第四纪气候及海平面变化课件

第四纪气候及海平面变化

3.1第四纪气候

3.1.1概述（第四纪气候特征、气候变化证据）

3.1.2更新世气候变化的地质记录

(1)欧洲(3)深海沉积物及其化石记录

(2)北美大陆(4)冈瓦纳大陆上的地质记录

3.1.3全新世(冰后期)气候变化的地质记录

3.1.4第四纪气候演化（1）世界第四纪气候演化（2）中国第四纪气候演化3.2第四纪海平面变化

3.2.1海平面变化的一般特点

3.2.2海平面变动的标志

3.2.3第四纪早、中期的海平面变动

3.2.4中国晚更新世以来的海平面变动

3.2.5海平面波动的原因

3.2.6海平面变化效应3.1第四纪气候

3.1.1概述第四纪是距今最近的地质时代，气候变化非常剧烈，今天的气候是第四纪气候的延续，研究其特征、变化规律对认识今天的气候，预测未来的气候变化，具重要的实际意义。太古代以来，绝大部分时间全球以温暖气候为主，但在距今6-8×109年震旦纪(Z)、3×109年前的石炭纪(C)-二叠纪(P)及3Ma以来的第四纪(Q)，全球发生了三次大规模的冰川活动。可见，第四纪是地质历史长河中的一个冷期。三次大的冷期中，对人类生存环境影响最大的是第四纪冰期。全球气候变化图（据地大精品课程资料）第四纪气候特征：

(1)频繁的冷暖交替;沿纬度的分带及山岳的垂直分带。

(2)更新世出现过至少4次冰期和三次间冰期，全新世为冰后期（见表1-1）。(3)气候变化引起自然环境(生物、地质、土壤、地球化学等)变化，这些在地貌和第四纪堆积物中的变化记录，成为研究第四纪气候变化的依据。(4)气候是第四纪地层乃至第四纪下限划分的重要依据，是第四纪研究的重点。冰期：气候变冷，发育冰川的时期。间冰期：两次冰期之间，气候变暖，冰川消退时期。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。第四纪气候标志研究：

宏观气候标志、微观气候标志（1）宏观气候标志（直接气候标志）可直接确定出气候类型和特征。分为三类：（2）微观气候标志（化学标志）

在古气候研究中越来越引起关注。较成熟和常用的有：氧同位素

粘粒分子率（SiO2/Al2O3、SiO2/Fe2O3）CaCO3含量磁化率粘土矿物

寻找第四纪气候变化证据的方法生物证据

（1）动物群证据（2）植物化石证据沉积物证据：（1）冰川沉积物（2）其它沉积物地貌证据：

（1）湖岸阶地系

（2）冰斗土壤（1）灰壤（灰化土）（4）黑钙土（黑土）（2）棕壤（5）红土（3）栗钙土（6）沙漠土同位素测定降水量变化风

3.1.2更新世气候变化的地质记录早更新世(1)欧洲阿尔卑斯山在第四纪出现6次冰期形成的冰碛和冰水堆积构成的阶地:

低阶地砾石—玉木冰期；高阶地砾石—里斯冰期；新盖层砾石—民德冰期；老盖层砾石—群智冰期;位置更高的盖层砾石分别对应多瑙和比伯冰期。且在高阶地表层保存三套褐色土，分别对应群智-民德、民德-里斯、里斯-玉木三个间冰期。玉木里斯明德滚资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。我国李四光教授也在庐山发现了古冰川遗迹，并进行了划分。世界各地划分的冰期与阿尔卑斯地区有较好对比（表1-1），反映了气候变化的全球性特点。

北欧至今存在横贯丹麦、荷兰、德国北部和波兰的巨大终碛，据堆积物组成、结构及动植物化石组合，可知这些终碛由6次寒冷期的冰川形成，并根据海侵层、泥炭层和孢粉分析，划分出界于这6个寒冷期(冰期)的5次温暖期（间冰期）（表3-1）。新老(2)北美大陆

据冰川堆积物及所含动植物化石组合特征，从新到老可划分出4个冰期、三个间冰期和一个冰后期（表3-2）。(3)深海沉积物及其化石记录深海沉积环境宁静，沉积过程较连续，更能完整记录第四纪气候变化历史。海洋沉积物在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第四纪全部气候变化历史。图3-1是根据加勒比海海面以下4896m的钻孔记录对其中厚1540cm沉积物进行分析得出的第四纪气候变化情况。可见更新世及次大的冰期均保存有两个以上副冰期，表明气候变化存在不同时间尺度的波动。暖冷(4)冈瓦纳大陆上的地质记录非洲除少数海拔高的山地如乌干达的瑞文速尔有冰碛物发育外，大部分地区未见冰川遗迹，但一些古湖岸线变化却完整地记录了第四纪雨期（对应冰期）—洪积期，间雨期（对应间冰期）—间洪积期的更替。洪积期雨量充沛，湖水上升，相邻湖泊相连，如纳库里、埃曼德塔和纳发沙等，历史上曾扩张成一个湖泊。间洪积期，湖面缩小或干沽。根据湖泊的兴衰，将非洲更新世古气候划分为4个洪积期和3个间洪积期，表3-3。

