第二章第四纪地质学的基本问题

1、第二章 第四纪地质学的基本问题,2,一、第四纪下限与第四纪分期 二、气候旋回 三、第四纪沉积物,3,一、第四纪下限与第四纪分期 1、确定第四纪下限的依据 （1）冰川活动（2）气候变冷（3）动物化石（4）人类出现和人类文化（5）沉积构造事件 2、第四纪下限的方案 （1）更新世底界的初次确立 （2）更新世底界的修正和第四纪合法地位的确立 （3）中国黄土研究对确定第四纪底界的历史贡献 3、第四纪分期,4,1、确定第四纪下限的依据 目前为止第四纪下限还没有达成一个完全统一的认识。 第四纪下限就是指第四纪的起始时间，或者新近纪与第四纪的分界，也是上新统（世）与更新统（世）的分界。 世界各国学者都试图用全

2、球性的地质事件，如气候、冰川、古生物、古人类、构造运动等作为第四纪开始的标志，由于各地的地质背景、地理背景、气候环境的差异，这些全球性的地质事件发生的时间并不完全同步，因此对第四纪下限年代的确定意见难以统一,5,1）冰川活动 一般观点是第四纪开始的一个重要标志就是由于气候的变冷在中低纬度的山岳地区发生了冰川活动，出现了与上新世完全不同的环境特征，早期学者就依据阿尔卑斯山地区的冰川活动来确定第四纪下限. 后来发现，不仅在阿尔卑斯山地区发现了更早的冰川活动，如多瑙冰期、拜伯冰期，而且在亚洲、北美等地也发现了早于3MaBP的冰川遗迹，使先前确定的第四纪下限产生了动摇,6,2）气候变冷 第四纪开始的一

3、个重要标志是全球性的气候显著变冷，但在第四纪冰期与间冰期是频繁交替的，至少有几十次的气候变冷事件。自上新世以来，发生了几次显著变冷的时期，如3.4MaBP，2.52.6MaBP，1.81.9MaBP，1.1MaBP，0.8MaBP，这些变冷事件都具有全球性，从高纬度到中低纬度，从陆地到海洋都有记录。那么那次气候变冷事件可作为第四纪的开始呢？目前没有一致的意见,7,3）动物化石 主要是哺乳动物化石。传统上，把真马、真象、真牛的出现作为第四纪的下限，而在上新世出现的是三趾马和乳齿象。在欧洲和亚洲，这条界限还是比较清楚的。第四纪哺乳动物化石研究者通常采纳这个标志,8,4）人类出现和人类文化 第四纪有

4、人称为灵生纪或人类纪。20世纪初，人类化石的年代不早于0.70MaBP，但后来的人类化石发现，使人类历史不断延伸，直立人可早到约2MaBP，能人可延伸到2.53MaBP，如果把南方古猿也算上的话，人类的历史至少可早到4MaBP.因此依据人类出现划分第四纪下限，也是存在争议的,9,5）沉积构造事件 在中国，黄土堆积是东亚季风的冬季风加强的结果，上新世的三趾马红土堆积是在夏季风的条件下形成的。这种沉积类型的显著变化标志着地球表层环境发生了重大的转折。 青藏高原在2.6MaBP前后隆升加速，快速成为高原，影响东亚季风的形成。 北极冰盖和劳伦泰冰盖的扩张、北大西洋冰筏屑沉积的出现和加强等对第四纪下限的

5、划分也具有一定的指示意义,10,11,一、第四纪下限与第四纪分期 1、确定第四纪下限的依据 （1）冰川活动（2）气候变冷（3）动物化石（4）人类出现和人类文化（5）沉积构造事件 2、第四纪下限的方案 （1）更新世底界的初次确立 （2）更新世底界的修正和第四纪合法地位的确立 （3）中国黄土研究对确定第四纪底界的历史贡献 3、第四纪分期,12,2、第四纪下限的方案 （1）更新世底界的初次确立 自19世纪70年代以后，更新世底界划分的焦点转移到了意大利。 一些学者注意到意大利海相沉积中一些外来的冷水环境软体动物化石，并以此类物种作为划定更新世底界的依据。 1948年，在伦敦召开的第18届国际地质大会

