第四纪气候及海平面变化.ppt
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1、3. 第四纪气候及海平面变化 (6学时),掌握中国第四纪气候及其演化; 掌握第四纪海平面变化的一般特点; 了解海平面变动标志; 了解海平面波动的原因。,3.1 第四纪气候 3.1.1 概述(第四纪气候特征、气候变化证据) 3.1.2 更新世气候变化的地质记录 (1) 欧洲 (3)冈瓦纳大陆上的地质记录 (2) 北美大陆 (4)深海沉积物及其化石记录 3.1.3 全新世(冰后期)气候变化的地质记录 3.1.4 第四纪气候演化 (1)世界第四纪气候演化(2)中国第四纪气候演化 3.2 第四纪海平面变化 3.2.1 海平面变化的一般特点 3.2.2 海平面变动的标志 3.2.3 第四纪早、中期的海平
2、面变动 3.2.4 中国晚更新世以来的海平面变动 3.2.5 海平面波动的原因 3.2.6 海平面变化效应,3.1.1 概述 第四纪是距今最近,气候变化明显。研究其特征、变化规律对认识今天的气候,预测未来的气候变化,具重要的实际意义。 太古代以来,绝大部分时间全球以温暖气候为主,但在距今6-8108年震旦纪(Z)、3108年前的石炭纪(C)-二叠纪(P)及2.5Ma以来的第四纪(Q),全球发生了三次大规模冰川活动。第四纪是地质历史长河中的一个冷期。,3.1 第四纪气候,三次大的冷期中,对人类生存环境影响最大的是第四纪冰期 。,全球气候变化图 (据地大精品课程资料),第四纪气候期及其环境特征,气
3、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: 冰期与间冰期 高纬(或高山、部分中纬山)区,以年均温为划分指标,是第四纪气候期的核心概念。 干旱期与湿润期 中低纬无冰川活动区,以年均降雨量为划分指标; 雨期与间雨期 副热带高压区。,一个冰期有多次冰川进退,因此冰期又可进一步划分为冰阶和间冰阶,指大陆冰盖以外广大的中低纬地区。第四纪时期主要是干燥和潮湿的气候波动,因此称为雨期和间雨期。 雨期第四纪气候转暖、转潮的时期。特点是潮湿多雨,降雨充沛,水域扩大,湖面上升,同时产生大规模的淡水湖沉积或风化沉积。 间雨期气候处于两雨期间相对干燥的时期,降水少,湖群缩小,湖水位下降,在湖中
4、沉积盐类,同时也沉积风沙和黄土。 标志: 高岸线雨期; 低岸线、泥裂、风沙间雨期。,雨期和间雨期,第四纪气候特征: (1) 气候频繁的冷暖交替;沿纬度的分带及山岳的垂直分带。南北半球同时发生,北半球多。 (2)全球降温,冰川活动。更新世出现过至少4次冰期和三次间冰期,全新世为冰后期(见表1-1)。 (3) 气候变化引起自然环境(生物、地质、土壤、地球化学等)变化,尤其是生物群迁移,伴生着绝灭。这些在堆积物中的变化记录,成为研究第四纪气候变化的重要依据。 (4)气候是第四纪地层乃至第四纪下限划分的重要依据,是第四纪研究的重点。,第四纪气候标志研究: 宏观气候标志、微观气候标志 (1)宏观气候标志
5、(直接气候标志) 可直接确定出气候类型和特征。分为三类:,沉积物气候标志 不同气候环境形成的沉积物成因类型不同,因而沉积物成因类型能反映沉积时的古气候状况,见下表:,第四纪主要沉积物气候-成因类型表,土壤 土壤形成取决于作为母质的岩石或沉积物类型、气候、地形、植物和微生物生长及土壤发育时间。 主要土壤带及与其相关的气候带如下: (1)灰壤(灰化土):发育在潮湿气候和自由排 水区。 (2)棕壤:形成气候条件较灰壤温暖和干旱。土 壤中空气充足且干燥。,(3)栗钙土:产生于夏季温度高和降水量小的气 候条件。 (4)黑钙土(黑土):形成于夏季较干旱、温暖、 降雨,主要在春、秋季节的 大陆气候条件下。
