全球变化授课讲义04全球变化研究的主要途径
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此能够在沉积地层中长期保存下来。根据孢粉的组成及其 随时间的变化，可以推断植被在时间和空间上的演化过程 及环境的变化。
植物硅酸体忠实地记录了生产它的植物细胞的形态
2020/1/7
12
d冰芯
• 极地冰盖和中纬度高山冰川地区，冰雪终年不化，每年积累的雪最终
转换成冰，形成一个年层。从这些地区取得的冰芯中获得的主要记录 之一是氧同位素比率δ 18O。
量方面的信息；V=火山喷发；M=地磁场；S=太阳活动
2020/1/7
7
a海洋沉积及深海沉积的氧同位素纪录
根据δ18O值 的变化，不 但可以计算 出有孔虫生 存时期的温 度，而且可 以对全球冰 量的变化进 行推断
2020/1/7
8
b黄土与古土壤
原理：黄土和古土壤层的交互出现是风尘堆积作用和成土作 用 两种对立的过程彼此消长的结果。冰期
记录规范，精度高，但时间尺度短
• 考古和历史文献记录
记录欠规范，时间尺度不长，对重大事件研究意
义较大
代用资料
• 古环境感应体
待用指标丰富客观性强但干扰作用大。
2020/1/7
5
1.2环境属性信息
• a海洋沉积及深海沉积的氧同位素纪录 • b黄土与古土壤 • c孢粉和植物硅酸体 • d冰芯——同位素、甲烷气等 • e树木年轮——轮宽、密度、同位素等 • f湖芯——年代学、物理、化学、生物指标 • g石笋——微层厚度、同位素、微量元素 • h珊瑚——微量元素、同位素等 • i考古和历史文献记录
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35
地质年代表
2020/1/7
36
1.4重建过去全球变化的主要步骤
• 对各种过去全球变化信息的识别与提取
如从冰芯中可以提取碳、氧同位素比率、冰川的净累积率、大气成分、 化学成分、微粒含量等多种信息；
• 对过去全球变化的证据进行标定与校核
环境过程、产物与环境状态之间协同关系的均一性是进行环境标定的 基本前提。
同位素，14C是放射性同位素。14C是在约12~18km高空的氮（14N）受宇宙射 线的热中子流（n）轰击，从14N中打出一个质子（P）,使14N变成14C。
1 0
n
174
N
164
C
11
H
• 14C借助β 蜕变失去一个电子（e）变成14N
14 6
C
e
174
N
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14C年代测定
103
THBVMS
海湾沉积 年
105
T Cw L
黄土
10年
106
T Cs B M
海洋冰芯 100年 107
T Cs B M
花粉
10年
105
THB
古土壤
10源自文库年
105
T H Cs V
沉积岩芯 2年
107
H Cs V M L
历史纪录 天/小时 103
THBVMLS
T =温度；H=湿度或雨量；C=大气（a）、水(w)或土壤(s)的化学成分；B=生物
湖泊沉积连续性好、分辨率高, 可以重建不同时间尺度（从百万年到近现代） 的古气候环境。
近现代的沉积物 过去102-103年的 过去103-104年的 深钻岩芯 (100-102年)提取 沉积岩芯提取 沉积岩芯提取 (105-106年)提取
2020/1/7
24
h珊瑚研究
2020/1/7
Photo by Jos Hill, 2002
第四章 全球变化研究的主要途径
2020/1/7
1
内容提要
第一节 过去全球变化的重建
1.1基本假设 1.2环境属性信息 1.3空间和时间位置信息 1.4重建过去全球变化的主要步骤
第二节 全球变化的动态监测
2.1观测的主要内容 2.2观测的技术手段
第三节 全球变化的模拟
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2
第一节 过去全球变化的重建
通常以1950年为起点。
• 用于14C年代测定的样品最好是木头、木炭、谷物、泥碳、
古土壤等有机质，无机碳样品如贝壳，钙结核也可用于测 年，但需注意老碳可能对14C年龄的准确性产生影响。
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14C年代测定
• 目前14C年代测定的方法有两种，一种是β 衰变法，利用
质谱仪测定样品中的14C所产生的放射性（每分钟每克碳 衰变的次数），测定年限小于5万年。另一种是加速质谱 仪测量法（AMS）直接测量样品中14C原子的个数，所需样 品仅几毫克纯碳，可测量年限达10万年。
动和地磁场强度变化的历史
2020/1/7
14
d冰芯
2020/1/7
15
2020过/1/7去9万年两极冰芯气候环境记录对比( Blunier and Brook) 16
冰芯研究
近10万年来青藏高原古里雅冰芯气候记录与南极、北极冰芯记录具有相
似变化特征，但青藏高原冰芯记录的气候变化频率和变幅比极地冰芯的
