第四纪总结.docx

1、第四纪总结第四纪科学的性质和任务第四纪是地球演变的最新时期，第四纪科学是地球科学中最活跃的一个分支，它承袭了传统的地球科学，又与现代科学技术的许多新领域新进展紧密关联，从圈层相互作用到全球变化，从地学、生物学、气候学、天文学等自然科学到人类学、人文学和社会可持续发展， 当今人类社会面临的资源、能源、环境、灾害等许多问题无不与第四纪科学相关。解决这些重大问题是第四纪科学工作者责无旁贷的历史责任和社会责任。第四纪科学有时又被称为表层地球科学，其研究的走向是向着精细、集成、系统化和全球化发展。从地球科学系统到地球系统科学地球这颗巨大行星，无论是时间演化，空间发展，物质组成，还是运动能量，都构成了一个

2、完整系统。地球科学是门系统科学，地球系统科学又在更大的范畴内把地球科学与人类学、生物学、环境学、天文学、动力学等联系一起。许多重大问题，需要多学科综合研究。例如青藏高原的出现和隆升不是一个单纯的地质事件，它与整个板块运动及欧亚大陆东缘的边缘海，黄土高原，东亚季风的形成都有密切关系；同时也改变了大气环流和气候格局，对陆地和海洋生物的演替也有重要影响；高原周围是几大人类文明发祥地，暗示高原的形成与人类文明也有关 。第四纪科学研究最容易也应该将地球表面各个层圈，各种自然作用，各个学科联系起来。人类与自然的相互作用越来越突出环境演变促进了人类进化，人类生存和发展又反过来作用和影响环境。在探讨人类起源和

3、进化的过程中，必然要和当时当地的自然环境紧密地结合在一起。随着人口的不断增加，人类活动的广度和深度不断扩大，城市化和工程化加速，作用地球的面积超过50%，消耗的资源能源和产生的废气废物急剧增长人类活动已成为巨大的作用力改变着地球的面貌和生态环境，当人类活动超越了自然营力，破坏了自然平衡，违背了自然规律，就必然引起异常的自然现象，产生严重的自然灾害。因此，人类和自然如何协调发展是第四纪科学必须深入研究探讨的课题，而可持续发展不仅仅是科学问题，还牵扯方方面面的社会问题，需要在科学的基础上通过社会的集成来解决。黄土研究世界领先黄土高原是中华民族的摇篮，也是第四纪研究的圣地。经过几代学者的辛勤耕耘，建

4、立了黄土成因的风成说，并把风成堆积从第四纪（2.6Ma）延伸到新近纪（8Ma, 乃至22Ma），在午城、离石、马兰黄土的基础上，细分出37个黄土古土壤旋回，揭示出黄土古土壤所反映的干冷暖湿气候环境，这种气候变化旋回与米兰科维奇提出的太阳轨道周期变化相吻合，并使黄土古土壤系列成为与海洋沉积，极地冰盖相媲美的记录环境演变的三部天书之一，成就了具有中国特色的季风学说。黄土研究也推进了沙漠、荒漠化及沙尘暴的研究，使它们紧密地联系在一起。 中国第四纪沉积物的主要类型（按成因划分）关于黄土成因 Pumpelly 湖积成因 （Raphael Pumpelly, 1837-1923） Richthofen 风

5、积成因 （Richthofen，Ferdinand von，18331905） Obruchev 冷热黄土 (Vladimir Obruchev 1863 1956) Greasimov 洪积成因 （Mikhail Gerasimov 1907 1970） 刘东生等 风成说 米兰科维奇周期 气候变化 季风 区域与全球对比 其他 大陆架定义（联合国海洋法公约第76条） 沿海国的大陆架包括其领海以外陆地领土的全部自然延伸，扩展到大陆边外缘的海底区域的海床和海土，如果从测算领海宽度的基线量起到大陆边的外缘的距离不到二百海里，即扩展到二百海里，“沿海国大陆架不应扩展到第4至第6款所规定的界限以外。大陆

