全新世生态地质学复习.docx

1、全新世生态地质学复习一、重建古生态环境演化方法1研究材料的选择要根据具体问题和分辨率(亚轨道尺度/轨道尺度/亚轨道尺度)2重建古气候环境方法野外工作沉积物定年（1）放射性同位素法A、14C（测有机质，约5万年来）B、40K/40Ar 和40Ar/39Ar 法（测火山岩，老于10万年样品）C、U系法（238U、235U）（珊瑚、钟乳石等，几年到几十万年）D、热释光（TL）和光释光（OSL）（黄土、沙、阶地沉积等，一般小于15万年）（2）古地磁法：深海、黄土、湖泊等，为一种对比法（3）化学法：如氨基酸法(外消旋转化率)、火山灰法等（4）生物法：如地衣法、树轮定年法等古气候指标提取（1）物理类指标磁

2、化率（与矿物、有机组分有关；可探讨森林火灾与人类用火的历史；测试简便、快速、经济，同时又不具破坏性）粒度（粒度中的粗粒组分是常用的冬季风替代指标, 细粒组分是较好的夏季风替代指标；湖泊沉积物粒度环境记录：长时间尺度、低分辨率粗粒沉积物指示湖泊收缩、湖水较浅的干旱气候期；细粒沉积物指示湖泊扩张、湖水较深的湿润气候期。在短时间尺度、高分辨率粗粒沉积物指示降雨量较大的湿润年份；细粒沉积物指示降雨量相对较小的干旱年份）（2）化学类指标鲍文反应系列，风化指数（CIA），风化程度的元素比值指标（3）生物类指标孢粉 硅藻 有孔虫（这三类指标往往没有截然分界，绝大部分指标是定性的且往往受多要素控制，指标对比有

3、上下、空间一致性问题，明确指标的气候意义是关键）3时间序列构建时间标尺+指标曲线建立时间标尺的方法：(1)“直接”定年法(2)年代控制点法：线性内插、非线性内插(3)对比法：地球轨道参数变化作靶函数、标准记录作靶函数时间序列的分析：气候波动的周期性、气候变动幅度、事件（突变事件、极端事件等）、相位关系、变化速度方式及趋势4特征时期空间格局从时间到空间的综合,以可靠的时间序列为基础,着重分析变化幅度5探讨气候环境变化原因与机制动力因素和动力过程6预测短期预报 月、季、年季气候预测 气候情景预估(主要是在一些假定前提下对几十年到上百年以上气候变化进行预测)数值模拟：模拟古气候的目的认识古气候变化的

4、驱动因子，识别各种反馈作用，了解气候系统中各子系统间的相互作用二、记录和指示古气候环境变化的材料1.直接指示（地貌与沉积）：多边形土 石环 羊背石 擦痕 土壤多边形土：土层冻结后，如温度继续降低，可引起地面收缩，产生裂隙；或土层干缩，也形成裂隙。通常气候越干冷凛冽，规模也越大。羊背石：冰床上冰蚀残余的椭圆形岩突，迎冰面被强烈磨蚀而较平缓，磨蚀面上多细小的刻蚀槽沟，背冰面则被冰川挖蚀而坎坷不平，坡度也较陡石环：石块集中分布在一片细砂土周围，其形成首先是融冻分选作用使岩块被抬举到表面，其后是冻胀和冻融作用使顶面的岩块向四周侧向移动，并汇集成环边。2.各类沉积记录（用于重建时间序列）高分辨率古气候环

5、境研究的材料：树轮 珊瑚 Maar湖 石笋 冰芯 历史记录较低分辨率的主要材料:深海沉积 黄土沉积 湖泊沉积 生物粪土层树轮：是树木形成层周期性生长的结果，早材和晚材合起来为一个年轮。一般情况下，树木每年向外生长一个年轮。原理：在温度起主导作用的森林北界或山地森林上限地区，低温年份年轮窄，高温年份年轮宽；在水分条件为限制因素的干旱、半干旱地区，宽轮对应于多雨年，窄轮对应于少雨年。而在树木年轮中的缺轮、伪轮等异常变异年轮，有时可以用来反映冻害、虫灾、火灾等异常环境事件。 应用：树轮作为指示气候变化的替代性指标（小冰期 季风 降雨量 ENSO）；树轮作为火灾记录载体文献古气候信息重建：历史文献资料