风尘堆积作用>成土作用 形成黄土层 间冰期 成土作用>风尘堆积作用 形成古土壤层
黄土与古土壤层的交替变化是第四季冰期—间冰期环境周 期变化的反应，与深海氧同位素记录有良好的对应关系。
2020/1/7
9
2020/1/7
10
b黄土与古土壤
两大重要指标：
粒度：用来反映黄土粗细程度的指标，粒度的大小差别反映 了风力搬运强度的差别。
• 14C在高空形成后便与氧结合成14CO2,大气环流运动使其均匀混合在大气中，
通过降水进入江河湖海水域，并被水中的碳酸盐介壳生物吸收；通过光合作 用进入植物体；动物食用植物使14C进入动物骨骼。活的有机体中的14C与大气 中的14C保持平衡，生物死亡后并被立即埋藏，生物遗体中14C与大气中的14C 停止交换，在封闭系统中按指数规律衰减。
• 如果对每一个极性倒转事件发生的时间进行测定，就可以
建立起一个在全球都可对比的古地磁年表，成为全球对比 的时间标尺。
• 目前已建立起5MaBP以来较高分辨率的古地磁年表和
100MaBP以来较粗分辨率的古地磁年表。
• 古地磁年表中的绝对年代通常是用K-Ar法放射性同位素测
年技术来确定。
2020/1/7
• 14C测年的基本假设之一是自古以来大气中14C的含量是不
变的，但这一假设不是严格成立的，宇宙射线强度的变化、 太阳黑子活动或地磁场的变化都引起大气中14C含量的变 化，这种变化势必影响14C测年的准确性。
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古地磁测年
• 在地球历史上，地球磁场的南极和北极曾颠倒过多次，称
极性倒转。其中，105~106年长度的极性变化称为极性期， 与现代磁场方向相同的时期称正向极性期，反之称反向极 性期。在每个正（反）向极性期内，存在着104~105年的 短暂极性倒转，称反（正）极性事件。
？为什么要重建：
由于地球系统中的许多过程具有很长的时间尺度，在现代的观测记录
中无法观测得到，也不可能通过实验的方法进行印证。因此，通过观 测所获得的全球变化信息是有限的。
现代环境中的许多现象是过去不同时间、不同环境状态下多形成的产
物的残留物的集合，其中的一些现象对现代环境特征起制约作用，认 识现代所发生的过程需要对所经历的历史有必要的了解。
• 基于年轮细胞的大小、壁厚和数量多少形成的木材的密度差别分析，反映较
年轮宽度更为丰富的信息。年轮中碳、氢、氧同位素比值的变化可以反映环 境的变化。
2020/1/7
18
树轮研究----树轮结构
树轮记录了丰富的气候、环境信息
2020/1/7
19
树轮研究----采样
锯取木盘
2020/1/7
20
树轮研究----定年
2020/1/7
13
d冰芯
重要指标：
冰川的净累积率可以作为降水量变化的指标； 在由雪转换成冰的过程中包裹在冰中的气泡里，记录着气泡生成时的大
气成分（CH4）；
冰芯中的化学成分和微量含量，记录了过去大气气溶胶的状况，以及地
球沙漠化和大气环流强度的状况等。
冰芯中保存的有机物质记录了当时的生物地球化学循环过程 冰心中的火山灰和强酸信号记录了火山活动的历史 冰心中的10Be等放射性同位素含量的变化反映了宇宙射线强度、太阳活
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6
主要天然环境档案的特征
（根据Ｈans Oeschser and John A.Eddy,1988）
档案
时间分辨率时间长度（年） 可提取的环境参
数
树木年轮 年／季 104
T H Ca V M L S
湖泊沉积 年
104~106
TBM
极地冰岩芯 年
105
T H Ca B V M S
中纬度冰岩芯 年
2大020，/1/说7 明青藏高原对气候变化的敏感性更大(姚檀栋等)。
17
e树木年轮
• 树木年轮是树木形成层周期性生长的结果。在季节差异明显的地区，温暖或
湿润的生长季树木生长快，细胞大而细胞壁薄，形成较宽的浅色早材；寒冷 或干燥的季节树木生长缓慢，细胞小而细胞壁厚，形成较窄的暗色晚材；早 材和晚材合起来为一个年轮。
N N0et
• 式中N为样品中现在14C含量，N0 为14C初始含量
ln N ln N0 t
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30
14C年代测定
• Libby（1949）测定14C的半衰期为5568年，根据半衰期可
以计算衰变常数,根据样品中N相对于N0减少的程度就可以 测定样品的年代。
• 14C年代的表示方法为__kaBP,代表距今__千年以前的意思，
2020/1/7
21
f湖泊沉积
湖泊是各圈层相互作用的连接点，其沉积物 保存了丰富的物理、化学和生物变化的信息。 因此，湖泊沉积作为一个重要的信息载体， 在全球变化研究中有着不可替代的作用。
2020/1/7
22
f湖泊沉积
大气输入
流 域输入
2020/1/7
地 下 水输入
内源输 入
湖泊沉积记录
