中国第四纪古气候环境的重建.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/年中国地质科学院院报第号中国第四纪古气候环境的重建何培元地质力学研究所内容提要本文就如何重建第四纪古气候环境问题进行讨论。气候的演化和变更是环境系统中最重要的因素,第四纪冰川作用是反映这一因素中最为重要的事件之一。第四纪沉积物是古气候信息储存的主要场所,因此,系统地研究第四纪地层的地球物理特征、地球化学信息反馈、生物的演替等方面间题极为重要。在此基础上确定其地层的时间尺度、构造运动的程式,以及它们之间的相互关系,加以分析论证,建立起第四纪古气候环境的演化格局。研究和重建第四纪地质时期的自然环境系统,涉及的因素甚多,在诸多因素之中,气候的演化格局是最为关键的因子。当然,气候的交替和变化受到很多条件和因素的控制,是非常复杂的,它与地球的个 圈层,即气圈、水圈、生物圈及岩石圈均有密切关系,除与地球的外动力有关外,也与地球内动力作用有关、。本文仅就如何重建第四纪古气候格局阐述 自己的一些粗浅的认识和看法,同时结合第四纪时期的重要事件第四纪冰期及第四纪冰川作用等向题的相互关系作初步的探讨。一、古气候信息的获得据研究、“,自我国第四纪开始距今已有大约的历史。研究这段地质历史时期的气候演化状况时,只能全面地、系统地、准确地从第四纪沉积中获得古气候信息。这些信息的获得需要深人系统地运用多种技术手段和方法对第四纪地层的沉积物进行研究。把对第四纪沉积物研究所得到 的资料、数据,及与第四纪沉积物有关的地质事件,例如冰川作用、生物演替”等的遗迹和遗痕,通过归纳和总结,找寻反映古气候环境的变化 规律,才有可能更真实、更确切地揭示其 自然环境的面貌。因此,第四纪地层的研究就成为重建和恢复第四纪古气候环境的关键所在。要重建第四纪古气候环境必须对第四纪沉积的地球物理沉积过程及其特征、地球化学过程的信息反馈、时间及空间的尺度、生物的演替以及构造运动所引起的下垫面的整体和局部的变化等方面进行研究,才有可能较好地达到预期的 目的。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/中国地质科学院院报第弓号二、沉积物的地球物理过程研究沉积物的地球物理过程,包括沉积物在外动力作用下,例如风 化、剥蚀、搬运、停积、成岩作用以及成土作用等过程中,沉积物的组织与结构特征、沉积物的颗粒 自身以及这些颗粒之间的若干物理力学 的表征及现象。这些现象在很大程度上反映一在 这 一过程中,沉积物所经受外动力作用的过程,同时,在某些特定场合中也反映 出内动力作用的结果。沉积物的剥蚀、搬运及堆积受到内动力的影响,也受到外动力的支配,特别是 自然条件有着举足轻重的作用。气候因素又是 自然条件诸因素 中,最为活跃的因子。所以,沉积物的物理现象为重建古气候模式提供重要的定性和定量指标,它包括有通个方面沉积物 的宏观特征沉积物 的地貌分布、沉积物的组构特征、沉积物之间的相互关系等沉积物颗粒表面特征如刻槽、擦面、擦痕、破裂等的结合规律及特征沉积地层中的微观构造沉积地层与基岩之间的某些物理现象,如,基岩擦面、基岩形变等。上面所列举 的一些沉积物 的物理特征,经过分析研究之后,就可能找到它所反映的动力性质,推论出沉积物成因机 制。例 如,庐山山麓广泛分布的大姑冰期的冰债、冰水沉积的砾石层,有人认为该砾石层为冰债层“。另一些研究者了、“、”、“、”、“则把该砾石层归二几“混杂堆积”不 明成因堆积、或称为“假冰债”甚至称为“伪冰债。”不管称“假冰债,”还是称“伪冰啧,”该砾石层不是冰债是可以确定的。但他们都一致认为该砾石层为“泥石流”所为。笔者有幸,曾对庐 山地 区做了几年第四纪地质方面的调查研究,收集到一些有关该砾石层的资料,从所获得 的资料分析,该砾石层具有以下几项宏观特征该砾石 层在庐山东西山麓均有分布,从 山麓后缘至都 阳湖边,坡度极小,坡度角仅“一通。