第四纪气候变化(中国地质大学)

地貌学与第四纪地质学知识重点 中国地质大学 2013 年 11 月1 第四纪气候与环境第四纪气候与环境 天气 某一地区 某一时刻 某一条件下的大气物理状况 气候 指某一地区长期的具有特征的天气状态综合 气候包括温度和降水等 情况 年均温 甚至以十 万 十万为单位 气候反应经常性的天气 同 时也包括特殊性的天气 一 前第四纪气候概述 气候与自然界其它事物一样 随着时间和空间不断变化 主要表现为干湿变化 和冷暖变化 7 亿年来的气候历史是以温暖时期和寒冷时期交替出现 温暖气候占 90 寒 冷气候占 10 地质历史上曾经出现过三次寒冷期 既三次大冰期 一 地质历史上气候变化的尺度 大冰期和大间冰期气候 时间尺度 107 108 年 相当三次大冰期 冰期和间冰期 时间尺度 105 年 第四纪期间发生的较长时间的气候变化 冰阶和间冰阶 冷期和暖期 时间尺度 104 年 指一次冰期期间较短时间的冷暖变化 小冰期和小间冰期 时间尺度 102 103 年 指全新世的气候变化 二 有关概念 冰期 glacial period 指第四纪期间 全球气候显著变冷 冰川规模扩大 和增厚的时期 这一时期 空气湿度相对增大 高纬度和两极地区降雪增加 降雪量超过消融量 形成大陆冰盖 中纬度地区形成山岳冰川 冰期时 各个 大陆气候条件不同 因而冰川规模也不同 欧洲和美洲属于海洋性气候 发育 大陆冰川 亚洲虽然气候寒冷 但非常干旱 只发育山岳冰川 亚洲大陆内部 风力作用盛行 发育大面积黄土 3 冰后期 postglacial 指第四纪末次冰期结束到现在 时间上相当于全新世 时间为 10 000a B P 4 雨期 pluvial period 第四纪期间 中低纬度地区雨量充沛 内陆湖泊面积增大 湖面升高的时 期 5 间雨期 inter pluvial 中低纬度地区 两次雨期之间 气候干旱 降雨量减少 湖泊面积缩小的时 期 受雨期影响最明显的是北非 北美 注意 冰期和雨期在时间上并不是绝对一一对应 不同地区特点不同 三 地质历史上的气候变化 1 前寒武纪冰期 发生于 6 7 亿年前 为全球性冰期 在印度 俄罗斯的亚洲 部分 挪威 芬兰 法国 北美等地都发现了冰碛层 中国南方的三峡地区发 育 南沱冰碛层 另外在云南 贵州等地也有发现 2 寒武纪至石炭纪初 为大间冰期气候 全球气候温暖 3 石炭 二叠纪冰期 发生于 2 5 3 亿年前 受这次冰期影响的地区只限于南半球 如非洲 澳大利亚 南美洲等地 地貌学与第四纪地质学知识重点 中国地质大学 2013 年 11 月2 4 三叠纪 古近纪 为大间冰期气候 全球气候温暖湿润 古近纪时 世界气候温暖 我国北方 为热带森林环境 是重要的成煤及成油期 如抚顺煤田 沿海石油等 长江流域气候炎热干燥 形成了石膏 岩盐及红色碎屑岩 植物化石资料证明 始新世时 温带植物群分布在北纬 72 度地区 比现在向北 推移了 15 20 度 亚热带植物向北推移了约 10 个纬度 利用有孔虫及贝壳测定的氧同位素 O18 O16 比值 推算出始新世到中新 世 赤道附近海水温度为 34 37 北京附近年平均气温 15 20 比现在高 3 8 从新近纪开始 气温开始下降 中新世以后 大陆温度逐渐降低 热带和亚热 带植物开始减少 温带植物相应增加 南极冰盖形成于中新世 约 1500 2000 万年前 北极格陵兰冰盖形成于上新世 约 300 400 万年前 从深海钻孔的氧同位素数据和大陆上的动植物化石数据看 气温是逐步下降的 5 第四纪冰期 冰后期 post glacial 玉木冰期 Wurm 玉木 里斯间冰期 