23
f湖泊沉积
i考古和历史文献记录
考古和历史文献记录包括考古遗址、遗物 和遗迹等各种考古发掘物，以及官方史书、 地方志、农书、宗教案卷、航海日志、文 学作品等各种文献记载。
2020/1/7
27
1.3空间和时间位置信息
• 14C年代测定 • 古地磁测年 • 地质年代表
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28
14C年代测定
• 自然界有3种碳：12C(98.8%)、13C(1.08%)、14C(1.2×10-10%)。前2种是稳定
• 过去的全球变化的整体或部分地复原等 • 利用多种环境演变证据互相咬合，提高指示环境精度
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第二节全球变化的动态监测
• 2.1观测的主要内容
IOC
WMO（国 际气象组 织）
WMO
IOC
ICSU（国 际科学联 合会理事 会）
33
蒙戈反极性事件（Mungo）20-30ka前
2020/1/7
34
地质年代表
地质年代表是一种用来区分地球历史上各个时期的非 固定间距的时间标尺。其基本单位为“代”，其中古生代、 中生代、新生代合称为显生宙，最初以地层中生物化石明 显增多而与其以前的时期相区别。每个代内可以进一步划 分为若干个“纪”，每个“纪”内又划分为若干个“世”。
磁化率：物质被磁化程度难易的一种量度。磁化率值的变化 与气候变化尤其是降水量的变化有一定关系。黄土-古土 壤序列中磁化率的变化被作为夏季风变化的指标（An, Z.S.）
2020/1/7
11
c孢粉和植物硅酸体
原理：
一个地区的孢粉雨的组成能够反映所在地区的植被组成，
是所在地区的植被的函数。
孢粉具有耐氧化、耐高温、耐溶解的质地坚硬的外壁，因
对过去全球变化的研究可以揭示各种过程之间不断变化着的平衡关系。
2020/1/7
3
1.1基本假设
？怎样重建 找证据 对证据进行标定与校核 依据的基本假设： 均一性假设 协同性假设 全息假设
复原
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4
1.2环境属性信息
根据来源和属性的不同，过去全球变化信息可分
为三种类型。
• 观测记录
• 陆地水体中水的18O/16O均小于标准大洋水中的18O/16O。蒸发和凝结作
用均与温度有关，δ 18O与温度之间存在一定的关系
• 分析测试表明温度每降低1℃，δ 18O在格陵兰地区降低0.70‰在南极
地区降低0.75‰在青藏高原北部降低0.65‰，根据这个关系，可以由 冰芯中的δ 18O推断温度变化。
• 树木年轮可提供时间分辨率为年或季的变化信息，是重建几十到几百年尺度
全球变化的最重要的信息源之一。
• 在树木横断面上的年轮的宽度可以反映树木生长量的状况。每年年轮宽度的
大小，与树木的年龄、前期生长状况和环境等多方面因素密切相关。环境变 化所引起的树木年轮宽度变化反映的是对树木生长限制最大的环境（气候） 因子的变化
Photo by Dean Miller, 2002
25
Photo by Jos Hill, 2002
珊瑚研究
珊瑚作为海洋环境的信息载体，具有高分辨率、记录连 续完整、体系封闭好、代用指标多、易于定年等特点， 有效记录了全球环境变化的信息，分辨率可达月。
主要指标：微量元素、同位素
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植物硅酸体忠实地记录了生产它的植物细胞的形态
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d冰芯
• 极地冰盖和中纬度高山冰川地区，冰雪终年不化，每年积累的雪最终
转换成冰，形成一个年层。从这些地区取得的冰芯中获得的主要记录 之一是氧同位素比率δ 18O。
量方面的信息；V=火山喷发；M=地磁场；S=太阳活动
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a海洋沉积及深海沉积的氧同位素纪录
根据δ18O值 的变化，不 但可以计算 出有孔虫生 存时期的温 度，而且可 以对全球冰 量的变化进 行推断
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b黄土与古土壤
原理：黄土和古土壤层的交互出现是风尘堆积作用和成土作 用 两种对立的过程彼此消长的结果。冰期
记录规范，精度高，但时间尺度短
• 考古和历史文献记录
记录欠规范，时间尺度不长，对重大事件研究意
义较大
代用资料
• 古环境感应体
待用指标丰富客观性强但干扰作用大。
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1.2环境属性信息