,距离约,堆积地 多集中在那 阳湖滨一带,堆积成弧形丘岗垅状地形该砾石 层从山麓至 山前平原没有 明显的沉积物 自大向小分布的现 象,即沉积物没有机械分异现象。相反,据调查,庐山东 侧此套砾石 层所表现的特征为,离山体越远砾石直径越大,在都阳湖边该砾 石 层 中 长以上的砾石则屡见不鲜,在靠近 山体附近砾石直径越小砾石层的剖面经多处观察,砾石均无分选和排列,无规律的杂乱堆积,而且在砾石层中未见有任何沉积间断面和不整合面的踪迹在砾石层的下伏基岩面上,发现有多处磨光的擦面,在其磨光面上见有密集的平行擦痕在下青山附近,砾石层与基岩的接触地带,基岩表面深约发 现基岩发生褶曲和柔皱构造,其下基岩的产状恢复正常据古地磁测 定表明,该砾石层正处于地磁年表松山负极性世的哈拉米诺事件附近,大约距 今一。依 据上 述特征,该砾石 层到底是什么外动力所为就此问题 作一简单的分析泥石流的产生、发展、运移和堆积有它自身的规律,。研究得知,泥石流的产生必须具有三项必要的 条 件,第一,要有足够量的风化破碎的岩块和岩屑停积于 山体坡面上第二,山体要有较 大 的 坡度,据太行东麓现代泥石流的调查研究,其坡度一般在“一。之间,最小也要 在。以上第三,长期急速的降雨是诱发泥石流产生 的重要介质条件和直接原 因。泥 石流所形成的堆积物,其沉积物 的组构特征与流水作用所形成的组构特征基本相似,即沉积物随搬运距离有其规律的变化,搬运距离越远颗粒越小、分选程度越高,砾石 和岩块的面倾向上游,并具有明显的定向排列特征。然而,庐山大姑冰期沉积的砾石层并不具备上 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/中国第四纪古气候环境的重建述特征,例如,砾石无定向排列面的倾向无一定规律砾石随搬运距离越远,颗粒反而增大。经磁性地层研究发现,此期砾石层在古地磁年表上大致相当于哈拉米诺事件,即距今一间,也就是说,该砾石层大致经历 了的历史。如果 此 砾 石层为泥石流 所堆积 的话,那 么,在时间之 内应有多次泥石流暴发,并都堆积 于同一地点。既然砾石 层为多次泥石流所堆积而成,在其沉积剖面上应当发现有若干沉积间断面或不整合面 的踪迹。可是,经多次多剖面调查,均未见有这种沉积的不连续面。如更进一步设想,它不是多次泥石流作用的结果,而是某一次巨大的山洪暴发,巨大的泥石流由庐山直泻那阳湖滨,并持续长达,显然这一设想是站不住脚的,因此,这样长期泥石流的运动,必然要有急促而长达的降雨,泥石流满山遍野向下流 动,这样一幅自然景观图象是很难使人们接受的。上述几种动力条件的分析都不能充分说 明大姑期砾石层的成因,那么,到底是什么外动力条件使它搬运、堆积 的呢从前面所述的砾石层组构特征、分布的地貌部位、堆积的自然形态以及它与基岩之间的作用所形成的表皮构造,古地磁测试所提供的年代数据等方面综合分析考虑,它只能是在第四纪冰期时期,庐山曾发育过一定规模的冰川,由于冰川长期而缓慢 的运动,通过侵蚀、搬动和停债这一过程,当冰期气候逐步转变为较为温暖的间冰期时期,冰川消融,冰川所携带、搬运的岩石、岩块和岩屑最终堆积下来,形成现今我们所见到 的砾石层的特征及堆积的地貌景观。由此可见,通过对沉积物的物理特征的系统分析研究,可以为古气候 的恢复和重建提供重要的线索和依据。三、沉积物的地球化学信息反馈的研究研究第四纪沉积物在表生作用下 的地球化学特征,有助于分析了解沉积物形成过程中所经历 的自然环境及其演变规律,对恢复和重建第四纪 的古气候格局也 是重要的一个方面。表生地质作用包括 两大部份,即沉积地质作用和风化作用。影响表生地质 作用的 因素,归结起来有以下几个方面,“,沉积物的物质组分地球表面的温渡主要是指气候的变化、压力搬运介质的条件包括水溶液的氢离子浓度值、氧化还原电位值和胶体作用等空气中的氧和二氧化碳的含量及浓度,有机体的作用 包括动物及植物以及人类生产活动等。在研究某一地 区、同一沉积物及同一物源的沉积物时,上述诸 因素中最为重要、起着关键作用的是温度的变化,即气候的变化。