郭正堂-第四纪环境讲义
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谈谈新生代古环境研究
1. 2. 3.
为什么要研究古环境演化？ 重要的环境变化的地质记录 中国在全球环境演化研究中的位置
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(International Geosphere-Biosphere Program:IGBP) -全球变化研究
2 1.0
Site 849 d13C (Raymo et al., 1988)
0
0.5 0.0
-2
-0.5
Site 607 d18O(Ruddiman et al., 1989)
-4
5 1 3 7 9 11 13 15 19 21 25 27 31 35 37 39
-1.0 -1.5 -2.0
Stacked FeD/FeT (%)
•超“轨道”时间尺度 •“轨道”时间尺度 •亚“轨道”时间尺度
0.06 0.05
偏心率：400ka, 100ka
Eccentricity
0 -100 -200 -300 -400 -500 Age (ka) -600 -700 -800 -900 -1000
0.04
0.03
0.02
0.01
0
25.0
Age (ka)
Site 849 d13C(‰)
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Pee Dee Fotmation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
0.02
0
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
四次冰期理论：Penck & Bruckner (1909)
中国 鄱阳冰期 大姑冰期 庐山冰期 大理冰期
第四纪多次冰期理论的提出：
Emiliani, C., 1955, Pleistocene temperatures. Journal of Geology 63:538-678.
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
•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）
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
-30 -32
-34
-36
GRIP d18O
-38
-40
-42
-44
-46 0 20 40 60 80 100 120 140
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
2 1.0
Site 849 d13C (Raymo et al., 1988)
0
0.5 0.0
-2
-0.5
Site 607
-4
5 1 3 7 9 11 13
d18O(Ruddiman
15 19 21
et al., 1989)
27 31 35 37 39
-1.0 -1.5 -2.0
25
Stacked FeD/FeT (%)
•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
4
3
2
1
0
-1
(Miller et al., 1987)
70 60 50 40 30 20 10 0
-2
年代 (Ma)
海洋中的陆源碎屑 沉积： 冰筏事件的证据
中值粒径 / m
20 18 16 14 12 10
( a )
Heinrich事件与Bond旋回
自然科学重大发现 Heinrich 事件
(变化快、幅度大)
灾难后果
未知的气候系统行为
非轨道 短尺度事件研究
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…
大洋底层流 冬季风 西风带
大洋表层流 现代冰盖
夏季风
盛冰期 冰盖南界
海洋中的风尘记录：粒度与沉积通量
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
黄土-古土壤序列（0-2.5 Ma)
地层 序列 深度 (m) 0 0 S0 S1 L2 S2 L3 20 磁化率 (SI) 200 风化强度 年代 SPECMAP (%) (Ka) (18O PDB) 25 30 35 40 2 1 0 -1 -2 0 1 2 3 4 5 地层 序列 深度 (m) 80 0 S9-1 S10 S12-1 L13 100 S14 7 8 9 40 400 10 11 12 13 600 14 15 16 17 19 20 21 18 S23 L24 S25 140 S26 L27 S27 S30 160 S31 40 30 S15 S16 S19 120 20 10 L33 磁化率 (SI) 50 100 150 风化强度 (%) 25 30 35 深度 (m)
20
15
(Guo et al., 1999)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
Age (ka)
Site 849 d13C(‰)
2
1.0
东亚古夏季风环流千年尺度的不稳定性
24 23 30 22 21 26 34
20
22 19 -30 -30
-6
30
25
S1 S2 L3 S0 L1 L2 L4 L5 S3 S4 S5-1 S5-3 L6 L9 S6 S7 S8 S9 S12 L13 S13 L14 S14
20
15
(Guo et al., 1999)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
行星风系…
极地高压
极地东风带
盛行西风带
副极地低压
副热带高压பைடு நூலகம்
东南信风带 热带辐合带
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
4
3
2
1
0
-1
(Miller et al., 1987)
70 60 50 40 30 20 10 0
-2
年代 (Ma)
极地高压 极地东风带 盛行西风带 副热带高压 东南信风带 热带辐合带 副热带高压 热带辐合带 副极地低压 副极地低压 副极地低压 副热带高压 热带辐合带
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
-30 -32
-34
-36
GRIP d18O
-38
-40
-42
-44
-46 0 20 40 60 80 100 120 140
-6
30
25
S1 S2 L3 S0 L1 L2 L4 L5 S3 S4 S5-1 S5-3 L6 L9 S6 S7 S8 S9 S12 L13 S13 L14 S14
20
15
