郭正堂-第四纪环境讲义

郭正堂-第四纪环境讲义.ppt一、为什么要研究古环境演化？国际地圈-生物圈计划(IGBP)古全球变化研究(PAGES)国际地圈-生物圈计划(InternationalGeosphere-BiosphereProgram:IGBP)-全球变化研究水文循环与生物圈（BAHC）陆地生态系统(GCTE)大气化学(IGAC）海洋-大气-陆架碳交换(JGOFS)古全球变化（PAGES）海洋生态（GLOBEC）海岸带海陆相互作用(LOICZ)土地利用/覆盖（LUCC）数据信息（DIS）分析-模型(GAIM)研究与培训（START）从地球系统的角度：理解调节地球系统的物理、化学和生物过程揭示系统正在发生的变化降低未来环境估测的不确定性最近2000年若干个冰期-间冰期旋回是环境预测的重要途径

-序列的延伸 -历史相似形是数值模型的重要科学基础

-找规律、查机制 -提供边界条件 -模型的检验和修正区分自然因素和人类活动效应的有效方法全球变化研究中为什么要研究古环境演化？环境预测的重要途径序列的延伸…环境预测的重要途径历史相似形…数值模型的重要科学基础找规律、查机制…GRIP冰岩芯记录的气候系统的不稳定性数值模型的重要科学基础提供边界条件…数值模型的重要科学基础对模型的检验和修正…区分自然因素和人类活动效应的有效方法大气二氧化碳浓度变化

（900-1995年）380360340320300280260800100012001400160018002000Carbondioxideconcentration(partspermillion)二、环境演化的地质记录及其为人类提供的新认识-深海沉积：四次冰期与多次冰期理论、突变气候事件-黄土-古土壤序列：陆地最长、最连续的古环境记录-冰岩芯：全球大气成分变化历史与突变事件超“轨道”时间尺度“轨道”时间尺度亚“轨道”时间尺度偏心率：400ka,100ka地轴斜度:40ka岁差:23ka,19ka四次冰期理论：Penck&Bruckner(1909)鄱阳冰期大姑冰期庐山冰期大理冰期中国第四纪多次冰期理论的提出：Emiliani,C.,1955,Pleistocenetemperatures.JournalofGeology63:538-678.010020030040050060070080090010001100120015202530Age(ka)StackedFeD/FeT(%)L1S1L2S2S3S4S5-1S5-3S8L9S9S12S13S14L3L5L6S0S7L13L14S6Site849d13C(Raymoetal.,1988)Site607d18O(Ruddimanetal.,1989)-6-4-202-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.0Site607d18O(‰)Site849d13C(‰)157911131519212527313537393L4(Guoetal.,1999)海洋有孔虫壳体的氧同位素组成为什么能反映全球环境(冰量)变化？介壳形成时所吸收18O和16O的比率受控于:温度+周围海水的同位素组成d18O=[(18O/16O)样品-(18O/16O)标准]/(18O/16O)标准标准PDB-美国北卡罗来纳洲白垩系的PeeDeeFotmation的拟箭石水蒸发时，H216O首先蒸发冰期：大量水集中在陆地，富集16O,海洋18O相对增加全球冰量变化用底栖虫底栖虫与浮游虫同位素的差异反映海面温度(SST)新生代大洋氧同位素复合曲线d18O年代(Ma)(Milleretal.,1987)海洋中的陆源碎屑沉积：冰筏事件的证据2.02.53.03.54.02.42.83.23.64.04.44.85.25.66.0(b)

18O/‰，PDB50100150200250300350400450020402.6Ma3.3Ma5.2Ma6.6Ma(c)m中值粒径/m468101214161820(a)

射线强度MaDeMenocal,1993Shackletonetal.,1995千年尺度的突发性冰筏事件：Heinrich事件HeinrichH(1988)OriginandconsequencesofcycliciceraftingintheNortheastAtlanticOceanduringthepast130,000years.QuaternaryResearch29:142-152

BondG,HeinrichH,BroeckerWS,LabeyrieL,McManusJ,AndrewsJ,HuonS,JantschikR,ClasenS,SimetC,TedescoK,KlasM,BonaniG,IvyS(1992)EvidenceformassivedischargesoficebergsintoNorthAtlanticoceanduringthelastglacialperiod.Nature360:245-249

