第三章 全球变化研究方法
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Chapter 3 The Research Method on Global Change 第三章 全球变化研究方法（途径）
[教学目的与要求]
1.了解对过去全球变化各种研究方法的基本原理 2.理解如何利用各种代用指标恢复古环境
3了解全球变化动态监测的手段与内容
4了解全球变化模拟的类型，原理 [重点与难点] 各种研究方法的基本原理 [教学时数] 6学时 [教学方法与手段] 研究性讲授，利用多媒体展示教学内容；
黄土沉积特征
• 第四纪黄土沉积以黄土层和古土壤层交互沉积为特征。黄土层的 形成反映风尘堆积作用过程，而古土壤层的形成反映成土作用过 程。当风尘堆积作用大于成土作用时形成黄土层，反之，形成古 土壤层。 • 黄土沉积与寒冷的冰期相对应，古土壤与相对温暖的间冰期相对 应。 • 我国黄土主要分布在干旱荒漠区的外缘，表明黄土沉积时期当地 属于干寒草原环境，而古土壤发育时期则对应温暖的森林草原环 境。 • 黄土与古土壤层的交替变化是第四纪冰期---间冰期环境周期性变 化的反映。 • 根据黄土层的风化程度和古土壤发育程度的差别，推断环境在不 同时期的差别。 • 黄土—古土壤序列是目前已知的唯一能与深海氧同位素记录对比 的陆上沉积。两者有很好的对应关系。
• [参考书目]
• 朱诚,谢志仁,申洪源. 全球变化科学导论(An Introduction to Global Change Science). 南京: 南京大学出版社,2003.
• [课堂训练、作业思考题]
• 课堂训练：用多媒体手段指导学生利用图书馆资料及网 络资源，查阅相关书籍及期刊文献，了解现在全球变化 研究中目前的最新进展 • 作业思考题 • 1．反映全球变化的记录有哪些?如何利用这些指标重建 过去的全球环境变化？
The location of Dagang section in Zhenjiang 镇江大港剖面位置图
Magnetic susceptibility curve of the Xiashu loess in Zhenjiang and comparison with MIS 镇江下蜀黄土磁化率记录与深海氧同位素阶段的对比
•
•
南极东方站冰芯记160kaB．P．以来的气温变化
青藏高原古里雅冰芯记录的末次间冰期以来 的气候变化
Section 4 Tree Ring Records 第四节 树木年轮记录
整个剖面有机碳含量曲线的峰值与古土壤层对应良好, 反映古土壤层形成于温暖湿润,生物繁茂的时期.
• 5、全氧化铁含量
• 当风尘堆积在次生改造过程中,不稳定成分风化分解淋洗掉,铁被 分解出来或富集起来. • 全氧化铁的含量包含有原生和次生成分.它在剖面中的变化趋势 曲线与磁化率曲线具有相同的变化趋势,即Fe2O3/FeO比值与成壤 强度正相关. 6、黄土剖面中10Be浓度 宇宙射线作用于大气圈物质产生10Be,它通过大气降水沉降于地表. 如果10Be沉降通量恒定,则冰期时黄土以较大速率堆积的话,黄土 中10Be的浓度降低;间冰期时黄土堆积速度小, 10Be的浓度必定很 高. 7、黄土地层中生物遗存----孢粉与陆生腹足类蜗牛化石 根据黄土剖面不同层位若干花粉属种的植物生态学特点可以推断 古植被、古气候. 陆生腹足类蜗牛化石对生态环境变化特别是湿度变化敏感。古土 壤层中多见间齿螺组合，其现生种分布到长江流域，故其化石组 合反映比较湿润的环境，而黄土中多见中华蜗牛，其现生种分布 于黄河流域和我国西部，化石组合反映的就是干旱寒冷环境。
Section 2 The Deep—Sea δ18O Records 第二节 深海氧同位素记录
• 氧同位素与温度变化
目前能够比较准确地反映古温度变化细节的证据,是深 海沉积物中浮游有孔虫化石氧同位素的变化.