(Guo et al., 1999)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
24.5
24.0
地轴斜度:40 ka
Obliquity
0 -100 -200 -300 -400 -500 Age (ka) -600 -700 -800 -900 -1000
23.5
23.0
22.5
22.0
21.5
0.08
0.06
0.04
岁差:23ka, 19ka
Presession
0 -100 -200 -300 -400 -500 Age (ka) -600 -700 -800 -900 -1000
千年尺度的突发性冰筏事件：Heinrich事件
•Heinrich H (1988) Origin and consequences of cyclic ice rafting in the Northeast Atlantic Ocean during the past 130,000 years. Quaternary Research 29:142-152 •Bond G, Heinrich H, Broecker WS, Labeyrie L, McManus J, Andrews J, Huon S, Jantschik R, Clasen S, Simet C, Tedesco K, Klas M, Bonani G, Ivy S (1992) Evidence for massive discharges of icebergs into North Atlantic ocean during the last glacial period. Nature 360:245-249
红土序列（2.5-8Ma)
地层 序列 磁化率 (SI)
30
60
90
120
S32
6
200
S3
L4 S4 L5 S5-1 S5-3 L6 60 S6 L7 S7 S8 L9 S9-1 80 800
L32
S32 L33
50
60
黄土-古土壤序列可以与深海氧同位素地层很好对比
Site 849 d13C(‰)
Age (ka)
中国北方黄土-红土序列记录的古环境信息类型
•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
西风环流
•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
黄土-古土壤序列记录的亚洲冬季风信号
(An & Porter 1997)
（丁仲礼等，1999）
黄土-古土壤序列记录的亚洲夏季风信号
Site 849 d13C (Raymo et al., 1988)
0 0.0 -2 0.5
-0.5
Site 607
-4
5 1 3 7 9 11 13
d18O(Ruddiman
-35
-35
-40
-40
-45 0
10
20
30
40
50
60
70
-45 80 70
90
110
130
150
170
190
210
年龄 / 103 a B.P.
年龄 / 103a B.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
大气二氧化碳浓度变化 （900-1995年）
Carbon dioxide concentration (parts per million)
380 360 340 320 300 280 260800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
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
8
6 4 ( b ) 4.0
Shackleton et al., 1995
d18O/‰，PDB
3.5 3.0 2.5 2.0 2.4 40
2.8
3.2
3.6
4.0
4.4
4.8
5.2
5.6
6.0 Ma
( c )
射线强度
2.6Ma 20
De Menocal, 1993
5.2Ma 6.6Ma
3.3Ma
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450m
•最近2000年 •若干个冰期-间冰期旋回
全球变化研究中为什么要研究古环境演化？ •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
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…
15 19 21
et al., 1989)
27 31 35 37 39
-1.0 -1.5 -2.0
25
Stacked FeD/FeT (%)
-6
30
25
S1 S2 L3 S0 L1 L2 L4 L5 S3 S4 S5-1 S5-3 L6 L9 S6 S7 S8 S9 S12 L13 S13 L14 S14
1. 2. 3.
为什么要研究古环境演化？ 重要的环境变化的地质记录 中国在全球环境演化研究中的位置
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(International Geosphere-Biosphere Program:IGBP) -全球变化研究
2 1.0
Site 849 d13C (Raymo et al., 1988)
0
0.5 0.0
-2
-0.5
Site 607 d18O(Ruddiman et al., 1989)
-4
5 1 3 7 9 11 13 15 19 21 25 27 31 35 37 39
-1.0 -1.5 -2.0
Stacked FeD/FeT (%)
•超“轨道”时间尺度 •“轨道”时间尺度 •亚“轨道”时间尺度
0.06 0.05
偏心率：400ka, 100ka
Eccentricity
0 -100 -200 -300 -400 -500 Age (ka) -600 -700 -800 -900 -1000
0.04
0.03
0.02
0.01
0
25.0
Age (ka)
Site 849 d13C(‰)
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Pee Dee Fotmation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
0.02
0
-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
四次冰期理论：Penck & Bruckner (1909)
中国 鄱阳冰期 大姑冰期 庐山冰期 大理冰期
第四纪多次冰期理论的提出：
Emiliani, C., 1955, Pleistocene temperatures. Journal of Geology 63:538-678.