6、(5)红土:产生于热夏季和温湿季气候条件下。 因土的氧化作用剧烈,游离氧化铁的 水解程度小,土壤呈红色。 (6)沙漠土:气候干旱条件下形成。,地貌气候标志 地貌形态是内外动力共同作用的结果,外力主要受控于气候。所以地貌类型也是气候标志的一个重要方面。 如: 冰川、冻土地貌寒冷气候 岩溶、河流、湖泊地貌温暖气候 风蚀、风积地貌干旱气候,湖岸(海成)阶地系内陆湖成阶地的出现,说明过去湖水面较现在高,证明以前降水量较大、蒸发量较小,产生湖涨。冰期和间冰期的交替引起海侵、海退,形成海成阶地系,也是温度变化的证据。 冰斗冰斗形成于雪线处或雪线附近。一群冰斗底高度,指示它们形成时的雪线。冰斗底与现时雪线间
7、的高差,可证明冰斗形成时雪线升降幅度,并可计算第四纪冰期时的温度与现时的温差。,生物气候标志 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。 A、植物化石 植物是陆地上较敏感的气候标志。每种植物类型,都有适于其生长的特殊气候。可通过以下方式获取气候信息: a、生态环境分析 b、叶片形态分析 c、孢粉分析 d、年轮分析 如: Hedera植物的生长旺季,正常生长温度15,平均温度16-18,因而可根据第四纪Hedera的孢粉频度,推定第四纪气候变迁。,B、第四纪哺乳动物化石 动物是陆地上最敏感的气候标志。据沉积物中所含脊椎及软体动物化石的形态及分布规律,证明更新世气候变化
8、。如据哺乳动物化石成分、种属的比例,分析其生态环境。 如: 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(ni)齿类、草食动物,C、海生软体动物化石、珊瑚化石 典型种属:冰岛北极蛤(冷水种),牡蛎(温水种); 组合比较:据生物化石反映的纬度变化推测气候变 珊瑚化石:水温13-16,水深40-60m,是良好环境的 指示计。 D、其他微体动物化石 据沉积物中含特殊有孔虫的共生组合,可得到海面温度和海水咸度,从而判断气候变化。故窄温示冷、示暖有孔虫常用于第四纪海洋古气候分析。 如:喜冷:Hyalina balthca(饰带透明虫) 喜暖:Globo
9、rotalia menardii(门氏元球虫),是一类古老的原生动物,5亿多年前就产生在海洋中,至今种类繁多。有孔虫能分泌钙质或硅质,形成外壳,且壳上有一个大孔或多个细孔,以便伸出伪足,因此得名。 有孔虫是海洋食物链的一个环节,它的主要食物为硅藻以及菌类、甲壳类幼虫等,个别种的食物是砂粒。有孔虫是浮游生物中重要的组成部分,也是大多数海洋生物的重要的食物来源。,有孔虫(foraminifera),星砂是一种有孔虫,是相当原始、简单的动物,空充属于原生生物界的肉足鞭毛虫门,是一种单细胞动物,这“砂”的部分其实是他们制造的碳酸钙骨骼,许多种类的骨骼呈星形,所以美其名为星砂。,星砂(有孔虫),(2)微