Section 3 Ice Corn Records 第三节 冰岩芯记录
• 反映过去气候变化的一个尤为有价值的资料来源是冰芯中的记录，尤其是格陵兰和 南极大陆冰芯中的记录。这些冰芯有数千米厚，它是随着多年降雪的产生，每年积 累的雪最终会转换成冰，形成—个年层。近顶层的冰是最近形成的，近底层的冰可 能是上万年前落在表面的雪。因此，对不同层次的冰的分析可以得出关于过去不同 时期盛行的气候条件。从这些地区取得的冰芯中获得的主要记录是氧同位素比率 δ18O 。 当水汽从海面蒸发时，含18O的重分子水不易蒸发，而在水汽凝结时H2 18O较H2 16O 更易于凝结，使剩余在水汽中的H2 18O比重进一步减小，因而陆地水体中的18O／16O 值均小于标准大洋水汽中的18O／16O值，离海洋蒸发源越远，水体中的18O／16O值越 小， δ18O的负值越大。 蒸发和凝结作用均与温度有关，分析测试表明温度每降低1℃， δ18O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‰，根据这种关系， 可由冰芯中的δ18O推断温度变化。
黄土高原：兰州、西峰、洛川、宝鸡四个地 布容正极 区代表性的黄土剖面对比
性带和松 山负极性 带，二者 的界线 (B/M) 松山负极 性带与高 斯正极性 带的界线 (M/G)
松山负极性带 中存在贾拉米 洛正极性亚时 (J)、奥尔都维 正极性亚时(O) 和留尼旺正极 性亚时(R)
对比发现：四个剖面都存在B/M界线（古地磁界线），都有S0----S5古土壤层和L1---L15黄 土层沉积。表明中国黄土沉积的连续性与完整性，为第四纪时期古气候变迁历史的重建提 供了宝贵材料。
• 黄土是一种以风尘组分为主的堆积,我国境 内的黄土堆积主要与冬季风环流的搬运密 切相关.所以,黄土被当作反映东亚季风变化 的标志.
黄土地层序列及其年代
• 黄土层: 一般为灰黄色,质地均一,无明显结 构. • 古土壤层: 为红色,有明显的土壤结构和土壤 发育层次. • 研究中以L代表黄土层,以S代表古土壤层
磁化率 μ = M/H M 代表磁介质单位体积内所有分子（或原子）的磁矩之矢量和 H 代表磁场强度。 μ<0，M 与 H 反向，是抗磁性物质 μ>0 为顺磁性物质。 有些物质被磁化后，即使撤掉外磁场，其磁性不再消退。称铁磁性物质。 • 1.磁化率μ的含义：在有磁性材料存在的情况下，合磁场的B与外磁场的B（不含磁性 材料被磁化所产生的附加磁场）的比值，就叫这个材料的磁化率。 2.μ的意义（作用）：μ越大的材料越容易被外磁场磁化。所以磁化率是表示磁性材料 能够被外磁场磁化的容易程度的物理量。 古地磁是主要的测年手段。几条重要的古地磁界线如：B/M、贾拉米洛极性亚时、奥 尔都维极性亚时、M/G界线，在宝鸡黄土---古土壤序列中得到明确的测定。郑洪波\ 简介.doc
指导学生利用图书资料及网络资源，查阅相关研究方法的文献
进行阅读。
[主要内容]
• • • • • • • • • • Section 1 Loess—paleosoil Records 第一节 黄土—古土壤记录 Section 2 The Deep—Sea δ18O Records 第二节 深海氧同位素记录 Section 3 Ice Corn Records 第三节 冰岩芯记录 Section 4 Tree Ring Records 第四节 树木年轮记录 Section 5 Sporopollen and Phytolith Records 第五节 孢粉及植物硅酸体记录(Sporo-孢子，芽孢)
对我国来说，上世纪60年代，刘东生等发现黄土高原马兰黄土的粒度分布表现出 由西北向东南逐渐减小的趋势，这种分布与现代西北季风和现代沙尘暴天气的移 动路径完全吻合，推论黄土是来自于西北荒漠的风尘堆积物。 黄土剖面粒度大小与西北季风的强弱直接相关。
