《第四纪地质学》绪论

1、第四纪地质学绪论第一页，共73页。第二页，共73页。绪论课程的性质与任务课程的内容课程学科发展概况课程的意义第三页，共73页。课程的性质与任务1.第四纪地质学（Quaternary Geology）是研究距今二三百万年内第四纪的沉积物、生物、气候、地层、构造运动和地壳发展历史规律的学科。第四页，共73页。二课程的内容1.第四纪研究的基本知识2.第四纪地球自然环境第五页，共73页。三课程学科发展概况1本课程国内发展的主要历史沿革2 本课程校内发展的主要历史沿革 第六页，共73页。刘东生：1917年11月24日生。天津市人。1942年西南联合大学地质系毕业。1949年南京大学生物系肄业（原中央大学

2、）。 中国科学院的地质专家刘东生院士于2002年4月获得世界环境科学最高荣誉、“环境科学的诺贝尔奖”泰勒奖。颁奖机构发布的消息说，刘院士此殊荣是因为“在认识和应用陆地沉积物来理解全球环境变化方面作出了开创性的贡献”。 第七页，共73页。 岁上下，探索的足迹仍遍布南极、北极和青藏高原等“地球三极”；年潜心研究，被誉为“黄土之父”；平息多年来的黄土成因之争，建立了万年来最完整的陆相古气候记录； 一辈子与黄土打交道，研究数百万年前的古环境，是不是离今天太过遥远？“其实，刘东生的研究成果一直同自然环境、人类生活息息相关。古环境的温度、湿度、水文、植被等演变过程和周期规律，对认识今天以及未来环境和气候具

3、有重要意义。”中国科学院地质与地球物理研究所所长丁仲礼研究员说，“比如，近年来我国沙尘暴频繁发生，除了人为破坏地面植被等原因，是否与自然界周期性干旱气候演变有关？这需要大跨度的自然历史演变及其规律作为研究背景。”第八页，共73页。四课程的意义1.理论意义 2.实际意义 第九页，共73页。(1)地震预报 (5)找 矿(2)环境地质 (6)地质灾害(3)工程地质 (7)建筑材料(4)水文地质第十页，共73页。第十一页，共73页。地震能否预报？每次大地震后，地震预报成为公众关注的焦点。但1997年美国Science杂志发表著名科学家（加州大学地球物理学教授、南加州地震中心科研部主任等）论文，断言：“

4、地震根本无法预测”。应该打消可能会在几小时、几天或几个月之前预测到地震的希望，从事这方面的研究也是“一件毫无希望的工作”。科学家可以提供在一段长时间内发生地震可能性的估计，供有关部门进行长期准备，如建造防震住宅、公路等。第十二页，共73页。今后30年最重要的十大科研课题 日本文部科学省最近公布的“技术预测调查”第一条 数日前预测是否发生里氏7级以上大地震的技术 引自：2001年8月3日北京出版的晨报第2版第十三页，共73页。1966年邢台地震（级）后，李四光力排众议，提出加强布署地震台站监测地壳内部地应力分布状态，积极开展预报。1975年2月人类历史上罕见地成功预报了7.3级的海城地震，事先9

5、h组织居民撤离，尽管90%建筑物毁坏或严重受损，但无人员伤亡。1999年11月29日12时10分，辽宁海城市和岫岩县发生5.6级地震,中午前数小时通知居民疏散,无人员伤亡。是又一次成功的短临预报。第十四页，共73页。资源开发利用 发达国家为了环保，纷纷封闭矿井（煤 、铅锌等),停采国内石油（美国）大量依靠进口（日本）。 中国作为最大的发展中国家当前面临的严重能源和水资源问题，富铁、铜、锰、铬、贵金属及磷、钾盐等矿产储量严重不足。不能完全依靠进口。第十五页，共73页。中国化石能源潜力石油-估计潜力 900亿吨，现已发现 200亿吨。那里去 找整装大油田？需要有基础理论研究的重大突破！ 先有陆相生

6、油理论，才能在1959年发现大庆油田。天然气-是清洁、高热能、低成本的城市环保能源。20世纪末伊克昭盟苏里格( 储量6000亿m3)和新疆拜城克拉苏特大型油气田( 储量2000亿m3)的发现，对于西部大开发决策进程起了重要作用。海底水化甲烷-一个很有前景的待开发研究领域。第十六页，共73页。 这种物质沉睡于世界各地的海底, 推测储藏量是已知天然气、石油和煤炭蕴藏量的2-3倍。 南海海底已发现巨大的可燃冰带,能源总量估计相当于中国石油总量的一半。 北大西洋著名的百慕大魔鬼三角区可能就是一个处于临界状态的可燃冰分布区。第十七页，共73页。跨世纪的南水北调工程东线、中线（丹江口北京）2010年前完成