里斯冰期 Riss 里斯 民德间冰期 民德冰期 Mindel 民德 贡兹间冰期 贡兹冰期 Gunz 贡兹 多瑙间冰期 多瑙冰期 Donau 多瑙 拜伯间冰期 拜伯冰期 Biber 二 第四纪气候变化证据 一 岩性方面的证据 风化作用的性质和强度 沉积物的分异程度等都可以反映古气候 1 冰碛物是冰川作用的产物 是寒冷气候的标志 可以恢复古冰川的规模 2 红色风化壳 含铁锰的沉积是在炎热潮湿的气候下形成的 3 矿物的风化程度和矿物组合也可以反映形成时的气候 4 黄土和古土壤 黄土是寒冷气候的标志 古土壤是温暖气候的标志 一层黄土和一层古土壤构成了一个气候变化周期 黄土高原的黄土中夹有 20 多层古土壤 埋藏土壤 这表明第四纪期间有 20 多次冷暖变化 根据黄土研究和根据深海沉积研究得出的气候变化曲线是可以对比的 5 蒸发岩 蒸发岩的形成是干燥炎热气候的产物 中国西部蒸发岩和非蒸发岩的互层反 映了气候的干湿变化 即雨期和间雨期的变化 二 地貌证据 地貌学与第四纪地质学知识重点 中国地质大学 2013 年 11 月3 冰川地貌 是冰川作用的产物 是寒冷气候的标志 冰斗形成于雪线附近 所以根据古冰斗可以恢复古雪线位置 计算温度下降值 根据多层冰斗 U 型谷的叠置 冰碛物的分层等现象可以恢复冰川作用序列 2 冰缘地貌 根据冰缘地貌可以恢复冰川作用范围 根据古冰斗和现代冰斗的海拔高度之 差 结合气温梯度 可以计算出冰期时的温度下降值 3 沙漠的演变 扩大 收缩 沙漠是干燥气候的产物 随着气候干湿的变化 沙漠的范围也发生变化 气候干燥时沙漠扩大 湿润 时缩小 4 内陆湖泊的演变 一般高湖面代表雨期 低湖面代表间雨期 可以通过湖底沉积以及湖泊附近地层剖面的研究恢复古气候 5 海面变化 海面变化分为地动型和水动型 地动型海面变化是局部的 反映新构造运动 水动型海面变化是全球性的 反映气候变化 全球低海面代表冰期 全球高海面代表间冰期 第四纪冰期最盛时 海面比现在低 120 130 米 三 生物化石证据 生物的生存和发展对气候条件有比较严格的要求 气候条件发生变化 它们的 生存和发展不仅受到影响和限制 而且还会引起生物的变种甚至被淘汰 各类生物对气候的变化有一定的适应能力 生物可以分为喜热性生物群 喜温性生物群和喜寒性生物群 不同的生物群分布在不同的气候区域 根据地层中的化石和现代生物群的对比 可以恢复第四纪各个时期气候变化情 况 1 孢粉分析 地貌学与第四纪地质学知识重点 中国地质大学 2013 年 11 月4 孢子是孢子植物的繁殖细胞 花粉是种子植物的繁殖细胞 孢粉的体积很小 直径 10 100 微米 产量大 桦树一朵花 67000 粒 外壁 坚固 可以长期保存 根据地层剖面中的孢粉组合恢复古植被 然后恢复古气候 2 树木年轮学 tree ring 研究 树木的年轮是树木周期性生长的结果 植物的生长受温度和湿度的影响和控制 气候条件不同 植物的生长速度就不 同 因而年轮的宽度也不同 可以采用树木年轮宽度的变化作为反映气候变化的指标 根据树木年轮可以恢复过去几百年至几千年的气候变化 3 第四纪哺乳动物群 根据哺乳动物群的组合特征恢复古气候 如猛犸象是寒冷气候的标志 而棱齿象则代表间冰期温暖气候 4 珊瑚发育于热带海洋 是热带海洋的标志 5 海洋微体生物研究 包括有孔虫 放射虫和硅藻等 微体生物的分布与海深 海水温度 盐度及 CO2 含量有关 硅藻主要分布在较寒冷的海洋 放射虫分布于热带海洋 有孔虫分为喜暖有孔虫和喜冷有孔虫 通过海底沉积剖面中有孔虫种属的统计分析 可以恢复古气候 通过有孔虫介壳中氧同位素的数据可以恢复古气候的变化 