3.1.3全新世(冰后期)气候变化地质记录全新世也叫冰后期，世界大陆冰流大量融化，温度上升，植物群向高纬度地区迁移，全新世（Holocene)这一术语是1869年Gervais提出的，1932年被国际第四纪委员会议决定采用。Blytt(1876)研究北欧沼泽沉积物中植物化石，以树桩层代表干燥气候，以大量泥炭发育时期代表潮湿气候标志，由老到新划分出（北极期）、前北方期、北方期、大西洋期、亚北方期、亚大西洋期和现代期。这一气候演变规律后来得到了R.Sernander

的证实，并对上述各期泥炭或树木进行了14C测年，其成果已成为国际上普遍采用的Blytt-Sernander冰后期气候方案（表3-4）。3.1.4第四纪气候演化

（1）世界第四纪气候演化

更新世

据陆上及深海沉积物及保存的化石记录。第四纪更新世全球可划分6次大的冷期（如南欧的玉木、里斯、民德、群智、多瑙和比伯冰期）及5次暖期，其中无论是冷期还是暖期，都包含若干次一级的冷期和暖期。因此，更新世全球以频繁的冷暖交替为特征。

北半球无论暖或冷期，从极地到赤道可分成9个气候植被带：极地冰盖、大陆冰川、永冻层、苔原、温带森林、地中海植被、荒漠和草原、热带疏林草原（卢旺达）、赤道雨林。但冷暖期植被带纬度范围差别很大。冰期，大陆冰川、永冻层向中纬度推进，森林、荒漠面积缩小；间冰期，与现代气候相似的暖期，大陆冰川向北推进，只分布在77°-81°N，森林面积扩大，荒漠面积相应也在扩大。南半球在冷期仅在极地及山岳地带如安第斯山有冰川发育，大部分地区为雨期，降雨丰富，水系发达，湖水面积扩大，水位升高，沙漠面积缩小。暖期时，有些地方因副热带高压向中纬度移动，出现干燥气候，沙漠面积扩大，这一时期称为间雨期。中低纬度高山区，气候具明显垂直分带，如海拔5000m以上的高山从山顶向山下可分出：山岳冰川、永冻土、针叶林带、针叶阔叶混交林带、阔叶林带。

全新世(冰后期)

无大规模的冰川作用，但冷湿、干暖、湿暖气候多次交替出现，如在北欧就可划分出5次大的气候期（Blytt-Sernander冰后期划分表）。

（2）中国第四纪气候演化中国位于亚洲大陆东部，东部濒临太平洋，属季风气候，西北部深入欧亚大陆内陆，属大陆干燥与半干旱气候。中国第四纪冰川研究由著名地质学家李四光开创，并以庐山冰川研究为基础，于1934年划分了鄱阳、大姑、庐山、大理等4个冰期。更新世

中国出现4次冷期，3次暖期。冷期（冰期），发育规模较大的山岳冰川，在下风区形成黄土堆积。暖期（间冰期），发育湖泊或形成古土壤。鄱阳冰期，江西一带出现过一次规模较大的山麓冰泛，在珠峰、华北、云南、陕西等均有冰碛物存在，并在华北区(山西)形成午城黄土。鄱阳-大姑间冰期，使南方湖泊发育，北方形成古土壤。大姑冰期，为规模较大的山谷冰川或山麓冰筏发育期，保存的冰碛物以发育网纹状构造的棕红色泥砾为特征。

大姑—庐山间冰期，气候湿热，东部普遍发育网纹红土，西部则为巨厚的砾石层堆积。在西部高山地区生长着茂密的针阔叶混交林，年平均气温10°左右。庐山冰期，在东部海拔800m以上的山区出现冰川，其外围为冰水堆积；西部山区则在海拔1000m以上出现冰川。庐山—大理间冰期，气候干热为古土壤发育期，富含铁锰风化壳。大理冰期，长江中下游未发育冰川，但在西部山区有冰川发育。我国此时气候普遍寒冷，西北、华北出现大面积的风成黄土堆积，长江下游一带出现风成粘土（下蜀粘土）。冰后期，气候纵向上具明显的波动性（冷暖交替）和分带性（表3-5）。

