法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、其他微體動物化石生物化石氣候標(biāo)志A.植物化石植物是陸地上最敏感的氣候標(biāo)志a.生態(tài)分析b.葉片形態(tài)分析c.孢子花粉d.年輪分析年輪分析年輪寬——濕熱年輪窄——干冷B.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(jì)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(jì)海洋古氣候的分析。喜冷：Hyalinabalthca(飾帶透明蟲〕喜暖：Globorotaliamenardii(門氏元球蟲）3.2第四紀(jì)氣候變化第四紀(jì)氣候標(biāo)志宏觀巖石學(xué)地貌生物化石微觀氧同位素（δ18O）粘粒分子率CaCO3微量元素粘土礦物沉積物粒度參數(shù)磁化率微觀氣候指標(biāo)A.氧同位素（δ18O）δ18O：低值為冷期，高值為暖期冰期:海洋沉積物中：O18/O16__高極地冰蓋中：O18/O16--低B.粘粒分子率:SiO2/Al2O3、SiO2/Fe2O3比值低——濕熱，比值高——干冷微觀氣候指標(biāo)C.CaCO3海洋中：冰期——CaCO3高間冰期——CaCO3低微觀氣候指標(biāo)D.微量元素在溫暖氣候條件下，植物生長繁茂，植被生長過程中從土壤水溶液中吸收部分微量元素，并富集在土層中干冷氣候條件下，植物生長勢衰，土層中大部分微量元素流失E.粘土礦物高嶺土——濕熱伊利石——干冷微觀氣候指標(biāo)F.沉積物粒度參數(shù)沉積物成因古氣候意義黃土：粒度反映風(fēng)力作用強(qiáng)度，中值直徑達(dá)到風(fēng)砂級，反映沙漠?dāng)U大微觀氣候指標(biāo)G.磁化率磁化率大——溫濕磁化率小——干冷3.2第四紀(jì)氣候變化第四紀(jì)氣候變化特征第四紀(jì)氣候標(biāo)志第四紀(jì)氣候期及其環(huán)境特征第四紀(jì)氣候變化史第四紀(jì)氣候期及其環(huán)境特征氣候期地質(zhì)時(shí)期某一類氣候占優(yōu)勢的時(shí)期根據(jù)氣候參數(shù)將氣候期劃分為：年均溫：高緯（高山、部分中緯山）的冰期與間冰期，第四紀(jì)氣候期的核心概念年均降雨量：中低緯無冰川區(qū)的干旱期與濕潤期時(shí)間上有聯(lián)系，后一類多為定性研究第四紀(jì)氣候期及其環(huán)境特征1.冰期與間冰期及其環(huán)境特征（1）冰期與間冰期冰期－－－第四紀(jì)時(shí)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(kuò)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(kuò)大，生物群垂直分帶向下遷移第四紀(jì)冰期氣候特點(diǎn)A、全球降溫，冰川活動；B、冰進(jìn)過程：高山－－低山；C、生物群遷移，伴生著絕滅；D、南北半球同時(shí)發(fā)生，北半球多；第四紀(jì)氣候期及其環(huán)境特征1.冰期與間冰期及其環(huán)境特征（1）冰期與間冰期間冰期－－－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。間冰期冰期暖冷溫度時(shí)間全球各地經(jīng)典第四紀(jì)冰期對比A.Penck&Brückner(1909)第四紀(jì)氣候期及其環(huán)境特征1.冰期與間冰期及其環(huán)境特征（1）冰階與間冰階

