第四纪气候及海平面变化

1、第四纪气候及海平面变化(4学时)教学目的：主要讲述第四纪气候的总体演变特征；更新世气候变化的地质记录；第四纪世界气候的变化规律及第四纪海平面变化的总体规律及其与第四纪气候变化的关系。教学重点和难点：重点掌握第四纪气候的总体演变特征；第四纪世界气候的变化规律，第四纪海平面变化的总体规律及其与第四纪气候变化的关系；难点是海岸地区地质记录中如何区分是新构造运动还是海平面引起的升降。主要教学内容及要求： 1. 了解更新世气候变化的地质记录； 2. 了解第四纪世界气候的变化规律； 3. 理解中国第四纪气候演化的基本特点；4. 掌握第四纪海平面变化的总体规律及其与第四纪气候变化的关系。第四纪是一个气候变化

2、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。同时，由于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，因此，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。3.1 前第四纪气候变化概述一、地球的五次大冰期地球已经历了46亿年历史，根据已有研究发现，在其发展的历史长河中曾经历用于全新世高分辩率研究的石笋及样本。三次大冰期，即： 早元古代冰期约2.3GaBP石炭纪-二叠纪冰期约300MaBP第四纪冰期约3 MaBP其中对人类生存环境影响最大的是第四纪冰期，这也正是本课程所要讲述的。二、

3、第四纪冰期发生的背景 第四纪冰期是在中生代高温和新生代第三纪缓慢降温的基础上突然发生的。3.2 第四纪气候变化一、第四纪气候标志研究分为宏观气候标志和微观气候标志两类 1、宏观气候标志宏观气候标志也称直接气候标志，通过其可直接确定出气候的类型和特征。宏观气候标志可分为三类：(1）沉积物气候标志 由于不同气候环境形成不同的成因类型，因而沉积物成因类型可用来反映沉积时古气候状况，具体可见下表：第四纪主要沉积物成因类型气候标志表 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，深海沉积物，冰岩及其尘土含量，喜冷生物岩石层，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

4、，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，岩类沉积物，大规模洪积物，温差风化碎石（2）地貌气候标志 由于地貌形态是内外动力共同作用的结果，外力主要受控于气候条件。所以地貌类型也是气候标志的一个重要方面。如:冰川、冻土地貌寒冷气候岩溶、河流、湖泊地貌温暖气候风蚀、风积地貌干旱气候（3）生物气候标志 第四纪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,来推测化石埋藏时的古气候与古环境。用于第四纪古气候研究的主要生物化石有：A、植物化石植物是陆地上最敏感的气候标志。可通过以下分析获取气候信息： a、生态分析

5、b、叶片形态分析 c、孢子花粉分析 d、年轮分析 B、哺乳动物化石 一定气候环境生活着与其相适应的生物群，从第四纪地层中所含的哺乳动物化石的成分、种属的比例就可分析其生态环境。如：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1316度，水深4060m，是良好环境的指示计 D、其他微体动物化石窄温性示冷示暖有孔虫常用于第四纪海洋古气候的分析。如： 喜冷：Hyalina balthca(饰

6、带透明虫 喜暖：Globorotalia menardii(门氏元球虫） 2、微观气候标志由于微观气候标志存在的广泛性，在古气候研究中越来越引起人们的关注。目前比较成熟和常用的微观气候标志主要有以下几种：（1）氧同位素 冰期环境: 海洋沉积物中O18/O16高 极地冰盖中O18/O16低 （2）粘粒分子率（SiO2/Al2O3、SiO2/Fe2O3） 比值低湿热，比值高干冷（3）CaCO3含量 冰期CaCO3高，间冰期CaCO3低（4）磁化率 一般地：磁化率大温湿，磁化率小干冷 （5）粘土矿物 一般地：高岭土湿热，伊利石干冷二、第四纪气候变化的特征1、几个基本概念 冰期第四纪时期全球性的降温期

7、，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。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。冰阶冰期中的冰川发育阶段。间冰阶冰期中一次相对温暖的气候寒冷阶段。2、冰川作用区的气候变化冰川作用区是指第四纪时期受到古冰川的侵扰和扫荡的地区，一般是35N以北的中高纬地区和高山地区经过。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

8、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。从而建立了第一个第四纪气候演化方案。即：贡兹冰期（G） 贡兹民德间冰期（GM）民德冰期（M）民德里斯间冰期（MR）里斯冰期（R）里斯雨木间冰期（RW）雨木冰期（R）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。世界各地划分的冰期与阿尔卑斯地区有较好对比（见下表），反映了气候变化的全球性特点。3、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。海洋沉积车在101