这是因为,对于压力、介质条件、空气中的氧和二氧化碳、胶体作用、有机体和人类的活动等因素,均可视为相似的,可 以不作过多的考虑。所以,第四纪沉积的地球化学特征研究,其实质就是间接地探讨了古气候的变化。从上面的初步分析,我们可以说,第四纪沉积物的地球化学过程是随气候的变化而发生演进的。特别是在一些第四纪沉积物中缺失古生物化石的所谓“哑地层”中,更具有其探讨古气候的特殊意义。研究第四纪沉积物的地球化学特征主要有以下几个方面、第四纪沉积物中各种常量元素和微量元素的富集和分散的定量指标。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/土中国地质科学院院报第号刊犯妹叫翻翻层卜比。泊口渭仍口闷口叫”。山宋侧仍曰角任团眺叫会目崎叫葬目叹冲滋刊犯目沈协曦州划侧民佗冲尝洲纂囚帐冲凄伯据工。呵卜叫。配璐叫。月朗、渭昆昭比的卜艳口招和口书二目叼工比。喇长比口誉阁饭翁羁撼俄宾事窦杀明胃识团纵凶裂曰俱工画晰冈回、口日。回回阅川一,同脚。网喇一。回回州一川回沁沁四 摄摄芳舜舜宜羞簇簇芳获获宜若 舞舞务县县宜 妊县县芳舜舜葵葵性性性曰曰只 坟一么曰曰 杖 投投跪厌长投投跪厌厌长辕一跪医医长 蒸蒸笼笼言言言尝尝酉酉蔺蔺昌昌屠屠目目舀舀舀舀口口泛泛坦坦回回叱叱叱叱叱叱叱叱叱叱叱叱叱叱叱叱攫攫目目目目目目目目目目目目目目目目目匕匕匕曰曰二二卜司司匹匹匹目目目目目目目目八八八八广冲入八几八八区区,笨笨扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩扩气丫岁一二。禽禽禽衡衡气沁厂气艇十十弓弓弓 叨叨肠肠肠肠,、斗斗斗斗自自吸吸吸吸一一戈公一刁刁磷一毛毛人一一一凡三三一可可备备一一八一心气、声一一、一一粼粼,卜,、尹、石石尸,、尸、尸尸、口沪八,几几一沪弓、一一一一丫八义一、入声声一一一尹一一一沪产、了一、肌人厂宁界界界界界界界召召召召、卜卜卜卜的的的的一一叭了 一厂少狱厉二二口口口口,月阔阔探探八八叭一一一一了从芬芬卜卜知知侧侧裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸裸厂厂八众众众众众一一一了又一一一丫丫禁、瀚椒椒椒黛黛鲍鲍撇贝贝捷捷攘攘据据板板艳艳帆帆藉藉藉撼撼坛坛公班班牌牌艳艳牌牌挤挤攘攘攘攘攘攘攘滋滋滋滋滋份叫叫举举黛黛霆霆轰轰欺欺卑卑卑卑卑和和卑户户尸一一卑卑卑卑京京月吊歇,早号早罕罕早罕界界厂、三分兮烈烈到到。琳琳袒袒袒袒袒袒袒袒裂姐姐石石爵攀城弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃弃二二二汽“二二二诊诊武武武武武武武艺艺艺刹刹 要阁本刹刹哥州泰划划划划言言言本本本本本本本本本本本本本昭昭昭训训训训契契 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/中国第四纪古气候环境的重建各种氧化物的含量以及它们之间的相关的比值及其变化。沉积物 中氢离子浓度值,氧化一还原电位值的测定及其变 化。沉积物中矿物的组合特征,矿物的稳定度、成熟度,矿物的百分含量及其变化规律。沉积物中高价铁、低价铁的含量变化,以及它们之间的比值关系的变异。沉积物中的风化系数、淋溶值、集聚值的求得及变化。其他,如氨基酸、脂肪酸、有机碳的含量及变化等。从以上诸方面的研究所获得的数据指标,把第四纪地层层序与各层的数据 作成曲线连接起来,亦可把地球化学某些参数所反映的地球化学过程表现出来。这一相对变化的连续过程,既可找到地球化学的变化趋势,也可反映出古气候的演化历史及进程。下面以庐山地区第四纪地层的研究为例,可以看到地球化学信息反馈的古气候信息见图。庐山地区在第四纪地质时期,曾经历过多次冰期和间冰期气候的影响,从沉积物的沉积特征,堆积地形、侵蚀地形,以及它们之间的相互关系,可初步划分次冰期、次间冰期和次冰后期。通过对第四纪沉积物的有关地球化学分析所得到的若干曲线证明,它的曲线变化趋势与冰期地层系列和气候变化的曲线是基本吻合的。