• a海洋沉积及深海沉积的氧同位素纪录 • b黄土与古土壤 • c孢粉和植物硅酸体 • d冰芯——同位素、甲烷气等 • e树木年轮——轮宽、密度、同位素等 • f湖芯——年代学、物理、化学、生物指标 • g石笋——微层厚度、同位素、微量元素 • h珊瑚——微量元素、同位素等 • i考古和历史文献记录
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地质年代表
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1.4重建过去全球变化的主要步骤
• 对各种过去全球变化信息的识别与提取
如从冰芯中可以提取碳、氧同位素比率、冰川的净累积率、大气成分、 化学成分、微粒含量等多种信息；
• 对过去全球变化的证据进行标定与校核
环境过程、产物与环境状态之间协同关系的均一性是进行环境标定的 基本前提。
同位素，14C是放射性同位素。14C是在约12~18km高空的氮（14N）受宇宙射 线的热中子流（n）轰击，从14N中打出一个质子（P）,使14N变成14C。
1 0
n
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N
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C
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H
• 14C借助β 蜕变失去一个电子（e）变成14N
14 6
C
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14C年代测定
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THBVMS
海湾沉积 年
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T Cw L
黄土
10年
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T Cs B M
海洋冰芯 100年 107
T Cs B M
花粉
10年
105
THB
古土壤
10源自文库年
105
T H Cs V
沉积岩芯 2年
107
H Cs V M L
历史纪录 天/小时 103
THBVMLS
T =温度；H=湿度或雨量；C=大气（a）、水(w)或土壤(s)的化学成分；B=生物
湖泊沉积连续性好、分辨率高, 可以重建不同时间尺度（从百万年到近现代） 的古气候环境。
近现代的沉积物 过去102-103年的 过去103-104年的 深钻岩芯 (100-102年)提取 沉积岩芯提取 沉积岩芯提取 (105-106年)提取
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h珊瑚研究
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Photo by Jos Hill, 2002
第四章 全球变化研究的主要途径
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1
内容提要
第一节 过去全球变化的重建
1.1基本假设 1.2环境属性信息 1.3空间和时间位置信息 1.4重建过去全球变化的主要步骤
第二节 全球变化的动态监测
2.1观测的主要内容 2.2观测的技术手段
第三节 全球变化的模拟
2020/1/7
2
第一节 过去全球变化的重建
通常以1950年为起点。
• 用于14C年代测定的样品最好是木头、木炭、谷物、泥碳、
古土壤等有机质，无机碳样品如贝壳，钙结核也可用于测 年，但需注意老碳可能对14C年龄的准确性产生影响。
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14C年代测定
• 目前14C年代测定的方法有两种，一种是β 衰变法，利用
质谱仪测定样品中的14C所产生的放射性（每分钟每克碳 衰变的次数），测定年限小于5万年。另一种是加速质谱 仪测量法（AMS）直接测量样品中14C原子的个数，所需样 品仅几毫克纯碳，可测量年限达10万年。
动和地磁场强度变化的历史
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d冰芯
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2020过/1/7去9万年两极冰芯气候环境记录对比( Blunier and Brook) 16
冰芯研究
近10万年来青藏高原古里雅冰芯气候记录与南极、北极冰芯记录具有相
似变化特征，但青藏高原冰芯记录的气候变化频率和变幅比极地冰芯的
风尘堆积作用>成土作用 形成黄土层 间冰期 成土作用>风尘堆积作用 形成古土壤层
黄土与古土壤层的交替变化是第四季冰期—间冰期环境周 期变化的反应，与深海氧同位素记录有良好的对应关系。