气候变化原因冰期及间冰期交替的周期性，长达几亿年，每一周期又包含多级小周期。这些变化需用冰川发生原因解释。代表性假说有：（1）Simpson（辛普森）假说认为第四纪冰期与间冰期多次交替出现是太阳放射能变化引起。放射能增大，温度上升，介于赤道两极间的环流增大，引起雪和降水量增大，使雪线降低，形成冰进；放射能减小，情况刚好相反。在冰川以外地区，则表现为洪积期和间洪积期。（2）Milankovitch(米兰科维奇）假说太阳放射能可看作是一个常数，由于地球赤道要素的缓慢变化，可引起在不同纬度带内和不同季节内接受太阳能的量发生变化。在时间过程中，大气层顶部接受到的太阳放射能，可以按不同纬度带和季节加以计算。其结果产生了以milankovitch命名的放射曲线。这一曲线与最近1500Ma一些大的冷暖事件有较好的对应性，即放射能变化可直接与冰进和冰退的进程关联起来。（3）Ewing和Donn假说用洋流和北冰洋变化来说明周围陆块冰盾的反复发生。暖期（间冰期），北极冰由于来自大西洋的暖流而被解体，引起降水量增大，周围陆地冰川增长。同时引起海面降低，海水变浅，陆桥浮出，阻碍暖流向北方穿透，北冰洋被冻结，降水量减小，海面再度上升，陆桥被淹没，暖流向北方移动，再度引起北冰洋冰融解，循环再次开始。该假说认为第四纪是在北极达到有利于这种循环过程的时候开始的，与地质资料有矛盾。（4）R.F.Flint假说该假说把延缓第三纪以来的造山运动，引起地形起伏及第四纪冰的出现与太阳放射能变化联系起来，说明气候变化和冰川的起因，即太阳地形说。该假说较好解释了第四纪反复的气候变化和冰期、间冰期交替。但地球各部分接受太阳能的变化，却没说明。此外，如大的气候变化是由太阳地形说的方式引起的一些小的变化，仍然可由其他原因引起，这一问题仍需要研究。3.2第四纪海平面变化

海平面意义：地球岩石圈表面凹凸不平，陆地和海盆起伏最大。水圈里的水：97.2%以液态储存在海盆里；2.15%以固态水储存在极地和高山冰川中；其余或保存于陆地江、湖、土壤岩隙，或散布在大气层中。海平面海岸线平均海平面高程吴淞高程系统黄海高程系统地球形态巴拿马海峡中东地块白令海峡3.2.1海平面变化的一般特点全球的一致性海平面波动的无规律，表面形态起伏不平海平面为“大地水准面”水体分布变化引起大地水准面重新调整陆地高程改变的原因是“均衡性”的调整

地貌标志地层标志3.2.2海平面变动标志

许多地貌证据证实，第四纪海平面位置时高（海侵）时低（海退）。古海岸线3.2.3第四纪早、中期的海平面变动

(1)全球第四纪早、中期的海平面变动构造运动强烈时期为低海面时期；大陆进入长期夷平时期则为高海面时期。

维尔（P.R.Vail，1976）指出寒武纪以来，全球海平面变化大致发生过两次大的升降循环，每次周期约3亿年。从O-C1是高海面期，以后下降，J1降到最低点。从J开始，海平面迅速上升，K3达最高峰，然后逐渐下降至今。期间还有过许多不同时间尺度和升降幅度的波动周期(见3-2图)。（三次冰期Z，C-P，Q）高海面期高海面期图3-2寒武纪以来全球海平面相对变化图（据维尔等）

从3-2图可见:①第四纪前的几次最大海侵期：早-晚奥陶纪、中-晚志留纪和早-晚石炭纪、中-晚白垩纪。②曲线证实在石炭—二叠纪大冰期之后的白垩纪是全球气温最高时期，也是全球高海面期。③曲线具明显不对称性及不规则锯齿状，这种型式特征与古气候、古环境及地壳构造运动等有密切关系。④曲线还说明地球活动的脉动性或节奏性。高海面期高海面期图3-2寒武纪以来全球海平面相对变化图（据维尔等）第四纪冰期，因水分大量固结在大陆而引起海面下降，使世界上几乎所有大陆架都成为广阔陆地，在这些陆地上发育土壤、河流、湖泊、三角洲等，且生长着森林和草原，生活着陆生哺乳动物以及淡水鱼类和软体动物等。第四纪间冰期，冰川大量消融引起海平面上升，几乎所有大陆架被淹没，原来陆地及生活在这些陆地上的各种动植物，或代表陆地环境的各种沉积层和地貌，又都被淹没在海面下。原与大陆连接的半岛变成岛屿，原来相连的大陆被海洋阻隔。最著名的是连接亚洲陆地与北美大陆的白令海峡，曾经几次成为大陆桥。第四纪因冰期、间冰期的更替引起海平面变动的遗迹在世界各地可见。在地中海存在有-100m深度的棚状岸线；在南非西海岸-100m深处有纵长650km的一条水下岸线；在北美东海岸有水底岩石平台；在纽芬兰南岸有被淹没的外冲平原；在地中海的隆河口有淹没的大三角洲。被淹没的河谷实例很多，在亚马逊河口外有140km长的一段河谷被淹没在海面以下70m深处；在马来半岛和婆罗洲之间巽他陆架上有一条长1000km的谷地，深度达-90m。(2)中国第四纪早、中期的海平面变动我国此时的海平面变化同世界相似:东海-100~200m处发现纳犸象牙，-40多米处发现野牛骨骼、盐沼泥炭及树干等陆相沉积物；长江入海口曾延伸于大陆架，古长江三角洲发育遍及黄海南部和东海北部；东部沿海有数次高海面，对应多次海侵。

