第十章第四纪气候变化及海平面变化

第十章

第四纪气候变化及海平面变化第一节第四纪沉积物年龄测定第二节前第四纪气候变化概述第三节第四纪气候变化第四节晚更新世以来的海平面变化第一节第四纪沉积物年龄测定近四十多年来，新技术、新方法的应用在第四纪研究中有了明显的进展，开发出多种沉积物测定年龄的方法，提高了第四纪研究的精度。虽然每种研究方法都具有很强的专业性，但从事第四纪研究的工作者了解主要的第四纪测定年龄方法的基本原理和应用条件，有助于提高工作质量和与国际研究接轨。从1949年W.F.利贝(Lebby)提出放射性碳法(14C法)以来，现在可供选择的第四纪沉积物年龄测量方法选20多种，但各种方法的发展进程和应用程度是相差较大的。随着对第四纪事件研究的深入和多种年龄测量方法的应用，对第四纪的认识也越来越深入。第四纪沉积物年龄测量方法有三类：物理年代法、同位素年代法和其他方法。一、物理年代学方法1、古地磁学方法古地磁学方法是利用岩石天然剩余磁性的极性正反方向变化，与标准极性年表对比，间接测量岩石年龄的方法。地球是一均匀磁化球体，其磁场相当于放在地心的一个磁偶极子的磁场。磁偶极子的磁轴与地轴的交角为11.5°(下图左)。磁轴的延长线与地面相交于

两点，分别称地磁北极(N极，正极)和地磁南极(S极，负极)。火成岩温度达到居里点(一般为

500~650℃)便获得磁性，沉积岩和变质岩中含有铁磁性矿物颗粒，三类岩石都会受到形成时的地磁场的作用而磁化，磁化方向与当时地磁场方向一致，这是一种全球现象。地理极、地磁极及地理赤道、地磁赤道地磁要素图（引自地质科学研究员《古地磁学》讲义，1984）地球上任何一点的总磁场强度(T)是一个矢量(上图右)，它可以分解为磁偏角(D)、磁倾角(I)、水平磁场强度(H)、东向水平磁场强度(Y)、北向水平磁场强度(X)和垂直磁场强度(Z)6个变量，其中只要知道X、Y、Z或H、D、I三个矢量便可求出另外3个，从标本中测得的天然剩余磁场要素，便获得古地磁的基本资料。地磁要素(磁倾角、磁偏角)和磁极位置都随时间而变化。磁极位置的变化时间长而不显著，如距今两千多万年来(中新世以来)的火山岩剩磁的磁极位置总是绕地理极变化，中国第四纪以来的磁极位置都集中在北纬80°～90°范围内绕地轴游移，而地磁极性方向变化周期则为0.01～1Ma，所以极性变化更适合于第四纪沉积物年龄测量。古地磁极性的正反方向交替变化是古地磁历史的基本特征。正极性(正向磁化)是指岩石剩磁的极性方向与现代地球极性方向一致，其磁倾角为正值，磁偏角接近于零。反极性(或磁极性颠倒)是指岩石剩磁的极性方向与现代地球极性方向相反，其磁倾角为负值，磁偏角接近180°。在地球地磁极性正反变化历史中，在长期以某种极性为主的时期内有若干短时期极性方向变化的事件发生，反映出极性变化的大趋势与小变化之间的关系。有关地磁极性方向变化的原因是古地磁学中尚来解决的基本问题。古地磁极性年表是根据一系列主要用K—Ar法测定年龄的不同时间尺度的极性变化事件编制的地球极性时间表，目前用于第四纪研究的极性年表是A.考克斯等1969年根据陆地和大洋已有的140多个数据拟定的约5MaBP以来的地磁极时间表，后经许多研究者补充修正，综合成下图。用于第四纪的古地磁极性年表该表使用两级时间单位：极性时(过去称世或期)和极性亚时(过去称事件)。极性时是指以某种极性占优势持续时间较长的时间单位；极性亚时是极性时中短暂(1万年至十几万年)极性倒转时期。该表把约5MaBP以来极性时变化从早—晚分为：吉尔伯特反极性时、高斯正极性时、松山正极性时和布容正极性时，每个极性时中各包含若干个极性反方向变化亚时。古地磁学方法在第四纪测定年龄中应用广泛，主要用于沉积较连续、厚度较大的剖面或钻孔岩芯。虽然古地磁极性变化的全球性使方法具有相对的独立性，但也有不足之处，如难以判断不同层位相同极性所属时代。但本方法与古生物地层学和其他年代学方法结合，就能扬长避挥短发其优势。古地磁学方法在黄土、湖沼沉积物、大陆架和平原钻孔岩芯研究中广泛应用。河北平原肃宁县东官亭村一个厚达500m第四纪沉积物的古地磁极性变化2.热发光法(TL)根据从沉积物堆积之日起，其中的破碎绝缘矿物晶体(如石英、长石)所接受的周围地层中放射性物质的辐射总剂量(TD)、年均吸收剂量(AD)和矿物移至沉积地点之前的初始剂量(ID)关系计算沉积物年龄(t):