6、边包括沿海国陆地没入水中的延伸部分，由陆架、陆坡和陆基的海床构成。它不包括深洋洋底及其洋脊，也不包括其底土”。内水：大陆岸线以外，领海基线以内水域，属领土部分。领海（领水）：领海基线向外12海里。领土在海中的延续。毗连区（连接区、特别区）：领海基线外邻接领海的一带海域。领海基线向外24海里。该区是保护沿海国权益的重要海域之一， 专属经济区：领海基线向外200海里的海域。在地理位置或法律性质上介于领海与公海之间。沿海国家享有以勘探和开发、养护和管理自然资源为目的的主权权利，以及对于人工岛屿、设施和结构的建造和使用，海洋科学研究、海洋环境保护和保全的管辖权。其它国家则享有航行、飞越、铺设海底电缆和

7、管道等自由。联合国海洋法公约将海域分为内水、领海、毗连区、群岛水域、专属经济区、大陆架、公海、国际海底区域。而上述海域的界限或范围是以“领海基线”为起点确定的。 领海基线是将各基点连接起来的一条线，以此为依据确定沿海国的海域范围。确定领海基线的方法有三种，即正常基线、直线基线和混合基线。测算领海宽度的正常基线，是沿海国官方承认的大比例尺海图所标明的沿岸低潮线。关于第四系底界（第四系/新近系）（M/G） 2.6Ma 以往把Q/N定在1.8MaB.P.左右，现在则定在2.6MaB.P.左右。 定在1.8MaB.P.的主要依据： 1）把海相沉积中盘星藻（Discoasters）灭亡、深海有孔虫（拟截

8、锥圆辐虫Globorotalia truncatulinoides）出现视为更新世开始55，以意大利的Calabrian组底为界，相当于氧同位素62/63阶界线；在陆相地层中则以含晚维拉方（Villafranchian）动物群的沉积层底界为第四系底界，其代表性地层为意大利的Vrica剖面，年龄为1.61.8MaB.P.。中国泥河湾动物群与Villafranchian期的Olivola动物群最为接近； 2）根据磁性地层，把Olduvai事件作为第四纪的开始，其年龄介于1.771.79MaB.P.。 定在2.6MaB.P.左右的主要依据： 中国的午城黄土与底部红粘土的界线； 松山/高斯极性转变事件

9、（M/G）界线 ； 在中国南海北部陆架出现浮游有孔虫Globorotalia multicamerata s. i.的末现面，是生物演化的转折点； 相当于104氧同位素冷阶开始。冰期与间冰期 冰期是地质历史上出现大规模冰川的时期；间冰期是两次冰期之间气候变暖的时期。冰期时，冰川大规模扩张或前进；间冰期时，冰川消融后退。一个冰期与相邻的间冰期组合一个冰川周期/气候旋回。 一般说来，冰期的气候要比现在低37，降水量也比现在大。在地球史上最后一个大冰期第四纪冰期中，冰川最强盛时，全球32的陆地面积为冰川覆盖，大量水分以固态停滞于大陆，海平面要比现在低130米。地球历史上发生过多次冰期是客观事实，但冰

10、期的次数却是一个还在争论的问题。即使距我们最近的第四纪大冰期，从什么时期开始，不同地区是否同时开始，同一地区又有多少次冰川作用等，都存在着争议。也正是这种科学上争论，推动了对古冰川作用的一代接一代地探索，也使我们今天对地球史上的气候变化有了比较多的了解。第四纪冰期与间冰期记录 第四纪气候的主要特征是冰期与间冰期交替发生。该时期包含有多个冰期-间冰期旋回，在深海沉积物、黄土-古土壤序列和冰芯中都有很好的记录。 深海沉积物记录，Imbrie（1972 ）等将几个钻孔的氧同位素曲线结合在一起， 根据轨道调整的原则，建立了一个综合性的布容期时间标尺和一条综合性的氧同位素曲线，将布容期0.78 Ma B

11、P划分为19个阶段，9个气候旋回。这个时期的气候旋回以100 ka周期为主；松山期的气候旋回则以41 ka周期为主。 黄土记录，中国的离石黄土、午城黄土各有18层古土壤，加上全新世形成的土壤S0，共有37层古土壤；与此相对应的是37层黄土。每一层黄土-古土壤代表一个冰期-间冰期旋回，这样，中国黄土-古土壤序列2.6 Ma以来共记录了37个冰期-间冰期旋回。其中2.6-1.5 Ma BP共有10个黄土-古土壤组合（S23-L33）,气候旋回以100 ka为主周期，1.5-0.8 Ma BP 共有15个黄土-古土壤组合（S9-L23）,气候旋回以41 ka为主周期；0.8 Ma BP至今共有12个

