第四纪课3第四纪气候演变与全球变化2012

2012年春季学期近代第四纪地质与环境授课时间表课程编号S070900XJ006学分2课时40上课时间：每周二上午4节课8:00-11:40上课地点：玉泉路研究生院教学楼教一阶教室(人文学院楼）,联系人：尹小平电话：82998397email:刘嘉麒电话：82998203email:,近代第四纪地质与环境刘嘉麒中国科学院地质与地球物理研究所北京100029liujq,第三讲第四纪气候环境与全球变化,一、主要气候事件1.冰期与间冰期2.末次间冰期3.末次冰期4.Heinrich事件5.Dansgaard-Oeschger旋回6.新仙女木事件7.冰后期及全新世冷事件8.小冰期,1.冰期与间冰期冰期是地质历史上出现大规模冰川的时期；间冰期是两次冰期之间气候变暖的时期。冰期时，冰川大规模扩张或前进；间冰期时，冰川消融后退。一个冰期与相邻的间冰期组合一个冰川周期/气候旋回。一个地区的冰期与间冰期是通过对地质遗迹的鉴别对比确定的。为便于研究对比，科学家通常用地名命名冰期与间冰期，最先命名的就成为后来对比的依据。一般说来，冰期的气候要比现在低37，降水量也比现在大。在地球史上最后一个大冰期第四纪冰期中，冰川最强盛时，全球32的陆地面积为冰川覆盖，大量水分以固态停滞于大陆，海平面要比现在低130米。地球历史上发生过多次冰期是客观事实，但冰期的次数却是一个还在争论的问题。即使距我们最近的第四纪大冰期，从什么时期开始，不同地区是否同时开始，同一地区又有多少次冰川作用等，都存在着争议。也正是这种科学上争论，推动了对古冰川作用的一代接一代地探索，也使我们今天对地球史上的气候变化有了比较多的了解。,地球历史上的三次大冰期在地球历史上曾经出现过三次大规模的冰川作用时期，即震旦纪大冰期、晚古生代大冰期和第四纪大冰期。震旦纪大冰期发生于8.55.7亿年前的震旦纪，冰川最盛时覆盖了亚洲、欧洲、美洲、大洋洲的许多地区，有的地方冰层厚达千米。我国宜昌的南沱冰碛层，是这次大冰期的典型剖面。晚古生代大冰期发生于3.52.3亿年前的石炭一二叠纪，南半球的广大地区，包括大洋洲的大部、南美洲巴西与阿根廷的大部、现在赤道非洲的民主刚果与乌干达以及热带的安哥拉与莫桑比克等，都为冰川所覆盖。巴西圣保罗的冰川沉积的厚度超过了千米。当时还处在南半球的印度，在这次大冰期中，也有13的面积被冰川覆盖。,第四纪大冰期又称第四纪冰期，发生在最近的300万年期间。在这次大冰期冰川最盛时，极地与高纬度地区的冰盖、中低纬度的山岳冰川都大规模扩张，以致地球上32的陆地面积为冰川覆盖（现代冰川面积只占全球陆地面积的10），不仅西北欧平原、东欧平原与北美平原被大面积冰川所占据，就是非洲的乞力马扎罗山的冰川，也下降到比现在雪线低1500米的地方，我国的长江流域与黄河流域中下游的一些地方也有冰川分布。,第四纪大冰期歐洲為恭兹(Gunz)、民德(Mindel)、里斯(Riss)和武木(Wurm)四個冰期，但是後來的學者又在恭兹冰期的冰河沉積物中分出更老的多瑙(Donau)冰期；北美洲同步發生內布拉斯加(Nebraska)、堪萨斯(Kansas)、伊利諾(Illinios)和威斯康辛(Wisconsin)冰期；中國在这一個時期裏發生鄱陽、大姑、廬山與大理四個冰期，和翻阳-大姑间冰期、大姑-庐山间冰期、庐山-大理间冰期。人们把武木期和大理期称为末次冰期、末次冰以后的时期称为冰后期。,第四纪冰期与间冰期记录第四纪气候的主要特征是冰期与间冰期交替发生。该时期包含有多个冰期-间冰期旋回，在深海沉积物、黄土-古土壤序列和冰芯中都有很好的记录。深海沉积物记录，Imbrie（1972）等将几个钻孔的氧同位素曲线结合在一起，大致以V28-238为基础，根据轨道调整的原则，建立了一个综合性的布容期时间标尺和一条综合性的氧同位素曲线，将布容期即0.78MaBP划分为19个阶段，9个气候旋回。这个时期的气候旋回以100ka周期为主，松山期的气候旋回则以41ka周期为主。黄土记录，中国的离石黄土、午城黄土各有18层古土壤，加上全新世形成的土壤S0，共有37层古土壤；与此相对应的是37层黄土。每一层黄土-古土壤代表一个冰期-间冰期旋回，这样，中国黄土-古土壤序列2.6Ma以来共记录了37个冰期-间冰期旋回。其中2.6-1.5MaBP共有10个黄土-古土壤组合（S23-L33）,气候旋回以100ka为主周期，1.5-0.8MaBP共有15个黄土-古土壤组合（S9-L23）,气候旋回以41ka为主周期；0.8MaBP至今共有12个黄土-古土壤组合,气候旋回又以100ka为主周期（丁仲礼等，1989）。