四、生物的演替自然环境,特 别是气候环境是生物赖以生存的条件。生物的繁盛、迁移屯兴衰与气候条件的关系极为密切。沉积物 中生物化石及遗迹的研究,对于了解生物在某一时 期的繁衍、消亡 的历史有重要价值,同时对研究和恢复某一地质时期的气候条件提供重要证据。第四纪地质历史时期相对比较短暂,很少有新的生物种属绝灭和新生。因此,像老地层中的“标准化石”一类有决定地层时代和生存条件的种属就难以发现,所以,确定地层的时代和气候环境只能依靠生物化石种属的组合来划分地层,并推断其相应的自然环境。多年来,很多学者对我国东部地 区的第四纪沉积物中的植物化石、动物化石及抱子花粉进行了研究,分析表明“、“我国东部地区在第四纪时期,曾有过多次的冰期冷期和间冰期暖期气候的交替变更。近年,安徽和县猿人地点的小哺乳动物群的研究又提供了新的资料。,在和县长江北岸的阶地之上海拔仅,发现有代表高纬度或高原寒冷型的动物化石群体。据研究,这些化石群体所反映的气候环境是一个相当寒冷时期,大体与庐山的大姑冰期相当是否确切,还需进一步研究。但是,到 目前为止,在庐山大 姑冰期的沉积物 中还未找到代表寒冷气候条件下的典型动植物化石,和县动物群的发现为庐山大姑冰期沉积物的气候环境的进一步确立,提供了有力的佐证。气候的变化及影响范围,有一个较大空间,不是一个狭小的局部现象。庐 山地 区第四纪冰川的发育已有多 项证据被发现,例如漂砾、条痕砾石、基岩擦面及擦痕、表皮构造等等。与和县寒冷型动物群的。发掘,显然不是两种事件的巧合,而是反映当时在这一区域内,气候的基本情况及实际 的自然环境面貌。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/中国地质季学院院报第号五、古气候演化的时间和空间尺度通过对各个 区域第四纪沉积物所反馈的古气候信息研究之后,可以得到 古气候演化的相对时间序次。显然,这只是重建和恢复第四纪时期古气候格局的重要一步。某一地 区的气候变化和波动,受着更大范 围、乃至全球气候变化的影响和制约。气候变更时间尺度的建立,对于恢复整个地域第四纪时限内气候演变的程式是一个至关重要的问题。目前,世界各地对第四纪气候的变化时间尺度尚无一致意见。通常,将第四纪气候变化列出冰期 冷期、间冰期暖期的相对时间表。在第四纪中曾有次冰期。在过去的中,每一个冰期旋回约,每一个间冰期约维持,末次冰期大理冰期的最盛时期在邝。我国目前已有人提出,自至中,有次冰期旋回“。也有人主张,我 国大尺度的气候冷暖波动的时间尺度可分为次冰期寒冷期“。、“,、“。,即距今大约一一,一一和一,以及相应 的次间冰期暖期。总之,在研究 了各个第四纪沉积物后获得了充分的气候演化信息,分别建立起各 自较为可靠的时期和空间尺度。然后,再将各个地 区的古气候变化地层系列及其相应的精确时间表一起,经过分析研究,拟定出多层次地 层系列和时间表。通过详细的对比,确定符合实际的每次气候波动 的时间。进而,阐明我国第四纪各个地质时期的古气候的演化和波动的模式。六、构造运动与冰期气候我国第四纪气候的演变历史,不仅受到全球气候变化的制约和控制,司时也受到我国新构造运动的影响,特别是青藏高原 的强烈抬升对我国现代气候的格局有重要作用。我国现今的西高东低,形成地貌上 的三级阶梯,即西部青藏高原平均海拔一,中部云贵高原、四川盆地及鄂尔多斯高原,东部丘陵及平原。这种地貌自然景观的形成与新构造运动有着密切 的关 系“了。同时,对我国的气候变化也有着影响。全球气候变冷,第四纪大冰期的来临,我国东、西部都受到不同程 度的影 响。据研究“、“,当冰期到来后,我国西部和东部某些山地相继有冰川流行,这些冰川 多 属山谷及山麓冰川类型,例如“惊仙冰期”、“希复邦马冰期”、“聂聂雄拉冰期”、“珠穆朗 玛冰期”横 断山脉的“稻城冰期”、“绒坝岔冰期”和“竹庆冰期”东部地区的庐山“大排冰期”、“都阳冰期”、“大姑冰期”、“庐 山冰期”等等。这些冰期如何对 比、时间尺度又是否一致,目前还没有可靠的年代学数据把它们联系起来。