10、观气候标志(化学标志) H、O、C同位素比例变化,部分取决于温度改变。古气候研究中越来越引起关注。较成熟和常用的有: 氧同位素 冰期环境: 海洋沉积物中 18O/16O高,温度高 极地冰盖中 18O/16O低,温度低 温度下降1,18O相对于16O减小0.02%,变化很小。 粘粒分子率(SiO2/Al2O3、SiO2/Fe2O3) 比值高干冷,比值低湿热 CaCO3含量 冰期CaCO3高,间冰期CaCO3低 磁化率 磁化率大温湿,磁化率小干冷 粘土矿物 高岭土湿热,伊利石干冷,其它,降水量 冰期,中、低纬度带内气温降低,引起蒸发量减小,湖水面升高和咸度降低;间冰期,则会引起湖面降低,湖水咸度升
11、高。 风 冰期,冰川引起大气环流加剧,风力增大。因此可根据第四纪堆积物中风积物特征,推测大气环流,进而推测气候。,3.1.2 更新世气候变化的地质记录 早更新世 全球进入大冰期,全球陆地面积的32%被冰流覆盖(A.Goudie,1977),平均气温比现在低8-12,高纬度地区降幅更大,如中欧气温下降10-15 ,南欧则下降5-7 ,大洋水体表面温度下降3-8 ,中低纬度地区雪线高度下降1,000-1,500m,热带和温带的范围大大缩小。,(1) 欧洲 欧洲(阿尔卑斯山)第四纪出现6次冰期,形成冰碛和冰水堆积构成的阶地,且在各高阶地表层保存三套褐色土,分别对应群智(滚资)-民德、民德-里斯、里斯
12、-玉木三个间冰期。 低阶地砾石玉木冰期; 高阶地砾石里斯冰期; 新盖层砾石民德冰期; 老盖层砾石群智冰期; 位置更高的盖层砾石分别对应多瑙和比伯冰期。,玉木,里斯,明德,滚资,对阿尔卑斯区的研究推动了世界第四纪古冰川研究,欧洲、北美、亚洲等地相继发现了古冰川。李四光教授也在庐山发现了古冰川遗迹,并进行划分。世界各地划分的冰期与阿尔卑斯地区有较好对比(表1-1),反映了气候变化的全球性特点。,北欧至今存在横贯丹麦、荷兰、德国北部和波兰的巨大终碛,据堆积物组成、结构及动植物化石组合,可知这些终碛由6次寒冷期的冰川形成,并根据海侵层、泥炭层和孢粉分析,划分出界于这6个寒冷期(冰期)的5次温暖期(间冰
13、期)(表3-1)。,(2) 北美大陆 据冰川堆积物及所含动植物化石组合特征,从新到老可划分出4个冰期、三个间冰期和一个冰后期(表3-2) 。,(3) 冈瓦纳大陆 非洲除少数海拔高的山地(如乌干达的瑞文速尔)有冰碛物外,大部地区无冰川遗迹,但一些古湖岸线变化却完整地记录了第四纪雨期(对应冰期)洪积期,间雨期(对应间冰期)间洪积期的更替。据此,将非洲更新世古气候划为4个洪积期和3个间洪积期(表3-3) 。 洪积期雨量充沛,湖水上升,相邻湖泊相连。如纳库里、埃曼德塔和纳发沙等曾扩张成一个湖泊。 间洪积期湖面缩小或干枯。,冈瓦纳古陆(冈瓦纳大陆),印度,从CJ及下部的特征冰碛层到较上部的含煤地层,统称
14、为“冈瓦纳(岩)系”。 南半球各大陆都发现有相似岩系和化石,故给这个古大陆命名为冈瓦纳古陆。,一个假设的存在于南半球的古大陆(南方大陆),因印度中部的冈瓦纳地名而得名。,冈瓦纳古陆或是古生代初(或更早)部分中生代(或是晚古生代)已存在。是一个有特殊动植物发育的大陆块,包括非洲、马达加斯加、印巴次大陆、澳大利亚、南美和南极大陆。冈瓦纳古陆的分裂,认为是古生代后开始的。,早期有些地质学家曾设想是由于印度洋和南大西洋等地区的次大陆的连结部分的陆沉造成板块分离,从而有冈瓦纳陆桥的假说;而板块构造学说认为是由于海底扩张推动大陆漂移而导致并到现在的位置。,(4) 深海沉积物及其化石记录 深海沉积环境宁静,
