第十一章第四纪气候变化(修改版)

（二）地貌证据
1. 冰川地貌 • 是冰川作用的产物，是寒冷气候的标志。 • 冰斗形成于雪线附近；所以根据古冰斗可以恢 复古雪线位置，计算温度下降值。 • 根据多层冰斗、U型谷的叠置，冰碛物的分层 等现象可以恢复冰川作用序列。 2. 冰缘地貌 • 根据冰缘地貌可以恢复冰川作用范围。
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气候环境—2
3. 沙漠的演变（扩大、收缩） • 沙漠是干燥气候的产物。 • 随着气候干湿的变化，沙漠的范围也发生变化， 气候干燥时扩大，湿润时缩小。 4. 内陆湖泊的演变 • 一般高湖面代表雨期，低湖面代表间雨期。 • 可以通过湖底沉积以及湖泊附近地层剖面的研 究恢复古气候。
右。
（六）浮冰碎屑
南极冰山
大洋沉积物中浮冰碎屑增多——寒冷
（七）磁化率 黄土剖面的磁化率可以与氧同位素曲线进行对比。
古土壤最
多达32层
（Zhou & Shackleton, 1999）
(Zhou & Shackleton, 1999)
三、阿尔卑斯地区的冰期与间冰期
•阿尔卑斯地区是第四纪 冰川研究的经典地区。
1400米，冰层最厚达1500米。 •阿尔卑斯地区由于缺乏 地层古生物证据，以及直 接测年资料，冰期与间冰
• 以里斯冰期规模最大（又称大冰期，Great glacial），
期尚无确切的年代。
四、北欧地区的冰期与间冰期
1. 冰期时北半球的三个大陆冰盖：
• 北欧斯堪的那维亚冰盖， 冰盖向南伸展到北纬47
第十一章 第四纪气候变化
一、前第四纪气候概述
• 气候也与自然界其它事物一样，随时间和空间
不断变化；主要表现为干湿变化和冷暖变化。
• 7亿年来的气候历史是以温暖时期和寒冷时期 交替出现为特点。 • 温暖气候占90%，寒冷气候占10%。 • 气候历史上曾经出现过三次寒冷期，即三次大 冰期。
（一）地质历史上气候变化的尺度 1. 大冰期和大间冰期气候 时间尺度 107 —108 年，三次大冰期； 2. 冰期和间冰期 时间尺度 105 年，第四纪期间发生的较长 时间的气候变化。 3. 冰阶和间冰阶（冷期和暖期） 时间尺度 104 年，指一次冰期期间的较短 时间的冷暖变化。 4. 小冰期和小间冰期 时间尺度 102 —103 年，指全新世的气候变 化。
• 放射虫主要分布于热带海洋。
• 有孔虫分为喜暖有孔虫和喜冷有孔虫。
• 通过海底沉积剖面中有孔虫种属的统计分析， 可以恢复古气候。 • 如厚壁抱球虫（Globigerina pachyderina）反 映寒冷气候；而门氏圆辐虫（Globorotalia menardii）则代表温暖气候。
• 截锥圆辅虫（Globorotalia truncatulinoides）具
度，冰层厚达1000米以上。
• 北美格陵兰—劳伦泰冰盖，冰盖伸展到北纬38度， 冰层厚度1000米，中心厚度3000米以上。 • 西伯利亚冰盖，分布在北极圈附近，有时分割成几 个小冰盖，南界在北纬60—70 度之间。
2. 冰期时北欧地区的冰川发育
二、第四纪气候的变化证据
（一）岩性方面的证据 • 风化作用的类型和强度、沉积物的分异程度等 方面都可以反映古气候。 1. 冰碛物是冰川作用的产物，是寒冷气候的标志， 可以恢复古冰川的规模。 2. 红色风化壳、含铁锰的沉积是在炎热潮湿的气 候条件下形成的。 3. 矿物的风化程度和矿物组合也可以反映形成时 的气候。
2. 树木年轮（tree-ring）研究 • 树木的年轮是树木周期 性生长的结果。
• 植物的生长受温度和湿度的影响和控制；气候 条件不同，植物的生长速度就不同，因而年轮的
宽度也不同。
• 可以采用树木年轮宽度的变化作为反映气候变 化的指标。
3. 第四纪哺乳动物群
• 根据哺乳动物群的组合特征恢复古气候。 • 如猛犸象是寒冷气候的标志；而棱齿象则代表间 冰期温暖气候。
（五）考古学证据
• 在中国，根据历史文献和考古资料，可以恢复5千
年以来的气候变化。
• 我国著名气象学家竺可桢教授，根据考古、物候、 历史文献和气象观测资料，详细研究了中国5千年来