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b黄土与古土壤
两大重要指标：
粒度：用来反映黄土粗细程度的指标，粒度的大小差别反映 了风力搬运强度的差别。
• 14C在高空形成后便与氧结合成14CO2,大气环流运动使其均匀混合在大气中，
通过降水进入江河湖海水域，并被水中的碳酸盐介壳生物吸收；通过光合作 用进入植物体；动物食用植物使14C进入动物骨骼。活的有机体中的14C与大气 中的14C保持平衡，生物死亡后并被立即埋藏，生物遗体中14C与大气中的14C 停止交换，在封闭系统中按指数规律衰减。
• 如果对每一个极性倒转事件发生的时间进行测定，就可以
建立起一个在全球都可对比的古地磁年表，成为全球对比 的时间标尺。
• 目前已建立起5MaBP以来较高分辨率的古地磁年表和
100MaBP以来较粗分辨率的古地磁年表。
• 古地磁年表中的绝对年代通常是用K-Ar法放射性同位素测
年技术来确定。
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• 14C测年的基本假设之一是自古以来大气中14C的含量是不
变的，但这一假设不是严格成立的，宇宙射线强度的变化、 太阳黑子活动或地磁场的变化都引起大气中14C含量的变 化，这种变化势必影响14C测年的准确性。
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古地磁测年
• 在地球历史上，地球磁场的南极和北极曾颠倒过多次，称
极性倒转。其中，105~106年长度的极性变化称为极性期， 与现代磁场方向相同的时期称正向极性期，反之称反向极 性期。在每个正（反）向极性期内，存在着104~105年的 短暂极性倒转，称反（正）极性事件。
？为什么要重建：
由于地球系统中的许多过程具有很长的时间尺度，在现代的观测记录
中无法观测得到，也不可能通过实验的方法进行印证。因此，通过观 测所获得的全球变化信息是有限的。
现代环境中的许多现象是过去不同时间、不同环境状态下多形成的产
物的残留物的集合，其中的一些现象对现代环境特征起制约作用，认 识现代所发生的过程需要对所经历的历史有必要的了解。
• 基于年轮细胞的大小、壁厚和数量多少形成的木材的密度差别分析，反映较
年轮宽度更为丰富的信息。年轮中碳、氢、氧同位素比值的变化可以反映环 境的变化。
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树轮研究----树轮结构
树轮记录了丰富的气候、环境信息
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树轮研究----采样
锯取木盘
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树轮研究----定年
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d冰芯
重要指标：
冰川的净累积率可以作为降水量变化的指标； 在由雪转换成冰的过程中包裹在冰中的气泡里，记录着气泡生成时的大
气成分（CH4）；
冰芯中的化学成分和微量含量，记录了过去大气气溶胶的状况，以及地
球沙漠化和大气环流强度的状况等。
冰芯中保存的有机物质记录了当时的生物地球化学循环过程 冰心中的火山灰和强酸信号记录了火山活动的历史 冰心中的10Be等放射性同位素含量的变化反映了宇宙射线强度、太阳活
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6
主要天然环境档案的特征
（根据Ｈans Oeschser and John A.Eddy,1988）
档案
时间分辨率时间长度（年） 可提取的环境参
数
树木年轮 年／季 104
T H Ca V M L S
湖泊沉积 年
104~106
TBM
极地冰岩芯 年
105
T H Ca B V M S
中纬度冰岩芯 年
2大020，/1/说7 明青藏高原对气候变化的敏感性更大(姚檀栋等)。
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e树木年轮
• 树木年轮是树木形成层周期性生长的结果。在季节差异明显的地区，温暖或
湿润的生长季树木生长快，细胞大而细胞壁薄，形成较宽的浅色早材；寒冷 或干燥的季节树木生长缓慢，细胞小而细胞壁厚，形成较窄的暗色晚材；早 材和晚材合起来为一个年轮。
N N0et
• 式中N为样品中现在14C含量，N0 为14C初始含量
ln N ln N0 t
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14C年代测定
• Libby（1949）测定14C的半衰期为5568年，根据半衰期可
以计算衰变常数,根据样品中N相对于N0减少的程度就可以 测定样品的年代。
