2.3 第四纪基本问题-第四纪气候

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冰碛物、冰水沉积物、冻融堆积物、冰川漂 寒冷(或冰期) 砾、深海浮冰砂、冰岩及其尘土含量、喜冷 沉积物 生物岩层、寒冻风化角砾、寒冻洞穴角砾 温暖(或间冰 期)沉积物 干旱、半干旱 气候沉积物 红粘土风化壳、珊瑚堆积、石灰华、石钟 乳、古土壤、河、湖、沼泽沉积物、喜暖生 物岩层 风成沙、黄土、盐类沉积物、大规模洪积 物、温差风化碎石、风棱石
第四纪气候期及其环境特征
• 1. 冰期与间冰期及其环境特征
– (1)冰期与间冰期 • 冰 期---第四纪时期全球性的降温期, 此期内发生大规模的冰川活动,在大陆冰川 作用区,大陆冰川从高纬向中纬扩大,引起 生物群从极地向赤道迁移;在高山区,高山 上部的山岳冰川向山下或向山外围扩大,生 物群垂直分带向下迁移
基本概念:气候
• 天气:某一地区、某一时刻、某一条件下的大 气物理状况 • 气候:指某一地区长期的具有特征的天气状态 综合
– 气候包括温度和降水等情况 – 时间尺度为月、季、年、数年到数百年以上 – 气候以冷、暖、干、湿这些特征来衡量,通常由某 一时期的平均值和离差值表征 – 气候反应经常性的天气,同时也包括特殊性的天气
冰期效应引起氧同位素分馏
新 生 代 气 候 变 冷
(Zachos et al., 2001)
微观气候指标
• B.粘粒分子率:
– SiO2/Al2O3、SiO2/Fe2O3 – 比值低——湿热,比值高——干冷
微观气候指标
• C. CaCO3 是第四纪沉积物中最常见的化学成分之 一,在其来源和堆积相对稳定条件下有一定的古 气候意义。
第四纪冰期气候特点
• • • • A、全球降温,冰川活动; B、冰进过程:高山--低山; C、生物群迁移,伴生着绝灭; D、南北半球同时发生,北半球多;
第四纪气候期及其环境特征
• 1. 冰期与间冰期及其环境特征
– (1)冰期与间冰期 • 间冰期---两次冰期之间全球性的增温 期,地表大量的冰雪消融以致消失,大陆冰 川消失或向高纬后退,高山区冰川由山下向 山上后退,但有大量的新生种产生。
• 微观
– – – – – – – 氧同位素(δ18O) 粘粒分子率 CaCO3 微量元素 粘土矿物 沉积物粒度参数 磁化率
微观气候指标
• A.海洋沉积物中氧同位素( δ18O ) – δ18O:低值为暖期,高值为冷期
δ18O/1000=[(18O/16O)样-(18O/16O)标]/ (18O/16O)标 SMOW(标准平均大洋水)
海洋环境中,冰期时大气环流加强,赤道海洋获得大量营 养补给,生物产量高, CaCO3沉积丰富; 第四纪陆相沉积物中,如黄土中,温暖气候阶段古土壤层 中铁铝含量高, CaCO3含量低;干冷阶段即黄土堆积期 CaCO3含量高 冰 期 —— CaCO3高 间冰期 —— CaCO3低
微观气候指标
• D. 微量元素
– A、植物化石 – B、哺乳动物化石 – C、陆生软体动物化石 – D、海生软体动物化石、珊瑚化石 – E、其他微体古生物化石
生物化石气候标志
• A. 植物化石
– 植物是陆地上最敏感的气候标志之一
• • • • a.生态分析 b.叶片形态分析 c.孢子花粉 d.年轮分析
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黄土高原适合退耕还林还是退耕还草?
– 冷干:华蜗牛组合, – 温湿:间齿螺组合
中新世黄土22 Ma以来蜗 牛化石全部为陆生种类 冷干种分布在黄土中; 暖湿种分布在古土壤中
D. 海生软体动物化石、珊瑚化石
• 典型种属法
– 冰岛北极蛤(冷水种) – 牡蛎(温水种)
• 组合比较法:根据生物化石反映的纬度变 化来推测气候的变化
– 珊瑚化石:水温13-16度,水深<40-60m,其 层位和空间分布变化是一种良好气候环境的指 示剂
现在北美大陆与欧亚大陆 冰盖消失,仅格陵兰有冰 盖,海冰范围较小
小结: ① 全球性的总降温过程中出现冷暖气候波动; ② 中高纬地区和高山地区产生大规模冰川活动; ③ 沿海地区则产生海平面的升降。
研究过去,面向未来!
