第四纪古气候重建

1、谁提出了第四纪冰期气候波动成因的天文学假说

米兰科维奇

2、第四纪冰期的气候变化是什么？

我们说现代正处在第四纪太冰期中，其实，第四纪大冰期中的气候也有很大的变化，曾经出现几次亚冰期和亚间冰期。变化的时间短则几千年，长则几万年或十几万年。

在20世纪初，地质学家根据阿尔卑斯山区的资料，确定那里存在4次亚冰期的规律。这就是：群智亚冰期、民德亚冰期、里斯亚冰期和武木亚冰期。在这些冰期之间是亚间冰期。以后在北欧、北美、亚洲等地也纷纷找到了对应的亚冰期。在我国对应的亚冰期是：鄱阳亚冰期、大姑亚冰期、庐山亚冰期和大理亚冰期。

在第四纪的冰期中，仍然有寒冷和温暖更替。在寒冷时期，雪线高度下降，冰川前进，出现亚冰期，以民德(我国为大姑)亚冰期和里斯(庐山)亚冰期的冰川规模最大，群智亚冰期规模最小。在温暖时期，气温升高，雪线高度上升，冰川退缩，出现亚间冰期。民德—里斯(大姑—庐山)亚间冰期长达17万～18万年。在第四纪大冰期，高纬度气温的急剧下降，导致两极地区形成永久冰盖；在亚冰期，冰川一直伸展到中纬度，在亚间冰期才退缩到高纬度。

根据科学研究发现，从亚间冰期向亚冰期过渡时，气候常呈渐变形式，其中没有清楚的界线。从亚冰期向亚间冰期过渡时，气候常呈突变形式，两者之间有明确的分界线。科学家们称为终止线。在距今1.1万年前后出现了一条终止线，标志着最近一次亚冰期结束了，随之而来的是一次新的亚间冰期，气候由冷增暖。

在第四纪大冰期中，为什么会有亚冰期和亚间冰期的更替呢？按照南斯拉夫气候学家来兰柯维奇在20世纪30年代提出的理论，是由于地球轨道3要素的自然小波动造成的。地球轨道3要素是指：地球轨道的偏心率、地轴的倾斜度和春分点的位置。

地球绕太阳公转的轨道是一个椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。这样，地球处在轨道的不同位置，距离太阳的远近就不相同，获得的太阳辐射能量就有差异，如冬季在远日点，夏季在近日点，冬季就寒冷而漫长，夏季炎热而短促。地球轨道现在的偏心率是0.164，但是偏心率在0.00～0.06的范围内变动。它的变动周期约为96000年。偏心率的变化影响日地距离，从而影响太阳辐射强度，导致影响地球上的气候。

地球在春分点处在地球公转轨道上的什么位置，将影响季节的起止时间，也会使近日点和远日点的时间发生变化。地球在春分点的位置，是沿着地球公转轨道向西缓慢地移动，大约每21000年，春分点的位置在地球公转轨道上移动1周。春分节气的时间，每隔70年就要推迟1天。现在北半球夏季远日，冬季近日，夏季比冬季长8天。大约10000年后，就会变成冬季远日，夏季近日，冬季反而会比夏季长8天。就是说，不太冷而且短促的冬季，将会变成寒冷而漫长的冬季。

地轨倾斜又称黄赤交角，是地球上产生四季的原因。地轨倾斜度的变化，会导致回归线和极圈的纬度发生变化，从而改变地球上的季节。地轨倾斜使回归线在纬度22.1°～22.4°之间变化，使极圈在67.9°～65.76°之间变化。变动的时间周期41000年。地轨倾斜度增大时，回归线纬度升高，极圈纬度降低，高纬度的年太阳辐射总量增加，冬寒夏热、气温年较差增大，低纬度的年太阳辐射总量减少。地轨倾斜度减少时，高纬度冬暖夏凉，气温年较差减少，夏季温度低更有利于冰川发展。

3、第四纪的气候事件有哪些？

第四纪时，地球气候出现过多次冷暖变化，240万年以来至少经历了24个气候旋回。晚新生代冰期开始于距今1400～ 1100 万年前，但在第四纪才出现冰期和间冰期的明显交替。冰期极盛时，北半球高纬地区形成大陆冰盖，格陵兰冰盖覆盖了格陵兰和冰岛，劳伦大冰盖掩埋了整个加拿大，并向南延伸至纽约、辛辛那提一带。欧洲将近一半被斯堪的纳维亚冰盖覆盖。西伯利亚冰盖则占据了西伯利亚北部地区。

4、古气候恢复方法

在古地理分析中，古气候分析也占有很重要的地位，因为气候条件影响到各种地质作用及沉积物和沉积矿产的形成。特别是古气候的再造有助于发现和评价煤、铁、锰、铝土矿、盐类等矿产。确定古气候可采用化学的、古生物的及沉积学的方法，最能反映古气候的标志还是古植物及岩石矿物的特征。