冰階－－一次冰期發(fā)展過程中的一次短暫的停止階段，但地面仍有冰川存在間冰階－－冰期中一次相對溫暖的氣候寒冷階段，某些地區(qū)的冰川可能消失，但是局部的比冰期更小的氣候期間冰期冰期暖冷溫度時(shí)間間冰階冰階第四紀(jì)氣候期及其環(huán)境特征1.冰期與間冰期及其環(huán)境特征（2）冰期、間冰期環(huán)境特征氣溫和降水量冰期，年均溫最冷底5-7℃間冰期，年均溫高2-5℃18kaBP末次冰期，降水少14％，蒸發(fā)少15％，計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果（國際氣候長期研究項(xiàng)目）冰雪層氣候帶移動海平面變化第四紀(jì)氣候期及其環(huán)境特征1.冰期與間冰期及其環(huán)境特征（2）冰期、間冰期環(huán)境特征氣溫和降水量冰雪層現(xiàn)代冰川，陸地面積的10％第四紀(jì)冰川全盛期，30％氣候帶移動緯向移動海平面變化冰期：下降間冰期：上升第四紀(jì)氣候期及其環(huán)境特征1.冰期與間冰期及其環(huán)境特征（3）干旱期與濕潤期及其環(huán)境特征干旱期：當(dāng)高緯區(qū)冰期時(shí)，冰蓋上空冷高壓反氣旋往中低緯度移動，降水帶南移，季風(fēng)萎縮，使中低緯度大部分氣候變干變冷，降水量相對減少的時(shí)期濕潤期：當(dāng)高緯區(qū)間冰期時(shí)，冷高壓反氣旋往極地方向收縮的同時(shí)，降水帶北移，季風(fēng)活動勢力強(qiáng)，使中低緯度大部分地區(qū)氣候變暖變濕，降水量相對增加時(shí)期4.2第四紀(jì)氣候變化第四紀(jì)氣候變化特征第四紀(jì)氣候標(biāo)志第四紀(jì)氣候期及其環(huán)境特征第四紀(jì)氣候變化史第四紀(jì)氣候變化史第四紀(jì)冰川活動史研究最早也是最經(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(jìn)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次冰期阿爾卑斯地區(qū)的研究成果推動了全世界第四紀(jì)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(jìn)行了冰期劃分第四紀(jì)冰川活動史阿爾卑斯地區(qū)貢茲冰期（G）以冰積物為特點(diǎn)貢茲－－民德間冰期（G－M）冰川被流水、風(fēng)化所代替民德冰期（M）流水被冰川所代替，形成新礫石層，風(fēng)化老礫石層民德－里斯間冰期（M－R）河流作用明顯，侵蝕大河谷，老礫石層風(fēng)化兩次，新礫石層風(fēng)化一次第四紀(jì)冰川活動史阿爾卑斯地區(qū)里斯冰期（R）大冰期，高階地礫石層形成里斯－雨木間冰期（R－W）切割高階地第四紀(jì)冰川活動史阿爾卑斯地區(qū)玉木冰期（R）形成河谷低階地向山谷與現(xiàn)代冰川相連冰后期現(xiàn)代河谷第四紀(jì)冰川活動史北美和格陵蘭非冰川作用區(qū)氣候變化指大陸冰蓋以外的廣大的中低緯地區(qū)。第四紀(jì)時(shí)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(jì)氣候轉(zhuǎn)暖、轉(zhuǎn)潮的時(shí)期，特點(diǎn)是潮濕多雨，降雨充沛，水域擴(kuò)大，湖面上升，同時(shí)產(chǎn)生大規(guī)模的淡水湖沉積或風(fēng)化沉積。間雨期－－氣候處于兩雨期之間相對干燥的時(shí)期，降水少，湖群縮小，湖水位下降，在湖中沉積鹽類，同時(shí)也沉積風(fēng)沙和黃土。標(biāo)志：高岸線－－雨期低岸線、泥裂、風(fēng)沙－－間雨期第四紀(jì)氣候變化史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(jì)氣候變化歷史現(xiàn)在全球海區(qū)已施工鉆孔數(shù)以千計(jì)，為第四紀(jì)氣候變化史研究提供了有利的條件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(jì)氣候變化曲線第四紀(jì)氣候變化史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(biāo)志，建立了2.4Ma以來的氣候曲線，發(fā)現(xiàn)了10個(gè)時(shí)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，首先確立了氣候變化的海陸對比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(jì)氣候變化研究的重點(diǎn)，包括末次間冰期、末次冰期和冰后期劃分為：晚更新世(末次間冰期—末次冰期)氣候變化全新世(冰后期)氣候變化晚更新世氣候變化大約從130(或150kaBP開始到11kaBP左右末次間冰期l30kaBP

-

75kaBP，是一個(gè)溫暖氣候階段，其最溫暖期比現(xiàn)在約高

2-3℃，以后氣溫渡動下降，在75kaBP進(jìn)人末次冰期末次冰期始于75kaBP，終止于11KaBP，一般劃分為兩寒夾一暖3個(gè)階段全新世(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及其土含量，樹木14C及穩(wěn)定同位素

(H2δ18O)樹本年輪，物候記錄和考古歷史資料近年來，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石筍及樣本用于全新世高分辯率研究的冰芯及樣本全新世(冰后期)氣候變化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、D，4個(gè)階段：a.全新世早期升溫階段

b.全新世中期高溫階段

(又稱氣候適宜期)，此時(shí)全球氣候濕暖年均溫比現(xiàn)在高

3℃c.全新世晚期降溫階段d.