2 第四纪气候变化
• • • • 第四纪气候变化特征 第四纪气候标志 第四纪气候期及其环境特征 第四纪气候变化史
典型地貌气候标志
• 冰斗——形成于雪线附近,年均温0度,因 此可证明古冰川作用的存在并可利用古冰 斗与现代冰斗高度差值推算冰期古雪线下 降时的降温值; • 古冰楔和冻褶构造——发育于现代极地和 高山永久冻土层中,年均温-2~-9度间,越 寒冷规模越大;是推断古冰缘气候及其古 年均温的重要标志; • 沙丘和湖岸线——研究干旱、半干旱区干 湿气候变化的重要标志;
2 第四纪气候变化
第四纪气候标志 • 宏观
– 岩石学 – 地貌 – 生物化石
• 微观
– – – – – – – 氧同位素(δ18O) 粘粒分子率 CaCO3 微量元素 粘土矿物 沉积物粒度参数 磁化率
地貌气候标志
• 寒冷气候:冰川、冻土地貌 • 温暖气候:岩溶、河流、湖泊地貌 • 干旱气候:风蚀、风积地貌
地质历史时期黄土高原的古植被类型的研究表明,只有关中地 区在短时期(气候最适宜期)能够生长森林外,其余地区均属 于典型的草原景观。
年轮分析
年轮宽——湿热 年轮窄——干冷
B. 哺乳动物化石
• 一定的气候环境中生活着与其相适应的哺 乳动物群,从其化石成分、种类比例分析 其生态环境,可重建当时的古气候环境。
E. 其他微体古生物化石
• 包括海相有孔虫、介形虫等 • 窄温性示冷示暖有孔虫常用于第四纪海洋古气候的分析。 – 喜冷:Hyalina balthca (饰带透明虫〕 – 喜暖:Globorotalia menardii (门氏元球虫)
2 第四纪气候变化
第四纪气候标志 • 宏观
– 岩石学 – 地貌 – 生物化石
年代
6 亿年以来全球 发育冰盖的时期
新生代气候变化趋势
第三纪和现代的气候带比较
第三纪 第四纪 现代
第四纪时期, 北美大陆被大 面积的冰雪覆 盖,图中是 LGM时冰盖的 范围。美加边 境上的五大湖 地区也被冰雪 覆盖。
LGM时的北美大陆
LGM 与现代北极格陵兰冰盖的比较
LGM时北美大陆与欧亚 大陆北端均有大规模连片 的冰盖,海冰范围很大
第四纪气候的研究意义
• 第四纪是一个气候变化非常剧烈的地质时 代,学习和研究第四纪的气候特征及其变 化规律对认识地球的气候演化是非常重要 的 • 第四纪是距今最近的一个地质时代,今天 的气候就是第四纪气候的延续,学习和研 究第四纪的气候特征及其变化规律,对认 识今天的气候,预测未来的气候变化,具 有重要的实际意义
现在全球平均温度
温度 (ºC)
16 14 12 10 8 1010
小冰期 Little ice age 石炭-二叠纪 冰期? 前寒武纪冰期? 中世纪暖期 Mediaeval wam period
第四纪
106 105 (Ma) 104 103 (ka) 102 101 100 (a)
109
108
107
– 从温暖气候到寒冷气候称为一个气候旋回
• 地史时期出现过5次大冰期
– 持续时间,>10Ma(除第四纪冰期) – 间隔:200-300Ma(后4次)
1 前第四纪气候变化概述
• 地史时期出现过5次大冰期
– 早元古代冰期约,2.3GaBP – 晚元古代冰期约,800-600MaBP – 奥陶纪-志留纪冰期约,500-450MaBP – 石炭纪-二叠纪冰期约,300MaBP – 第四纪冰期
– 寒冷:猛犸象、披毛犀、北极狐动物群 – 温暖:河马、亚洲象、大熊猫、犀牛 – 半干旱(草原环境):啮齿类、草食动物
埃及沙漠“鲸之谷”
Wadi Hitan
C. 陆生软体动物化石
• 第四纪陆生软体动物,如腹足类,由于其 现生种对温度和湿度的变化较敏感,地区 性特点强,故其化石相似种类在古气候环 境推断中有一定的意义。
A. Penck & Brückner(1909)
全球各地经典第四纪冰期对比
阿尔卑斯 欧 洲
魏克塞尔 Weichselian 伊姆 Eemian 萨勒 Saalian 民德-里斯 民德 Mindle 贡兹-民德 贡兹 Günz 荷尔斯坦 Holsteinian 埃尔斯特 Elsterian 克罗麦 Cromerian 明纳普 (Menapian)