如厚壁抱球虫 Globigerina pachyderma 反映寒冷气候 而门氏圆辅虫 Globorotalia menardii 则代表温暖气候 地貌学与第四纪地质学知识重点 中国地质大学 2013 年 11 月5 截椎圆辅虫 Globorotalia truncatulinoides 具有介壳壳壁旋卷的特征 在 寒冷的海水中左旋 在温暖的海水中右旋 在中纬度海洋沉积中 左旋的含量多代表冰期气候 右旋的占优势代表间冰期 四 同位素证据 1947 年 尤里 Urey 提出用同位素方法可以测定古温度的变化 氧有三种同位素 分别是 16O 17O 18O 在空气中的含量分别是 16O 99 759 17O 0 0374 忽略不计 18O 0 2039 温度不同 蒸发作用的强度不同 海水中氧同位素的组成也不同 当水分 蒸发时 16O 和 18O 逸出的速度不同 16O 为轻同位素 水气蒸发时逸出量较大 而较重的 18O 在海水中富集 温度每变化 1 C 18O 16O 变化 0 0023 因此 温度下降或在冰期期间 海水中 海洋沉积物或生物的 CaCO3 外壳 中 18O 相对富集 在温度升高或在间冰期期间 16O 相对富集 在大陆上 结论和海洋中相反 利用有孔虫介壳中 18O 的含量变化所表示第四纪气温变化曲线与根据有孔 虫种属统计得出的气候变化曲线以及其它方法计算出来的曲线是一致的 现在 18O 16O 的研究已经成为古气候研究的重要依据 五 考古学证据 在中国 根据历史文献和考古资料 可以恢复 5 千年以上的气候变化 我国著名气象学家竺可桢根据考古 物候 历史文献和气象观测资料 详细研 究了中国 5 千年来气候变迁 3000 1100 年 B C 为温暖时期 西安附近属于仰韶文化的半坡村遗址 据 14C 5600 6080a B P 河南安阳 的殷墟遗址 约 1400 1100 年 B C 比现在的年平均温度高 2 C 左右 1100 B C 1400 A D 为冷暖交替时期 年平均温度有 2 3 C 的波动 1400 1900 A D 为寒冷期 其中最冷的时间在 16 17 世纪 1900 年以来为气候波动时期 20 世纪初期 世界气温升高 到 40 年代达到顶点 之后气温开始下降 60 年代以后气温下降较大 气候异常现象增多 三 第四纪气候 一 第四纪冰川发育概况 第四纪气候以全球性变冷为最突出的特征 表现为冰川作用的盛衰和气候 带的移动 即冰期和间冰期的更替 第四纪冰期鼎盛时 全球大陆有 20 到 30 的面积为冰川覆盖 据 R F 弗林特估计 总面积达 44 38 106 平方公里 而现在仅有 10 的面积 被冰川覆盖 第四纪冰期的出现 明显地改变了地球上的自然面貌 无论大陆 或海洋 都发生了一系列巨大变化 其中受影响最大的是生物界 表现为喜冷生物群的发展和分布区的扩大 此外 冰川还对陆地表面进行塑造 引起全球性海平面的升降以及海陆轮廓的 变化 等等 第四纪古气候变迁的主导因素是温度的降低 但气温的下降值与纬度和海 地貌学与第四纪地质学知识重点 中国地质大学 2013 年 11 月6 拔高度有关 冰期时 高纬地区温度降低最大 中纬地带的气温比现在平均低 8 12 低纬地区降低最小 在相同纬度地区 大陆性气候区 气温下降值 大 海洋性气候区 下降值小 第四纪冰期时 北半球有三个大陆冰盖 北欧斯堪的那维亚冰盖 冰盖向南伸展到北纬 47 度 冰层厚达 1000 米以上 北美格陵兰 劳伦泰冰盖 冰盖伸展到北纬 38 度 冰层厚度 1000 米 中心厚度 3000 米以上 西伯利亚冰盖 分布在北极圈附近 有时分割成几个小冰盖 