第四纪地质与地貌学第三章第四纪基本问题3第四纪气候

地貌学及第四纪地质学马维峰第三章第四纪地质学基本问题概述内容第四纪沉积物及其成因第四纪年代学第四纪气候基本特征及其研究第四纪生物界特征及其研究意义人类的出现与演化阶段第四纪地层及阶段划分基本概念：气候天气：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时间尺度为月、季、年、数年到数百年以上气候以冷、暖、干、湿这些特征来衡量，通常由某一时期的平均值和离差值表征气候反应经常性的天气，同时也包括特殊性的天气第四纪气候的研究意义第四纪是一个气候变化非常剧烈的地质时代，学习和研究第四纪的气候特征及其变化规律对认识地球的气候演化是非常重要的第四纪是距今最近的一个地质时代，今天的气候就是第四纪气候的延续，学习和研究第四纪的气候特征及其变化规律，对认识今天的气候，预测未来的气候变化，具有重要的实际意义3.第四纪气候基本特征及其研究前第四纪气候变化概述第四纪气候变化第四纪海平面变化中国第四纪气候变化概况气候变化原因和未来气候与环境变化趋势问题探讨3.1前第四纪气候变化概述

地球历史时期，岩石和化石证据表明，90%的时间以温暖气候为主，发生过多次不同时间尺度的寒冷气候事件从温暖气候到寒冷气候称为一个气候旋回地史时期出现过5次大冰期持续时间，>10Ma（除第四纪冰期）间隔：200-300Ma（后4次）3.1前第四纪气候变化概述

地史时期出现过5次大冰期早元古代冰期约，2.3GaBP晚元古代冰期约，800-600MaBP奥陶纪-志留纪冰期约，500-450MaBP石炭纪-二叠纪冰期约，300MaBP第四纪冰期补充资料：冰川形成3.1前第四纪气候变化概述