– 在温暖气候条件下,植物生长繁茂,植被生长 过程中从土壤水溶液中吸收部分微量元素,并 富集在土层中 – 干冷气候条件下,植物生长势衰,土层中大部 分微量元素流失
• E. 粘土矿物
– 高岭土——湿热 – 伊利石——干冷
微观气候指标
• F. 沉积物粒度参数
– 沉积物成因 – 古气候意义
• 黄土:粒度反映风力作用强度,中值粒径达到风砂 级,反映沙漠扩大
第四纪气候基本特征及其研究
① 前第四纪气候变化概述 ② 第四纪气候变化 ③ 第四纪海平面变化 ④ 中国第四纪气候变化概况 ⑤ 气候变化原因和未来气候与环境变化趋势 问题探讨
1 前第四纪气候变化概述
• 地球历史时期,岩石和化石证据表明, 90%的时间以温暖气候为主,发生过多次 不同时间尺度的寒冷气候事件
1 前第四纪气候变化概述
• 中生代是500Ma以来最显著的高温期
– 北极-南极,亚热带、热带植物群 – 广泛发育的造煤环境 – 侏罗纪:高20℃ – 白垩纪:高10-15℃ – 白垩纪末,快速变冷,转入新生代降温期
• 新生代是一个比现在气候温暖而不断降温 的时代
22 20 18
Cretaceous warm peak 白垩纪暖锋 Holecene optimam 全新世适宜期 Twentieth century warming Pleistocene ice ages 20世纪增温 更新世冰期
2 第四纪气候变化
第四纪气候标志 • 宏观
– 岩石学 – 地貌 – 生物化石
• 微观
– – – – – – – 氧同位素(δ18O) 粘粒分子率 CaCO3 微量元素 粘土矿物 沉积物粒度参数 磁化率
岩石气候标志
• A. 颜色
– 紫→红→橙 →黄→灰 – 暖→冷
• B. 沉积物
第四纪主要岩石气候标志表
美 国
威斯康星 Wisconsin 桑加蒙 Sangamon 伊利诺 Illinoian 雅尔蒙斯 Yarmouth 堪萨斯 Kansans 阿夫唐 Aftonian 内布拉斯加 Nebraskan
2 第四纪气候变化
• 第四纪气候变化特征
– 地质历史时期离人类最近的全球性寒冷气候期 – 约2.588Ma的全球降温基础上的寒暖气候波动
• 高纬,高山:冰期,间冰期 • 中低纬:干冷,暖湿
– 气候变化强度
• 高纬 → 赤道(变化幅度变小) • 陆地比海洋变化明显
2 第四纪气候变化
• • • • 第四纪气候变化特征 第四纪气候标志 第四纪气候期及其环境特征 第四纪气候变化史
微观气候指标
• G. 黄土磁化率
– 磁化率大——温湿 – 磁化率小——干冷
2 第四纪气候变化
• • • • 第四纪气候变化特征 第四纪气候标志 第四纪气候期及其环境特征 第四纪气候变化史
第四纪气候期及其环境特征
• 气候期
– 地质时期某一类气候占优势的时期
• 根据气候参数将气候期划分为:
– 以年均温为指标的高纬(高山、部分中纬山) 区的冰期与间冰期,第四纪气候期的核心概 念,冰缘期和间冰缘期也属于这一类 – 以年均降雨量为指标的中低纬无冰川活动区的 干旱期与湿润期;副热带高压带地区的雨期与 间雨期也属于这一类 – 时间上有联系,后一类多为定性研究
2 第四纪气候变化
第四纪气候标志 • 宏观
– 岩石学 – 地貌 – 生物化石
• 微观
– – – – – – – 氧同位素(δ18O) 粘粒分子率 CaCO3 微量元素 粘土矿物 沉积物粒度参数 磁化率
生物化石气候标志
• 原理:Q生物绝大多数为现生种类亚种,因 此,可以利用化石组合中的现代相似种的生 存条件, 推测化石埋藏时的古气候与古环境 • 方法
第四纪地质学基本问题
• 内容
– 第四纪沉积物及其成因 – 第四纪年代学 – 第四纪气候基本特征及其研究 – 第四纪生物界特征及其研究意义
• 人类的出现与演化阶段
– 第四纪地层及阶段划分
思考题
• 名词解释
– 冰期与间冰期 ,冰阶与间冰阶 ,气候旋回, 干旱期与湿润期,雨期和间雨期
• 第四纪气候的一般特征 • 第四纪气候研究的主要标志及使用方法 • 简述晚更新世到全新世的气候变化及特征
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