2.7.1古生物标志

植物受气候的影响显著，阳光、热量和水对植物的生存有着重要的生态意义。喜光植物中机械组织发育较强，茎节短，叶较厚;生长于阴暗地方的植物具有较细薄和柔软的叶子，机械组织发育较弱，具有长节的干茎。炎热而潮湿的气候下生长的植物有一个特点，就是叶子很大但未分开，叶子上面盖着一层紧密的皮，尾端拖得很长。在缺乏季节性的炎热而潮湿的气候带，树木的年轮不明显;而在温带和在干燥季节与潮湿季节的交替带(热带草原型)，年轮则很明显。温带潮湿带的树木，树叶一般薄而细致，比较小，常常带有锯齿状的边。干燥地带的植物，常见叶子窄小，呈草状，有时变为刺，或者相反，叶子多汁，叶肉厚实，有时还有含大量水分的茎。根系发育很好是干燥气候的植物的特点。

整个古生代植物群(其中包括晚古生代的)曾是耐阴植物群，中生代的植物群已经是需要阳光了，新生代植物群在强的阳光下生长。潮湿的热气候促使植物繁茂生长，形成巨大木本植物群。潮湿的程度决定着植物群的生态类型和植物的形态解剖特点。过度潮湿地区的植物，一般来说，具有巨大的树干、宽阔的叶片、弱而浅的根部系统，通气组织高度发育以及有强烈的蒸发性能，而干旱地区生长的植物则相反。例如蕨类植物中的石松植物，现代的石松植物全为喜阴湿的草本，而在晚古生代，除了初期发展阶段以草本为主外，自晚泥盆世起小乔木就开始普遍发育，至石炭纪，在当时的热带区，都为高达几十米的乔木，生长于湿热的滨岸低地或沼泽中，以发达平展的根座固着，茎表面的通气组织发育;温带区的乔木，相对个体小。晚石炭世至二叠纪，地壳表面干旱环境渐增，鳞木目的有些种类，例如Sigillaria(封印木)就有相应的生态变异，茎相对粗短些，分枝减少。在中生代早、中三叠世普遍干旱的环境下，残留的木本石松肋木表现了最典型的旱生结构，其植物体向简化方向发展，茎干粗短，不分枝，叶数目减少而且上部弱化。显然，植物对气候的依赖关系在古气候中也显示出来了，所以利用古植物群的类型及植物的生态特征，可作为古气候的极好标志。

对古气候的再造来说，孢粉资料最为重要，因为某种程度上孢子和花粉比生长部分的植物化石保存得多，总体来说，能反映出古植物群落成分的特性。在一定的环境下，有一定的植物群落，就有相应的孢粉组合。如若在某一地层中发现大量的木兰树、樟树、山龙眼树及冬青树等亚热带和热带植物的花粉，则当时一定是湿热多雨的气候;反之，若在地层内发现大量麻黄、菊科、藜科的花粉，则说明当时是干旱少雨的大陆性气候。地层中有大量针叶树或冷杉的花粉，当时必然是处于高山环境，相反，出现大量水生植物如菱、睡莲等花粉时，当时的环境必然是湖泊、河流或沼泽。由于孢粉能传播得很远，不同地区的孢粉可能互相干扰，因此，必须详细统计各种属孢粉的百分含量，作出孢粉谱，找出其中优势的种属，才能更准确地反映古气候环境。

研究第四纪气候变化常采用“草原指数”(SI)这一概念，SI=草本植物孢粉/(草本植物孢粉+木本植物孢粉)。草本主要是寒带草原植物，冰期沉积时含量可达90%～100%，间冰期沉积则含量很少，而以温带木本植物(如橡树、松树)孢粉为主。用SI统计资料编制曲线可准确地反映第四纪古气候的变化(图2.36)，并可恢复冰期和间冰期的次数。

气候也能在海生动物群的多样性上造成极大的差异。从分类成分来看，温水中的生物界有时比冷水中的生物界丰富几十倍。例如，在印度尼西亚，海生动物约有40000种，在地中海约有8000种，而在高纬度地区往往只有400种左右。远洋的有孔虫在热带达20种，而在冷水中总共只有1～2种。但水域中动物的多样性还取决于盐度和其他一系列因素，不容易查明形成分类成分特点的真正原因。

图2.36 草原指数(SI)曲线(据许靖华，1979)

气候的差异往往可在近似型的动物的大小上反映出来(伯格曼或称伯氏定律)。体内具有稳定高温的温血动物(哺乳动物、鸟类)，在炎热气候中必须放出多余的热;而在寒冷气候中，则尽可能地保存体内热量。所以，温血动物在寒冷地区体积变大，而在炎热地区变小。因此，从高纬度地区到热带，可见温血动物的尾巴、耳朵、成对的肢体逐渐变长变大，从而放出热来。但是，例外也并不少见，因而给利用生物的上述特点进行古气候再造带来了困难。

冷血动物———爬行动物和两栖动物，具有相反的趋势。在热带，陆地上的这类动物的代表个体较大，在寒冷地区其个体相当小。这是因为，这些生物的体温高低决定于周围空气的温度。在寒冷气候下，生物躯体的个体小，但表面相当大，以便于吸取太阳热，也容易隐藏。在热带，温度条件最有利于冷血动物发展，所以陆生爬行及两栖动物在那里的种类最多，形体也最大。

水生动物身体的大小与气候环境的关系不太明显。此外，介壳的大小还可决定于另外一些因素，如水的盐度、动物栖息的深度、气体的动态、沉积物堆积速度等。看来，依靠生物化石的特点来查明古气候的性质是复杂而困难的。