15、沉积过程较连续,更能完整记录第四纪气候变化。海洋沉积物沉积在1010mm/ka间,干旱区较小,温润区较大,一般生物扰动很少,厚几米至几十米的深海沉积物可以记录第四纪全部气候变化历史。 图3-1 是加勒比海海面以下4896m的钻孔记录,对其中厚1540cm沉积物进行分析得出的第四纪气候变化情况。从图中可见更新世及次大的冰期均保存有两个以上副冰期,表明气候变化存在不同时间尺度的波动。,暖,冷,3.1.3 全新世(冰后期)气候变化地质记录 全新世也叫冰后期,世界大陆冰流大量融化,温度上升,植物群向高纬区迁移,全新世(Holocene)这一术语是1869年Gervais提出的,1932年被国际第四纪委
16、员会议决定采用。,Blytt(1876)研究北欧沼泽沉积物中植物化石,以树桩层代表干燥气候,以大量泥炭发育时期代表潮湿气候标志,由老到新划分出(北极期)、前北方期、北方期、大西洋期、亚北方期、亚大西洋期和现代期。这一气候演变规律后来得到了R. Sernander 证实,并对上述各期泥炭或树木进行了14C测年,成果已成为国际上普遍采用的Blytt-Sernander冰后期气候方案(表3-4 ) 。,西北欧全新世气候变化及分期图 布列特提出,谢南德尔证实,被称为布列特-谢南德尔(BlyttSernander)方案 a. 2.7-2.4kaBP降温期;b. 900-1300a A.D.小气候适宜期(
17、中世纪暖期);c. 1850-1550a A.D.现代小冰期,3.1.4 第四纪气候演化 (1)世界第四纪气候演化 更新世 据陆地及深海沉积物及保存的化石记录。第四纪更新世全球可划分6次大的冷期(如南欧的玉木、里斯、民德、群智、多瑙和比伯冰期)及5次暖期,其中无论是冷、暖期,都包含若干次一级的冷期和暖期。因此,更新世全球气候以频繁的冷暖交替为特征。,北半球无论冷或暖期,从极地到赤道可分成9个气候植被带:极地冰盖、大陆冰川、永冻层、苔原、温带森林、地中海植被、荒漠和草原、热带疏林草原(卢旺达)、赤道雨林。但冷暖期植被带纬度范围差别很大。 冰期,大陆冰川、永冻层向中纬度推进,森林、荒漠面积缩小;间
18、冰期,与现代气候相似的暖期,大陆冰川向北推进,只分布在77-81N,森林面积扩大,荒漠面积相应也在扩大。,30,0,60,60,30,南半球在冷期仅在极地及山岳地带如安第斯山有冰川发育,大部地区为雨期,降雨丰富,水系发达,湖面扩大,水位升高,沙漠面积缩小。暖期,有些地方因副热带高压(30N)向中纬度移动,出现干燥气候,沙漠面积扩大,这一时期称为间雨期。,中低纬度高山区,气候具明显垂直分带,如海拔5000m以上的高山从山顶向山下可分出:山岳冰川、永冻土、针叶林带、针叶阔叶混交林带、阔叶林带。 全新世(冰后期) 无大规模冰川作用,但冷湿、干暖、湿暖气候多次交替出现,如在北欧就可划分出5次大的气候期
19、(表3-4)。,(2)中国第四纪气候演化 中国位于亚洲大陆东部,东部濒临太平洋,属季风气候,西北部深入欧亚大陆内陆,属大陆干燥与半干旱气候。 中国第四纪冰川研究由著名地质学家李四光开创,并以庐山冰川研究为基础,于1934年划分了鄱阳、大姑、庐山、大理等4个冰期。,更新世 中国出现4次冷期,3次暖期。 冷期(冰期),发育规模较大的山岳冰川,在下风区形成黄土堆积。 暖期(间冰期),发育湖泊或形成古土壤。,鄱阳冰期,江西一带出现过一次较大规模的山麓冰泛,在珠峰、华北、云南、陕西等均有冰碛物存在,并在华北区(山西)形成午城黄土。 鄱阳-大姑间冰期,使南方湖泊发育,北方形成古土壤。 大姑冰期,为规模较大