中生代是500Ma以来最显著的高温期北极－南极，亚热带、热带植物群广泛发育的造煤环境侏罗纪：高20℃白垩纪：高10-15℃白垩纪末，快速变冷，转入新生代降温期新生代是一个比现在气候温暖而不断降温的时代第三纪和现代的气候带比较第三纪现代第四纪LGM时的北美大陆第四纪时期，北美大陆被大面积的冰雪覆盖，图中是LGM时冰盖的范围。美加边境上的五大湖地区也被冰雪覆盖。LGM与现代北极格陵兰冰盖的比较LGM时北美大陆与欧亚大陆北端均有大规模连片的冰盖，海冰范围很大现在北美大陆与欧亚大陆冰盖消失，仅格陵兰有冰盖，海冰范围较小小结：全球性的总降温过程中出现冷暖气候波动；中高纬地区和高山地区产生大规模冰川活动；沿海地区则产生海平面的升降。研究过去，面向未来！3.2第四纪气候变化第四纪气候变化特征第四纪气候标志第四纪气候期及其环境特征第四纪气候变化史3.2第四纪气候变化第四纪气候变化特征地质历史时期全球性的寒冷期约2.4Ma全球降温基础上的寒暖气候波动高纬，高山：冰期，间冰期中底纬：干冷，暖湿气候变化高纬→赤道（变化幅度变小）陆地比海洋变化明显3.2第四纪气候变化第四纪气候变化特征第四纪气候标志第四纪气候期及其环境特征第四纪气候变化史3.2第四纪气候变化第四纪气候标志宏观岩石学地貌生物化石微观氧同位素（δ18O）粘粒分子率CaCO3微量元素粘土矿物沉积物粒度参数磁化率岩石气候标志A.颜色紫→红→橙→黄→灰暖→冷B.沉积物美国Bigbend大弯国家公园的马蹄弯，宏伟壮丽的全景图，下面是科罗拉多河第四纪主要岩石气候标志表寒冷（或冰期)沉积物冰碛物、冰水沉积物、冻融堆积物、冰川漂砾、深海浮冰砂、冰岩及其尘土含量、喜冷生物岩层、寒冻风化角砾、寒冻洞穴角砾温暖（或间冰期）沉积物红粘土风化壳、珊瑚堆积、石灰华、石钟乳、古土壤、河、湖、沼泽沉积物、喜暖生物岩层干旱、半干旱气候沉积物风成沙、黄土、盐类沉积物、大规模洪积物、温差风化碎石、风棱石4.2第四纪气候变化第四纪气候标志宏观岩石学地貌生物化石微观氧同位素（δ18O）粘粒分子率CaCO3微量元素粘土矿物沉积物粒度参数磁化率地貌气候标志寒冷气候：冰川、冻土地貌温暖气候：岩溶、河流、湖泊地貌干旱气候：风蚀、风积地貌典型地貌气候标志冰斗——形成于雪线附近，年均温0度，因此可证明古冰川作用的存在并可利用古冰斗与现代冰斗高度差值推算冰期古雪线下降时的降温值；古冰楔和冻褶构造——发育于现代极地和高山永久冻土层中，年均温-2--9度间，越寒冷规模越大；沙丘和湖岸线——研究干旱、半干旱区干湿气候变化的重要标志；3.2第四纪气候变化第四纪气候标志宏观岩石学地貌生物化石微观氧同位素（δ18O）粘粒分子率CaCO3微量元素粘土矿物沉积物粒度参数磁化率生物化石气候标志原理：Q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,推测化石埋藏时的古气候与古环境方法A、植物化石B、哺乳动物化石C、海生软体动物化石、珊瑚化石D、其他微体动物化石生物化石气候标志A.植物化石植物是陆地上最敏感的气候标志a.生态分析b.叶片形态分析c.孢子花粉d.年轮分析年轮分析年轮宽——湿热年轮窄——干冷B.哺乳动物化石只能指出气候类型，且化石必须完整寒冷：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.其他微体动物化石包括海相有孔虫、介形虫等窄温性示冷示暖有孔虫常用于第四纪海洋古气候的分析。喜冷：Hyalinabalthca(饰带透明虫〕喜暖：Globorotaliamenardii(门氏元球虫）3.2第四纪气候变化第四纪气候标志宏观岩石学地貌生物化石微观氧同位素（δ18O）粘粒分子率CaCO3微量元素粘土矿物沉积物粒度参数磁化率微观气候指标A.氧同位素（δ18O）δ18O：低值为冷期，高值为暖期冰期:海洋沉积物中：O18/O16__高极地冰盖中：O18/O16--低B.粘粒分子率:SiO2/Al2O3、SiO2/Fe2O3比值低——湿热，比值高——干冷微观气候指标C.CaCO3海洋中：冰期——CaCO3高间冰期——CaCO3低微观气候指标D.微量元素在温暖气候条件下，植物生长繁茂，植被生长过程中从土壤水溶液中吸收部分微量元素，并富集在土层中干冷气候条件下，植物生长势衰，土层中大部分微量元素流失E.粘土矿物高岭土——湿热伊利石——干冷微观气候指标F.沉积物粒度参数沉积物成因古气候意义黄土：粒度反映风力作用强度，中值直径达到风砂级，反映沙漠扩大微观气候指标G.磁化率磁化率大——温湿磁化率小——干冷3.2第四纪气候变化第四纪气候变化特征第四纪气候标志第四纪气候期及其环境特征第四纪气候变化史第四纪气候期及其环境特征气候期地质时期某一类气候占优势的时期根据气候参数将气候期划分为：年均温：高纬（高山、部分中纬山）的冰期与间冰期，第四纪气候期的核心概念年均降雨量：中低纬无冰川区的干旱期与湿润期时间上有联系，后一类多为定性研究第四纪气候期及其环境特征1.冰期与间冰期及其环境特征（1）冰期与间冰期冰期－－－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第四纪冰期气候特点A、全球降温，冰川活动；B、冰进过程：高山－－低山；C、生物群迁移，伴生着绝灭；D、南北半球同时发生，北半球多；第四纪气候期及其环境特征1.冰期与间冰期及其环境特征（1）冰期与间冰期间冰期－－－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。间冰期冰期暖冷温度时间全球各地经典第四纪冰期对比A.Penck&Brückner(1909)第四纪气候期及其环境特征1.冰期与间冰期及其环境特征（1）冰阶与间冰阶