6、，决定在意大利的海相沉积中建立上新世更新世的界线层型剖面，并提出下更新统应该包括海相的卡拉布里亚组和其相对应的陆相维拉弗朗组,13,1957年，国际第四纪研究会(International Union for Quaternary Research,简称INQUA)在西班牙马德里召开第届第四纪大会，决定成立一个上新世更新世界线委员会。随后，该委员会成为国际地层委员会下属的工作组，负责制定上新世更新世界线划分的原则和界线层型剖面的建立。 随后的20多年，地层学家们积极寻找符合要求的层型剖面，最后，经过国际地质对比计划（International Geological Correlation Pr

7、ogramme，简称 IGCP）第41工作组、国际地层委员会工作组和INQUA第三、第四纪界线分委员会的共同努力，选定意大利南部的Vrica剖面为上新世更新世界线层型剖面,14,1984年，在莫斯科举办的第27届国际地质大会将意大利的Vrica剖面定为上新世更新世界线层型剖面,古地磁方法测定年龄为1.8Ma。选择该界线的一个重要原因是该界线附近的古生物事件可与软体动物Arctica islandica的出现相对比。现今的Arctica islandica在副北极区冷水环境中生活，因而该软体动物在地中海地区的首次出现被广泛认为指示了更新世的底界。遗憾的是，此次更新世底界的确立，并没有考虑第四纪的

8、地位问题。虽然第四纪一词仍没有一个官方的定义，但在一些地质年表中一直被作为正式的系纪来对待，并且其底界和上新世更新世界线一致,15,16,2）更新世底界的修正和第四纪合法地位的确立 更新世底界的修正：将更新世的底界确定在1.8Ma引起了强烈的争议。 首先，根据中国科学家对黄土的研究，广泛的黄土堆积指示了全球气候变冷，因而黄土开始堆积的年龄应该指示第四纪的底界。 其次，Vrica 剖面的上新世更新世界线划定的依据是所谓的冷水种的首次出现，但随后的研究表明，该冷水种的鉴定有误,应该是一种未命名的新种，该新种自中新世以来在深海广泛分布，并不是冷水种。因此，传统的上新世更新世界线既不代表气候界线也不反

9、映生物事件,17,1992年，刘东生在日本京都第29届国际地质大会上作了有关中国黄土的学术报告。报告刚结束，法国古气候学家Nicole Petit Maire在会场做了即兴发言，她根据黄土的底界年龄，强烈抨击上新世更新世界线。当天，大会宣布将召开一次关于将上新世更新世界线下移到2.6Ma的会议。 1995年，在柏林召开的INQUA大会提议将上新世更新世界线从1.8Ma下移到2.6Ma,18,1998年，第四纪地层分委员会向国际地层委员会正式提交了将上新世更新世界线下移至2.6Ma的提案。因为上新世更新世界线下移不仅意味着从新近纪中划出80万年来给第四纪，而且需更改相应的界线层型剖面。因此，国际

10、地层委员会决定投票决定。1998年12月，投票结果揭晓，上新世更新世界线下移的赞成票占50.1。根据地层委员会的规定，赞成票需达到60才能通过，该提案最终功亏一篑。此次投票，主要的反对意见来自研究海洋的学者。 1999年1月国际地科联正式宣布维持将上新世更新世界线放在1.8Ma的决议，并且10年之内不得变动,19,第四纪合法地位的确立 2004年，剑桥大学出版了一本由挪威奥斯陆大学的Felix Gradstein主持编写的新地质年表。取消了1998年版的国际地层表中Quaternary作为一个系纪的地位，将更新世和全新世并入了新近纪（Neogene,20,其原因:首先,Quaternary一词

11、虽然被广泛运用，但从来没有一个严格的定义；其次，既然第一纪、第二纪、第三纪都逐步废止了，那么继续保留第四纪似乎不合时宜；另外，第四纪和更新世的时间跨度接近，所以保留更新世一词就足够了,21,该年表在推出前并未广泛征求第四纪工作者的意见，但由于Gradstein是国际地层委员会主席，新年表很快就出现在国际地层委员会的官方网站上。此事在国际地质学界，尤其在第四纪学术界引起了强烈的震动,22,不容忽视的事实是：第四纪一词已经被各个学科采纳，广泛出现在各类学术论文和教科书中，一些国际刊物和学术组织也以第四纪来命名。因此，第四纪不仅仅同冰期气候、人类兴起等重大事件联系起来，更是一个学术群体的象征,23,