12、黄土-古土壤组合,气候旋回又以100 ka为主周期（丁仲礼等，1989）。Heinrich事件 Heinrich（1988）研究发现，北大西洋深海沉积物中常包含数层 陆源冰漂砾含量增多的沉积物，反映当时气候寒冷。这种以北大西洋发生大规模冰川漂移涌进而引起气候快速变冷的现象被称为Heinrich事件 （Bond, 1993）。在整个末次冰期 ，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，其时代依次为60、50、35.9、30.1、24.1和16.8 ka BP (Bond et al., 1993,1997)。根据格陵兰的冰芯记录，几次大的Heinrich事件

13、使大气温度在冰期气候条件下又降低36(Mayewski et al., 1997)。这些事件基本上以510 ka为周期，持续的时间为2002000年（Elliot et al., 1998）。 这种短时间气候变冷现象在佛罗里达的湖泊沉积物中以及中国的黄土中都有记录，说明Heinrich事件可能是末次冰期北半球普遍的气候事件。Dansgaard-Oeschger (D-O）事件 对格陵兰冰芯的研究发现，末次冰期内该地区的气候发生了一系列千年级的快速的、大幅度的冷暖变化事件，即Dansgaard-Oeschger事件，也称Dansgaard-Oeschger 旋回（D-O），即每一个暖期之后紧接着

14、是一个冷期，气温可在短短几十年内变动，年均变化幅度为57，周期为13 ka；在11514 ka BP共出现了24个旋回，每个旋回开始只需数十年甚至更少的时间，持续数百年至2000年，平均持续约1500年（Dansgaard et al.,1993; Bond et al., 1997； Mayewski et al., 1997）。新仙女木事件（YoungerDryas） 新仙女木事件（YD）是末次冰期向全新世过渡的急剧升温过程中最后一次快速降温变冷事件，它以丹麦Allerod冰缘沉积物中发现的北极苔原植物仙女木（Dryas Octopetala）命名，是迄今在冰芯、陆地和海洋沉积物的古气候记

15、录中研究最为详细的一次快速气候变冷事件。 冰后期 全新世是第四纪最近一次冰川消融期，又称冰后期，也有人认为是一次新的间冰期。其时段约为1.2 ka BP至今，对应于深海氧同位素1段和黄土的S0，其气候经历了升温期、高温期和降温期这样一个完整的间冰期气候变化过程。Post （1946）把冰后期细分为三个阶段：第一阶段以日益温暖为特征，第二阶段气候最温暖，第三阶段气温下降； Antevs（1953）把全新世气候期正式命名为：阶段变暖期（anothermal），阶段高温期(altithermal)，阶段稍变冷期(medithermal)。米兰柯维奇假说太阳公转轨道的偏心率（地球的轨道在圆形与椭圆形之

16、间变化 ）大概 10万年一个周期； 地轴倾角每41 000年间在22到24之间来回变化）；岁差（地球自转轴的方向因重力作用逐渐漂移 ），以大约19000 - 23000年的周期扫掠出一个圆锥。 米兰柯维奇认为第四纪冰期-间冰期气候变化受地球轨道变化制约. 地球轨道偏心率、地轴倾角和岁差的周期性变化影响地球接受太阳辐射的总量和太阳能量在不同纬度和季节的分配。季节性的太阳光线在高纬度的变化，可以降低夏天的温度 , 导致冰川的增大，冰期的到来。轨道的变化在中纬度和高纬度会导致冷与暖的交替出现。全球气候变化的趋势？从全球不同地区获得的气候记录看， 自冰消期以后，气候处于一个比较平缓高频震荡的变化状态，

17、气温时高时低，但很少出现突变事件，也就是说，绝大部分变化是在阈值之内，属于正常状态。 如何进行古气候记录研究？ 采样样品加工分析测试研究成果新生代年代学的特点与问题 时代新 年龄小 要求精度和准确度高，因而实验条件也高 样品难得 定年方法多，但都具有一定的局限性 新方法不断产生，新技术被采用，AMS, Laser新生代定年方法 地层层序 ，阶地 构造期次 1. 岩石地层法 *沉积纹层 *岩溶纹层 *火山灰标志 黑曜岩脱水 *化石 *花粉 *树木年轮2. 生物法 *珊瑚年轮 氨基酸消旋法 岩石漆法 地衣生长法 磁性倒转（polarity reversals） 1Ma 50 000 a3. 磁性地