冰阶－－一次冰期发展过程中的一次短暂的停止阶段，但地面仍有冰川存在间冰阶－－冰期中一次相对温暖的气候寒冷阶段，某些地区的冰川可能消失，但是局部的比冰期更小的气候期间冰期冰期暖冷温度时间间冰阶冰阶第四纪气候期及其环境特征1.冰期与间冰期及其环境特征（2）冰期、间冰期环境特征气温和降水量冰期，年均温最冷底5-7℃间冰期，年均温高2-5℃18kaBP末次冰期，降水少14％，蒸发少15％，计算机模拟结果（国际气候长期研究项目）冰雪层气候带移动海平面变化第四纪气候期及其环境特征1.冰期与间冰期及其环境特征（2）冰期、间冰期环境特征气温和降水量冰雪层现代冰川，陆地面积的10％第四纪冰川全盛期，30％气候带移动纬向移动海平面变化冰期：下降间冰期：上升第四纪气候期及其环境特征1.冰期与间冰期及其环境特征（3）干旱期与湿润期及其环境特征干旱期：当高纬区冰期时，冰盖上空冷高压反气旋往中低纬度移动，降水带南移，季风萎缩，使中低纬度大部分气候变干变冷，降水量相对减少的时期湿润期：当高纬区间冰期时，冷高压反气旋往极地方向收缩的同时，降水带北移，季风活动势力强，使中低纬度大部分地区气候变暖变湿，降水量相对增加时期4.2第四纪气候变化第四纪气候变化特征第四纪气候标志第四纪气候期及其环境特征第四纪气候变化史第四纪气候变化史第四纪冰川活动史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，并进行了冰期划分第四纪冰川活动史阿尔卑斯地区贡兹冰期（G）以冰积物为特点贡兹－－民德间冰期（G－M）冰川被流水、风化所代替民德冰期（M）流水被冰川所代替，形成新砾石层，风化老砾石层民德－里斯间冰期（M－R）河流作用明显，侵蚀大河谷，老砾石层风化两次，新砾石层风化一次第四纪冰川活动史阿尔卑斯地区里斯冰期（R）大冰期，高阶地砾石层形成里斯－雨木间冰期（R－W）切割高阶地第四纪冰川活动史阿尔卑斯地区玉木冰期（R）形成河谷低阶地向山谷与现代冰川相连冰后期现代河谷第四纪冰川活动史北美和格陵兰非冰川作用区气候变化指大陆冰盖以外的广大的中低纬地区。第四纪时期主要是干燥和潮湿的气候波动，因此称为雨期和间雨期。雨期－－第四纪气候转暖、转潮的时期，特点是潮湿多雨，降雨充沛，水域扩大，湖面上升，同时产生大规模的淡水湖沉积或风化沉积。间雨期－－气候处于两雨期之间相对干燥的时期，降水少，湖群缩小，湖水位下降，在湖中沉积盐类，同时也沉积风沙和黄土。标志：高岸线－－雨期低岸线、泥裂、风沙－－间雨期第四纪气候变化史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第四纪气候变化史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，首先确立了气候变化的海陆对比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、末次冰期和冰后期划分为：晚更新世(末次间冰期—末次冰期)气候变化全新世(冰后期)气候变化晚更新世气候变化大约从130(或150kaBP开始到11kaBP左右末次间冰期l30kaBP

-

75kaBP，是一个温暖气候阶段，其最温暖期比现在约高

2-3℃，以后气温渡动下降，在75kaBP进人末次冰期末次冰期始于75kaBP，终止于11KaBP，一般划分为两寒夹一暖3个阶段全新世(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及其土含量，树木14C及稳定同位素

(H2δ18O)树本年轮，物候记录和考古历史资料近年来，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石笋及样本用于全新世高分辩率研究的冰芯及样本全新世(冰后期)气候变化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、D，4个阶段：a.全新世早期升温阶段

b.全新世中期高温阶段

(又称气候适宜期)，此时全球气候湿暖年均温比现在高

3℃c.全新世晚期降温阶段d.