6、的甄选，归纳-资料记载信息向气候指标的转化及量化-取得文献转化来的数据与相关的器测数据之间的转化关系，同时运用到无器测时期-校正所取得的数据关系将被运用到不相关的研究时期-与相关的可信的古气候信息进行比较三、相对地质年代确定的原理1.地层层序原理：只要不发生倒转或推覆，我们看到的地层一定是上新下老。判断地层层序是否正常：交错层理 沉积物层面构造中泥裂 波痕2.化石层序原理：生物演变从简单到复杂,从低级到高级不断发展。一方面,老地层所含生物越简单、原始、低级,新地层中则高级;另一方面,不同时代地层含有不同类型化石及其组合,而在相同时期相同地理环境中形成的地层,都含有相同的化石及其组合,根据地层中

7、的化石的年代可以判断地层的年代，进而可以判断地层中记录的地质事件的年代。标准化石：某些生物演化比较快，物种存在时间比较短，而且它们分布的范围比较广。用它们的化石判断地层的时代比较准确，而且比较容易在不同地区之间进行对比。（三叶虫、菊石、鸟类）指相化石：某些生物对于环境条件十分敏感，其遗迹或遗骸可以用来指示当时生活环境的化石（珊瑚礁）3.切割关系原理：如果地质体A被地质体B切割或穿插，那么B一定晚于A。四、放射性同位素定年1.14C定年原理：宇宙射线释放的中子，中子与大气中的14N发生反应：n+14N-H+14C，14C与O原子结合形成14CO2。动物和植物对14C进行不断吸收和交换及连续衰减达

8、到动态平衡，动植物死后，无新鲜14C的补充，生物圈的14C放射性比度随时间衰减：Dt =D0e (-t)t=-1/ln Dt/D0=-8267ln Dt/D0假设：（1）数万年内宇宙射线强度不变，14C产生率恒定（2）各碳的交换贮存库中，14C分布均匀，各含碳物质脱离交换时，初始14C浓度一致（3）一经脱离交换，含碳物质不再受外界碳的干扰，初始14C浓度只能按放射性衰变规律自然减少。 校正：（1）同位素分馏效应测年时必须首先建立草酸标准的比放射性，再对燃烧为CO2过程中产生的同位素分馏进行校正：A0=0.95Aox（1-2（19+13C）/1000）测定出待测年龄样品的比放射性，并对可能的碳同

9、位素分馏进行校正：A t=At0（1-2（25+13C）/1000）（2）工业效应和核爆炸效应工业的suess效应：1890s化石燃料排入大气的CO2稀释14C/12C，用1890s的木头作修正标准 (1890-1950)核武器：产生中子，使大气C14加倍（3）海洋贮库效应深层海水处于与大气层相对隔离的状态，14C比度较低，海洋碳酸盐（贝壳、珊瑚等）的碳来源于海水，故其14C比度也略低于大气圈中的比度，因此贝壳、珊瑚等样品的初始14C比度要略低于现代碳标准的510左右；在内陆淡水湖泊中，如果湖水中溶解有不含14C的石灰岩，在这些湖泊中生长的动植物吸收了这些碳，其初始14C浓度也会低于现代碳标准

10、而导致14C年龄测定结果偏老，这一效应常被称作硬水效应。（4）大气层14C浓度自然波动它具有三个周期：8000年左右，幅度为10%的长趋势变化，这一变化可使14C年龄产生最大可达800年的偏差；周期为100500年，其中以150200年为主，幅度为2%3%左右的短周期变化；更短周期的波动，其中有一部分与太阳黑子11年的活动周期似乎相吻合，幅度为1%左右，短周期变化及波动可使14C年龄产生最大达200年左右的偏差。最常用的校正方法是树轮年龄校正。 应用：考古断代2.210Pb定年原理：大气中的210Pb通过干、湿沉降进入湖泊、海湾，并积蓄在沉积物中，称为过剩210Pb（标记为210Pbex），但