18、层法 极性漂移（polarity excursions） 50 000 10 000 a 长期变（secular variation） 2 500 3 000 a4. 考古法 文化古迹 历史文献 放射性同位素法：K-Ar，Rb-Sr，U-Th，5. 同位素定年法 宇宙成因核素：14C，10Be，26Al，36Cl， 核辐射效应法：TL(OSL)，ESR，FT 衰变 一种核自发地转变成另外核并伴有辐射（射线）发生的过程。衰变具随机性，是一个机率过程。 放射性同位素衰变的特点：衰变速率完全不受外界因素影响，不因外界温度、压力或化学条件的改变而改变。衰变速率大小完全是每个放射性同位素的固有特性。衰变

19、时放出的射线可使气体电离、 乳胶变黑、使荧光物质发光、 周围 物质温度变高等。衰变时放出的射线具有一定能量，且一种核衰变的射线具有稳定的半衰期。定年的基本条件 封闭体系 初始条件 放射性平衡 固定常数什么是高分辨率？分辨率(resolution)是分析测量中广泛应用的一个概念， 通常是指单位长度上像素的多少，单位长度上像素越多，图像就越清晰，如仪器分析，遥感成像，肉眼观测 在气候环境研究中采用分辨率这个概念，主要是指研究的时间尺度和环境指标所能表示的区间，以及样品量。古气候环境研究有长尺度和短尺度，不管哪种尺度都有其最大分辨率，长尺度可以是千年、万年；短尺度则需要年、十年、百年。时间尺度越短，

20、分辨率也就越高。 用于高分辨率气候环境记录研究的材料：树轮、纹泥、石笋、珊瑚、冰芯、泥炭（？），历史文献。不同材料的时间序列不同，环境指标也有所不同。玛珥湖具备普通湖的特点又有特殊性：一种封闭的火山口湖封闭体系，纹层发育，环境信息丰富，有利定年新构造运动 1.基本概念 新构造运动通常是指晚新生代以来的地壳运动。在中国为喜玛拉雅造山运动以来的构造活动。它是奠定现代地貌形态的地质作用，从本质上讲是造陆运动。 新构造运动与气候、环境变迁及人类活动密切相关，许多工程建设（如水库、电站、桥梁、隧道、矿山、城市等） 和地质灾害（如地震、滑坡、火山喷发等），都与新构造运动有关。因而形成了一门独立的学科新构造

21、学。 构造是地质的纲。新构造运动出现最剧烈的时间是在晚新近纪末或第四纪初期。我国喜马拉雅地槽在中新世末期已全部回返。台湾地槽从上新世末到更新世初期也基本结束了地槽的发育历史。天山、祁连山、秦岭等已趋于稳定的地区，在新近纪到第四纪初期又重新活动，垂直差异运动表现得十分强烈。分布于我国东部及中部的古近纪红色盆地，在新近纪以后，大部分都转变为上升的遭受剥蚀的山岳或丘陵。新近纪以来我国东部产生了一些新断陷及上叠坳陷盆地，如渭河地堑与黄河、淮河平原等。自中新世与上新世以来，我国东部还发生了大规模的基性岩浆喷发。 在新近纪以前，我国大陆地形的基本面貌是广阔的夷平地形，新近纪开始到第四纪的构造运动使这些地形

22、抬高，遭受破坏，形成了我国中部具有夷平面的山地和高原（内蒙、华北、鄂湘黔等地），以及西部的山脉及深陷的山间盆地（天山等地）。新构造运动的形式与方式形式：垂直、水平、线状、面状、褶皱、断裂方式：板块运动: 扩张造海，挤压造陆，隆升造山，沉降造谷 裂谷作用 断裂作用 地震活动 火山活动 海平面升降板块运动是新构造运动主要表现形式 洋底扩张、俯冲、岛弧、弧后扩张、裂谷作用等 新构造运动的研究方法 实地测量：地貌、地质、考古 仪器测量：天文法 ：卫星、遥感、GPS 大地测量：水准、三角网 地球物理测量：电、磁、重、震、热 水文测量中国新构造运动的特点中国新构造运动非常发育和强烈，主要表现为升降运动、水