黄土高原南部洛川剖面：粗粉砂含量高，粘土含量低，属于粘土质粉砂
重要的气候代用指标
从黄土----古土壤序列中提取的具有指示古气候、古环 境变化的重要指标有： 1、粒度 2、磁化率 3、CaCO3含量 4、有机碳含量（TOC---总量）和δ13C 5、全氧化铁含量 6、黄土剖面中10Be浓度 7、黄土地层中生物遗存 1、粒度：是用来反映黄土粗细程度的指标，粒度的 大小差别反映风力搬运强度的差别。
刘家坡剖面：粗粉砂含量低，粘土含量高，属于粉砂粘土质
•
2、磁化率(susceptibility ) (magnetic susceptibility kappameter )
是物质被磁化难易程度的一种量度。磁化率值的变化与气候变化尤其是降水量的变化 有一定的关系。所以黄土---古土壤序列中磁化率的变化被作为夏季风变化的指标。
• 3 CaCO3含量
为易溶盐类，在次生风化改造过程中变化非常明显， 可以当作探索大气降水或湿润程度的指标。研究发现 规律是CaCO3在黄土层中含量高，而在古土壤层中含 量低。表明在黄土沉积时期，为干旱少雨的环境， CaCO3在土层中淋溶少，沉积多，故含量高。在古土 壤沉积时期，环境湿润多雨，大量CaCO3被淋溶殆尽， 故含量低。 CaCO3在古土壤剖面中淀积深度的变化，也可作为衡 量气候湿润程度的指标，这对于推断黄土地区过去的 全球变化具有重要意义
• 4、有机碳含量（TOC---总量）和δ13C
黄土中有机碳含量（TOC---总量）和δ13C与其堆积 之后生物气候环境有密切关系，所以它可以作为气 候变化的代用指标。 例如：渭南剖面 有机碳的平均含量：0.26% 古土壤层中含量较高,在0.3%~0.64%
黄土层中的含量明显低,在0.04%~0.45%
黄土成因研究简史
• 1930’初期,杨钟健等开始中国黄土研究,将华北晚更新世黄土确 定为典型的风力堆积物,定名为马兰黄土(刘东生等,1985) • 1980’以前,主要研究了第四纪黄土的分布成因和地层划分.对晚 更新世黄土的系统研究较少. • 1980’以后,刘东生、安芷生、李吉均等引入新的手段与方法， 在黄土和古土壤的年代测定、地层划分、形成环境等方面进行 大量研究。 • 取得成果： • 晚更新世黄土地层中含有最后一个间冰期---冰期旋回中环境变 迁的多种信息。 • 发现晚更新世黄土中夹有古土壤层 • 从马兰黄土中存在的古土壤层中获取了大量的环境变化信息与 测年数据，并建立了多种气候代用指标。
• 2．如何理解利用各种指标重建古环境的原理？
Section 1 Loess—paleosoil Records 第一节 黄土—古土壤记录
• 欧洲和北美均有第四纪黄土沉积,我国的黄 土高原地区更分布有数百米厚的第四纪黄 土.我国的黄土和古土壤序列是已知陆地上 连续性最好,且能够很好地与深海沉积序列 对比的沉积物,利用黄土与古土壤序列重建 过去的全球变化是我国在世界上独具特色 的研究领域之一.
• 磁化率大小反映沉积物中铁磁性矿物相对含量 的高低。磁化率的峰值与古土壤层对应。铁磁 性矿物-----磁铁矿、赤铁矿和磁赤铁矿等在古 土壤中明显富集，表明古土壤堆积形成时期气 候湿热，成壤作用强烈，长期风化淋溶使原有 的铁磁性矿物相对富集，并产生新的铁磁性矿 物。黄土堆积时期气候冷干，风尘堆积物受到 次生改造很弱。 • 安芷生提出：黄土剖面磁化率变化可以作为衡 量东南季风演变的代用指标。
•
•布容正极 性时 （B） ， 松山反极 性时(M)黄 土中记录 了贾拉米 洛正极性 亚时(J)、 奥尔都维 正极性亚 时(O)和留 尼旺正极 性亚时(R) 松山负 极性带 与高斯 正极性 带的界 线(M/G)
据推断： 这个剖面 的黄土在 2.5MaB.P. 前后开始 堆积. 松山期开 始堆积经 33层黄土, 布容期开 始堆积第8 层黄土.