11、同时在沉积物和土壤中的226Ra也还会不断产生222Rn，并衰变生成210Pb，样品中与所含226Ra处于放射性平衡状态的210Pb被称为补偿210Pb，其比度大小与样品中226Ra的含量有关，不会随深度变化。通过对沉积物柱芯中不同层位样品的210Pbex比度分析，便可计算沉积速率或某一层位的沉积年龄。 CFS：水体输入到沉积物的通量F和沉积物堆积速率S稳定CIC：沉积物表层210Pb作为初始浓度，适用于流域和湖面面积较大，沉积物在湖泊滞留短，沉积物和沉积物中的210Pb来自同源区CRS：恒定补给f五、南极生态地质学研究意义：南极无冰区是极地最生动的地域，它是冰、水、岩、土、气和生物圈相互作用

12、最富活力的场所，包含着气候变化、冰盖进退、生态演变和人类活动的丰富信息。更重要的是，南极无冰区的范围是随时间而变动的，它为人类可持续发展提供了一个预警器。 研究方法：海鸟海兽粪土层是海洋与湖泊沉积的一种特殊类型，海洋动物通过食物链和生物地球化学过程以粪便的形式将海洋元素转移到湖泊沉积层中，这就注定了它具有海洋、湖泊和生物沉积的三重特性。这种特性决定了粪土层可以作为生态环境记录以及圈层物质循环的载体。 研究内容：1.全新世以来企鹅、海豹等海洋生物数量变化及其影响因素影响现代企鹅数量变化的因素：人类活动（南极科学考察和旅游活动）、气候变暖遗弃企鹅巢穴的调查研究、湖泊沉积记录应用：用粪土层研究企鹅聚

13、居地的演化2.历史时期的企鹅、海豹的空间分布特征与南极冰盖、冰架进退的关系实例：1.通过沉积物元素化学分析，发现某些元素组合是企鹅粪沉积的标型特征，这些特征可以作为判别沉积物是否受到了企鹅粪沉积影响的标志；有机碳稳定同位素的变化特征及其物源；利用标型元素对历史企鹅数量进行恢复，研究其对气候的响应总结：对企鹅聚居地与苔原过度带粪土沉积层标型元素的丰度进行了深入地球化学分析，并结合企鹅聚居地的演变与苔原植被发育之间的消长关系，判断南极企鹅聚居地生态系统演变的依据；在对企鹅聚居地6个沉积剖面详细分析的基础上提出了历史时期南极企鹅聚居地生态系统演替的五种模型。2. 对含海豹毛的沉积层中元素、总有机碳、

14、总氮、烧失量以及单位质量干重样品中的海豹毛数的R聚类分析图，得出共同构成海豹粪的生物地球化学组合的标型特征；15N值偏高与海豹在南极生态系统中具有高的营养位置以及氨化作用有关，15N值的变化可以作为恢复历史时期海豹数量记录的一个重要替代性指标；酸溶物中海洋源Sr主要与海豹的活动有关，即海洋源Sr主要是通过生物地球化学循环由海豹转移到研究点附近后沉积下来的，由Sr同位素比值确定的海洋源Sr输入量主要受控于历史时期海豹数量的变化。 六、南海西沙生态地质学方法：海洋沉积物研究(几千万年-几千年):元素含量/价态、有机含量、有机标志物、同位素（C/N/O/Sr/.）、孢粉、微体古生物化石、矿物学、磁学

15、珊瑚研究(几万年-月):元素含量、X射线、影像学、有机标志物、同位素（C/O/Sr/.）、矿物学珊瑚礁相沉积研究(几百万年-几十年)：元素含量、沉积学、有机标志物、同位素（C/O/Sr/.）、矿物学、微体古生物鸟类学研究：红脚鲣鸟实例：1.南海鸟岛海鸟粪土沉积层中标型元素组合及数量恢复采沉积物样品，对其海鸟粪土沉积层的标型元素含量进行恢复，对元素的相关性进行比较并进行聚类分析，然后与环境介质（鸟粪、牛粪、植物、珊瑚）中的元素浓度进行比对，得出结论2.海平面的新方法探索与东岛沉浮历史研究 取沉积剖面，对鸟粪磷质胶结物定年揭露东岛成岛时间3.岛屿生物量变化 沉积柱岩性剖面，海鸟粪土标型元素随深度剖