9、0mmka间，干旱区较小，温润区较大，一般生物扰动很少，厚几米至几十米的深海沉积物可以记录下第四纪全部气候变化历史。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。目前，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。极性 阿尔卑斯山 北欧 北美 西伯利亚 中国 备注 B冰后期 冰后期 冰后期 冰后期 冰后期 玉木冰期 魏克塞尔冰期 威斯康星冰期 赞卡冰期 大理冰期 末次冰期 里斯玉木间期 埃姆间冰期 桑加蒙间冰期 间冰期 庐山大理间冰期 末次间冰期 里斯冰期 萨勒冰期 伊利诺冰期 萨马诺夫冰期 庐山冰期 民德里斯间

10、期 霍尔斯坦间冰期 雅蒙斯间冰期 大姑庐山间冰期 民德冰期 艾尔斯坦冰期 堪萨斯冰期 大姑冰期 恭兹民德间冰期 克罗默暖期 阿夫唐间冰期 鄱阳大姑间冰期 恭兹冰期 门纳帕冰期 内布拉斯加冰期 鄱阳冰期 M多瑙恭兹冰期 沃林暖期 （更老冰期） 多瑙冰期 拜伯冰期 伊布龙冷期 蒂格林暖期 前蒂格林冷期 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在众多曲线中，以V28238和V23239孔曲线最为完整。位于太平洋近赤道海域水下3000m多的V28238(01oN，160o29 E)和V23239(3o1 5N，159o11E)2个深海钻孔试样的有孔虫壳18O曲线在

11、布容正极时的0.7Ma内反映的冷（或冰期）、暖（或间冰期）气候波动情况类似：在布容正极时(0.73Ma BP)以前气候波动频繁而幅度较小，布容正极性时内气候波动幅度较大而更有规律。如V28238孔岩芯长16m，用14C法、铀系法、古地磁法和沉积率外推法划分氧同位素边界年龄(图10-12)，在孔深12.4m内记录了0.73Ma BP以来8个半由暖(奇数阶段)到冷(偶数阶段)组成的气候旋回(从A I，B为复杂旋回，A为半旋回)。 18O气候曲线呈不对称锯齿状，显示降温和冰雪积累过程较长，升温和冰雪消融过程较快。冰期持续时间最长67ka，最短为11ka；间冰期最短为18ka，最长为71ka。近0.7

12、3Ma内有明显的准l00ka气候变化周期。深海沉积物反映的多波动气候旋回模式不同于经典的阿尔卑斯冰期方案，前者的连续性较好，后者的地层间断多，且难以估计，所以太平洋V28-238和V23-239等孔气候曲线可作为海陆气候对比的标准孔，但应慎重。因为，无论海陆气候曲线多因使用的气候标志不同而有“长”、“短”气候年表差异。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（图1024），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，首先了气候变化的海陆对比

13、。4、130(或150)ka BP来气候与环境变化130(或150)ka BP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。晚更新世 (末次间冰期 末次冰期)气候变化 这一时段大约从130(或150ka BP开始到11ka BP左右，包括里斯玉术间冰期和玉木冰期，相当于V28238深海钻孔18O气候曲线上的第5、4、3、2阶段和冰期旋回B (图1012)。 末次间冰期始于l30ka BP左右，终于75ka BP，是一个温暖气候阶段，其最温暖期大 约在开始的l20ka BP左右，当时年均温比现在约高23，以后气温渡动下降，在75 ka BP进人末次冰期。末

14、次间冰期内世界许多沿海地带发生海侵(如欧洲北部沿海、中国华北平原东部)，湖糟发育，阔叶林扩大。末次冰期始于75 ka BP，终止于11 Ka BP，一般划分为两寒夹一暖3个阶段。早冰阶气候寒冷但非最严寒阶段，年均温比现代低56。中期是相对温暖的寒冷气候阶段。晚期(尤其是18ka BP) 末次冰期气候严寒干冷的盛冰期，年均温比现代低89左右，也是130ka BP来海平面下降幅度最大和沙漠显著发展的干旱期。由于气候干冷，故末次冰期球川规模不太。世界各地根据其地貌(如终硕堤)、冰碛物等对末次冰期都作了详细的研究，但气候期划分与时限也不尽相同。末次冰盛冰期之后的14一11ka BP的3ka期间，是由冰