23、平运动和断裂运动，地震、火山活动频繁，活动有继承性，即新老构造吻合。关于西部俯冲 来自西方的阿拉伯板块向东俯冲，可能是促使高原隆升的另一重要作用力。在印度河上游存在科希斯坦拉达克弧和蛇绿岩套是板块俯冲的重要证据,下面的地质现象暗示有来自高原西部的作用力 ：帕米尔高原类似喜马拉雅山耸立在青藏高原西侧，那里的乔格里峰可以与珠穆朗玛峰媲美，这两处高大山地都是地质营力集中的体现；帕米尔和喀喇昆仑是新构造运动异常活跃地区，地震、火山时有发生，火山喷发的次序有从西向东逐渐变老的趋势，第四纪火山（1.65MaB.P.至现代）集中在西昆仑，东昆仑火山年龄为813MaB.P.，处于东西昆仑之间的木孜塔格附近的火

24、山岩给出5-6Ma的年龄 ；高原北部阿尔金走滑大断裂的产生和高原东侧构造线强烈向南扭曲，暗示青藏高原这个柔性地质体在受到西部作用力向东运移时，遭到东部扬子地块等刚性地质体的阻挡不得不发生弯曲，由东西转向南北； 青藏高原大的构造线和山脉展布多呈东西向，但在东西向的背景上，也有许多南北向和近南北向的构造线，而造成这种南北走向褶皱和断裂的力则为东西向，这期构造在青藏高原上虽表现为二级或三级，但也相当强烈，没有重大地质营力作用是不能形成的。 西部俯冲的动力来自东非大裂谷的扩张。长白山火山的主要地质特征1. 跨越中朝两国,是一座国际山；由三个喷发中心和数百个火山锥组成, 总面积达12000Km2, 是全

25、球最大的火山群之一；2. 是由多次喷发形成的层状复式火山,玄武岩造盾,粗面岩筑锥,碱流岩覆盖其上；3. 具有系统的岩浆演化:基性 中性 酸性, 形成玄武岩粗面岩碱流岩一个较完整的火山岩系列；4. 形成巨大的火山口和火山口湖 天池；5. 自中新世以来有过多期活动, 全新世以后仍有多次喷发,最大的一次为公元1014-1019年,是一座有潜在危险的活火山；6. 目前处于大喷发千年周期和小喷发百年的结点；7. 与日本火山活动遥相关，与东亚板块体系密切相关。火山作用对气候（天气）的影响火山作用来自地球深部，作用于地球各个层圈，对气候和全球变化产生巨大影响： 火山灰、火山气体气溶胶进入大气圈，改变大气环流

26、； 火山灰、火山气体气溶胶阳伞作用天气降温多雨 （短时间）； 火山喷出的大量CO2和其它温室气体温室效应 增温 有害气体硫及卤族元素与臭氧化合 破坏臭氧层，产生臭氧洞 火山气体中的CO2 、硫化物、卤化物等进入大气层与水蒸气化合形成酸，降到大地便形成酸雨。冰冻圈又称冰雪圈，英文为Cryosphere。 它由在一定低温条件下固态水冰川、冰盖、积雪、海冰、河湖冰等以及地下冰掺杂的多年冻土、季节冻土等组成的特殊圈层。 冰冻圈是地球系统五大圈层之一 冰雪圈是气候的产物，但一经生成，又对气候有重要的反馈作用，是气候系统变化的灵敏指示器，是古气候和古环境的重要信息库，在地表热量平衡中起重要作用。 平衡线（

27、雪线）：积累区与消融区两大部分，其分界线称为平衡线。平衡线高度（Equilibrium-line altitude，ELA）处的年积累量与年消融量处于动态平衡。（通常所说的平衡线是指冰川零平衡线的多年平均）平衡线以上部分为冰川积累区，也是整个冰川的补给区，年积累量大于年消融量；平衡线以下年积累量小于年消融量，为冰川的主消融区，以融化为主。因为海拔升高温度降低，所以平衡线是随区域温度升高而抬高的。 冰川是极其重要的淡水资源，全球淡水资源约80%储存在冰川和冰盖上。 目前全世界仍有超过16106km2的现代冰川，陆地面积约11%被其覆盖。现代冰川主要分布在南极大陆与格陵兰岛上，海拔较高的高原山地与