2.7.2岩性特征

特殊岩石类型，如冰碛岩是寒冷气候的标志，蒸发岩是干旱炎热气候的标志，煤系地层是温暖潮湿气候的标志，海相的碳酸盐岩是温暖炎热气候的标志等。风化作用的产物是古气候指示物之一。潮湿炎热的气候条件下可形成红土堆积，铝土矿、锰和铁都是在潮湿气候条件下沉淀的。有利于高岭石形成的气候是潮湿的亚热带。

在古气候分析中，宜采用综合的岩性标志划分气候类型:以暗色碎屑岩为主，煤层及炭质泥、页岩广泛发育，黏土矿物以高岭石为主，大量出现菱铁矿、铝土矿及沉积锰矿的组合，是潮湿气候的可靠标志，沉积岩系中既不含石膏、石盐，又不含煤层、菱铁矿，黏土矿物以水云母、蒙脱石为主，红色岩层较为发育，是半干旱气候类型的标志;剖面中有煤层、煤线，黏土矿物多为高岭石，红色岩层缺乏或较少，是半潮湿气候的综合标志;边缘相带为红色沉积，向盆地内过渡为蒸发岩为主的沉积类型，则为干燥气候标志。图

2.37是以岩性标志恢复我国西北地区中—新生代古气候的例子。

2.7.3沉积构造标志

除了岩性特征以外，某些沉积构造特征亦可指明古气候。例如气候的变化可形成韵律的水平层理，典型的例子是缟状土(冰水湖沉积);又如某些潟湖或盐湖中含盐层可具有明显的“年层理”(或季节层理)，即硬石膏、石膏、黏土与岩盐交互成层。因此，季节层理可以作为周期性变化的古气候的良好标志。有时季节层理的水平纹层由不同的颜色显示出来，冬季的沉积物常表现为灰色，夏季的沉积物表现为褐色或红色。某些泥质岩或泥晶灰岩中的石盐假晶、干裂等，一般是干燥气候的标志;风棱石、沙漠漆、霜面等是沙漠干燥气候的标志。

2.7.4古地磁特征

古地磁方法是根据某些含磁性矿物(磁铁矿、赤铁矿、钛磁铁矿)的火山岩及沉积岩的剩余磁化强度(这种磁化强度是受岩石形成时期存在的地球磁场的影响而产生的)计算出古纬度位置的一种方法。确定古气候的因素最重要的要算古纬度了。关于古地磁法的研究可参考有关方面的专著。

在地质记录中有许多对气候敏感的沉积类型和生物群化石，这些通常被称为古气候标志。人们在很早以前就根据古气候标志在各地质历史时期分布的变化认为过去的地球表面也存在有气候分带，后来用古地磁方法计算的古纬度与古气候的分布基本吻合，进一步证明了上述认识的正确性。

图2.37 我国西北地区中—新生代古气候的演变示意(据华北石油学院主编《沉积岩石学》，1982)

古气候的分带主要是通过与目前气候标志的类比，按古气候标志推论的。古气候的再造曾有力地支持了大陆漂移和板块构造学说的建立，同时对于指导煤、盐类、铁、锰和铝土矿等矿产资源的勘探也有重要意义。

2.7.5古气候特征

在古气候标志中，最有价值的是碳酸盐岩、蒸发岩、红层和冰碛岩等，其次才是动(植)物群化石。

(1)碳酸盐岩

大规模的碳酸盐沉积现在主要产在温暖的浅水中，因此人们把碳酸盐岩作为温暖的热带、亚热带气候的标志，其中特别有意义的是礁，例如丰富的造礁珊瑚现在只分布在南、北纬度30°之间，水温大于21℃的水域中，因此可以作为最好的古气候标志之一。

(2)蒸发岩

蒸发岩形成在炎热、干燥的气候区。现代的盐岩和石膏沉积主要出现在纬度10°～45°间的干燥带内。现在大规模的海相蒸发岩少见，但是在过去，在位于干燥带内并与广海保持浅而狭窄连通的陆缘海中曾见到大规模的海相蒸发岩。

(3)红层

所谓红层是指颜色为红色和褐色的沉积岩，这种红的色调主要是铁镁矿物在原地经风化作用或早期成岩阶段形成的有色氧化物。典型的红层是在植物稀少、氧化作用较强的非海相环境中堆积的第一旋回的沉积物。红层中常常夹有蒸发岩，因此，认为红层反映的形成条件应是炎热干旱的气候。

(4)铝土矿

铝土矿是火成岩或红壤土风化的产物，它们或作为风化壳存在，或者被搬运到盆地中沉积，要求潮湿炎热的气候条件。铝土矿虽然在地质历史中时有时无，但分布却十分广泛，也是一种重要的古气候标志。

(5)煤

煤是由被埋藏的沼泽陆生植物转变而成的。因此所有的煤层都是潮湿气候的标志，至于纬度，可以从热带一直到温带。

(6)冰川作用痕迹

冰碛和与之伴生的擦痕底面和羊背石是寒冷气候的标志。冰川既可以出现在高纬度区，也可出现在其他纬度的山岳上。真正的大陆冰川产物是高纬度寒冷气候带的标志。因此，在古气候研究中，首先应区分大陆冰川与山岳冰川，然后再把大陆冰川与冰山漂运很远才沉积下来的冰海沉积产物区分开。