一般非金属破碎绝缘矿物(如石英)具有受激发光现象，其发光强度与矿物以前吸收的辐射能量成正比，而辐射量的积累是时间的函数，因此通过测量材料的发光强度可以推算其年龄。热发光现象有2个阶段：①贮集阶段，有缺陷的石英受到来自地层中的铀、钍作用产生自由电子，这些处在亚稳态的电子具有一定寿命保存在石英晶格中(又称贮能电子)，其数量与矿物所受辐射量成正比。②发光阶段，对取自沉积物的石英加热时，使亚稳态电子获得能量而处于受激状态，一旦加热超过晶陷对电子的束缚力时，亚稳态电子产生跃迁与空穴复合，并以发光(辉光)形式释放能量，使自由电予数目减少。最后，石英不再受激发光，只有石英再次获得辐射能量后才能再度发光。埋藏在第四纪沉积物中的石英晶体来源复杂，年龄各异，不同程度受到辐射具有相当数量的自由电子。但在石英被搬运过程中受阳光照射即光退作用(相当于加热)使其贮能电子减少到一定数量。石英被埋藏后从周围沉积物中重新获得辐射能量并产生新的自由电子。测量石英埋藏阶段的发光强度，即可算出其沉积物年龄。热发光法常用于约1MaBP内的黄土、沙丘沙、海滨沙、冲积沙、考古材料和晚更新世以来活动断层等的年龄研究。近年来在热发光法基础上又开发出“光释光”法(卢演俦．1990)。不同类型样品的热发光年龄的计时起点不同，人为烧制的古陶片、砖瓦、烧土等的热发光年龄起点是从最后一次加热作为起点(TL=0)，所测年龄是从最后一次加热后埋藏至今所经历的时间。地层中石英等热发光计时是从最后一次被阳光照晒后作起点(TL≠0)，所测年龄值是最后一次阳光照晒后埋藏之日起至测量之日所经历的时间。3.裂变径迹法

矿物中含有微量的天然重同位素铀（U238）自行裂变，它的一个原子核分裂成2个中等质量的原子核碎片(中子碎片)，这种高能碎片在通过绝缘物质(云母、玻璃等)时，产生条损伤径迹，即留下一条裂变径迹，这种裂变径迹可以用化学蚀剂处理后显露出来，并可用光学显微镜观察。在大块样品上易于和难于测量的径迹密度分别为每平方厘米平面上几百条到几条；而粒状(0.05～0.03mm)矿物则是从每颗平面上几条到十几个颗粒平面上只有一条。矿物中裂径密度与矿物形成以来的时间呈函数关系，故通过测量矿物中的裂变径迹量是可以计算出地质体和部分考古材料的年龄。理论上，采用裂变径迹法可以测量年代的范围从1a至几十亿年，尤宜用于测1MaBP以来事件。本法优点是样品用量少，对研究第四纪火山活动和地热历史信息最佳。二、放射性同位素年代学也叫核地质年代学，这是利用矿物岩石和化石中含有微量放射性同位素(U、Th、K、Ra、14C等)的自行衰变计算年龄的一大类方法。按放射性同位素来源不同这一大类方法又分为三类：宇宙成因同位素法、铀系放射同位素法和人工核放射性沉降法。通过测定岩石的放射性同位素含量，依据其蜕变规律而计算出岩石的年龄。例如：U－Th－Pb（铀系法，铀－钍－铅）；K－Ar（钾氩法）；Rb－Sr（铷锶法）；14C（碳14同位素法）。N0表示时间=0时放射性同位素的初始原子数N表示经过时间以后剩下的未衰变母体原子数λ为衰变常数经任何时间由母体衰变的子体原子数为D=N0-N第二节前第四纪气候变化概述一、地球的三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3MaBP

对人类生存环境影响最大的是第四纪冰期，这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。第三节第四纪气候变化一、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、草食动物北极狐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：Hyalinabalthca(饰带透明虫〕喜暖：Globorotaliamenardii(门氏元球虫）