12、许多学者纷纷就此事展开讨论，甚至撰文来捍卫第四纪的应有地位。2004年6月,INQUA地层学和年代学委员会主席Brad Pillans提出一个妥协的方案：将第四纪的底界下移至2.6Ma ，但将其作为新近纪的一个亚纪。这一方案一提出就得到大多数国际第四纪同行的强烈反对,24,刘东生认为Pillans将第四纪底界下移的提议是正确的，但是将其作为新近纪的亚纪则毫无道理，并呼吁从事第四纪研究的学者们踊跃发表意见，尽最大努力保持第四纪一词的正式地位。 安芷生也对Pillans的观点进行了驳斥，强调了保持第四纪正式地位的必要性,25,2009年6月30日，国际地科联最终正式批准了将Quaternary作为

13、一个正式的系纪,更新世底界下移至2.6Ma的决议，同时Monte San Nicola剖面取代Vrica剖面成为上新世更新世的界线层型剖面,26,3）中国黄土研究对确定第四纪底界的历史贡献 中国黄土的研究对第四纪和更新世底界的确立起了强力的推动作用。近30年来，我国黄土研究者坚持将第四纪的底界定为2.6Ma。 黄土地层最直观的现象是黄色的黄土层和红色的土壤层相间出现。黄土层一般为块状结构，含较高的碳酸盐，质地较均匀，层厚大小不等。古土壤层具发育程度不等的土壤结构。系统的土壤地层研究发现，中国黄土可以划分为30多个土壤黄土层组合,古地磁研究表明，中国黄土的堆积始于2.6Ma,27,3）中国黄土研

14、究对确定第四纪底界的历史贡献 完整的黄土沉积往往覆盖在厚度不等的晚第三纪红粘土之上。近年来的研究发现红粘土亦为风成沉积，并可将连续的风成沉积从2.6Ma下推到7-8 Ma。晚第三纪红粘土最显著的特征是颜色整体呈红色，土壤层与钙结核层交替出现。 依据黄土的气候内涵来确定第四纪底界，完全符合1948年伦敦国际地质大会的精神，即上新世更新世的界线应该代表气候首次恶化的时间点,28,3、第四纪分期 根据第四纪时期的气候特点、生物特征、人类文化等，把第四纪划分为两大时期，即更新世和全新世。 更新世又进一步划分为早更新世、中更新世、晚更新世3个时期，其地层对应于下更新统、中更新统、上更新统。 早更新世与中

15、更新世分界年代为0.70MaBP。中更新世与晚更新世分界年代为0.13MaBP. 全新世从0.01MaBP开始，全新世早期（108kaBP）、全新世中期（83kaBP）、全新世晚期（30kaBP,29,二、气候旋回 第四纪气候不仅有明显的降温，而且干、湿或冷、暖频繁的交替变化，并具有一定的变化周期。这种周期变化的重要表现就是冰期与间冰期，雨期与间雨期交替出现，一次冰期与一次间冰期组成一个气候旋回，第四纪存在几十个这样的气候旋回。 1、冰期与间冰期 2、干旱期与湿润期 3、雨期与间雨期,30,1、冰期与间冰期 （1）冰期 冰期指由于气温显著变冷，冰川规模扩大和增厚的时期。早期，温度开始下降，相对

16、湿度加大，出现湿冷气候，冰川急剧扩张；中期，冰川发展进入最盛期，地面被冰雪覆盖，反射加强，湿度亦减少，出现干冷气候；末期，温度升高，冰川开始消融，相对湿度仍然很低，出现干凉或干温气候,31,冰期的主要特征表现为： 冰川扩展 冰期时，高纬度的冰川向低纬度推进，高山的冰川向低海拔扩展，陆地上的冰量可比温暖时期大几倍。 如冰期时，中国东部山地可能发育有冰川，而目前的冰川只分布在西部的高山上。 在一次冰期中，冰川不断向前推进，其前缘达到最远或海拔最低并逐渐停止下来，这时称冰期的盛冰期,32,冰期的主要特征表现为： 生物迁移 冰期时，生物从高纬度向低纬度迁移，从高海拔向低海拔迁移；生物迁移可以是动物迁移

17、也可以是植物迁移。 如冰期时，北极苔原地区生长的仙女木可迁移到中欧地区。我国华北地区的哺乳动物可迁移到云南地区。 中纬度地区，冰期时草原植被扩展，森林植被萎缩；间冰期，植被的发育情况相反,33,冰期的主要特征表现为： 全球降温 冰期全球的平均气温比现今低57，中纬度地区降温最显著. 如北半球中纬度地区最大可降温813，中欧地区年均气温下降10 ，北京地区下降812 ，热带雨林地区降温2 末次盛冰期，北大西洋表层水温约下降1218 ，西太平洋下降10 ，赤道水温下降2 ，尤以南北纬60度降温幅度最大,34,冰期的主要特征表现为： 降雨的变化 中、高纬度地区降雨减少，降雨量比现在少14%，蒸发量也