16、面变化，用Q因子分析方法从中提取出海鸟粪的含量变化，恢复出海鸟数量变化历史 沉积剖面可解决的问题：含鸟粪的珊瑚砂层包含的海鸟数量变化信息，恢复出整个西沙群岛海鸟数量变化历史通过粪土层剖面中鸟残骨和蛋壳片分析，鉴定鸟的种属纯鸟粪和鸟蛋壳中重金属元素分析，恢复海洋环境的变化历史，探讨人类活动对海洋环境和岛屿生态的影响分析纯鸟粪中磷酸盐氧同位素变化，反映气候环境变化历史，如降雨量通过生物残体，如纯鸟粪、蛋壳以及残骨中的碳、氮同位素分析和微量元素分析，探讨鸟的食谱变化，分析人类活动在其中的可能影响七、自然灾害历史记录研究研究方法：综合运用微体化石、有机元素比值和同位素等方法, 进行风暴事件沉积的判识.

17、；树轮、洞穴石笋和珊瑚礁等年生长微层的氧同位素分析法. 1.古风暴学研究载体：滩脊或贝壳堤：滩脊或贝壳堤都是平行于海岸展布的、狭长的堆积体，由砂、贝壳碎屑或二者混合组成。这里的贝壳堤专指发育在泥质海岸盐沼带的滩脊，与泥沙供应和风浪条件有关, 是强风浪作用下海岸蚀退的产物, 可以指示某个时期台风活动比较活跃, 是进行古风暴学研究的重要代用记录之一。 由于风暴沉积的珊瑚碎屑主要来自活的珊瑚体, 因此测试这些珊瑚碎屑的年龄, 就可以得出古风暴发生的时间；沿垂直于岸线的断面, 详细观测和取样进行14C 年龄测试,可以得到向海一侧连续叠置的风暴事件沉积的年龄序列，由此可以分析研究强台风登陆的重现期。依据

18、单个风暴沙脊的高度, 结合现代风暴沙脊观测和数值模拟, 可以近似估算古风暴的强度。沼泽沙丘和海滩沙脊沼泽沙丘在成分上主要由海洋贝壳组成，其底层为泥质沉积，每个沙丘脊由单个泥质层区分；海滩沙脊在成分上主要由砂或砂与贝壳物质组成，有时由孤立的珊瑚碎片组成。所有沼泽沙丘沉积很可能与风暴潮有关，如果在热带很可能与热带飓风有关；海滩脊的形成和许多过程有关，如在低或高波浪能量过程中上冲流作用沉积；近岸的砂坝在海平面以上的沉积，海滩脊的这些形成过程有时和热带飓风并没有关系，但在热带地区里一些海滩脊发生在海平面之上，并有层理或贝壳底层，很可能在飓风期间沉积形成的砂散断层礁岛上分布的大珊瑚礁块可依据其死亡时间来

19、确定台风海啸的发生时间；其大小可以反映台风海啸强度。树木年轮和洞穴石笋微层冰芯湖泊沉积：冲溢沉积物和泻湖沉积物台风海啸会给泻湖带来粗粒的沉积物，因此可用作重建台风海啸的材料。珊瑚礁泻湖的沉积物中含有存活时间短的珊瑚碎屑，可用来精确定年。沿海岸的泥炭沉积层历史文献记录2.火灾碳屑作为火灾发生后植物体不完全燃烧的产物,是火灾演化记录最好的替代性指标，泥炭沉积则是碳屑保存的良好载体不同粒径木炭屑浓度反映出不同范围野火活动的情况意义：重建古火灾历史情况，研究火灾发生频率和强度与气候、植被等的关系，研究火灾对植被、生态的影响，探讨人类用火情况八、稳定同位素的原理和应用1. C原理：湖泊沉积物无机碳主要来

20、源于湖泊外源碳酸盐（湖盆流域母岩风化）和自生碳酸盐（湖中无机化学沉淀产生的碳酸盐和生物壳体）；封闭湖中提高湖中有机碳生产率可使湖中C13增加。海水总无机碳C13为0；C13随深度先减小到海水氧含量最小处，然后增加；沉积物与海水界面的C13接近于海水。生物总量增多使得埋藏的有机碳增多，C13增高，因此海洋灰岩的C13可作为海洋生物生产率和总有机物量的标志。沉积有机质分子碳同位素组成主要取决于生物所利用的碳源，合成、同化等生物化学过程及其后生成岩作用过程中的碳同位素分馏作用，是古气候、古环境等生态效应的综合体现。温度高, C4类植物繁盛,有机质13偏高;而在寒冷气候条件下,C4类植物种类减少,C3