珊瑚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。

阿尔卑斯山即：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）里斯－雨木间冰期（R－W）雨木冰期（W）冰后期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。海洋沉积率在1～10mm／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。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，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比。4、130(或150)kaBP来气候与环境变化130(或150)kaBP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150kaBP开始到11kaBP左右，包括里斯－玉木间冰期和玉木冰期。末次间冰期始于130kaBP左右，终于75kaBP，是一个温暖气候阶段，其最温暖期大约在开始的120kaBP左右，当时年均温比现在约高

2～3℃，以后气温渡动下降，在75kaBP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)，湖槽发育，阔叶林扩大。马尔代夫人口密度世界最大，2平方公里挤10万人

末次冰期始于75kaBP，终止于11KaBP，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

18kaBP)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130kaBP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，故末次冰期冰川规模不大。世界各地根据其地貌(如终碛堤)、

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－－11kaBP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。用于全新世高分辩率研究的主要材料

(图中明暗相间代表了气候的变化)

用于全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石笋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、D4个阶段：a.全新世早期升温阶段包括北极期、前北方期和北方期，此时冰期过后气候开始波动升温，由于冷向干暖转化，但仍较寒冷(图10－14A段)。b.全新世中期高温阶段主要是大西洋期(又称气候适宜期)，此时全球气候湿暖年均温比现在高

3℃(有的地区可能更高一些)，降水显著增加，全球冰川冻土萎缩，海平面显著上升

，阔叶森林扩大(山地林线下降)

，其大气环流结构具有间冰期特征。这是人类已经历过的最近的一次全球高温期(图10－14B段)。c.全新世晚期降温阶段从大西洋期末期大约

5kaBP全球气温开始下降(有的地方阔叶树量减少)

直到20世纪，气候发展是波动降温，有一系列102a和l03a尺度的1～2℃的全球性寒暖气候波

动(图10－14之C段)，而且2ka以来人为活动对气候与环境的冲击加剧。d.

20世纪升温阶段20世纪以来，现代小冰期结束，进入现代升温阶段（图10--

14

)

。现代气候虽仍有冷暖波动，但总的呈现升温趋势

(图10－15)。工业革命以来的1.9-1.94kaA.D.气温比19世纪80年代高

0.4～0.6℃，一般认为与大量燃用化石燃料使大气层中CO2温室效应增温有关。1.940～1.960kaA.D.地球上火山爆发增多，“阳伞效应”使全球气温下降0.3℃。1960年以来地球增温趋势加强，气候异常不断出现，旱、涝、风、雪、泥石流和森林火灾此起彼伏，海平面上升威胁着沿岸的城市。第四节晚更新世以来的海平面变化一、晚更新世海平面(130—11kaBP)变化这一阶段包括末次间冰期和末次冰期，后者海平面历史研究详于前者。130—75kaBP的未次间冰期的海平面变化历史，据新几内亚海成阶地珊瑚礁台的铀系法测年资料，揭示出有120kaBP、100kaBP和80kaBP3个高海平面时期；可与大西洋巴巴多斯岛的3个高海平面：巴巴多斯Ⅲ(125kaBP)、巴巴多斯Ⅱ(103kaBP)和巴巴多斯I(82kaBP)对比。新几内亚海成阶地经校正后，其中只有120kaBP的海平面比现代海平面

高6m

，其他都低于现代海平面，并呈现下降趋势。据有孔虫和其他资料分析，120kaBP(末次间冰期初期)高海平面阶段水温比现在高2～3℃。75－11kaBP的末次冰期海平面波动下降趋势明显，尤其是20－14kaBP间世界几个大陆架上的试样14C年龄资料表明，世界海平面继晚更世以来的降势，在此期间达到130kaBP以来的最低点(下图)，海平面位于－100～－135m不等，如北美－105m、日本－135m、黑海－110m、尼日利亚－100m，中国－150m左右，这是目前了解最多的一个全球沿海地带环境变化时代。由于全球性海退，各洲大陆的岛屿岸线外推几公里至几百公里不等，大部分陆架露出水面许多近岸岛屿与陆地相联，内海形成湖或缩小，大陆面积暂时增加约10％，气候的大陆性增强动、植物发生相应的迁移，在露出的陆架上可形成有价值的砂矿和陆相沉积物。中国130－14kaBP海平面变化史是根据沿海陆架钻孔与平原海陆相交互地层和贝壳堤推断的(图10—21)。130一75kaBP的末次间冰期，中国沿岸普遍发生海侵，沉积了平原下伏的E层海相层(渤海称第一海相层)。进次海侵历史约经历了35ka,海平面时有波动，最高海平面出