20、的山谷冰川或山麓冰筏发育期,保存的冰碛物以发育网纹状构造的棕红色泥砾为特征。,大姑庐山间冰期,气候湿热,东部普遍发育网纹红土,西部则为巨厚的砾石层堆积。在西部高山区生长着茂密的针阔叶混交林,年平均气温10。 庐山冰期,在东部海拔800m以上山区出现冰川,其外围为冰水堆积;西部山区则在海拔1000m以上出现冰川。 庐山大理间冰期,气候干热为古土壤发育期,富含铁锰风化壳。,大理冰期,长江中下游未发育冰川,但在西部山区有冰川发育。我国此时气候普遍寒冷,西北、华北出现大面积的风成黄土堆积,长江下游出现风成粘土(下蜀粘土)。 冰后期,气候纵向上具明显的波动性(冷暖交替)和分带性(表3-5 )。,冰期、间
21、冰期交替的周期性,长达几亿年,每一周期又包含多级小周期,这些变化需用冰川发生(气候波动)原因解释。有数十种假说,有太阳辐射(Simpson)假说、米兰科维奇假说、地磁场变动假说、大气透明度变化假说和大陆漂移引起的地理环境变化假说等。代表性假说有: (1)辛普森(Simpson)假说 (2)米兰科维奇假说 (3)Ewing和Donn假说 (4)弗林特假说,第四纪气候波动的假说,第四纪气候波动的假说,(1)Simpson(辛普森)假说 1934年英国气象学家G.C.Simpson认为,第四纪冰期与间冰期多次交替出现是太阳放射能变化引起,太阳是变光行星,其辐射量随时间而变化,从而引起地球气温变化。放
22、射能增大,温度上升,介于赤道两极间的环流增大,引起雪和降水量增大,使雪线降低,形成冰进;放射能减小,情况刚好相反。在冰川以外地区,则表现为洪积期和间洪积期。,第四纪冰川成因假说,1941年南斯拉夫科学家Milankovich提出:北纬65附近夏季太阳辐射变化是驱动冰期旋回的主因。即轨道尺度的气候变化。,(2)Milankovitch(米兰科维奇)假说,Milankovitch把太阳放射能看作是一个常数,由于地球赤道要素的缓慢变化,可引起在不同纬度带内和不同季节内接受太阳能的量发生变化。在时间过程中,大气层顶部接受到的太阳放射能,可以按不同纬度带和季节加以计算。其结果产生了以milankovit
23、ch命名的放射曲线。这一曲线与最近1500Ma一些大的冷暖事件有较好的对应性,即放射能变化可直接与冰进和冰退的进程关联起来。,轨道尺度的气候变化,是指发生在万十万年际的古环境变化事件,一般这类环境事件与地球轨道参数变化相关。地球轨道三要素(偏心率、地轴倾斜度和岁差)周期性变化影响地表太阳辐射随纬度和季节分配的变化,从而引起地球气候系统周期性冷暖的变化。其变化的主要周期有约10万年和约40万年的偏心率周期、约4万年的地轴倾角周期、约2万年的岁差周期和约1万年的半岁差周期。,地球轨道三要素,偏心率:40万年、10万年周期 地轴倾斜度:4.1万年,1.2百万年周期 岁差:2万年周期,M. Milan
24、kovitch, 1941年提出地球轨道三要素(地球轨道偏心率变化10万年周期、黄赤交角(地轴倾斜度)变化4万年周期、岁差变化2万年周期)变化旋回及第四纪冰期与间冰期有关的假说。 米兰科维奇通过准确计算,发现由于地球轨道变化使到达地面的太阳放射能的变化与第四纪冰期和间冰期一一对应。研究成果在当时未得到地质学家的承认和重视。直到70年代海斯(Hays,1976)等人依据对深海钻孔中有孔虫壳的氧同位素变化分析,确认了冰期与间冰期的转换存在2、4、10万年周期。,米兰科维奇冰期理论是20世纪自然科学的重大发现 目前,米兰科维奇假说已被普遍接受,认为第四纪气候变化是由于地球相对于太阳位置变化所造成。根
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