• • • • • • • •
Section 6 Coral Annual Layer Records 第六节 珊瑚年层记录 Section 7 Cave Deposits Records 第七节 洞穴堆积记录 Section 8 Environmental Archaeology 第八节 环境考古 Section 9 Historical Archives Records 第九节 历史文献记录
[教学目的与要求]
1.了解对过去全球变化各种研究方法的基本原理 2.理解如何利用各种代用指标恢复古环境
3了解全球变化动态监测的手段与内容
4了解全球变化模拟的类型，原理 [重点与难点] 各种研究方法的基本原理 [教学时数] 6学时 [教学方法与手段] 研究性讲授，利用多媒体展示教学内容；
黄土沉积特征
• 第四纪黄土沉积以黄土层和古土壤层交互沉积为特征。黄土层的 形成反映风尘堆积作用过程，而古土壤层的形成反映成土作用过 程。当风尘堆积作用大于成土作用时形成黄土层，反之，形成古 土壤层。 • 黄土沉积与寒冷的冰期相对应，古土壤与相对温暖的间冰期相对 应。 • 我国黄土主要分布在干旱荒漠区的外缘，表明黄土沉积时期当地 属于干寒草原环境，而古土壤发育时期则对应温暖的森林草原环 境。 • 黄土与古土壤层的交替变化是第四纪冰期---间冰期环境周期性变 化的反映。 • 根据黄土层的风化程度和古土壤发育程度的差别，推断环境在不 同时期的差别。 • 黄土—古土壤序列是目前已知的唯一能与深海氧同位素记录对比 的陆上沉积。两者有很好的对应关系。
• [参考书目]
• 朱诚,谢志仁,申洪源. 全球变化科学导论(An Introduction to Global Change Science). 南京: 南京大学出版社,2003.
• [课堂训练、作业思考题]
• 课堂训练：用多媒体手段指导学生利用图书馆资料及网 络资源，查阅相关书籍及期刊文献，了解现在全球变化 研究中目前的最新进展 • 作业思考题 • 1．反映全球变化的记录有哪些?如何利用这些指标重建 过去的全球环境变化？
The location of Dagang section in Zhenjiang 镇江大港剖面位置图
Magnetic susceptibility curve of the Xiashu loess in Zhenjiang and comparison with MIS 镇江下蜀黄土磁化率记录与深海氧同位素阶段的对比
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南极东方站冰芯记160kaB．P．以来的气温变化
青藏高原古里雅冰芯记录的末次间冰期以来 的气候变化
Section 4 Tree Ring Records 第四节 树木年轮记录
整个剖面有机碳含量曲线的峰值与古土壤层对应良好, 反映古土壤层形成于温暖湿润,生物繁茂的时期.
• 5、全氧化铁含量
• 当风尘堆积在次生改造过程中,不稳定成分风化分解淋洗掉,铁被 分解出来或富集起来. • 全氧化铁的含量包含有原生和次生成分.它在剖面中的变化趋势 曲线与磁化率曲线具有相同的变化趋势,即Fe2O3/FeO比值与成壤 强度正相关. 6、黄土剖面中10Be浓度 宇宙射线作用于大气圈物质产生10Be,它通过大气降水沉降于地表. 如果10Be沉降通量恒定,则冰期时黄土以较大速率堆积的话,黄土 中10Be的浓度降低;间冰期时黄土堆积速度小, 10Be的浓度必定很 高. 7、黄土地层中生物遗存----孢粉与陆生腹足类蜗牛化石 根据黄土剖面不同层位若干花粉属种的植物生态学特点可以推断 古植被、古气候. 陆生腹足类蜗牛化石对生态环境变化特别是湿度变化敏感。古土 壤层中多见间齿螺组合，其现生种分布到长江流域，故其化石组 合反映比较湿润的环境，而黄土中多见中华蜗牛，其现生种分布 于黄河流域和我国西部，化石组合反映的就是干旱寒冷环境。
Section 2 The Deep—Sea δ18O Records 第二节 深海氧同位素记录
• 氧同位素与温度变化
目前能够比较准确地反映古温度变化细节的证据,是深 海沉积物中浮游有孔虫化石氧同位素的变化.
