两百万年来古海洋与古气候主要事件

古海洋学 12.740 2004年春季讲义0
两百万年来古海洋与古气候主要事件
尽管有关古气候和环境的证据在陆上地层中也可以发现和论述，但是尺度最大、相对连续的气候变化的直接记录却包含于深海岩芯之中。

虽然冰芯在在记录时间和地理分布方面具有局限性，但是其记录之祥以及其在重建古代大气成分方面具有无与伦比的优势。

由于具有在一年尺度以下的生活和生态节律性，海面附近的造礁珊瑚包含了大量有关热带地区古气候的细节信息，这些信息的时间尺度甚至可以延续到百万年级别。

（表层造礁珊瑚以其亚年级的分辨率，详细的记录了热带地区气候变化的信息，其时间尺度可从10年基到千年级。

）
古海洋学是一门年轻的学科，举例来说吧，假设你是一位非常博学的科学家，那么，如果你所处的时代不同，你所具有的古海洋古气候这方面的知识可能具有相当大的差异。

例如：1850年，你不会相信巨大规模的冰川曾经覆盖了几乎所有的北半球大陆；
1900年，你不可能知道地球的生命>2千－4千万年；
1950年，你不会认同在距今2百万年里，地球上曾经有过多于四次的巨大规模的冰川向大陆推进以及消退；
1965年，你不可能了解这些冰川的进退原因在于地球轨道的变迁；
等等。

这也说明了古气候，古海洋学科这一个多世纪以来的快速发展。

大部分的海底地壳的年龄小于两亿年，极少情况下会大于一亿年。

这一时间尺度严格的控制了古海洋学的研究范围。

当然，海洋的存在时间远大于两亿年，很多陆地上的岩石保留了有关更古老海洋的线索，但那是另一门学科的事情——地质学。

无论是从根本上讲，或是研究工具和手段，古海洋学和地质学都是完全不同的。

典型的海洋沉积速率是：0.1~3cm/1000年，所以50万年的沉积历史需要0.5m到15m 的岩芯（用活塞取样法可以取得）；1亿年的沉积历史需要100-3000m的岩芯（DSDP采用的液压式活塞取样法可以取得）。

顶层3—15cm的生物扰动构造降低了从所得沉积物中获取的时间数据的可靠性，同时减少了这些古代环境遗留物中所包含的时限信息、数据精确程度，以及信息的数量。

古海洋的指示标志
1．古海洋学家想要详细阐述温度、盐度、有机物含量、CO2分压，等等方面的内容，实际上，只有间接的借助于对沉积物的生物学、化学、物理学特征的分析，才能获得。

那么我们该如何重建沉积物的这些特征呢？
A．基于物理和化学原理上的物理古海温法（例如氧同位素），。

问题：物理化学方法假设的平衡态可能在较低的温度、和（或）生物存在的情况下等实际的状态下无法得到满足，从而失效；必须已知的或者假定海水的同位素组成。

B．生物-生态恢复古海温（例如Imbrie-Kipp法），该方法基于现代海洋和海底沉积物中
生物的分布与海水温度的相关性。

问题：相关性是可以观察的，但是造成相关性的原因是推测的而不能直接看到，也无法证明（换句话说，种群的分布是否真的应归于生物机体对温度的耐受力）。

这个假定的原理的可信度是多少？举个例子：北极熊在圣迭戈的动物园里一样能活得很不错，那里比起北极可是过分温暖的了；他们地理分布的局限性实际上反映的不是他们所能忍受的，而是他们那纯白的外表促使他们在北极的冰天雪地里活动。

诚然，我们可以去推测北极熊不能在温暖的环境中茁壮生长，但是温度因素所起的作用需要慎重考虑。

同时，也有理由去考虑其它因素对生物的分布情况可能有更重要的影响，例如光照强度、营养成分（对于植物、藻类等物种来讲）、食物的有效性和生物对食物的偏爱性（对动物来说）、生态因素的交互作用，或者这些复杂因素的综合。