(7)风成砂

大片沙漠分布区是干燥带的标志，在现代地表南、北纬度15°～30°范围内的副热高压带及信风带存在有两条大型沙漠带。在大陆内部因高山阻挡，也可出现大片沙漠，因此要设法区分这些成因的沙漠。对古代沉积中的风成砂岩要测定其古风向，若是信风作用形成的沙漠，风向就可以指示其是位于赤道以南，还是位于赤道以北。

2.7.6古地磁纬度与古气候分带

2.7.6.1古地磁纬度研究

根据古地磁极计算出的古纬度对于解决古气候分带具有重要的意义。古地磁方法是根据某些含磁性矿物(磁铁矿、赤铁矿、钛铁矿)的火山岩及沉积岩的剩余磁化强度计算出古纬度位置的一种方法。假定地球的磁场既是偶极的，又是轴向的，那么某个时期的古地磁极也就是该时期的平均古地理极。因为地球接受的几乎全部是来自太阳的能量，所以确定古气候的因素最重要的或许就是古纬度了。古纬度一旦为人们了解得更好，就可以用来作为衡量其他古气候标志的标尺。

古地磁测值虽然不是非常精确，但是如果结合古气候的其他证据，确定出的古地磁极还是有重要意义的。

2.7.6.2古气候条件的分析

目前恢复沉积区古气候条件大致有以下一些途径:

(1)根据古生物及古生态

陆生植物群的分带性和分区性更为显著，如古生代的节蕨植物、石松植物，中生代的真蕨植物、苏铁植物;新生代的棕榈和樟树都是热带气候的指示性植物。应用孢子花粉再造古地理和恢复古气候是卓有成效的。剖面中旱生植物和喜湿水生植物各类孢粉百分含量的变化，可较好地反映古气候演变的规律。平面上由盆地边缘至内部，喜干植物的孢粉减少，水生喜湿的孢粉增加，围绕盆地呈环状分布。

(2)根据碳、氧稳定同位素

利用海水中氧的含量变化，判断各时期古水盆的绝对温度是一种行之有效的方法。利用碳、氧同位素综合判断水体盐度的公式是:

岩相古地理学

当Z＞120时，为海相石灰岩;当Z＜120时，为淡水石灰岩。如黄骅坳陷沙河街组一段碳酸盐岩的Z值最高为125.7，反映了海相特征。

(3)根据黄土及湖泊沉积

根据对第四纪冰川的研究，用古地磁确定时间，用孢粉恢复气候变化，尤以用湖泊纹层状淤泥沉积物所获效果最好。黄土剖面中许多风化层为间冰期产物，黄土层为冰期产物。由于用古地磁定时具准确性，用它来确定气象周期是有效的。

5、第四纪气候变化的证据

（一）生物证据

第四纪气候变化的生物证据主要来自各别种和一些种的共生组合，以及它们在时间和空间领域的分布和变化。用生物变化推定气候变化的理论基础是：个别生物的生态与环境的物理条件之间的关系是保持不变的；生物分布的变化，就意味着环境条件的变化，其中主要是气候条件的变化。

第四纪的化石共生组合给出了一种清晰的一般气候类型的指标。第四纪生物的共生组合与现时的一些生物组合颇为类似。根据第四纪生物化石和残骸的共生组合，可将第四纪时期的气候区分出大陆性和海洋性两种。大陆性又可分出湿热、温暖、干旱、半干旱、极地气候带。

第四纪更为详细的气候测定，需要了解生物各别种的生态习性以及决定着生物层、种分布的各种因素方面的现代知识。当这些因素在一定程度上为已知时，就可以根据各种的化石的产出，较详细地进行气候推定。

1.动物群证据　海洋沉积物中所含特殊有孔虫共生组合可以与海面温度和海面平均咸度联系起来，从而研究气候变化。

海洋沉积物中有孔虫的定量研究方法，导致了海洋大气关系的分类。这种方法主要用于含有孔虫和放射虫共生组合的海洋岩心中。当海水面的温度与海水面以上的空气温度平衡时，在含有有孔虫的化石浮游种Cocoolths和放射虫的沉积物中，就存在着温度变化的记录。无论是种的分布或产出的丰度，都反映出温度的变化。在岩心中动物群的变化，可以表现为各种方式。例如：改变温暖有孔虫（如Globortalia menardii）和寒冷有孔虫（如Globgerina Pachydrrma）的百分比值，及Globorolalia menardii的丰度改变等。定量生物学的研究，已从大西洋和加勒比海岩心中划分出了一个与一些气候阶段相当的生物带系。这对于第四纪气候历史，特别是对于北大西洋的第四纪气候历史，无疑是非常重要的。

海滨沉积物所含有孔虫和软体动物的定量古生物学的研究，业已揭示出第四纪温度和其他环境变化的细节。弗兰德里亚的最佳气候阶段，是根据北爱尔兰三角港的粘土动物群的研究提出来的。