Section 3 Ice Corn Records 第三节 冰岩芯记录
• 反映过去气候变化的一个尤为有价值的资料来源是冰芯中的记录，尤其是格陵兰和 南极大陆冰芯中的记录。这些冰芯有数千米厚，它是随着多年降雪的产生，每年积 累的雪最终会转换成冰，形成—个年层。近顶层的冰是最近形成的，近底层的冰可 能是上万年前落在表面的雪。因此，对不同层次的冰的分析可以得出关于过去不同 时期盛行的气候条件。从这些地区取得的冰芯中获得的主要记录是氧同位素比率 δ18O 。 当水汽从海面蒸发时，含18O的重分子水不易蒸发，而在水汽凝结时H2 18O较H2 16O 更易于凝结，使剩余在水汽中的H2 18O比重进一步减小，因而陆地水体中的18O／16O 值均小于标准大洋水汽中的18O／16O值，离海洋蒸发源越远，水体中的18O／16O值越 小， δ18O的负值越大。 蒸发和凝结作用均与温度有关，分析测试表明温度每降低1℃， δ18O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‰，根据这种关系， 可由冰芯中的δ18O推断温度变化。
黄土高原：兰州、西峰、洛川、宝鸡四个地 布容正极 区代表性的黄土剖面对比
性带和松 山负极性 带，二者 的界线 (B/M) 松山负极 性带与高 斯正极性 带的界线 (M/G)
松山负极性带 中存在贾拉米 洛正极性亚时 (J)、奥尔都维 正极性亚时(O) 和留尼旺正极 性亚时(R)
对比发现：四个剖面都存在B/M界线（古地磁界线），都有S0----S5古土壤层和L1---L15黄 土层沉积。表明中国黄土沉积的连续性与完整性，为第四纪时期古气候变迁历史的重建提 供了宝贵材料。
• 黄土是一种以风尘组分为主的堆积,我国境 内的黄土堆积主要与冬季风环流的搬运密 切相关.所以,黄土被当作反映东亚季风变化 的标志.
黄土地层序列及其年代
• 黄土层: 一般为灰黄色,质地均一,无明显结 构. • 古土壤层: 为红色,有明显的土壤结构和土壤 发育层次. • 研究中以L代表黄土层,以S代表古土壤层
磁化率 μ = M/H M 代表磁介质单位体积内所有分子（或原子）的磁矩之矢量和 H 代表磁场强度。 μ<0，M 与 H 反向，是抗磁性物质 μ>0 为顺磁性物质。 有些物质被磁化后，即使撤掉外磁场，其磁性不再消退。称铁磁性物质。 • 1.磁化率μ的含义：在有磁性材料存在的情况下，合磁场的B与外磁场的B（不含磁性 材料被磁化所产生的附加磁场）的比值，就叫这个材料的磁化率。 2.μ的意义（作用）：μ越大的材料越容易被外磁场磁化。所以磁化率是表示磁性材料 能够被外磁场磁化的容易程度的物理量。 古地磁是主要的测年手段。几条重要的古地磁界线如：B/M、贾拉米洛极性亚时、奥 尔都维极性亚时、M/G界线，在宝鸡黄土---古土壤序列中得到明确的测定。郑洪波\ 简介.doc
指导学生利用图书资料及网络资源，查阅相关研究方法的文献
进行阅读。
[主要内容]
• • • • • • • • • • Section 1 Loess—paleosoil Records 第一节 黄土—古土壤记录 Section 2 The Deep—Sea δ18O Records 第二节 深海氧同位素记录 Section 3 Ice Corn Records 第三节 冰岩芯记录 Section 4 Tree Ring Records 第四节 树木年轮记录 Section 5 Sporopollen and Phytolith Records 第五节 孢粉及植物硅酸体记录(Sporo-孢子，芽孢)
对我国来说，上世纪60年代，刘东生等发现黄土高原马兰黄土的粒度分布表现出 由西北向东南逐渐减小的趋势，这种分布与现代西北季风和现代沙尘暴天气的移 动路径完全吻合，推论黄土是来自于西北荒漠的风尘堆积物。 黄土剖面粒度大小与西北季风的强弱直接相关。
黄土高原南部洛川剖面：粗粉砂含量高，粘土含量低，属于粘土质粉砂
重要的气候代用指标