但是,第四纪时期气候有多次冷暖交替波动这一事实,看来是可以肯定的。很多研究者从不 同的方面研究证实“了一“、“自第三纪末和第四纪初,西部青藏高原有着剧烈的抬升,依据 有关方面的资料推算,其抬升量大约有一云贵高原、湘、鄂、川以东的 山地及太行山等地 区也有一的上升量”吸在这一地区 以东的华北平原、华中地区则相对下降,据资料、华北平原地区的最大沉降约江汉丁国喻,中国活动断层,大陆地震预报囚际讨论会报告,末刊。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/中国第四纪古气候环境的重建主 护平原第四纪沉积物的厚度也超过。由此看出,我国东部平原及丘陵地区在此时期为相对下降为主的构造运动方式。据野外调查,上新世末期,青藏高原的海拔高度与华北地区相同,大约在海拔左右“。另外,在庐山及其附近的地区均未发现新 第三纪上新世的沉积,显然在第三纪时期庐山及其周围地区具有相当的高度。虽然,我国东部广大地区自第四纪以来,表现为总体的相对下沉,但在这一广大地区内的山地又表现为相对抬升。据考察,庐 山在这一时期其相对抬升量大致有一其他如大 别山、黄山、天 目山均有相 当的相对抬升量。这些 山地在第三纪末期及第四纪初期均有相 当 的高度,加之第四纪全球气候变冷,进人冰期气候的影响,为这些 山地的冰川发育和滋长提供了有利条件。据某些研究者的野外调查,从发现的冰川证据到依据古生物化石 的资料进行理论的计算和分析“、,证 明中国东部地 区包括长江中、下游地 区都有第四纪冰川发育的条件和冰期气候同时,还认为,长江中下游的第四纪古冰川类型与西藏高原东南部现代冰川类型相似,都属于季风海洋型的山地冰川。由此可见,全球性的气候演变对我国第四纪气候的变化起着控制作用,我国的新构造运动在一定程度上又影响着我国某些地区的局部气候演化进程。据资料表明“、“”我国西部地区和东部地 区的第四纪冰川发育规模、气候的变化,在第四纪时有所差异。西部地区在早、晚更新世的冰川规模较小,而中更新世及现代冰川规模相对增大东部地区的某些 山地冰川规模从早更新世至晚更新世有逐渐缩小之势,中更新世时期冰川规 模相对较大。显然,气候的冷暖波动变化除与全球性的气候变化有密切关系之外,我 国独特的构造运动方式所塑造的地貌格局,对第四纪气候的变化也有重要的影响。第四纪古气候的恢复和重建是一项极其复杂的系统工程,涉及的学科领域非常广泛。不过,首要的问题是,应对各个地 区第四纪沉积物反映的古气候信息查明,并进行全面、系统地综合分析研究,在此基础上,以空间关系及尺度为主线,理顺它们之间的相 互关系。最后,将有关方面的资料综合考虑,无疑将会揭示我国第四纪时期 自然环境及古气候的演化格局,为恢复和重建古气候提供依据。主要参考文献徐钦琦,了,论地球轨道变化对生物进化的影 响。大自然探索,第卷,第期。徐钦琦,。,地球轨道与气候演变的关系。科学通报,第期。杨怀仁,第四纪气候变化。第四纪冰川与第四纪地质论文集,第集。地质出版社。何培元等,从三门峡东坡沟剖面探讨“三门系”的时代及其环境演变。地质论评,第卷,第期。孙殿卿等,中国第四纪冰期与第四纪地层关系的探讨。中国地质科学院地质力学 所所刊,第号。地质出版社。程国良,泥河湾层的古地磁 初步研究。地质科学,第期。崔之久等,论分岐的现状和展望关于中国东部第四纪冰川问题。冰川冻土,第卷,第期。张林源等,庐山羊角岭“表皮构造”成因探讨。科学通报,第期。邓养鑫,庐山羊角岭附近“泥砾”成因的泥石流解释。冰川冻土,第卷,第期。施雅风,庐山真有第四纪冰川吗自然辩证法通讯,第卷,第期。谢又予等,庐山“冰川遗迹”质疑。地理学报,第卷,第期。康悦林,江汉平原第四纪研究报告,未刊。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights 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