18、少15%。 我国的黄土高原，降雨量比现今约少50,气候带的移动 冰期时，我国沙漠黄土带的南界可达杭州南昌长沙一线，现今大部分亚热带地区被北温带占据。雪线也大幅度下移,35,冰期的主要特征表现为： 海平面下降 第四纪中最后两次冰期，海平面的下降值最大，最低可达现今海平面以下130150m,冰阶与间冰阶旋回 冰期中存在次一级的冷暖波动。冰阶是冰期阶段中冰川发育、气候更为寒冷的阶段。间冰阶是冰期中相对温暖、冰川退缩的阶段。 冰阶和间冰阶持续的时间不长，约在万年的尺度上,36,2,37,2、干旱期与湿润期 干旱期是指当高纬区冰期时，冰盖区上空冷高压反气旋往中低纬度移动，降水带南移，季风萎缩，使中低纬度

19、大部分地区气候变干变冷，降水量相对减少的时期。此时，中低纬度大部分地区内湖群缩小，湖水位降低和干涸或咸化，沙漠扩大，黄土堆积旺盛，生物生长受到抑制，森林减少，草原扩大，荒漠化严重,38,2、干旱期与湿润期 湿润期是指当高纬区间冰期时，冷高压反气旋往极地方向收缩的同时，降水带北移，季风活动势力强，使中低纬度大部分地区气候变暖变湿，降水量相对增加的时期。此时，中低纬大部分地区湖群扩大，湖水位上升或淡化，红土发育取代黄土，森林发展超过草原,39,3、雨期与间雨期 在北纬15N30N与干燥区邻接的古冰盖边缘带，如北非北部和美国西南部曾提出过雨期与间雨期的概念。 雨期指高纬区冰期时冷高压反气旋南移迫使北

20、纬30N以北的湿润西风气旋南移入该区，使这一副热带干燥地区获得较多的降水，蒸发减少，气候变得冷湿的时期。使该区湖泊扩大水位上升,40,3、雨期与间雨期 间雨期则是指高纬区间冰期时由于冷高压反气旋往极地方向收缩，湿润西风气旋北撤，上述地区又为副热带高气压控制，气候又恢复干燥状况时期。由于降水减少，也会导致湖群缩小和水位下降，沙漠有所扩大,41,三、第四纪沉积物 1、第四纪沉积物的基本特征 （1）岩性松散（2）成因多样（3）岩性岩相变化快（4）厚度差异大（5）不同程度地风化（6）含有化石及古文化遗存 2、第四纪沉积物成因类型及其分类,42,1、第四纪沉积物的基本特征 （1）岩性松散 第四纪沉积物一

21、般形成不久或正在形成，成岩作用微弱，绝大部分岩性松散，少数半固结，绝少硬结成岩。这一特点有利于将反映形成时的古气候古环境信息保存下来。 （2）成因多样 由于第四纪气候、外动力和地貌多种多样，由此而形成多种多样成因的大陆沉积物和海洋沉积物。各种成因沉积物具有不同的岩性、岩相、结构、构造和物理化学性质与地震效应。 第四纪沉积物按成因和岩相可以分为残积物、坡积物、洪积物、冲积物、湖泊沉积物、冰川堆积物、海洋沉积物、生物沉积物、风积物、火山堆积物、洞穴堆积物、人工堆积物等,43,3）岩性岩相变化快 即使同一种成因的陆相第四纪沉积物，由于形成时动力和地貌环境变化大，因此沉积物的岩性岩相结构变化也大。第四纪海相沉积物则远较陆相沉积物岩性、岩相稳定. （4）厚度差异大 剥蚀区第四纪陆相沉积物厚度一般小，从几十厘米到十几米，堆积区（山前、盆地、平原、断裂谷地）可达几十米、一百多米或几百米。沉积厚度大的、沉积连续的地区，采用钻探（或物探）可以获得丰富的第四纪资料,44,5）不同程度地风化 陆相沉积物大多出露在地表，受到冷暖气候交替变化的影响，时代越老风化越深。 （6）含有