气候变迁。
• 3000—1100年B.C，为温暖时期。 • 西安附近属于仰韶文化的半坡村遗址（据14C 5600—6080a B.P.），河南安阳的殷墟遗址（约 1400—1100年 B.C），比现在的年平均温度高2oC 左
（三）地质历史上的气候变化 1. 前寒武纪冰期 • 发生于6—7亿年前。 • 为全球性冰期。在印度、俄罗斯的亚洲部 分、挪威、芬兰、法国、北美等地都发现 了冰碛层。 • 中国南方的三峡地区地层称为“南沱冰碛 层”，另外在云南、贵州等地也有发现。 2. 寒武纪至石炭纪初，为大间冰期气候，全 球气候温暖。
4. 雨期（pluvial period） 第四纪期间，中低纬度地区雨量充沛，内陆湖 泊面积增大，湖面升高的时期。 5. 间雨期（inter-pluvial) 中低纬度地区，两次雨期之间，气候干旱，降雨 量减少，湖泊面积缩小的时期。
• 受雨期影响最明显的是北非，北美地区。 • 但要注意，冰期和雨期在时间上并不相对应，不 同地区特点不同。
2. 间冰期（interglacial period） 指两次冰期之间气候变暖，冰川消融的时期。 • 冰川从中纬度地区开始退缩，冰盖缩小，最后 消失。
• 一次冰期和一次间冰期构成一个完整的古气 候周期。 3. 冰后期（postglacial） 指第四纪末次冰期结束到现在。时间上相当 于全新世。 时间为10,000a B.P.
（二）有关概念
1. 冰期（glacial period） 指第四纪期间，全球气候显著变冷，冰川 规模扩大和增厚的时期。 • 这一时期，空气湿度相对增大，高纬度和 两极地区降雪增加，超过消融量，形成大 陆冰盖，中纬度地区形成山岳冰川。 • 冰期时，各大陆的气候条件不同，因而冰 川规模也不同；欧洲和美洲属于海洋性气 候，发育大陆冰川；亚洲虽然气候寒冷， 但非常干旱，只发育山岳冰川；亚洲大陆 内部风力作用盛行，发育大面积黄土。
3. 石炭—二叠纪冰期 发生于2.5—3亿年前。 受这次冰期影响的地区只限于南半球。如非 洲、澳大利亚、南美洲等地。
4. 三叠纪—古近纪 为大间冰期气候，全球气候温暖湿润。 • 古近纪时，世界气候温暖，我国北方为热带 森林环境，为重要的成煤及成油期，如抚顺煤 田、沿海石油等；长江流域气候炎热干燥。 • 始新世时，温带植物群分布在北纬72度地区， 比现在向北推移了15—20度。
0.2039%
• 温度不同，蒸发作用的强度不同，海水中氧同位素的
组成也不同。
• 当水分蒸发时，16O 和18O 逸出的速度不同。
• 16O 为轻同位素，水气蒸发时逸出量较大。而较
重的18O在海水中富集。
• 海水温度变化1oC ， 18O/ 16O变化0.02%。 • 因此，温度下降或在冰期期间，海水中、海洋沉 积物或海洋生物的CaCO3 外壳中， 18O相对富集。 在温度升高或在间冰期期间， 16O相对富集。 •在大陆冰川或冰碛物中，结论与海洋中相反。
贡兹冰期（Gunz） 多瑙冰期（Donau）
贡兹—多瑙间冰期 多瑙—拜伯间冰期
拜伯冰期（Biber)
2. 冰期划分根据 • 冰川地貌 • 冰碛物、冰水堆积物及其相互关系 • 冰碛物的风化程度
阿尔卑斯山区阶地堆积与冰期划分
玉木冰期（Wurm）——低阶地砾石层 里斯冰期（Riss） ——高阶地砾石层 民德冰期（Mindel） ——新砾石覆盖层 贡兹冰期（Gunz） ——老砾石覆盖层 多瑙冰期（Donau）——Alps山北部，从贡兹冰期的堆积物分出 拜伯冰期（Biber)——Alps山外围的一套冰水沉积扇（1950’s)
5. 海面变化 • 海面变化分为地动型和水动型； • 地动型海面变化是局部的，反映新构造运动。
• 水动型海面变化是全球性的，反映气候变化。
• 全球低海面代表冰期；全球高海面代表间冰期。 • 第四纪冰期最盛时，海面比现在低120—130米。
（三）生物证据
• 生物的生存和发展对气候条件有比较严格的要 求，气候条件发生变化，它们的生存和发展不仅 受到影响和限制，而且还会引起生物的变种甚至 被淘汰。 • 各类生物对气候的变化有一定的适应能力。
• 1909年，由彭克（A.