从黄土----古土壤序列中提取的具有指示古气候、古环 境变化的重要指标有： 1、粒度 2、磁化率 3、CaCO3含量 4、有机碳含量（TOC---总量）和δ13C 5、全氧化铁含量 6、黄土剖面中10Be浓度 7、黄土地层中生物遗存 1、粒度：是用来反映黄土粗细程度的指标，粒度的 大小差别反映风力搬运强度的差别。
刘家坡剖面：粗粉砂含量低，粘土含量高，属于粉砂粘土质
•
2、磁化率(susceptibility ) (magnetic susceptibility kappameter )
是物质被磁化难易程度的一种量度。磁化率值的变化与气候变化尤其是降水量的变化 有一定的关系。所以黄土---古土壤序列中磁化率的变化被作为夏季风变化的指标。
• 3 CaCO3含量
为易溶盐类，在次生风化改造过程中变化非常明显， 可以当作探索大气降水或湿润程度的指标。研究发现 规律是CaCO3在黄土层中含量高，而在古土壤层中含 量低。表明在黄土沉积时期，为干旱少雨的环境， CaCO3在土层中淋溶少，沉积多，故含量高。在古土 壤沉积时期，环境湿润多雨，大量CaCO3被淋溶殆尽， 故含量低。 CaCO3在古土壤剖面中淀积深度的变化，也可作为衡 量气候湿润程度的指标，这对于推断黄土地区过去的 全球变化具有重要意义
• 4、有机碳含量（TOC---总量）和δ13C
黄土中有机碳含量（TOC---总量）和δ13C与其堆积 之后生物气候环境有密切关系，所以它可以作为气 候变化的代用指标。 例如：渭南剖面 有机碳的平均含量：0.26% 古土壤层中含量较高,在0.3%~0.64%
黄土层中的含量明显低,在0.04%~0.45%
黄土成因研究简史
• 1930’初期,杨钟健等开始中国黄土研究,将华北晚更新世黄土确 定为典型的风力堆积物,定名为马兰黄土(刘东生等,1985) • 1980’以前,主要研究了第四纪黄土的分布成因和地层划分.对晚 更新世黄土的系统研究较少. • 1980’以后,刘东生、安芷生、李吉均等引入新的手段与方法， 在黄土和古土壤的年代测定、地层划分、形成环境等方面进行 大量研究。 • 取得成果： • 晚更新世黄土地层中含有最后一个间冰期---冰期旋回中环境变 迁的多种信息。 • 发现晚更新世黄土中夹有古土壤层 • 从马兰黄土中存在的古土壤层中获取了大量的环境变化信息与 测年数据，并建立了多种气候代用指标。
• 2．如何理解利用各种指标重建古环境的原理？
Section 1 Loess—paleosoil Records 第一节 黄土—古土壤记录
• 欧洲和北美均有第四纪黄土沉积,我国的黄 土高原地区更分布有数百米厚的第四纪黄 土.我国的黄土和古土壤序列是已知陆地上 连续性最好,且能够很好地与深海沉积序列 对比的沉积物,利用黄土与古土壤序列重建 过去的全球变化是我国在世界上独具特色 的研究领域之一.
• 磁化率大小反映沉积物中铁磁性矿物相对含量 的高低。磁化率的峰值与古土壤层对应。铁磁 性矿物-----磁铁矿、赤铁矿和磁赤铁矿等在古 土壤中明显富集，表明古土壤堆积形成时期气 候湿热，成壤作用强烈，长期风化淋溶使原有 的铁磁性矿物相对富集，并产生新的铁磁性矿 物。黄土堆积时期气候冷干，风尘堆积物受到 次生改造很弱。 • 安芷生提出：黄土剖面磁化率变化可以作为衡 量东南季风演变的代用指标。
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•布容正极 性时 （B） ， 松山反极 性时(M)黄 土中记录 了贾拉米 洛正极性 亚时(J)、 奥尔都维 正极性亚 时(O)和留 尼旺正极 性亚时(R) 松山负 极性带 与高斯 正极性 带的界 线(M/G)
据推断： 这个剖面 的黄土在 2.5MaB.P. 前后开始 堆积. 松山期开 始堆积经 33层黄土, 布容期开 始堆积第8 层黄土.
• • • • • • • •
Section 6 Coral Annual Layer Records 第六节 珊瑚年层记录 Section 7 Cave Deposits Records 第七节 洞穴堆积记录 Section 8 Environmental Archaeology 第八节 环境考古 Section 9 Historical Archives Records 第九节 历史文献记录