南 界在北纬 60 70 度之间 此外 在山区形成了山岳冰川 并向山麓地带扩张 如北美西海岸的科迪勒拉冰川 末端下降到大洋面以下 200 米的深度 所以 山岳冰川的进退也受全球性气候变化的控制 第四纪全球温度并非直线下降 而是波动式的周期性变化 因此 表现为冰期和间冰期的周期性更替 这种变化在第四纪地层及生物 化石等方面 都有明显的反映 并反导致了气候带发生多次移动 二 欧洲的冰期与间冰期 第四纪冰期之前 欧洲气候温暖湿润 为亚热带气候 上新世末气候向寒冷气 候发展 在第四纪 发育了北欧冰盖以及阿尔卑斯山区的复式山谷冰川 1 阿尔卑斯山区 欧洲冰川研究最早是在阿尔卑斯地区 1909 年 由彭克 A Penck 和布吕克纳 E Bruckner 建立了四次冰期 三次间冰期 后来又增加了两次冰期 1 冰期划分方案 由新到老 冰后期 post glacial 玉木冰期 Wurm 玉木 里斯间冰期 里斯冰期 Riss 里斯 民德间冰期 民德冰期 Mindel 民德 贡兹间冰期 贡兹冰期 Gunz 贡兹 多瑙间冰期 多瑙冰期 Donau 多瑙 拜伯间冰期 拜伯冰期 Biber 2 冰期划分根据 冰川地貌 冰碛物与冰水堆积物的关系 冰碛物的风化程度 阿尔卑斯外围发育有两条冰碛带 分别是老冰碛带和新冰碛带 根据其风化程 度 它们是两个时期的产物 阿尔卑斯山区 冰碛物和冰水堆积物发育成多级阶地 分为老砾石层 Old cover gravels 新砾石层 younger cover gravels 高阶地砾石层 Upper terrace gravels 和低阶地砾石层 Lower terrace gravels 这些物质分布的地貌部位不同 风化程度不同 分别代表不同冰期和间冰期 地貌学与第四纪地质学知识重点 中国地质大学 2013 年 11 月7 3 冰期发育规模 以里斯冰期规模最大 冰川面积 15 万平方公里 雪线下降值最大为 1300 1400 米 冰层最厚达 1500 米 阿尔卑斯冰期的年代 由于缺乏地层古生物证 据以及直接的测年资料 目前尚无确切的年代 2 北欧地区第四纪冰期 第四纪期间 欧洲北部和中部发育大陆冰盖 冰川最盛时 冰盖向东与西伯利亚冰盖相连 西南与英国的冰川相连 西北延 伸到挪威西海岸以外 200 米深的大西洋和北冰洋 南到德国 波兰等地 冰盖最大范围到北纬 47 度 面积最大为 6 千 5 百万平方公里 冰层最厚达 3000 米 欧洲北部和中部划分为 6 次寒冷期 冰期 5 次温暖期 间冰期 1 冰期划分方案 从新到老 2 划分根据 地层 古生物 特别是古植物 冰碛物的分布 岩性 风化程度 前梯格林寒冷期 以莱茵河谷中的冲积层为代表 含有喜冷的植物群 梯格林温暖期 以三角洲沉积为特征 含温暖植物群 埃布朗和明纳普寒冷期 都有寒冷气候标志 克罗莫温暖期 以三角洲和河口沉积为代表 含喜暖动植物化石 埃尔斯特冰期以冰碛层为代表 是北欧大陆最早 最明显的冰期 霍尔斯坦间冰期 为海洋性气候 萨勒冰期 相当于 Riss 冰期 是最大的一次冰期 气候严寒 干燥 发育冰 碛层和冰水沉积 冰川外围发育黄土 埃姆间冰期 最后一次间冰期 全球发生海侵 气候温暖湿润 为海洋性气 候 年平均温度比现在高 3 C 魏克塞尔冰期 相当于 Wurm 冰期 发生时间在 7 1 万年之间 研究程度较 高 冰期分为早 中 晚三个阶段 冰期最盛时期在 2200 1800a B P 三 北美大陆的古气候 北美的冰期和间冰期 第四纪期间 北美发育两个冰川中心 一个是东部的劳伦泰冰盖 Laurentide Ice Sheet 一个是西部的科迪勒拉冰川 