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
•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）
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
-30 -32
-34
-36
GRIP d18O
-38
-40
-42
-44
-46 0 20 40 60 80 100 120 140
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
2 1.0
Site 849 d13C (Raymo et al., 1988)
0
0.5 0.0
-2
-0.5
Site 607
-4
5 1 3 7 9 11 13
d18O(Ruddiman
15 19 21
et al., 1989)
27 31 35 37 39
-1.0 -1.5 -2.0
25
Stacked FeD/FeT (%)
•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
4
3
2
1
0
-1
(Miller et al., 1987)
70 60 50 40 30 20 10 0
-2
年代 (Ma)
海洋中的陆源碎屑 沉积： 冰筏事件的证据
中值粒径 / m
20 18 16 14 12 10
( a )
Heinrich事件与Bond旋回
自然科学重大发现 Heinrich 事件
(变化快、幅度大)
灾难后果
未知的气候系统行为
非轨道 短尺度事件研究
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…
大洋底层流 冬季风 西风带
大洋表层流 现代冰盖
夏季风
盛冰期 冰盖南界
海洋中的风尘记录：粒度与沉积通量
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
黄土-古土壤序列（0-2.5 Ma)
地层 序列 深度 (m) 0 0 S0 S1 L2 S2 L3 20 磁化率 (SI) 200 风化强度 年代 SPECMAP (%) (Ka) (18O PDB) 25 30 35 40 2 1 0 -1 -2 0 1 2 3 4 5 地层 序列 深度 (m) 80 0 S9-1 S10 S12-1 L13 100 S14 7 8 9 40 400 10 11 12 13 600 14 15 16 17 19 20 21 18 S23 L24 S25 140 S26 L27 S27 S30 160 S31 40 30 S15 S16 S19 120 20 10 L33 磁化率 (SI) 50 100 150 风化强度 (%) 25 30 35 深度 (m)
20
15
(Guo et al., 1999)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
Age (ka)
Site 849 d13C(‰)
2
1.0
东亚古夏季风环流千年尺度的不稳定性
24 23 30 22 21 26 34
20
22 19 -30 -30
-6
30
25
S1 S2 L3 S0 L1 L2 L4 L5 S3 S4 S5-1 S5-3 L6 L9 S6 S7 S8 S9 S12 L13 S13 L14 S14
20
15
(Guo et al., 1999)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
行星风系…
极地高压
极地东风带
盛行西风带
副极地低压
副热带高压பைடு நூலகம்
东南信风带 热带辐合带
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
4
3
2
1
0
-1
(Miller et al., 1987)
70 60 50 40 30 20 10 0
-2
年代 (Ma)
极地高压 极地东风带 盛行西风带 副热带高压 东南信风带 热带辐合带 副热带高压 热带辐合带 副极地低压 副极地低压 副极地低压 副热带高压 热带辐合带
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
-30 -32
-34
-36
GRIP d18O
-38
-40
-42
-44
-46 0 20 40 60 80 100 120 140
-6
30
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S1 S2 L3 S0 L1 L2 L4 L5 S3 S4 S5-1 S5-3 L6 L9 S6 S7 S8 S9 S12 L13 S13 L14 S14
20
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(Guo et al., 1999)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
24.5
24.0
地轴斜度:40 ka
Obliquity
0 -100 -200 -300 -400 -500 Age (ka) -600 -700 -800 -900 -1000
23.5
23.0
22.5
22.0
21.5
0.08
0.06
0.04
岁差:23ka, 19ka
Presession
0 -100 -200 -300 -400 -500 Age (ka) -600 -700 -800 -900 -1000
千年尺度的突发性冰筏事件：Heinrich事件
•Heinrich H (1988) Origin and consequences of cyclic ice rafting in the Northeast Atlantic Ocean during the past 130,000 years. Quaternary Research 29:142-152 •Bond G, Heinrich H, Broecker WS, Labeyrie L, McManus J, Andrews J, Huon S, Jantschik R, Clasen S, Simet C, Tedesco K, Klas M, Bonani G, Ivy S (1992) Evidence for massive discharges of icebergs into North Atlantic ocean during the last glacial period. Nature 360:245-249
红土序列（2.5-8Ma)
地层 序列 磁化率 (SI)
30
60
90
120
S32
6
200
S3
L4 S4 L5 S5-1 S5-3 L6 60 S6 L7 S7 S8 L9 S9-1 80 800
L32
S32 L33
50
60
黄土-古土壤序列可以与深海氧同位素地层很好对比
Site 849 d13C(‰)
Age (ka)
中国北方黄土-红土序列记录的古环境信息类型
•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
西风环流
•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
黄土-古土壤序列记录的亚洲冬季风信号
(An & Porter 1997)
（丁仲礼等，1999）
黄土-古土壤序列记录的亚洲夏季风信号
Site 849 d13C (Raymo et al., 1988)
0 0.0 -2 0.5
-0.5
Site 607
-4
5 1 3 7 9 11 13
d18O(Ruddiman
-35
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10
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-45 80 70
90
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130
150
170
190
210
年龄 / 103 a B.P.
年龄 / 103a B.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
大气二氧化碳浓度变化 （900-1995年）
Carbon dioxide concentration (parts per million)
380 360 340 320 300 280 260800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
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
8
6 4 ( b ) 4.0
Shackleton et al., 1995
d18O/‰，PDB
3.5 3.0 2.5 2.0 2.4 40
2.8
3.2
3.6
4.0
4.4
4.8
5.2
5.6
6.0 Ma
( c )
射线强度
2.6Ma 20
De Menocal, 1993
5.2Ma 6.6Ma
3.3Ma
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450m
•最近2000年 •若干个冰期-间冰期旋回
全球变化研究中为什么要研究古环境演化？ •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
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…
15 19 21
et al., 1989)
27 31 35 37 39
-1.0 -1.5 -2.0
25
Stacked FeD/FeT (%)
-6
30
25
S1 S2 L3 S0 L1 L2 L4 L5 S3 S4 S5-1 S5-3 L6 L9 S6 S7 S8 S9 S12 L13 S13 L14 S14