20世紀(jì)升溫階段過去20年里，北極冰蓋面積減少了40%，平均厚度從3米減至1.5米。格陵蘭島東部的一座融化的冰山（2007年7月19日）企鵝身后的冰川正在融化加拿大東北部，有一座著名的北極冰架——沃德·亨特，近日發(fā)生了新的斷裂，整個(gè)冰架已經(jīng)分成三大塊，新裂縫最長18公里，“加拿大的版圖已經(jīng)發(fā)生了變化”！氣候變化研究簡史氣候變化研究簡史3.第四紀(jì)氣候基本特征及其研究前第四紀(jì)氣候變化概述第四紀(jì)氣候變化第四紀(jì)海平面變化中國第四紀(jì)氣候變化概況氣候變化原因和未來氣候與環(huán)境變化趨勢問題探討3.3第四紀(jì)海平面變化海平面變化機(jī)制前第四紀(jì)海平面變化概況第四紀(jì)海平面變化標(biāo)志第四紀(jì)海平面變化歷史海平面變化機(jī)制海盆容積變化洋中脊活動，海底擴(kuò)張?jiān)斐傻暮５咨岛Ｆ矫孀兓瘷C(jī)制冰川的增長與消融海平面變化機(jī)制大陸與洋殼的沉積、升降大地水準(zhǔn)面變化沉積水文因素海水溫度海平面變化機(jī)制（總結(jié)）確實(shí)在升降（水總量變化）冰川新生成水（火山活動）構(gòu)造均衡作用造成（水總量不變）構(gòu)造作用沉積作用影響局部地區(qū)的有限均衡水溫，大地水準(zhǔn)面前第四紀(jì)海平面變化概況前第四紀(jì)海平面變化是地質(zhì)時(shí)期的長期變化結(jié)果研究方法生態(tài)地層層序地層學(xué)地震前第四紀(jì)海平面變化概況海退地殼運(yùn)動強(qiáng)烈活動階段，地殼隆起、陸地增生，海平面急劇下降海侵地殼長期穩(wěn)定和濕潤氣候時(shí)期地形被逐漸夷平，海平面緩慢上升地質(zhì)歷史時(shí)期海平面呈鋸齒狀地殼運(yùn)動時(shí)間<<地形夷平時(shí)間第四紀(jì)海平面變化標(biāo)志沉積物和地貌類型沉積物地貌沉沒的瀉湖沉積物、濕地泥炭、海灘沉積物、濱岸化石、珊瑚礁、沿岸沙堤、原地生長的哺乳動物化石古河谷、三角洲、冰蝕冰積形態(tài)、灰?guī)r溶劑、海成階地陸地上抬升的海相地層、貝殼堤海蝕穴、海成階地、上升海灘第四紀(jì)海平面變化歷史研究概述早中更新世研究粗略晚更新世研究詳細(xì)全新世研究最全面在南極未形成大冰蓋之前,世界海面比現(xiàn)在約高55米，其后隨著第四紀(jì)氣候的波動，海平面也產(chǎn)生相應(yīng)的升降變化末次冰期最盛時(shí)，海面比現(xiàn)在海面低130米。末次冰期結(jié)束后，海面逐漸回升，到距今6000年左右基本達(dá)到現(xiàn)在海平面位置晚更新世海平面(130—11kaBP)變化全新世(11kaBP)海平面變化全新世(冰后期)是一個(gè)全球溫暖期，除南北極冰蓋變化不大外，世界其它冰蓋和中緯山地冰川全部或大部分消融，在11－6kaBP(至5kaBP的大西洋期)全球海平面急劇震蕩上升，以后上升速度減慢并逐漸過渡到現(xiàn)代海平面研究方法：大量近岸泥炭（部分地區(qū)用貝殼或珊瑚亞化石）14C年齡基礎(chǔ)上的氣候波動冰川盛衰海平面升降三位一體3.第四紀(jì)氣候基本特征及其研究前第四紀(jì)氣候變化概述第四紀(jì)氣候變化第四紀(jì)海平面變化中國第四紀(jì)氣候變化概況氣候變化原因和未來氣候與環(huán)境變化趨勢問題探討3.4中國第四紀(jì)氣候變化概況中國的第四紀(jì)冰期中國黃土-古土壤系多波動氣候模式中國第四紀(jì)氣候變化梗概3.第四紀(jì)氣候基本特征及其研究前第四紀(jì)氣候變化概述第四紀(jì)氣候變化第四紀(jì)海平面變化中國第四紀(jì)氣候變化概況氣候變化原因和未來氣候與環(huán)境變化趨勢問題探討3.5氣候變化原因和變化趨勢

氣候變化的原因未來氣候變化的趨勢與預(yù)測氣候變化的原因宇宙原因太陽輻射的變化、地球軌道的變