Penck）和布吕克纳（E. Bruckner）建立了四次 冰期，三次间冰期；后 来又增加了两次冰期。
1. 冰期划分方案（由老到新）
冰后期（post glacial）
玉木冰期（Wurm）
里斯冰期（Riss） 民德冰期（Mindel）
玉木—里斯间冰期 里斯—民德间冰期 民德—贡兹间冰期
• 生物可以分为喜热性生物群，喜温性生物群和 喜寒性生物群。
北极熊是北极地区最大的食肉 动物， 是北极当然的主宰。
仙 女 木
北 极 棉
• 不同的生物群分布在不同的气候区域。
• 把地层中的生物化石与现代生物群进行对比，
可以恢复第四纪各时期的气候变化情况。
1. 孢粉分析 • 孢子是孢子植物的繁殖细胞，花粉是种子植物 的繁殖细胞。 • 孢粉的体积很小（直径10—100微米）；产量 大（桦树一朵花67000粒）；外壁坚固，可以 长期保存。 • 根据地层剖面中的孢粉组合可以恢复古植被， 然后恢复古气候。
图
例
1.云杉; 2.松; 3.冷杉; 4.落叶 松; 5.柳; 6.桦; 7.榛; 8.桤木; 9.栎; 10.椴; 11.Fraxinus.sp.; 12.千金榆; 13.山毛榉; 14. 榆; 15.冬青; 16.樟; 17.漆树; 18.莎草科; 19.葵科 ; 20.香 蒲; 21.水龙骨科; 22.芦苇; 23.禾本科; 24.菊科; 25.蒿; 26.黑三棱科; 27.眼子菜科
• 从新近纪开始，气温开始下降。 • 南极冰盖形成于中新世（约1500—2000万年前） • 北极格陵兰冰盖形成于上新世（约300—400 万年前）。 • 从深海钻孔的氧同位素数据和大陆上的动植 物化石数据看，气温是逐步下降的。
5. 第四纪冰期
第四纪以来，气候显著变冷，并有多次冷暖交 替——冰期与间冰期交替出现。
冰碛物与冰水堆积物
3.各个气候阶段的温度与降水量特征
气 候 期 年平均温度(oC) 比现在低6 oC 年降水量(mm) 植被带或气候 苔原—（冰缘） 雨木冰期
里-雨木间冰期
里斯冰期 民-里间冰期 民德冰期 贡-民间冰期
冬低3.5 oC ;夏高5.5 oC
比现在低7 oC 比现在高2-3 oC 比现在低5 oC 比现在低1 oC 400 500
冷-温-较冷-冷
苔原 冷-温-冷 北极或高山苔原 冷温带与苔原之间
贡兹冰期
多-贡间冰期 多脑冰期 上新世
比现在低4-5 oC
与现在相似 比现在低2-3 oC 比现在高6 oC
700
600 800 1800
冷
与今日相似 冷 接近亚热带
4. 冰川发育规模 冰川面积达15万平方公里。雪线下降值最大为1300—
猛犸象身披 长毛,门齿长 大,强烈弯曲 并旋转,长度 可达5m。
三棱齿象牙齿
真猛犸象复原图
猛犸象门齿与臼齿 披毛犀头骨及肢骨
4. 珊瑚
适宜水温 25~30oC ，海 水深度40~60m，盐度正 常，海水清澈透明，无 泥砂。
5. 海洋微体生物研究 • 包括有孔虫、放射虫和硅藻等。 • 微体生物的分布与海水深度、海水温度、盐 度及CO2含量有关 • 硅藻主要分布在较寒冷的海洋。
有壳壁旋卷的特征。在寒冷的海水中壳壁右旋， 在温暖的海水中壳壁左旋。
（四）同位素证据
• 1947年，尤里（Urey）提出用同位素方法可以测定古
温度。 •氧有三种同位素，分别是：16O 、17O 、18O 。 • 在空气中的含量分别是：
16O 17O
99.759% 0.0374% （忽略不计）
18O
4. 黄土和古土壤 • 黄土是寒冷气候的标志，古土壤是温暖气候 的标志。
•
一层黄土和一层古土壤构成了一个气候变化
旋回。 • 黄土高原的黄土中夹有20多层古土壤（埋藏 土壤），这表明第四纪期间有20多次气候的冷 暖变化。
• 根据黄土研究和根据深海沉积研究得出的气
候变化曲线是可以对比的。
5. 蒸发岩 • 蒸发岩的形成是炎热干燥气候的产物。 • 中国西部蒸发岩和非蒸发岩的互层反映了气候 的干湿变化，即雨期和间雨期的变化。