7、，投资2000亿元。西线（通天河黄河上游）2050年前完成， 3000亿元。第十八页，共73页。第十九页，共73页。灾害频发 中国是世界上自然灾害最严重的少数国家之一。 自然灾害损失年均值：36% GNP(高于发达国家几十倍) 平均每年： 旱灾面积3.9亿亩，水灾面积1.6亿亩 九十年代以来： 气象、地震、旱涝、海洋、地质、农业和林业等七大自然灾害日趋严重。第二十页，共73页。第二十一页，共73页。第四纪年代学一物理年代学方法二放射性同位素年代法三其他方法第二十二页，共73页。一物理年代学方法 概念：利用矿物岩石的物理性质（如热、电、磁性等）测定沉积物的年龄的方法。 种类：古地磁法、热释光（T

8、L）、光释光(OSL)、电子自旋共振（ESR）、裂变径迹法等。第二十三页，共73页。1 古地磁学方法概念：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。第二十四页，共73页。实质：相对年代学和绝对年代学方法的结合运用古地磁数据建立极性时（世、期）和极性亚时（事件）的相对顺序，再运用同位素（主要是KAr法）测定他们各自的年代，继而建立统一的磁性年表。第二十五页，共73页。（1）基本原理A 过去地质历史时期与现代一样，地球是一个地心轴偶极子磁场。B 含有铁磁性矿物的岩石，在形成过程中受到地磁场的作用而被磁化，磁化方向与当时的磁场方向一致。 a.沉

9、积岩：沉积剩余磁性。 b.火成岩：居里点之下，称为热剩磁。居里点温度一般在500650（表） C 不同时期磁场是变化的,因此保存在沉积物中的磁场特征也是变化的：变化包括磁极移动（106109年）和磁场倒转（103-107）。第二十六页，共73页。载有剩磁的天然矿物的居里温度矿物 组成 居里温度()磁铁矿Fe3O4 585赤铁矿 Fe2O3 675磁赤铁矿 Fe2O3 740磁黄铁矿 Fe7O8 300 铁 Fe 780 镁铁矿 MgFe2O4 440锰尖晶石 Mn Fe2O4 310针铁矿 FeOOH 120钛尖晶石 Fe2TiO4 -153 纤铁矿 FeOOH -196钛铁矿 FeTiO3

10、-218第二十七页，共73页。 正极性：指岩石剩磁的极性方向与现代地球极性方 向相同，其磁倾角为正值，磁偏角接近0度。 反极性：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度。 极性时（世、期）：指以某种极性占优势、持续时间较长的时间单位，一般在100万年左右。 极性亚时（事件）：极性时中短暂的（1万年-十几万年）极性倒转时期。第二十八页，共73页。（2）古地磁极性年表（A.Cox） 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磁极性时间表。 目前用于第四纪研究的极性年表是A.Cox 等1969年根据陆地和大洋已有的1

11、40多个数 据拟定的5MaB.P.以来的地磁极性时间表， 后经许多研究者补充修正，综合成表。第二十九页，共73页。用于第四纪的古地磁极性年表 据A.Cox，1 9 6 9等资料综合 黑色为正极性；白色为反极性第三十页，共73页。 (3)测年范围及应用条件无时间限制，整个第四纪都可以。剖面沉积连续、厚度巨大的细粒沉积层。 (4) 应用情况方法成熟，广泛应用。 第三十一页，共73页。岩石必须含有铁磁性物质，但后期岩脉穿插的岩石样品不行。取定向标本：产状要素法、自然方位法采样间距及大小：间距1m，大小2cm*2cm*2cm。 (5) 采样要求第三十二页，共73页。古地磁方法综述综上所述，一些岩石中固

12、有的这种剩余磁性是揭示过去地球磁场历史的信息，类似于化石一样地能保存到现在。我们通过分析岩石中的天然剩余磁性，可以了解岩石形成时的地磁极性。通过其它同位素测年确定每次地磁场变化的年代，建立古地磁极性年表，以此为标准，将研究区岩石磁性的变化与之对比，从而可以确沉积物的年代。古地磁法的不足之处在于：退磁困难；难以判断不同层位相同极性所属时代.第三十三页，共73页。古地磁对比图河北平原肃宁县东官亭村厚达500m的第四纪沉积物的古地磁极性变化（据李素珍，1976）1.亚砂土；2.亚粘土；3.砂层；4正向极性；5.反向极性；6.正向倾角；7. 反向倾角第三十四页，共73页。2 热释光（TL）、光释光(O