Heinrich事件与Bond旋回Heinrich事件自然科学重大发现灾难后果未知的气候系统行为今后如果发生科学上非轨道短尺度事件研究(变化快、幅度大)大洋底层流大洋表层流夏季风冬季风西风带现代冰盖盛冰期冰盖南界北大西洋在全球环境演化中的重要性：NADW(北大西洋深层流)及其对热量的输送…海洋中的风尘记录：粒度与沉积通量冰岩芯对人类认识的新贡献之一：全球大气成分的变化冰岩芯对人类认识的新贡献之二：突变事件及Dansgaard-Oeschger旋回GRIP冰岩芯记录的气候系统的不稳定性Heinrich事件/Bond旋回/D-O旋回的对比关系南北极冰芯的对比及其意义中国北方黄土-红土序列+第三纪红土序列-700万年来环境变化的连续完整记录80100120140160150100503530253540302502040608020002004006008000-2-1012S0S1L2S2L3S3L4S4L5S5-1S5-3L6S6L7S7S8L9S9-1234567891011121314151617181920211S9-1S10S12-1L13S14S15S16S19S23L24S25S26L27S27S30S31L32S32L33地层序列深度(m)磁化率(SI)风化强度(%)年代(Ka)SPECMAP(OPDB)18地层序列深度(m)磁化率(SI)风化强度(%)黄土-古土壤序列（0-2.5Ma)S321020030405060306090120L33深度(m)磁化率(SI)地层序列红土序列（2.5-8Ma)010020030040050060070080090010001100120015202530Age(ka)StackedFeD/FeT(%)L1S1L2S2S3S4S5-1S5-3S8L9S9S12S13S14L3L5L6S0S7L13L14S6Site849d13C(Raymoetal.,1988)Site607d18O(Ruddimanetal.,1989)-6-4-202-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.0Site607d18O(‰)Site849d13C(‰)157911131519212527313537393L4(Guoetal.,1999)黄土-古土壤序列可以与深海氧同位素地层很好对比中国北方黄土-红土序列记录的古环境信息类型黄土高原秦岭山地沙漠冬季风环流夏季风环流西风环流中亚及中国西北干旱化-干旱区是风尘的物源亚洲冬季风的起源和演化-是北部沙漠粉尘的主要搬运者东亚(甚至南亚)夏季风环流的演化-黄土区是东亚季风区（水气携带者）西风环流的演化-是西部粉尘的重要搬运者青藏高原隆升-与高原邻接(An&Porter1997)（丁仲礼等，1999）黄土-古土壤序列记录的亚洲冬季风信号010020030040050060070080090010001100120015202530Age(ka)StackedFeD/FeT(%)L1S1L2S2S3S4S5-1S5-3S8L9S9S12S13S14L3L5L6S0S7L13L14S6Site849d13C(Raymoetal.,1988)Site607d18O(Ruddimanetal.,1989)-6-4-202-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.0Site607d18O(‰)Site849d13C(‰)157911131519212527313537393L4(Guoetal.,1999)黄土-古土壤序列记录的亚洲夏季风信号东亚古夏季风环流千年尺度的不稳定性010203040506070年龄/103aB.P.-45-40-35-30GRIP-d18O/‰,PDB192021222324黄土风化强度Fed/Fet/%807090110130150170190210-45-40-35-3022263034年龄/103aB.P.三、中国在全球环境演化研究中的位置新生代气候恶化的“高原说”新生代变冷的“CO2说”冰期-间冰期旋回的“铁假说”青藏高原-季风环境-全球变化极地高压极地东风带副极地低压副热带高压热带辐合带盛行西风带东南信风带行星风系…新生代全球环境最显著的变化：两极冰盖的起源和发展及海气系统的重新组合d18O年代(Ma)(Milleretal.,1987)极地高压极地东风带副极地低压副热带高压热带辐合带盛行西风带东南信风带副极地低压副热带高压热带辐合带副极地低压副热带高压热带辐合带两极无冰南极有冰（相当大）-北极无冰/少冰两极有冰亚洲最显著的环境变化之一：从行星风系主控型到季风主控型亚洲冬季风东亚季风南亚季风北半球西风带季风环境和干旱区的形成演化是中国古环境研究的核心问题新生代气候恶化的“高原说”（Jan）（Jul）Mountains:AridificationinCentralAsiaandNorthAmericaNoMountains:RelativehumidconditionsinCentralAsiaandNorthAmerica(Manabe&Broccoli,1990)(Ruddiman&Kutzbach,1989)JournalofGeophysicalResearch,1989Vol.94(D15)的三篇文章高原说暖池：水+热CO2CH4风尘铁假说淡水新生代变冷的CO2说：Raymoetal.,1988,InfluenceofLateCenozoicmountainbuildingonoceangeochemicalcycles.Geology,16:649-653.冰期-间冰期旋回的“铁假说”：MartinJH.,1990,Glacial-interglacialCO2change:theironhypothesis.Paleoceanography,5:1~13.

格陵兰冰芯的风尘来自中国及中亚沙漠(Biscayeetal.,1997)南极冰芯中风尘铁与CO2含量比较(Martin,1990)高原说暖池：水+热CO2CH4风尘铁假说淡水中国干旱区形成+铁假说=新生代变冷的另一个假说？90年代关于季风起源的学说MonsoonoccurredundertheforcingofsolarradiationwhenthePlateaureachedits1/2present-height(PrellandKutzbach,1992)ThecloseoftheParatethysSeaplayedanimportantroleintriggeringthemonsooncirculation(Ramsteinetal.,1997)Southwestsummermonsoon:-evidencefromtheArabianSea(Kroonetal.,1991)G.Bulloides(%)Age(Ma)Globigerinoidessp.(%)0204002468101214160102040Arabian

SeaODP727Southwestsummermonsoon:-evidencefromtheLinxiaBasin,WestChina(Shietal.,1998)PaleoceneEoceneEnvironmentalPatternsinChinaundertheControlofaPlanetaryWindSystemduringthePaleocene&EoceneOligoceneMioceneInception&StrengtheningoftheS.E.&S.W.SummerMonsoonsduringtheOligocene&MioceneLateMiocenePlioceneDistributionoftheAridZoneinChinaintheLateMioceneandPliocene大西洋太平洋印度洋年龄/Ma海拔/mM*Ma-1S.W.Summermonsoon(Kroonetal.,1991)InceptionofEoliandepositioninnorthernChina(6.2MaBP)Aridificationat2.7Ma&wideloessdepositionAridificationat3.4MaBPMajorEnvironmentalEvents&TibetanUpliftsMassaccumulationrateoftheworld’socean(Daviesetal.,1977)DifferentmodelsabouttheupliftsoftheTibetanPlateau(Li&Fang1998)Coleman‘smodelHarrison‘smodelLi’smodelXuRen’smodelRea+Zhong’smodelS.E.Summermonsoon(StageI)(Liu,1996)S.W.Summermonsoon(Shietal.,1998)S.W.Summermonsoon(Liu,1996)d18O(Milleretal.,1987)S.E.Summer