C．古海洋化学：δ13C、Cd/Ca、Ba/Ca（告诉我们海水中的养分和碱度分布），碳酸盐溶解指标告诉我们深海中碳酸盐的饱和程度。

问题：特定条件下示踪指标的可靠性。

D．陆源碎屑的来源：矿物类型、晶粒大小、风成物和水成物质（水流沉积和浊积）的对比、侵蚀等。

E．地质学的时间尺度：在地质学理论体系中我们是怎么定义时间的呢？最直接的方法无外乎利用岩石层位的空间叠置关系：岩芯或冰芯中的深度等等。

有时我们能得到放射性同位素定年的信息，例如14C、230Th/U，但是这些需要先定义一个标度，或是会有精度的问题。

更多的时候，我们通过研究对象（岩层，岩石标本、岩芯、冰芯等）之间交叉式的相互的关联来间接的确定时间。

这样的话，如果最原始的时间标度在不同的区域发生伸缩、扩大之类的变化，我们所得标本的年龄也就会发生变化，就好像这些时间数据是记录在一根橡皮尺子上一样。

2．“难以揣测的古遗迹沙粒”（shifting paleotracer sand）问题：反映古代信息的各种指标，都很少能被证明与最初对它们的假定相吻合，甚至很多时候，随着研究的不断深入，这些指标所表达的含义会发生根本性的变化。

一部分的原因可能会是由于所间接的估计的属性相对于测得的属性有一定的本性上的差距；或者是由于对一个新引入的概念的研究程度不足引起。

所以说，这些对古代信息具有指示意义的线索，一定是有其局限性，也有其适用的范围。

只有把这些问题都弄清楚，才有可能得到更为准确信息。

3．50年尺度上的事件的问题
深海岩芯中的古气候研究要求有稳定的古环境指标以及可靠的时间标尺，例如碳酸盐成分的化石。

有孔虫类，提供了最丰富和大量的信息，并且有孔虫不会在更深的水体中出现。

这又是一个新问题，是“古海洋学测不准原理”的一个特例，也就是说某些事件不会留下任何记录。

过去两百万年以来古气候大事记（及证据）
（1）“小冰期”（第二世纪晚期）；“中世纪暖期”（以第一世纪末为核心）；
（2）“高温期”－距今八千年左右－证据：14C年龄、明尼苏达的风成沙丘、撒哈拉沙漠中的绿洲和湖泊、湖泊和沼泽泥煤中的孢粉等；
（3）大规模的大陆冰川作用，1.8万年前，证据如下：
a)大陆上冰川的证据：冰碛现象和冰碛物、擦痕、冰堆丘、蛇形丘、冰川回弹作用（与地球的韧性有关）、粘性地球动力学、14C分析数据等。

但是注意，大陆冰川作用是会自我擦拭的，也就是说后期的更大型的冰川作用会擦掉前期的较小冰川作用的证据；
b)海洋生物变化：T相关性（T-correlated）的有孔虫和放射虫能证明大西洋高纬度区域变冷和环南极冰川前锋向赤道方向进逼近5个纬度；
c)海平面变化证据：稳定而出露的岛屿上的古海岸线；
d)δ18O：水蒸气中的δ18O是年平均气温的函数，因此大陆冰川（仍然在今天的格陵兰岛和南极洲广布）冰积物中的18O是亏损的；年际循环的准确或近似定年；冰期/间冰期变化；
e)根据上述原因，如果地球上冰的含量增大，那么海水中的18O同位素会变重，这一变化被有孔虫的CaCO3质的壳体记录下来，公式是δ18O有孔虫=δ18O海水+f(T)+常数（局定于不
同的物种）；
f)孢粉：产于湖泊、沼泽或者是陆缘沉积物中。

（3）过去15万年来的变化
a)定年方法：珊瑚骨骼的230Th法定年，还有由岩芯顶部得到的数据与
Brunhes-Matayama地磁倒转事件（78万年）的差值法；
b)无论现时还是最大一次的冰期都不是过去13.5万年来典型的状况，事实上，这一时期内气候的是在这些极端情况之间反复变化，而且并没有简单的模式可以依循：0~11千年前，间冰期，
11~73千年前，冰期（28~62千年间稍微温暖些），
73~127千年前，间冰期（仅仅123千年前的情况与现在有可比性），
127~187千年前，冰期，
Emiliani的氧同位素期次表示法，
看似与太阳辐射记录相关；
c)过去11万年来的快速气候变化：冰阶/间冰阶的转换。

(3) 过去350,000年: 3个主要的旋回
(4) 过去2百万年: 多了几个旋回，变化幅度减小，过渡到"40K世界"。