13、SL)、电子自旋共振（ESR）法这是基本原理相似而测试对象及方法不同的3种年代学方法。基本原理：三种方法不同之处在于：TD是通过不同的激活手段（加热、光照、加磁场）使其释放出来的。TDIDADt=第三十五页，共73页。（1）热释光（Thermoluminescence）A.基本原理非金属绝缘矿物 发光 （释放储 存的辐射能量）发光强度吸收的辐射能量时间（t）发光强度时间（t）热发光现象可分为二个阶段：贮集阶段、发光阶段（图）计算公式加热至红外温度A=PD第三十六页，共73页。第三十七页，共73页。B.基本假设条件a、所测样品经历了一次彻底的“零化”(热)事件，重新启动时间钟。b、被测样品具有足

14、够高的热稳定性.c、样品经过“零化”事件后,必须埋藏在铀、钍和钾封闭体系或动态平衡环境中，辐射计量率为常数。第三十八页，共73页。C 测量对象及测年范围a.对象受热样品：古陶片、古砖瓦、古窑壁、烤过的燧石石器、方解石脉、断层泥等。充分暴露的样品：黄土、沙漠砂、沙丘砂、海岸沙丘砂。b.测年范围 决定于样品的环境计量率和被测矿物。 一般在1.0Ma以内。当环境计量率为1Gy/Ka时，石英可测1K 年-10万年或50万年；钾长石可测2K 年-50万年。 不同样品的热发光年龄的计时起点不同：年龄值是最后一次光照晒后埋藏之日起至测量之日所经历的时间。第三十九页，共73页。D.取样注意事项a. 注意避光：

15、开挖新鲜露头，样品要及时用黑布或不透光的容器包装，避免阳光照射。b. 采集埋藏稳定、岩性均一的细粒部分的样品，对于陶瓷样品同时采取周围的土样，保证得出准确的环境剂量。C. 少样品水分的丢失，含水状态对计算环境剂量率有影响。d.断层样品的采取：最新一次活动的断层泥，并同时取断层两盘的的围岩样，供校准环境剂量。e.样品量：除陶瓷样品外，其它样品需200-250克。第四十页，共73页。（2）光释光(OSL）法光释光法（Optically Stimulated Luminescence）是1985年由D.J Huntley等提出和建立的一种新的第四纪沉积物年龄测定方法。它是在热释光基础上建立起来的，近

16、年来获得迅猛发展。不少专家认为，光释光法进一步发展可能成为一种可与14C法媲美的第四纪测年方法。我国是1990年由中科院地质所卢演俦开始做工作，1994年建立实验室。第四十一页，共73页。光释光法与热释光法不同之处在于： 被测矿物由于辐射储存的电离辐射能是通过不同波段的光波激发释放的。 利用不同的光源可获得不同碎屑矿物的OSL信号，可进行单矿物测年。 不存在困扰沉积物TL测年的残留TL水平问题。因为OSL信号只与光敏陷电子有关。 可用于曾在搬运、沉积过程中短暂暴露于日光下的沉积物年龄的测定。 取样时必须绝对避光，用黑雨伞或黑布避光取样。(2) 光 释 光 法 (OSL)第四十二页，共73页。（

17、）电子自旋共振（ESR）法原理 顺磁中心非金属绝缘矿物 游离电子 杂质心 跃移 ESR累积信号 （） Si-O键断裂 自由电子中心ESR累积信号吸收的辐射能量时间（t）ESR累积信号时间（t）t=应用条件与热发光法相同，但样品可以重复利用。辐射磁场TD-IDAD第四十三页，共73页。第四十四页，共73页。（）电子自旋共振（ESR）法测试对象沉积和淀积形成的样品：碳酸盐类、磷酸岩类（牙齿、动物骨头）、硫酸盐类、硅酸盐类样品。受热样品：火山物质、古代人们烧烤过的材料。受压力作用的样品：断层活动影响的样品。经过太阳照射的样品：测年范围视不同样品和环境剂量率大小而定，一般可以测距今几百年到几百万年时间

18、段的年龄。第四十五页，共73页。（）电子自旋共振（ESR）法样品的采集量A.石笋、石膏、钙华等样品及牙齿、动物骨头等生物化石：克。B. 含石英颗粒（松散沉积物）样品的采集量视待测样品中石英含量而定，一般需要克。第四十六页，共73页。裂变径迹法（Fission Track）(1)基本原理238U 原子核碎片 绝缘矿物损伤 痕迹裂变径迹密度tt的计算法:(公式,备注)可以利用径迹密度和长度的变化特征，恢复样品的受热历史，因此该方法广泛应用于古地温及构造热史、抬升速率方面的研究。裂变第四十七页，共73页。（2）测量对象磷灰石、锆石、榍石、云母、火山玻璃、陨石等。对沉积岩来说，则为代表岩石形成以来的自