• 14C年代的表示方法为__kaBP,代表距今__千年以前的意思，
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f湖泊沉积
湖泊是各圈层相互作用的连接点，其沉积物 保存了丰富的物理、化学和生物变化的信息。 因此，湖泊沉积作为一个重要的信息载体， 在全球变化研究中有着不可替代的作用。
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f湖泊沉积
大气输入
流 域输入
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地 下 水输入
内源输 入
湖泊沉积记录
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f湖泊沉积
i考古和历史文献记录
考古和历史文献记录包括考古遗址、遗物 和遗迹等各种考古发掘物，以及官方史书、 地方志、农书、宗教案卷、航海日志、文 学作品等各种文献记载。
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1.3空间和时间位置信息
• 14C年代测定 • 古地磁测年 • 地质年代表
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14C年代测定
• 自然界有3种碳：12C(98.8%)、13C(1.08%)、14C(1.2×10-10%)。前2种是稳定
• 过去的全球变化的整体或部分地复原等 • 利用多种环境演变证据互相咬合，提高指示环境精度
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第二节全球变化的动态监测
• 2.1观测的主要内容
IOC
WMO（国 际气象组 织）
WMO
IOC
ICSU（国 际科学联 合会理事 会）
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蒙戈反极性事件（Mungo）20-30ka前
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地质年代表
地质年代表是一种用来区分地球历史上各个时期的非 固定间距的时间标尺。其基本单位为“代”，其中古生代、 中生代、新生代合称为显生宙，最初以地层中生物化石明 显增多而与其以前的时期相区别。每个代内可以进一步划 分为若干个“纪”，每个“纪”内又划分为若干个“世”。
磁化率：物质被磁化程度难易的一种量度。磁化率值的变化 与气候变化尤其是降水量的变化有一定关系。黄土-古土 壤序列中磁化率的变化被作为夏季风变化的指标（An, Z.S.）
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c孢粉和植物硅酸体
原理：
一个地区的孢粉雨的组成能够反映所在地区的植被组成，
是所在地区的植被的函数。
孢粉具有耐氧化、耐高温、耐溶解的质地坚硬的外壁，因
对过去全球变化的研究可以揭示各种过程之间不断变化着的平衡关系。
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1.1基本假设
？怎样重建 找证据 对证据进行标定与校核 依据的基本假设： 均一性假设 协同性假设 全息假设
复原
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1.2环境属性信息
根据来源和属性的不同，过去全球变化信息可分
为三种类型。
• 观测记录
• 陆地水体中水的18O/16O均小于标准大洋水中的18O/16O。蒸发和凝结作
用均与温度有关，δ 18O与温度之间存在一定的关系
• 分析测试表明温度每降低1℃，δ 18O在格陵兰地区降低0.70‰在南极
地区降低0.75‰在青藏高原北部降低0.65‰，根据这个关系，可以由 冰芯中的δ 18O推断温度变化。
• 树木年轮可提供时间分辨率为年或季的变化信息，是重建几十到几百年尺度
全球变化的最重要的信息源之一。
• 在树木横断面上的年轮的宽度可以反映树木生长量的状况。每年年轮宽度的
大小，与树木的年龄、前期生长状况和环境等多方面因素密切相关。环境变 化所引起的树木年轮宽度变化反映的是对树木生长限制最大的环境（气候） 因子的变化
Photo by Dean Miller, 2002
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Photo by Jos Hill, 2002
珊瑚研究
珊瑚作为海洋环境的信息载体，具有高分辨率、记录连 续完整、体系封闭好、代用指标多、易于定年等特点， 有效记录了全球环境变化的信息，分辨率可达月。
主要指标：微量元素、同位素
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