21、类植物较繁盛,导致湖泊沉积物中13值偏低。应用：大气CO2 植被类型 陆源C3植物型指示温度变化2. O原理：湖泊自生碳酸盐氧同位素受温度和湖水氧同位素影响，湖水氧同位素组成受到降水氧同位素及滞留时间、蒸发降水比有关。封闭湖的水位和体积主要受地表和地下水的补给以及湖面蒸发的控制，除构造因素外，湖水体积的变化能够很好地反映气候地变化；湖水中自生沉积的碳酸盐与湖水氧同位素存在平衡分馏，新鲜水进入封闭湖后使得湖水O18减小。3. N原理：浮游生物生长时优先吸收12CO2和14NO3-，输出有机质富集C12和14N，但当其大量繁衍时，则富集13C和15N，N15和13值比陆地植物高，由分馏知有机质C1

22、3和N15偏正。一般湖泊中浮游生物N15不变，但在营养物输入和初级生产力变化巨大的湖泊中表层水NO3-和沉积物N15可作为恢复湖泊营养物被利用状况的指标。在初级生产力高的湖泊，营养含量下降，浮游生物被迫无选择利用水中C和N，C13和N15值偏正，且两者正相关。应用：大马哈鱼，南极古生态（判别植物是否受到鸟类活动的影响）4. Pb示踪物质来源：各同位素原子量相对差别小，地质形成后的次生过程几乎不发生分馏，其同位素构成主要由U、Th相对含量和衰变时间决定，在同一区域一致，所以可进行环境示踪。应用：利用Pb示踪大气污染来源（燃煤飞灰、工业排放、含铅尾气）5. Sr由于87Sr还可以通过87Rb的放射

23、性衰变形成,因而87Sr的丰度是变化的，地球化学就是应用变化的87Sr值,以87Sr/86Sr形式研究地质过程。示踪原理：不同矿物具有各自特殊的87Sr/86Sr比值；某一特定矿物风化释放的Sr通常具有自己特征的87Sr/86Sr比值。Sr同位素不会因为化学和生物过程而发生分馏，不同来源Sr的87Sr/86Sr比值不同，因此可以把Sr同位素比值作为其来源的“指纹”,示踪其在生态系统内的迁移转化。Sr和Ca的晶体化学性质相似，可替代矿物晶格中的Ca，在各种地表过程中，Sr与Ca的地球化学行为相似，比值基本保持恒定，因此，可以用Sr同位素示踪生态环境中Ca或其他营养元素的迁移转化应用：酸溶相87S

24、r/86Sr比值可作为历史时期企鹅、海豹数量变化的可靠替代性指标九、末次冰期的气候变化趋势：末次冰期的气候总体变冷、不稳定。事件：DO事件：末次冰期存在24个千年级DO旋回，从间冰阶逐渐降温到冰阶，然后快速增温，增温往往为突变事件。Heinrich事件：以北大西洋发生大规模冰川漂移事件为标志，代表大规模冰山涌进的气候效应而产生的快速变冷事件。在整个末次冰期气候背景下，北大西洋共发生了6次强烈的冰川漂移事件，即代表发生6次大的Heinrich事件。末次冰期最盛期(LGM)：严格意义上讲是指最近一次冰盖体积最大的时期，并不一定是最近一次温度最低的时期。LGM 发生在H1和H2 之间，日历年龄约为1

25、8 000-21 000aB.P。晚冰期：末次冰期向全新世过度的时期，也是冷暖快速波动的时期新仙女木事件：末次冰期向全新世过渡时期急剧升温过程中最后一次快速降温变冷事件。在地理分布上存在明显差异。研究方法：冰筏沉积、冰漂碎屑、冰芯/浅海沉积/黄土记录的O18（在低分辨率记录中，末次冰期气候变化主要表现为对地球轨道变化的响应，但高分辨率记录表明，有大量更短尺度的气候事件，其中最显著者为H事件和DO旋回）十、全新世的气候变化趋势：末次冰期向全新世过渡期、全新世气候适宜期、晚全新世降温期不同尺度的波动1500年准周期特殊事件：全新世暖期：在新仙女木事件以后，地球又迅速进入了温暖湿润的全新世，而在全新