20世纪升温阶段过去20年里，北极冰盖面积减少了40%，平均厚度从3米减至1.5米。格陵兰岛东部的一座融化的冰山（2007年7月19日）企鹅身后的冰川正在融化加拿大东北部，有一座著名的北极冰架——沃德·亨特，近日发生了新的断裂，整个冰架已经分成三大块，新裂缝最长18公里，“加拿大的版图已经发生了变化”！气候变化研究简史气候变化研究简史3.第四纪气候基本特征及其研究前第四纪气候变化概述第四纪气候变化第四纪海平面变化中国第四纪气候变化概况气候变化原因和未来气候与环境变化趋势问题探讨3.3第四纪海平面变化海平面变化机制前第四纪海平面变化概况第四纪海平面变化标志第四纪海平面变化历史海平面变化机制海盆容积变化洋中脊活动，海底扩张造成的海底升降海平面变化机制冰川的增长与消融海平面变化机制大陆与洋壳的沉积、升降大地水准面变化沉积水文因素海水温度海平面变化机制（总结）确实在升降（水总量变化）冰川新生成水（火山活动）构造均衡作用造成（水总量不变）构造作用沉积作用影响局部地区的有限均衡水温，大地水准面前第四纪海平面变化概况前第四纪海平面变化是地质时期的长期变化结果研究方法生态地层层序地层学地震前第四纪海平面变化概况海退地壳运动强烈活动阶段，地壳隆起、陆地增生，海平面急剧下降海侵地壳长期稳定和湿润气候时期地形被逐渐夷平，海平面缓慢上升地质历史时期海平面呈锯齿状地壳运动时间<<地形夷平时间第四纪海平面变化标志沉积物和地貌类型沉积物地貌沉没的泻湖沉积物、湿地泥炭、海滩沉积物、滨岸化石、珊瑚礁、沿岸沙堤、原地生长的哺乳动物化石古河谷、三角洲、冰蚀冰积形态、灰岩溶剂、海成阶地陆地上抬升的海相地层、贝壳堤海蚀穴、海成阶地、上升海滩第四纪海平面变化历史研究概述早中更新世研究粗略晚更新世研究详细全新世研究最全面在南极未形成大冰盖之前,世界海面比现在约高55米，其后随着第四纪气候的波动，海平面也产生相应的升降变化末次冰期最盛时，海面比现在海面低130米。末次冰期结束后，海面逐渐回升，到距今6000年左右基本达到现在海平面位置晚更新世海平面(130—11kaBP)变化全新世(11kaBP)海平面变化全新世(冰后期)是一个全球温暖期，除南北极冰盖变化不大外，世界其它冰盖和中纬山地冰川全部或大部分消融，在11－6kaBP(至5kaBP的大西洋期)全球海平面急剧震荡上升，以后上升速度减慢并逐渐过渡到现代海平面研究方法：大量近岸泥炭（部分地区用贝壳或珊瑚亚化石）14C年龄基础上的气候波动冰川盛衰海平面升降三位一体3.第四纪气候基本特征及其研究前第四纪气候变化概述第四纪气候变化第四纪海平面变化中国第四纪气候变化概况气候变化原因和未来气候与环境变化趋势问题探讨3.4中国第四纪气候变化概况中国的第四纪冰期中国黄土-古土壤系多波动气候模式中国第四纪气候变化梗概3.第四纪气候基本特征及其研究前第四纪气候变化概述第四纪气候变化第四纪海平面变化中国第四纪气候变化概况气候变化原因和未来气候与环境变化趋势问题探讨3.5气候变化原因和变化趋势

气候变化的原因未来气候变化的趋势与预测气候变化的原因宇宙原因太阳辐射的变化、地球轨道的变