Cordilleran Glacier 北美划分了四次冰期和三次间冰期 北美劳伦太冰盖 1 划分方案 地貌学与第四纪地质学知识重点 中国地质大学 2013 年 11 月8 威斯康辛冰期 Wisconsin 桑加蒙间冰期 Sangamon 伊利诺斯冰期 Illinoisan 亚茅斯间冰期 Yarmouth 堪萨斯冰期 Kansan 阿夫唐间冰期 Aftonian 内布拉斯加冰期 Nebraskan 内布拉斯加冰期 是北美已知最早的一次冰期 冰碛物破坏严重 外围冲积 物中含喜冷动植物化石 K Ar 年代为距今 150 万年 延续时间 10 12 万年 阿夫唐间冰期 以冲积层和风化土壤为代表 时间距今 120 万年 气候湿凉 温暖干燥 湿凉 堪萨斯冰期 北美最大的冰期 冰碛层厚 10 20 米 气候湿冷 时代距今 60 万年 延续 10 万年 亚茅斯间冰期 接近现代气候 风化土壤发育 含阔叶树化石 伊利诺斯冰期 冰碛层广泛发育 桑加蒙间冰期 与欧洲的埃姆间冰期相当 北美发生海侵 地层中含喜暖植 物 气候温暖湿润 气温比现在高 2 3 C 威斯康辛冰期 相当于魏克塞尔冰期 为末次冰期 分三个阶段 早威斯康辛 大于 55 000a B P 中威斯康辛 55 000 25 000a B P 晚威斯康辛 25 000 10 000a B P 第四纪冰期最盛时 北美北部的年平均温度比现在低 13 15 C 研究程度最高的是威斯康辛冰期 科迪勒拉冰川主要是复式山谷冰川 冰川流动速度 100 150 米 年 四 亚洲北部的冰期与间冰期 亚洲大陆北部 大陆冰盖不如欧洲发育 冰期最盛时 西伯利亚冰盖和斯堪的那维亚冰盖连成一体 西伯利亚冰川发育历史 与欧洲的冰川进退时间并不完全一致 由于受大陆性气候控制 西伯利亚冰盖范围小 冰川外围发育大面积的冻土 及冰缘现象 五 中国第四纪古气候 自新近纪开始 青藏高原逐步隆起 欧亚大陆连成一体 大陆性气候增强 东亚季风环流体系开始建立 纬向气候带被破坏 第四纪期间 亚洲东部一直处于东亚季风的控制下 第四纪期间 我国没有发育大陆冰盖 但山谷冰川和山麓冰川十分发育 1 中国东部的古气候 中国东部虽然受季风控制 但由于受全球冰期和间冰期的影响 冬夏季风的位 置发生周期性南北移动 多次出现冷暖干湿交替现象 中国东部第四纪冰川的研究开始于 20 世纪初 1920 年前后李四光先生在太行山 大同等地发现了第四纪冰川遗迹 1933 1934 年李四光先生又在庐山 九华山 天目山等地发现了冰川遗迹 1937 年发表了著名的 冰期之庐山 一文 系统总结和划分了中国东部的第 四纪冰川和冰期 1 冰期划分方案 从新到老 地貌学与第四纪地质学知识重点 中国地质大学 2013 年 11 月9 冰后期 大理冰期 大理 庐山间冰期 庐山冰期 庐山 大姑间冰期 大姑冰期 大姑 鄱阳间冰期 鄱阳冰期 2 划分根据 冰川地貌 冰碛物及其风化程度 冰川漂砾 冰川擦痕等 鄱阳冰期 绛红色泥砾组成的冰碛层 结构坚硬 风化程度深 分布在庐山 脚下鄱阳湖畔 大姑 鄱阳间冰期 绛红色网纹红土 大姑冰期 赭色泥砾 含白色条带 分布于庐山山麓 庐山 大姑间冰期 赭红色网纹红土及红土 含白色条带 庐山冰期 褐黄色泥砾 分布在近山顶的山谷中 大理 庐山间冰期 黄褐色含砾石亚粘土 分布于山前地带 大理冰期 指比现代冰川低 1000 米的古冰川遗迹 是我国西部末次冰期 当时的雪线在云南为 3900 米 该冰期在庐山无表现 关于我国东部的冰川问题 一直存在争论 争论的焦点在于冰川地貌和冰碛物的鉴定问题 雪线的下降值问题 降雪量的 问题等 虽然在某个具体地区 