26、世最初的几千年地球曾经很热。中世纪温暖期：即中世纪气候适宜期，发生于公元8世纪中后期至13世纪的全球温度普遍偏高的时期小冰期：中世纪气候适宜期之后15-19世纪的寒冷时期。研究方法：重建高分辨率的时间序列 (冰芯、冰筏沉积、珊瑚礁记录、石笋氧同位素）十一、气候变化的原因 可能控制因素：（1）、地球轨道（总体趋势变化、千年级）米兰科维奇提出冰期旋回理论：北纬65度附近夏季太阳辐射变化是驱动冰期旋回的主因（北半球中高纬度的陆地面积比南半球大得多,而陆地上的冰雪覆盖可能比海洋对地表温度更为敏感；北半球的冰雪覆盖面积对夏季日射量的变化远较冬季日射量敏感）地球轨道变化导致的到达大气圈顶层的太阳辐射变化，

27、其总量是基本不变的，变化的只是太阳辐射的纬度配置与季节配置（2）、太阳活动（年代级、世纪级、千年级）太阳活动强度影响碳14产率机制（太阳活动增强太阳风增强反射宇宙射线增强宇宙成因同位素减少）（3）、火山喷发（年代级到年级）火山喷发会向平流层底部注入大量的SO2和气溶胶。SO2会转化成硫酸盐并在1-3周后离开大气，不产生明显的长期影响；气溶胶则明显的干扰地球的辐射平衡，同时引起高空的增温和低空的降温，并在接下来的1-3年里强烈的反射太阳辐射而引起全球净降温。 （4）、人类活动（主要在2000年以来）土地利用与土地覆盖大气温室气体排放全球变暖原因1、构造尺度变化2、轨道尺度变化3、千年、百年尺度的

28、波动4、温度对CO2浓度的敏感性十二、环境考古学研究研究内容：气候突变事件（极端洪水事件、El Nino 事件）对新石器文化的影响，人类对环境变迁的调整与响应，人类对于环境的影响与干预史前时期古人类的食谱及迁徙研究对放射性Sr 的研究发现了Sr 在沿食物链的传递过程中，存在着生物纯化现象它主要是指食物在消化吸收时，Ca被优先吸收，而Sr却不易被肠壁有效地吸收，从而造成了Ca和Sr吸收上的差异。由于生物体吸收的Sr 和Ca 大部分沉淀于骨骼中，而Sr 的生物纯化现象又直接造成了食物中的Sr/ Ca 与骨骼的Sr/ Ca 建立了一一对应关系，使得Sr/ Ca 比值随食物链中营养级的上升而逐渐减小。

29、当食物被吸收时,食物中的钙得到吸收,而对锶的吸收就差得多,钡的吸收明显的就更差,这可能是与从钙到锶再到钡,其离子半径逐渐变大有关,从而导致了在人体消化道上的吸收作用逐渐降低。这样当沿着食物链营养级的升高, Sr/ Ca以及Ba /Ca值就会越来越小。在生物体内消化吸收过程中锶和钡的这种吸收逐渐降低的特征称为钙的纯化,是由于在消化道中钙首先被吸收,因而影响了锶和钡的吸收。N同位素在不同营养级之间存在富集现象，沿营养级上升时，每上升一格，大约富集了3 - 4 应用：Sr同位素研究古代人类的迁徙由于不同的地质构成特征形成了不同的锶的分布区域,这成为人们来追溯其来源产地的依据。长时期生活在一个地区的人们,其体内的锶同位素比值就具备其相应的一致性。对于古人类来说,一般在人类遗存易于保存的牙齿、骨骼中这种指标都可以找到。但当人类从一个地方迁移到另一个地方后,随着地质条件的不同使这种指标发生改变,人体内的锶同位素比值相应也要发生变化。人体头发、皮肤、骨骼等不同组织中锶同位素指标由于迁徙所带来的变化速率有着很大的差异,也就是说显示当地地质特征的锶同位素指标被置换的时间周期有明显不同,从几年到十几年,甚至几十年。但人类的牙齿,却有着保持几乎一成不变的本质特征,且很少受到污染。