15、期往冰后期(暖)的转化时期。对研究预测气候与环境变化有参考价值。欧洲大陆根据冰川终碛、植被、冰盖变化和海平面变化，揭示出这一从冷到暖过渡的约3ka内有过几百年内7月均温变幅在23内的冷暖气候变化频繁出现(有的研究者把一时段称为“晚冰期”)。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18O及其尘土含量，树木14C及稳定同位素(H2、18O)，树本年轮，物候记录和考古历史资料等的研究推断, 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主要

16、材料 (图中明暗相间代表了气候的变化) 用全用于新世高分辩率研究的珊瑚及样本用于全新世高分辩率研究的冰芯及样本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包括北极期、前北方期和北方期，此时冰期过后气候开始波动升温，由于冷向干暖转化，但仍较寒冷(图1014A段)。 b.全新世中期高温阶段主要是大西洋期(又称气候适宜期)，此时全球气候湿暖年均温比现在高3(有的地区可能更高一些)，降水显著增加，全球冰川冻土萎缩，海平面显著上升，阔叶森林扩大(山地林线下降)，其大气环流结构具有间冰期特征。这是人类已经历过的最近的一次全球高温期(图1014B段

17、)。 c.全新世晚期降温阶段 从大西洋期末期大约5ka BP全球气温开始下降(有的地方阔叶树量减少)直到20世纪，气候发展是波动降温，有一系列102a和lO3a尺度的l2的全球性寒暖气候波动(图1014之C段)，而且2ka以来人为活动对气候与环境的冲击加剧。这一时段的次级气候 变化阶段如下：2.72.4ka BP地球年均温下降约2，各地冰川冻土有所发展，林、雪线下降(图1014a)。9001300a A.D.，年均气温比现在高约l2，称为“小气候适宜期或“中世纪暖期”(图1014b)。气候温和降水增加，农业、建筑、贸易有所发展。但北极浮冰融化，林、雪线上升泥石流和森林火灾增多。15501850

18、a A.D.，全球年均温比现在低2左右，称为“现代小冰期(Francois Mathes，1939),其中最冷阶段在l550一l700a A.D. 。现代小冰期大气环流结构具有冰期特点，对全球现代冰川冻土发展扩大有重要的影响，引起林、雪线明显下降并不时发生江河湖海水面封冻，风暴频繁，风沙、滑坡、山崩增多，农业歉收，对世界经济产生过负面的影响(图1014c)。d.20世纪升温阶段20世纪以来，现代小冰期结束，进入现代升温阶段（图10-14)。现代气候虽仍有冷暖波动，但总的呈现升温趋势(图1015)。工业革命以来的l.9一l.9kaA.D.气温比19世纪80年代高0.40.6，一般认为与大量燃用化

19、石燃料使大气层中CO2温室效应增温有关。1.9401.960ka A.D.地球上火山爆发增多，“阳伞效应”使全球气温下降0.3。1960年以来地球增温趋势加强，气候异常断不出现，旱、涝、风、雪、泥石流和森林火灾此起彼伏，海平面上升威胁着沿岸的城市。 3.3晚更新世以来的海平面变化一、晚更新世海平面(13011ka BP)变化这一阶段包括末次间冰期和末次冰期，后者海平面历史研究详于前者。 13075ka BP的未次间冰期的海平面变化历史，据新几内亚海成阶地珊瑚礁台的铀系法测年资料，与探海钻孔V1930岩芯浮游和底栖有孔虫壳18O气候曲线对照(图1019)，两者都揭示出有120ka BP、100k

20、a BP和80ka BP 3个高海平面时期(图1019有黑点处)；可与大西洋巴巴多斯岛的3个高海成面：巴巴多斯(1 25ka BP)、巴巴多斯(103ka BP)和巴巴多斯I(82ka BP)对比。新几内亚海成阶地经校正后，其中只有120kaBP的海平面比现代海平面高6m，其他都低于现代海平面，并呈现下降趋势。据有孔虫和其他资料分析，120ka BP(末次间冰期初期)高海平面阶段水温比现在高23。7511ka BP的末次冰期海平面波动下降趋势明显，尤其是2014ka BP间世界几个大陆架上的试样14C年龄资料表明，世界海平面继晚更世以来的降势，在此期间达到130ka BP以来的最低点(图102