,直立人,现代人,南方古猿,周口店猿人,蓝田猿人,能人,（巫山人）,中国黄土地层和石器古人类的对比,庐山冰期庐山位于江西省北部，东经11505211608，北纬2902629041，地处东亚亚热带季风区，面积302平方公里，北濒长江，南襟鄱阳湖，大江、大湖、大山浑然一体，险峻与秀丽刚柔相济，素以“雄、奇、险、秀”闻名于世。,西方学者曾断言中国无第四纪冰川。李四光先生却加以否定，他在庐山发现了众多的第四纪冰川遗迹，如大坳冰斗、芦林冰窖、王家坡U形谷、犁头尖角峰、含鄱岭刃脊、金竹坪冰坡、,莲花台“冰桌”“飞来石”，实为冰川漂砾。底层巨石长8.9米，宽6.1米，高4.5米。,金锭山冰川漂砾，是与当地岩石毫不相同的巨砾。长轴达8米，来自庐山，搬运距离达10公里之遥。,羊背石、冰川条痕石等，并认定庐山众多奇特的地貌景观是第四纪冰川雕琢的“杰作”。他的冰期之庐山奠定了中国第四纪冰川学说。,混杂堆积,冰芯记录，1998年，美、法和俄三国在南极的东方站（Vostok）钻探得到了3623米的冰芯。由于火山灰层显示在3310米以下冰芯已经扰动，所以只取该冰芯3310米以上部分的数据。经计算得出3310米处年龄为423ka，覆盖了4个冰期-间冰期旋回（Petitetal.,1999）。总体上，冰期间冰期温度相差约12（表面水平），后两个旋回比前两个旋回历时要长。,-89.00C,格陵兰冰心项目GreenlandIceSheetProject,冰心包含比其它自然记录更丰富的气候信息：温度、降水量、大气圈下部的化学和气体成分、火山喷发记录、太阳辐照率变化和海平面变化等，其时间可追缩到过去的几百年到几万年。,格陵兰冰心,110000yearrecordsGISP23053.44m(72.6N,38.5W,3200ma.s.l.),July11993.USAGISP3028.8m,30KmwestofGISP21992,Europeancompanion,2.末次间冰期关于末次间冰期的定义有两种意见，一种是相当于深海氧同位素曲线5期，跨越时段约为130-74kaBP；另一种是只相当于深海氧同位素曲线5e期，其时段约为127-116kaBP（Larsenetal.,1995）。不过在纬度较高地区，只有5e段表现出明显的气候变暖，所以末次间冰期在欧洲指Eemian，在北美为Sangamon,而将5a-5d划为早Weichsel，即末次冰期早期（Dansgaardetal.,1993）。聂高众等（1996）根据渭南黄土剖面古土壤的发育状况及年龄测定结果，认为S1发育的时期为末次间冰期，开始于128.8kaBP，结束于73-74kaBP。末次间冰期是近150ka来全球最暖的时期，整体的气候状况与全新世间冰期相似。根据Summit的（GRIP和GISP2）冰芯记录，Eemian的时段为133-114kaBP，持续约20ka。有3个明显的暖阶，5e1、5e3、5e5；2个冷阶，5e2、5e4，分别持续2ka和6ka。据氧同位素推算Eemian的暖阶至少比气候最适宜期要高2，冷阶比全新世的低5（GRIPMembers,1993）。,3.末次冰期与末次冰盛期末次冰期在加拿大和美国被称为Wisconsin，在西欧称Weichsel，在英国称Devensian，在阿尔卑斯称Wrm。末次冰期对应于氧同位素2-4段，约74-10kaBP；在欧洲通常被划分为2个亚期：早期对应于MIS5a-5d段，约117-74kaBP；晚期对应于MIS2-4段，约74-10kaBP（Dansgaardetal.,1993）。也有人将末次冰期划分为三个亚期：早期对应于MIS5a-5d段，约117-74kaBP；中期对应于MIS3-4段，约74-24kaBP；晚期对应于MIS2段，约24-10kaBP（Williamsetal.,1993）。末次冰盛期（LGM）从严格意义上讲是指最近一次冰盖体积最大的时期，并不一定是最近一次温度最低的时期，日历年龄约为21-18kaBP（Bard,1999）。聂高众等（1996）根据黄土粒度曲线认为LGM约在20-18kaBP。末次冰期向全新世过渡期又称晚冰期，包括老仙女木期（OldestDryas）、Bolling暖期、中仙女木期（OlderDryas，）、Aller暖期和新仙女木期（YoungerDryas）。,4.Heinrich事件Heinrich（1988）研究发现，末次冰期北大西洋深海沉积物岩芯中常包含数层（一般为六层）陆源冰漂砾含量增多的沉积物，其原因不明，直到Bondetal.