其他动物群，如脊椎动物、昆虫类，特别是甲虫类和软体动物，都可以根据其种的形。念及分布的变化，证明更新世的气候变化。可以根据第四纪脊椎动物化石的骨骼对环境的适应性变化的单位面积内种的频度变化，来证明第四纪气候变迁。受某些植物群生长的控制，动物群分布的明显变化，也可以为区域气候变化提供证据。例如，马与草原的关系，就可以作为气候变化的依据。马分布的范围和频度与草原的出现和发展密切相关。一个植物区，都有自己的特殊动物群。变化小的动物，如陆地软体动物，可以作为局部气候的一种标志；但其共生组合，则可以示明气候的区域特点。例如，现时地中海出现Corbicula tluminalis和Belgramdia marginata示明该区域的气候变暖。

存在着推定生物与气候要素的关系的困难。例如，大犸猛象生活的气候条件，目前就尚不清楚，虽然根据其共生组合，一般被认为是一种寒冷气候的指标。

2.植物化石证据　第四纪孢粉的共生组合可以提供区域植物类型。第四纪区域植物类型如同现时植物区域类型一样，也能示明第四纪区域气候类型。每一种区域植物类型，都有适于其生长的特殊气候。这样就形成了植物气候区系。例如森林气候、草原气候、苔原气候、大陆和海洋植物气候等区系。例如，丹麦Viscam、Hedera和Ilex的孢粉频度，业已用来测定丹麦弗兰德利亚的气候。现实这些植物的开花和生长与气候变化有一定的联系。例如，Hedera的生长旺季为平均温度高于16—18℃的最暖月份，其正常生长的温度下限为1.5℃。因而可以根据第四纪Hedera的孢粉频度，推定第四纪气候的变迁。

大植物化石，对于推定第四纪古气候特别有用。水生植物对于区域气候是一种特别好的指标，因为它们生长的环境是比较一致的。

利用植物化石推定第四纪气候变化的困难在于：①一些植物的生态可以随气候条件变化而改变，而作为化石残留下来的一部分植物的形态却保持不变。②由于更新世气候的反复变化而使植物被迫多次迁移的某些生物的生态没有变化。③某些植物化石共生组合与气候标志有矛盾，例如混合指示寒冷和温暖气候的植物种，除去由于化石的次生沉积所产生的混合外，植物的混合还可以有许多其他解释。在变化的气候条件下，某些植物群的迁移较另一些植物群快。例如，水生植物较陆地植物迁移快。④植物和迁移较动物迁移慢，所以，在第四纪中，就存在着利用动物群化石和利用植物群化石推定气候变化的矛盾。⑤微气候变化也给利用植物化石解释第四纪气候变化带来困难。在一个大气候区内的不同微气候区内，可以出现植物的差异。⑥一些第四纪植物化石的种，现时业已灭绝。

Blytt-sernander方案挪威植物学家Adel Blytt根据泥碳沉积物和其中的树木层的研究，描述了在挪威植物群中的北极、亚北极、北海、大西洋、亚北海、亚大西洋成分。他以为这些成分在干期和湿期的交替过程中，按顺序进入挪威。干期（大陆气候期）包括北海期、亚北海期，以树木层作为标志、湿期（海洋期）包括大西洋期，以泥炭层的形成作为标志。Blytt方案由R.Sernander应用于瑞典并进行了修改。Sernander使北海、大西洋、亚北海和亚大西洋这些术语与波罗的海的分期联系起来，并使其广泛地用来表示弗兰德利亚（Flanderian）气候阶段的划分。以后，这些术语又与斯堪的纳维亚孢粉带联系起来。

（二）地质证据

1.沉积物

（1）冰川沉积物　无论是陆地的还是水中的冰川沉积物，虽然都是冰川作用的产物，但却不能证明气候变化的细节。第四纪冰川和冰楯的形成和分布，仅仅是气候变化的结果之一。这种变化的规模和时间，是不能用研究沉积物加以确定的。一方面是因为冰川作用在短时间内可以沉积巨厚的冰积物；另一方面是在一个漫长时间内，却可以没有产生冰积物。冰积物是一种受冰蚀作用和冰积作用控制的变数。然而，冰积物的区域分布，却可以在一定程度上说明气候。因为，冰积物分布界限，平行于现时雪线和夏季的等温线。这一点证明在冰积物沉积时期内，大气环流与现时是类似的。

（2）其他沉积物　第四纪其他非生物沉积物及生物沉积物，都可以证明气候，但它们时常是由局部环境因素所决定的。例如，泥流沉积物、泥炭沉积物就时常受到局部气候环境的控制，而不能严格地确定其气候意义。黄土堆积于现时的草原环境而不是堆积于潮湿环境，所以黄土一般是与干旱或半干旱的大陆性气候环境伴生的。但黄土中所含的粉砂，却可以是多种成因的。粉砂由风或其他介质再搬运和沉积并经过半干旱气候条件下的风化作用（黄土化作用）而形成黄土。在冰期内，粉砂的来源（例如来自外冲平原）是宽广的。在黄土动物群中，喜冷种的出现，证明黄土形成时的气候与冰期有联系。

第四纪古风成砂丘的方向，可以帮助估定风的主要方向，而砂丘构造则可以据以推定风环流的细节。

深海沉积物岩心的分析，可以据以分析季候风以及与冰川伴生的风的区域环流。

2.冰缘现象　冰缘现象具有明显的气候意义。冰缘冻结-融解构造可以证明穿过冻结点的温度变化，其中最明显的证据是构造变形剧烈的冰楔。泥流并非冰缘地带唯一的现象，但却是广泛发育于冰缘地带的一种现象。在冻结-融解层之下，存在着一个永久冻结层作为不透水层，以使融解层为水所饱和，并沿斜坡向下缓缓的流动（蠕动）。