是否存在冰川有争论 但我国确实存在气候变化 华北平原的气候变化 根据钻孔资料的孢粉分析 在第四纪期间 华北平原有 5 次寒冷期 4 次温 暖期 第五 冰期 含云杉 冷杉的针叶林 第四间冰期 针叶林 草原 第四 冰期 暗针叶林 草甸 第三间冰期 针阔混交林 草原 第三 冰期 暗针叶林 草甸 沼泽 第二间冰期 针阔混交林 草原 第二 冰期 暗针叶林 草原 第一间冰期 针阔混交林 草原 第一 冰期 暗针叶林 草原 沼泽 新 近 纪 含常绿树亚热带针阔混交林 2 中国西部的第四纪冰期 中国西部第四纪冰川广泛发育 北起阿尔泰山 南至喜马拉雅山 现代雪线在阿尔泰山约 3000 米 到喜山北坡上升到 6200 米 现代冰川总面积 约 44 000km2 第四纪冰期中 雪线下降数百至上千米 青藏高原 大陆性冰川占优势 西部冰川多形成层状冰斗 喜马拉雅山北坡中段冰期划分 全新世 绒布德新冰期 地貌学与第四纪地质学知识重点 中国地质大学 2013 年 11 月10 亚里期新高温期 晚更新世 珠穆朗玛冰期 II 间冰期 珠穆朗玛冰期 I 中更新世 加布拉间冰期 聂聂雄拉冰期 帕里间冰期 早更新世 希夏邦马冰期 晚上新世 亚热带温带森林 六 全新世气候 自更新世末气候转暖 全球各地冰川开始大规模消融 植物群向高纬地带扩展 这个时期在北欧称为冰后期 冰后期开始的时间 因各地冰盖消融的 时间不同 而不一致 根据冰川前缘湖相纹泥层 孢粉及 14C 测年的研究 一般认为冰后 期开始于 10000 11000a B P 北欧冰后期的气候划分 布列特 色尔南德方案 1 前北方期 Pre Boreal 95000 10300a B P 冰盖急剧消融退缩的时期 陆地上生长桦树林 波罗的海中生长着喜冷的刀蚌 Yoldia 动物群 也称刀 蚌海期 气候初期干冷 后期为温凉 2 北方期 Boreal 7500 9500a B P 气候继续转暖 陆地生长松树林 后期变为阔叶林 波罗的海生长着循螺 Ancyhus 后期又生活着喜暖的滨螺 称为循螺 Ancyhus Lake 期 此时期 波罗的海仍被封闭与北海隔绝 气候干温 3 大西洋期 Atlantic 5000 7500a B P 又称为气候最宜期 Climatic Optimum 气候温暖湿润 陆地以喜暖的阔叶林 为主 波罗的海生长喜暖的滨螺 称为滨螺海 Littorina Sea 全球发生海 侵 4 亚北方期 Sub Boreal 2700 5000a B P 气候干燥温和 为大陆性气候 陆地生长阔叶林 5 亚大西洋期 Sub Atlantic 现在 2700a B P 气温低 湿度大 沼泽发育 气温凉湿润 中国的全新世气候 华北以温暖气候占优势 存在冷暖干湿交替 但幅度不大 北京 全新世早期为针阔叶林 气候温和干燥 中期阔叶树增加 气候温暖 潮湿 晚期 松林占优势 草本植物增加 气候凉爽干燥 竺可桢教授根据古代的物候记录 作出了冰后期后半期的气候曲线 划分出 四个温暖期和四个寒冷期 第一温暖期 公元前 3000 年 公元前 1000 年 属于仰韶文化和殷墟文化 气 候温暖湿润 黄河流域分布亚热带动物 生长竹子 第一寒冷期 公元前 1000 年 公元前 850 年 周朝初年 第二温暖期 公元前 770 年 公元初 秦汉时期 第二寒冷期 公元初至公元 600 年 东汉到南北朝 地貌学与第四纪地质学知识重点 中国地质大学 2013 年 11 月11 第三温暖期 公元 600 1000 年的隋唐时期 黄河流域生长梅竹等 第三寒冷期 公元 1000 1200 年 南宋 第四温暖期 公元 1200 1300 年