(1992，1993)在北大西洋其它钻孔中也发现类似的沉积，并揭示出这些事件伴随有海面温度和盐度降低，有孔虫数量急剧减少，才引起学术界的足够重视。Heinrich事件以北大西洋发生大规模冰川漂移事件为标志，代表大规模冰山涌进的气候效应而产生的快速变冷事件（Bond,1993;Andrews,1998）。在整个末次冰期气候背景下，北大西洋共发生了6次强烈的冰川漂移事件，即代表发生6次大的Heinrich事件，其时代依次为60、50、35.9、30.1、24.1和16.8kaBP(Bondetal.,1993,1997)。根据格陵兰的冰芯记录，几次大的Heinrich事件使大气温度在冰期气候条件下又降低36(Mayewskietal.,1997)。这些事件基本上以510ka为周期，持续的时间为2002000年（Elliotetal.,1998）；Dowdeswelletal.(1995)则认为，Heinrich事件每713ka发生一次，持续的时间为100500年，沉积物大部分分布在40-55oN之间。这种短时间气候变冷现象在佛罗里达的湖泊沉积物中以及中国的黄土中都有记录，说明Heinrich事件可能是末次冰期北半球普遍的气候事件。,5.Dansgaard-Oeschger(D-O）事件对格陵兰冰芯的研究发现，末次冰期内该地区的气候发生了一系列千年级的快速的、大幅度的冷暖变化事件，即Dansgaard-Oeschger事件，也称Dansgaard-Oeschger旋回（D-O），即每一个暖期之后紧接着是一个冷期，气温可在短短几十年内变动，年均变化幅度为57，周期为13ka；在11514kaBP共出现了24个旋回，每个旋回开始只需数十年甚至更少的时间，持续数百年至2000年，平均持续约1500年（Dansgaardetal.,1993;Bondetal.,1997；Mayewskietal.,1997）。,6.新仙女木事件（YoungerDryas）新仙女木事件（YD）是末次冰期向全新世过渡的急剧升温过程中最后一次快速降温变冷事件，它以丹麦Allerod冰缘沉积物中发现的北极苔原植物仙女木（DryasOctopetala）命名，是迄今在冰芯、陆地和海洋沉积物的古气候记录中研究最为详细的一次快速气候变冷事件。,仙女木,YD,Broeckeretal.(1988)认为YD界于1110kaBP之间；Dansgaardetal.(1989）通过对格陵兰冰芯的氧同位素和灰尘浓度曲线研究认为YD在10,720150aBP突然结束，在不到20年的时期内，北大西洋地区的气候变得温和，冰层消退，雨量增加；约50年的时间，格陵兰南部增温7；Mayewski（1995)认为YD持续13001150年，然后约十年之内突然结束；Bondetal.(1997)标定的日历年界限是12.911.5kaBP，峰值在12.2kaBP；Litt等（1999）根据欧洲湖泊沉积物纹层和孢粉研究确定的年代为12.68011.590ka。,AproposalfortheGlobalStratotypeSectionandPoint(GSSP)forthebaseoftheHoloceneSeries/Epoch(QuaternarySystem/Period)AbstractTheGreenlandicecorefromNorthGRIP(NGRIP)containsaproxyclimaterecordacrossthePleistocene-Holoceneboundaryofunprecedentedclarityandresolution.AnalysisofanarrayofphysicalandchemicalparameterswithintheiceenablesthebaseoftheHolocene,asreflectedinthefirstsignsofclimaticwarmingattheendoftheYoungerDryas/GreenlandStadial1coldphase,tobelocatedwithahighdegreeofprecision.Thisclimaticeventismostclearlyreflectedinanabruptshiftindeuteriumexcessvalues,followedbymoregradualchangesin18O,dustconcentration,arangeofchemicalspecies,andannuallayerthickness.Atimescalebasedonmultiparameterannuallayercountingprovidesanageof11,700yrb2k(beforeAD2000)forthebaseoftheHolocene,withanestimated2errorof99yr.ItisproposedthatanarchivedcorefromthisuniquesequenceshouldconstitutetheGlobalStratotypeSectionandPoint(GSSPforthebaseoftheHoloceneSeries/Epoch(QuaternarySystem/Period).FiveparastratotypesforthePleistocene-Holoceneboundaryarealsodescribed.,7.冰后期全新世是第四纪最近一次冰川消融期，又称冰后期，也有人认为是一次新的间冰期。其时段约为1.2kaBP至今，对应于深海氧同位素1段，其气候经历了升温期、高温期和降温期这样一个完整的间冰期气候变化过程。Post（1946）把冰后期细分为三个阶段：第一阶段以日益温暖为特征，第二阶段气候最温暖，第三阶段气温下降；Antevs（1953）把全新世气候期正式命名为：阶段变暖期（anothermal），阶段高温期(altithermal)，阶段稍变冷期(medithermal)。,Bond等（1997）的研究表明，全新世有9次冷事件，由近及远编号0-8,出现于0.4、1.4、2.8、4.2、5.9、8.1、9.4、10.3及11.1kaBP；从早全新世到晚全新世逐一分析9次冷事件出现的时间和对气候的影响，发现与冷事件对应的气候异常主要表现为北半球高纬寒冷、低纬亚非季风区干旱；也有迹象表明出现冷事件时西-中欧及北美北部气候湿润。这些冷事件一般仅维持100-200a，而且开始及结束多在较短时间内完成，所以也称为气候突变或快速气候变化；由于其发生频率在1.0-1.5ka之间，也有人称为千年尺度气候震荡。其成因：早全新世，融冰淡水脉冲作用可能有重要影响；中-晚全新世，太阳活动减弱可能是主要原因，但不排除有气候系统内部振荡的影响。发生冷事件时，北大西洋表层为融冰淡水控制，抑制了北大西洋深水（NADW）的形成，使北大西洋经向翻转流（MeridionalOverturningCirculation,MOC）的强度减弱，向北输送的热量大为减少，进而对大西洋两岸的气候有重要影响，并且可能通过大气环流和海洋环流影响到世界其他地区。,红线表示5个阶段；灰色部分表示冷事件共划分为5个阶段：1（14-11.4ka）；2（11.4-9.07ka）；3（9.05-4.2ka）；4（4.2-1.67ka）；5（1.67ka至今）其中冷事件为12.2-11.4ka；10.75-10.4ka；9.4-9.07ka；8.5-8.2ka；7.8-7.4ka；4.6-4.2ka；3.7-3.25ka；2-1.67ka；0.3ka至今,吉林省二龙湾玛珥湖沉积物14kaBP来的气候记录,8.小冰期小冰期的名称是Matthes在1939年提出来的，当时是在广义上应用这个名词泛指气候最适宜期之后，大约从2kaBP开始的冷期。后来愈来愈多的学者把广义的冷期称为新冰期，而小冰期则专指近数百年中出现的冷期。对于小冰期的开始时间，有的认为从16世纪开始，例如1550年；也有的认为从13世纪开始，例如1250年；而结束时间则几乎所有学者都同意在1850年前后。王绍武(1995)分析了不同作者的研究结果，认为17及19世纪的冷期是普遍存在的，12世纪前半，13世纪后半纪及15世纪后半纪的冷期相对较弱，只出现在部分地区。这三个冷期可以看作是从中世纪暖期向小冰期的过渡，小冰期为1600-1700年。,米兰柯维奇认为第四纪冰期-间冰期气候变化受地球轨道变化制约.地球轨道偏心率、地轴倾角和岁差的周期性变化影响地球接受太阳辐射的总量和太阳能量在不同纬度和季节的分配。季节性的太阳光线在高纬度的变化，可以降低夏天的温度,导致冰川的增大，冰期的到来。轨道的变化在中纬度和高纬度会导致冷与暖的交替出现。Berger计算寒冷期和第四纪冰川发育冰期相吻，所以他的结论是地球轨道的变化导致第四纪冰期的出现。不过,仅是轨道变化本身不能导致冰川的前进或后退。轨道周期引起的地球系统的其他方面的变化则能导致并增加变冷的情形；有人研究认为，高纬度气候寒冷导致大面积森林消失，使太阳到达地球的能量被反射,致使地球变冷,冰期出现。,9.米兰柯维奇假说,偏心率,地轴倾角,岁差,10.全新世问题,11.气候变化趋势,二、全