我国华北、西北、内蒙和东北地区，广泛分布着冰积物，黄土堆积物和冰缘现象。已有许多文献解释了它们的气候意义，并用来划分第四纪地层。但对这个问题的意见还不一致，它们的性质及其对第四纪气候意义的解释，都还需要进一步研究。

（三）地貌证据

在一些内陆湖岸，分布着湖成阶地，说明在过去，湖水面曾较现时高。这一点可以证明以前降水量较大和蒸发量较小，以致产生湖涨。后者是内陆地区冰期中的现象。湖岸阶地系，说明冰期和间冰期的交替。但在根据湖涨和湖退现象说明第四纪气候变化时，需要与其他原因，例如，构造运动所引起的湖涨和湖退现象加以区分。

冰期和间冰期的交替引起海退和海侵，并从而形成海成阶地系。与海面下降和上升伴生的是一些大河系和大陆坡峡谷的间歇性地深切。

冰斗的分布，在局部雪线确定中很重要，因为它们在雪线的位置或在雪线附近形成。所以，一群冰斗底部的高度，指示着它们形成时的雪线。冰斗底与现时雪线之间的高差，可以证明在冰斗形成时的雪线降低幅度，并可据以计算第四纪冰期时的温度与现时的温度差。

（四）土壤

各种风化作用，特别是生物风化作用过程在母质（基岩或松散堆积物）的表层产生土壤。土壤发育过程取决于作为母质的岩石或沉积物的类型、气候、地形、植物和微生物的生长，以及土壤发育的时间。大的土类分布带（如黑土、棕壤、灰壤等）与气候和植物相关。所以，一种化石土壤和一个特殊土类带的鉴定，可以提供它们形成时期的气候和植物的资料。主要土类（植物）带以及与其相关的气候带如下：

1.灰壤（灰化土）　这种土发育在潮湿气候和自由排水区。在A层中具有灰色的由于淋溶作用所形成的淋滤1带；在B层中具有腐植酸向下搬运的氧化物堆积（图11-1）。植物一般为松杉针叶林。

2.棕壤　棕壤形成气候条件较之灰壤温暖和干旱。土壤中空气充足，并且干燥。所以，其A层主要不以淋滤作用为主，而是以氧化作用为主，有机物质快速被氧化，形成氧化物。腐植质较少，氧化物很少能被淋滤出来，绝大部分堆积于剖面中，但微弱的淋溶作用却能够使盐基被淋滤出来。其B层一般不清楚。土的颜色是由氧化铁和水解铁造成的。棕壤伴生的典型植物带是温带阔叶林。

3.黑钙土（黑土）　黑钙土形成于夏季较干旱、温暖，降雨主要集中在春、秋季节的大陆气候条件下。黑钙土的主要特点是在A层中富含有机质，底部含CaCO3；而在B层中，却没有CaCO3。降水不足以使盐基完全淋滤，而由于夏季较干旱所引起的地下水的毛细作用，却使A层以下的CaCO3向上迁移，在那里富集并形成结核（图11-2）。伴随这种土壤发育的自然植物是矮棵林原和草原植物。

图11-1　灰化土剖面

A0—腐植层；A1—淋滤层（含腐植质）A2—淋滤灰化层；B—沉积层；C—母质

图11-2　黑钙土剖面

A0—腐植层；A—淋滤层；B1—碳酸盐沉积层（含腐植质）；B2—沉积层（含腐植质）；C—母质

4.栗钙土　这种土产生于夏季温度高和降水量小的气候条件下，A层的腐植质少，CaCO3分布于整个剖面中。伴生植物为草原植物。

5.红土　红土产生于热夏季和温湿冬季气候条件下，其形成过程与棕壤相同，但在夏季却更为干旱的条件下形成。所以，这种土氧化作用更剧烈，其游离氧化铁的水解程度小，因而使这种土壤呈红色。

6.沙漠土　沙漠土是在气候干旱条件下形成的，由于地下水向上蒸发，并使溶解物质沉积于土层中。所以土层中常常富含碱金属或钙的碳酸盐类，并可在土的表面形成介壳或结核（钙核）。

用第四纪化石土壤解释气候有几个问题：第一个问题是化石土壤的鉴定。第二个问题是土壤中的富铁层或铁核、富碳酸盐层或其结核，可以由于土壤形成之后的气候环境变化引起。土壤中的富有机物层，也可以由于土壤形成后的沉积作用引起。第三个问题是化石土壤可以是一个时期改变着的气候的最终产物，但也可以是在其发展过程中，气候环境没有明显变化的产物。第四个问题是一种发育良好的化石土壤，可以表示其形成时期的一般气候条件。但第四纪堆积物中的化石土壤剖面却常常被割切或者被扰动，以致给鉴定造成困难。