28、高纬度地区仅分布一些面积较少的山岳冰川，这些冰川形成了极地、高纬度地区、高海拔高原与山地特有的自然景观。 冰川类型有冰原、冰帽、山谷冰川（冰川面积与储量所占比重较大 ）、冰斗、冰川、悬冰川（分布最广、数量最多）等。 地球表面被66 . 5 纬线包围的部分称为极地或极圈，而极点是地球自转轴与地球表面的交点，分北极点和南极点；地理学把纬度为90的点（经度无法表示）称为极点； 地球又是个巨大磁体，磁针所指的方向为北磁极和南磁极，这样地球有三个极点（地理、几何和磁极），且不重合， 并在移动。 极地冰盖变化造成的直接影响？a. 极地冰盖是地球上最大的淡水源，仅南极就占全球总淡水的77%，相当于71m的全

29、球海平面变化。一旦融化会对使全球海平面上升 ，殃及海岸带；在过去一个世纪，平均气温上升了0.6-0.8摄氏度。在过去50年，年均海平面上升1-2.5毫米，目前全球海平面正在以每10年1英寸（2.54厘米）的速度上升。 b. 气温增高不仅使冰川融化，也使冻土融化，使原来冻土层范围明显减少，进而影响工程建设和生态环境。 c. 大量淡水注入海洋，将改变海水含盐度，进而改变洋流， 影响气候变化。 d. 全球变暖将让中国对海平面上升、干旱、洪水、热带飓风、 沙尘暴和热浪等造成的破坏更加脆弱。尽管更加暖和的气 候会增加可耕作土地数量，但是极端的气候会将农业收成 减少10%。e.干净冰雪的反射率（50%-8

30、0%）比土（10%）和水（30）大得多，每年到达地面的太阳能大约有30消耗于冰雪圈中。由于冰川融化热和水的汽化热分别是同体积液态水升高1所需热量的80倍和539倍，因而冰雪圈在地表热量平衡中有举足轻重的作用。几点认识： 极地是对气候变化反映最敏感的地区，其变化有一定周期性。 南北极对全球变化的响应是有区别的，在全球增温的大趋势下，北极比南极来得快，尽管北极冰盖多处高纬度，比南极冰盖形成晚得多，但消融速度要比南极快得多。 随着北极冰盖的消融 ，大量淡水注入海洋，将改变海水含盐度，进而改变洋流，影响气候变化。 未来北半球，特别是高纬度地区增温要快，幅度要大；而南半球增温要慢，幅度要小些。在注意普遍

31、发展趋势的同时，特别要注意突发事件。地球自然资源的最后储备地 两个巨大天然聚宝盆 北极和南极不仅有丰富的土地资源、生物资源、信息资源、旅游资源，还有丰富的能源和矿产资源。 北极的陆地、海洋和大陆架蕴藏着丰富的石油、天然气和天然气水合物。根据美国地质调查局的报告，人类目前尚未发现的石油和天然气资源中大约有1/4分布在北极地区，数量高达100亿吨左右。 北美洲部分的储北极藏约有500亿桶或更多的可采原油，和80000亿立方米以上可采天然气；而前苏联北极油田的产量则占其石油总产量的60以上。所以有人称北极是个“大油库”。北极煤藏的理论储量可能超过全球储煤量的一半，西伯利亚、阿拉斯加都有巨大的煤田，不仅储量大，而且煤质优良。 在南极，同样有丰富的矿产资源和能源， 目前已经发现的就有220多种，包括煤、铁、铜、铅、锌、铝、 金、银、石墨、金刚石和石油等。还有具有重要战略价值的钍、钚和铀等稀有矿藏。据科学家估计， 在罗斯海、威德尔海和别林斯高晋海蕴藏着150亿桶的石油和3万亿立方米的天然气。南极洲煤的蕴藏量大约有5000亿吨。东南极维多利亚地以南的煤藏极为丰富，煤田面积达25万