19、生矿物（磷灰石等）。（3）测年范围：几百年几百万年，尤宜用于测MaBP以来的样品。 裂变径迹法（Fission Track）第四十八页，共73页。（4）取样注意事项岩石新鲜矿物结晶程度高，不含或少含杂质。样品量确保足以遴选出几十个或更多的测试矿物颗粒，要求选单矿物颗，送岩石样品一般需Kg。 裂变径迹法（Fission Track）第四十九页，共73页。二放射性同位素年代法基本原理利用矿物和岩石中含有微量放射性同位素的自行衰变计算年龄的一大类方法。计算公式： N=N0e t= ln D=N0(1-et) 分类：按照放射性同位素来源不同，可分为3类：1、宇宙成因同位素法（14C法）、2、非宇宙成因

20、同位素法：K-Ar法、U系法3、人工核放射性沉降法。-t1N0 N第五十页，共73页。1 14C法（1）基本原理放射性碳的形成与衰变(图)14C的半衰期: 5730a(或5568a)14C的衰变常数: 1.2 10-4 a计算公式: I=I0e-t t=log(I/I0)18.5 103 (a)第五十一页，共73页。基本假设条件a.近几万年来宇宙射线强度不变；b.在交换库中14C处于动态平衡， 14C含量一定；c.样品被埋藏后处于封闭体系， 无14C的加入， 14C按衰变规律自然减少。第五十二页，共73页。第五十三页，共73页。（2）测量对象和测量时限测量时限：可精确测定五万年以来的含碳样品的

21、年龄。（时限的计算）测量对象：所有含碳物质和水。（3）取样要求注意事项a. 不要采集受污染的样品；避开污染源b. 不要让样品受污染：防止标签和包装袋污染样品采集量（表）（4）对14C法的评价精度最高、用途最广、方法最成熟的第四纪年代学方法。第五十四页，共73页。14C样品采集量木炭 3090g干燥木头 60g 和其他植物遗体干燥泥炭、古树根 150300g草、皮、毛、蹄、鹿和其他动物的角 5002200g火烧骨 2200g贝壳 2200g对于年龄大于36000年或有特殊较高要求的样品，样品的采集量应为要求量的2倍。 第五十五页，共73页。2 K-Ar法（1）基本原理（图）（2）基本假设条件（非

22、宇宙成因放射性同位素法都相同）放射性元素的半衰期准确知道 t=0时,无放射成因的40Ar, 即40Ar/ 36Ar为大气比值 t时段内, K与Ar处于一个封闭体系。（3）测量对象单矿物：长石、云母、角闪石、海绿石（含钾矿物）全岩类：玄武岩、辉绿岩、粗面岩等（4）测年范围：10万年10亿年（Q3以前）第五十六页，共73页。（5）取样要求 样品有一定的地质意义；有良好的保护环境，样品无蚀变；粘土样品应选取细粒部分(2u或1u),并作X光衍射和电子显微镜分析，判断是否1MD伊利石。5 0.5-2 1第五十八页，共73页。3 铀系法（铀系不平 衡法）（1）基本原理238U、235 U、232Th 非平

23、衡状态 平衡状态衰变过程服从 N=N0e-t , t=ln 放射性积累：t=0时：231Pa.230Th=0,238U有一定的含量 t时段内： 238U衰变引起231Pa.230Th积累 230Th/234U、 231Pa/235U比值的变化放射性衰减： t=0时：234U、230U、230Th、231Pa过剩， t时段内：上述同位素作为母核衰变 234U/238U、 226Ra/230Th、230Th/232Th、231Pa/230Th比值的变化。因此有两种方法：中间产物积累法、中间产物衰减法。同位素分馏效应物理、化学、生物作用衰变t1N0N第五十九页，共73页。3 铀系法（铀系不平衡法）(2)假设条件： 母体和子体的半衰期应准确知道（表）。 在时间为零的初始点，系统中用于测年的子体同位素放射性为零或可忽略不计或已知。 系统一旦形成，必须封闭，即不再获得或丢失子、母体核素，只有这样，系统的放射性平衡才能回复。第六十页，共73页。3 铀系法（铀系不平衡法）230Th-234U法（钍-铀法）利用沉积物中母核238U放射性衰变系列中234U过剩和238U及234U/238U与230Th/234U放射性不