与黄土伴生的化石土壤，由于它与第四纪气候变化以及与冰期、间冰期的密切关系而引起人们较多的注意。这种化石土壤的气候解释已用土壤薄片和伴生的软体动物群的研究加以提高。气候区的变化，可以改变土类，并且，大陆土壤的分布是不连续的，在一些地方可以缺失，所以，土壤的对比是困难的。由于黄土是一种比较连续的大陆堆积.所以，黄土中化石土壤在地区之间的土壤对比中，就占有重要位置。黄土及化石土壤中所含植物残骸（木炭）的放射年龄测定，使土壤的对比得到改善。

在冰碛层的上部，发育着一种被淋滤、被氧化的灰色粘土，称为“坚韧冰碛”。人们认为，“坚韧冰碛”是一种在间冰期中被改造的冰碛。这是一种形成于间冰期中排水不良环境下的土壤的B层。坚韧冰碛已成为第四纪冰期划分的一个主要标志，它代表间冰期。

泥炭表面的初生土壤（图11-3）。一些泥炭层表面发生腐植化和氧化，这是由于气候变干旱，泥炭生长缓慢或停止牛长所引起的。被腐植化和氧化的泥碳层是一种初生土壤。它是地区性气候变化引起沼泽的水文变化的结果。但沼泽水文变化，也可以是局部性的，例如，沼泽与周围水面关系的改变。所以，在使用泥炭改造表面的初生土壤解释第四纪气候时，需要注意这一点。

我国分布着上述各种类型的土壤，特别是黄土及其夹层中的古土壤，发育尤为良好。冰碛坚韧粘土和泥炭层分布也很广泛。但运用第四纪古土壤的研究资料以确定气候变化的工作、在我国进行得还不够深入。有必要加强这方面的工作。

（五）同位素测定

图11-3　沼泽土剖面

T—泥炭层；G—初生（潜育）上层；C—母质

存在于生物碳酸盐、有机物质和冰中的氢、碳和氧的同位素比例的变化，可以部分地取决于温度的改变。这样一些同位素成分的测定，可以了解它们形成时的温度。这类研究中、最成功的是在海生生物碳酸盐和冰中的氧同位素（16O18O）的研究，但其他一些可利用的陆地物质，如对湖成碳酸盐、动植物及其残骸的研究，也获得了很大的进展。例如，泥炭中H的浓度，在时间过程中，是随C的含量的增大而系统地减少的。因此，植物H的含量就与包括温度在内的气候有联系。在泥炭中H浓度的估定，具有古气候学的意义。

在冰中氧同位素的估定。18O/160测定已经用于格林兰和南极洲冰楯的铅心。冰中18O含量越少，温度也越低，结成冰的浓度也越大。所以，18O值的曲线，指示着冰形成时期的温度曲线。

海生生物碳酸盐中，氧同位素比值。存在于水生生物碳酸盐（有孔虫、软体动物介壳）中的氧同位素16O和18O的丰度，与这种碳酸盐形成时期内水中的这些氧同位素的丰度有联系。这些碳酸盐中18O/160的比值，随海洋水的温度而变化，并且取决于冰川的控制。所以，测定骨骼中CaCO的18O/16O，例如，深海连续岩心中有孔虫介壳中180/16O的测定，就可以推导出过去沉积物形成时期内温度的变化或海水同位素成分的变化。这种碳酸盐中同位素的比值用质谱仪加以测定。这种比值变化是很小的，温度下降1℃，18O相对于16O增大0.02%。

用这种方法推定古气候，多进行于深海洋碳酸盐物质内。因在浅海或内海中，18O/16O比值，可能由于其他干扰而有变化。但近来在内陆水体沉积物中，也进行了测定。并获得了成就。

同位素比值曲线的解释是建立在这样的理论基础之上的，即：这种同位素含量的变化是由温度变化和冰川控制的。在第四纪冰期中，海洋水被蒸发，以降雪的形式降落于大陆表面，并转变成为冰，冰被封固于大陆冰川和冰楯。由于H16O蒸发得较H18O快，所以，海洋中的16O相对地减少，18O相对地富集；而在冰川冰中则相反，16O相对地增多，18O相对地减少。经估定，18O/16O的变化，30%是由海洋温度变化引起的，70%是受到冰川控制的。所以，18O/160曲线，即是第四纪冰川消长曲线，也是温度变化曲线。但是，作为一种冰川消长曲线，它所反映的是地球表面整个冰体总量的变化，而不是任何一个特殊地区的冰川或冰楯的变化；作为一种古气候曲线，它证明第四纪内海洋表面水温度变化为4-7.5℃。这个数值较之利用其他方法所获得的数值小。

由于沉积物中的碳酸盐可以发生次生变化，沉积物钻芯采取常常不完整，所以，这种估定第四纪古气候的方法，仍有一些困难，不能估定气候变化的细节。但这些困难正在被克服。

（六）降水量变化

第四纪降水量的证据不如温度变化那样多。一般认为，第四纪时期内，中纬带和赤道附近湖泊的水面，高于现时水面，其原因是冰期中这些地区的气候变冷，使蒸发量降低，降水有较多的累积。

第四纪冰进和冰退都伴随着降水量的变化。在冰进早期，由于北半球反气旋由北极冰楯上空向南方运动，引起中纬和高纬地区降水量增大。而后，在冰期的最冷时期，由于在反气旋内，水蒸气少，而使降水量减少。所以，在一个冰期内，降水量随着冰进和冰退而变化。但无论降水量减小或增大，中纬和低纬带内由于气温降低所引起的蒸发量减小，都会引起湖水面的升高和咸度的降低；反之，在间冰期，则会引起湖面降低，湖水咸度升高。