21、0)，海平面位于100135m不等，如北美105m、日本135m、黑海110m、尼日利亚100m，中国150m左右，这是目前了解最多的一个全球沿海地带环境变化时代由于全球性海退，各洲大陆的岛屿岸线外推几公里至几百公里不等，太部分陆架露出水面许多近岸岛屿与陆地相联，内海形成湖或缩小，大陆面积暂时增加约lO，气候的太陆性增强动、植物发生相应的迁移，在露出的陆架上可形成有价值的砂矿和陆相沉积物。 中国13014kaBP海平面变化史是根据沿海陆架钻孔与平原海陆相交互地层和贝壳堤推断的(图102l)。130一75ka BP的末次间冰期，中国沿岸普遍发生海侵，沉积了平原下伏的E层海相层(渤海称第一海相层)

22、。进次海侵历史约经历了35ka,海平面时有波动，最高海平面出现在120ka BP左右的北洋淀海侵(与巴巴多斯同期)，海平面比现在海平面高57m。据沉积物中含有现生活在黄海以南水域的伊沙伯丽蛤等暖水种化石，推断当时黄海水域水温为1820，比现在高3。 70一40ka BP间末次冰期(大理冰期)早冰阶，中国东部沿岸普遍发生海退，海水撤出黄海陆架，海岸线位于7 5m处，称黄海海退(或黄海冷期)；当时东海陆架海岸线在100m左右。在海水退去的陆架上约35ka内为荒凉的干冷草原。渤海西部沉积了D层陆相层。 4025 ka BP左右是一个相对温暖的气候期(“中黄海暖期”)，中国东部发生太湖海侵这次海侵历时

23、不长，在渤海西部沉积了C层海相层(渤海西称第二海相层)。 2514 kaBP末次冰期(大理冰期)晚冰阶，海平面大幅度震荡下降，在1815ka BP间，中国东部发生130ka BP来的最大规模的东海海退(图1020)。从陆架上水下112m、136m、 141m和115m埋藏的残余贝壳堤，可反映海水分阶段再次撤出沿海陆架。在东海陆架上当时海岸线最低时在150m左右(14C1600014780a)。长江、黄河在露出的陆架上往东推进，长江东进约600km，其尾闾在水深150160m左右。渤海洼地和露出的陆架上沉积了B层陆相层(包括黄土和长江三角洲沉积)，北方哺乳动物(如野牛)游移其间。在朝鲜济洲岛与中

24、国台湾孤形连线以西，这片再度出露且范围更大的陆架上，再次呈现干冷草原环境。1411ka BP世界气候冷暖变化剧烈，海平面随之发生幅度较小的变化，但中国资料尚欠不足，估计这段时期海平面回升到3040m。沿岸岛屿(包括台湾)与大陆最后分离发生在1412ka BP间。二、全新世(11ka BP)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116ka BP(至5ka BP的大西洋期)全球海平面急剧震荡上升(图l022及表107)，以后上升速度减慢并逐渐过渡到现代海平面，以上推论是建立在大量近岸泥炭（部分地区用贝壳或珊瑚亚化石）14

25、C年龄基础上的。 关于全新世海平面高度和上升方式与变化曲线形态有3种观点。R.W.费尔布里奇（1961） 认为，到大西洋结束时，海平面已迅速上升到现代海平面以上3m，并从那时以后的海平面具有6m振幅。F.P.谢帕德（1963）不同意全新世有高出现代海平面34m德高海平面存在，认为海平面从11kaBP起从40m逐渐上升，从4kaBP以来上升缓慢，以后接近现代海平面的位置。J.R.柯里和N.A.摩尔纳等不同于前两者，认为全新世海平面震荡稳定上升，约在53.6kaBP曾达到目前海平面的高度，难以用统一的全新世海平面变化曲线表示。J.A.克拉克（1980）在地球具有流变性质冰川与水均衡观念的基础上，提

26、出全球全新世6个不同海平面变化区带（图1023），其中（I、II、III和IV带）都属中全新世曾有高出现代海平面的高海平面上升带，只有在冰盖前缘隆起发生塌陷的下降带（II带）和大洋沉降带（IV带）才有海平面下降的现象。中国属克拉克分区中的大陆滨岸区（IV带包括所有大陆）11 ka BP以来世界海平面变化 年代（ka BP） 谢帕德 斯科菲尔德 费尔布里奇 戈得温等 1 0.51121223233435254230670.5047104698161916179223314281031363235114044中国全新世海平面历史大致分为三段： (1)lO-8ka BP海平面急剧上升阶段在lO8ka BP期间，中国东部海平面已回升到1520m(图1019)左右，如渤海西部第一海相层(A海相层)(图1020及图1021)顶板在1015深度( 14C测年为108ka BP)