3.2.4中国晚更新世以来的海平面变动晚更新世（12～1万年），东部平原区有3次大的海侵（图3-3。随后东海、黄海大陆架经历了2次较大的海退。

图3-3近10万年中国北方3次海侵范围及海岸线分布图（据赵松龄等）

据钻孔资料，我国东部滨海平原Q3-Q41的沉积厚度在40~100m，有三套海相层(图3-4中的A、C、E层)夹两套陆相层(图3-4中的B、D层)。海底钻孔资料也表明，渤海、黄海和东海陆架也与滨海平原一样，剖面上存在海陆交替重迭。图3-4中国东部滨海平原海相地层对比表（据耿秀山）

6万年3.5万年2.5万年1万年12万年

①第一次海侵：里斯-玉木间冰期(Q3始)，年龄11.4~10.8万年。

②第一次海退：早玉木期海退，约在6~3.5万年。大陆架部分露出水面。

③第二次海侵：玉木亚间冰期海侵（始于4万年前）(图3-5)。

④第二次海退：玉木亚间冰期海退(2.5万年始)

⑤第三次海侵：晚玉木冰期后期（1.5~1万年始）①②③图3-5中国东部、菲律宾及北纬13°气候与中国东部海平面变化曲线（据耿秀山）

11.4-10.8↑6-4↓4-3↑3-1.8↓1.8-0.5↑(万年)图3-6中国东部2万年来的海面变化曲线（据赵希涛等）

晚玉木期冰后期图3-7中国东部的古海岸线变迁线（据耿秀山）

晚更新世以来(约13~1万年前)，我国沿海的海岸线变迁见图3-7。图3-8最末一次冰期南黄海的气候及海面波动（据徐家声）

老新图3-9晚更新世以来东海海面变化（朱永其）

老新6.5-4万年4-2.8万年2.8-1.6万年1.6-0.5万年3.2.5海平面波动的原因

㈠冰川-海面变化㈡冰川均衡作用㈢构造-海面变化㈣沉积物充填引起的海面上升㈤水均衡作用产生的海面上升第四纪海平面变化原因：㈠冰川——海面变化1841年麦克拉伦（C.Maclaren）首先提出更新世海平面的振荡性，认为海平面变化是气候变化所致，并称之为冰川型海面变化。海水体积变化大陆冰川消长，是全球海平面变化也是第四纪海平面变化的主导因素。当大量的水以陆冰储存时，导致海平面下降（平均1m/ka，冰层快速生长时期可达5m/ka）。在末次冰期最盛时海平面下降到最低，比现在海平面低120-150m。㈡冰川均衡作用1865年杰米森（TJamieson）提出冰川均衡运动理论，认为气候变化引起冰盖消长，使地壳发生变形。他将海平面变化曲线主要归结于区域构造运动的性质和幅度，以及沉积物压缩性等原因。冰川型海平面升降，其波动伴随着海盆和大陆之间物质(主要是水量)的重新分配。当大陆负载冰川时下沉，洋盆由于部分负载减少，洋壳上升；间冰期卸荷导致陆地的均衡抬升和海底下沉。㈢构造——海面变化①海盆容积变化当海底板块扩张加快，地幔对流作用给大洋中脊带来炽热熔岩，海底地壳增生，海岭发生热膨胀。海岭体积扩大使海水溢出，海平面升高。当海底板块扩张速度减慢时，大洋中脊变冷收缩，海底下降，海平面降低；如白垩纪由于海底扩张的持续，海平面抬升幅度达350m左右（Mömer,1987）。

②

局部地区构造运动第三纪，喜马拉雅山脉隆起前，印度大陆与欧亚大陆间是一片浅海。由于印度板块向下俯冲到亚洲板块下，挤压形成喜马拉雅山脉，从而使大陆块面积减少1×106km2，海洋面积增