（七）风

在冰期，由于冰川的产生，大气环流被加剧，由冰楯上空发生的反气旋持续地影响着中纬带和高纬带的带状环流，使风力增大。广泛分布的风成砂和黄土，说明了这一点。所以，可以根据第四纪堆积物中风积物的研究，以推定大气环流，进而推定第四纪气候。

（八）第四纪气候变化的结论

上述各种证据都说明第四纪发生过剧烈的气候变化。第四纪气候变化导致大陆冰川的大规模发生和消退。冰期和间冰期的温度差为8-15℃。地质、生物、冰缘现象等不同类型的证据，都只能由其本身证明气候变化，它们之间的确切对比是困难的。陆地古气候证据与海洋古气候证据联合起来，可以详细地划分冷期和暖期。陆地古气候证据，由于常常缺失或被剥蚀作用所破坏，只能确定冰期和间冰期的大轮廓，而连续的海洋证据，则可从详细地研究冷期和暖期。

6、第四纪气候变迁及其动力机制

一、名词解释

天气与气候，气候期，冰期与间冰期，末次间冰期、末次冰期、末次盛冰期、冰后期、小冰期，冰阶，间冰阶，Dansgaard⁃Oeschger 振荡（D⁃O 振荡），哈因里奇冰筏事件（H事件），新仙女木事件，广义小冰期，现代小冰期

二、填空题

1.第四纪冰川作用区的气候期可分为______和______；非冰川作用区的气候期可分为______和______。

2.米兰科维奇理论认为控制地球表面日射率的轨道参数有三个，即______、______和______。

3.在第四纪冰期，全球的五大冰盖有______、______、______、______和______。其中______和______两个冰盖的面积在冰期和间冰期之间变化最大。

4.全新世的气候期从早到晚可划分为______、______、______和______。

5.阿尔卑斯山地区在第四纪发育的6次冰期分别称为______、______、______、______、______和______。

6.中国东部的4次冰期分别称为______、______、______和______。最后一次冰期在全球范围内又称为______。

7.通常把______的时期称为间冰期。

8.在第四纪沉积物中，CaCO3的含量受降水的影响比较明显，可以把CaCO3含量增加作为气候向______变化的指标。

9.第四纪沉积物中，Rb/Sr比值越高，气温______。

三、简述题和论述题

1.简述第四纪气候波动的岩石学标志。

2.简述古冰斗估算古温度值的方法。

3.简述古冰楔对古气候的指示意义。

4.简述第四纪气候变化的地球化学标志。

5.简述第四纪气候变化的同位素地球化学标志。

6.简述第四纪更新世气候波动特征。

7.简述全新世气候特点。

8.试述氧同位素作为气候指标的基本原理及其意义。

9.论述第四纪气候研究的宏观标志。

10.论述第四纪气候研究的微观标志。

11.论述第四纪气候变化的动力因素。

12.在晚更新世存在哪些重要的气候波动事件？

13.什么是Milankovich假说？请评价其科学意义。

14.确定冰期和间冰期的主要依据有哪些？

7、第四纪古气候研究的意义？

第四纪科学研究证明过去气候变化具有不同驱动因素所导致的不同层次的周期性变化第四纪生物、地层与环境 研究中国西部晚新生代地层学和晚新生代古植物学，

8、第四纪地质学作业通过哪些方面的研究可以推断第四纪古气候特征

第四纪地质学(Quaternary geology)
第四纪地质学研究第四纪时期地质过程、环境演化、生物界演化及人类起源和发展学科地质学分支第四纪时间范围从上新世末(距今约 248万年)至今第四纪冰川广布、火山活动频繁、地势高差显著绝大部分沉积物没有固结成岩出现了人类第四纪新构造运动沉积物形成、环境气候变迁、动植物演替与今天人类经济活动密切相关第四纪地质研究对地质灾害预测和防治、国土整治、环境保护、工程建筑选址、第四纪矿产资源勘查等有重要意义

发展简史
第四纪地质作科学对象进行研究始于18世纪欧洲第四纪冰川沉积和古气候变化始终第四纪地质学研究主体其发展历史分 3阶段①初期阶段时间18世纪至19世纪末主要研究分布于基岩之上松散沉积物当时称漂积物认圣经上所说大洪水带来泥砂堆积而成19世纪初极地探险工作开展开始认识们能冰流搬运和堆积物质19世纪下半叶正式确定所谓漂积物冰流堆积并称第四纪冰河期②发展阶段指20世纪上半叶20世纪初德国A.彭克和E.布吕克纳研究阿尔卑斯山冰川沉积提出第四纪经历了 4次冰期概念概念推动了第四纪地质学发展世界各地相继建立了相应4次冰期国地质学家李四光于 30年代建立了国 4次冰期系统时期从世界各地第四纪地层发现了许多重要哺乳动物化石群和古人类化石对们研究仅促进了进化论发展也成划分第四纪地层重要依据与此同时许多学者对河流、湖泊、海滨、洞穴、火山、黄土和沙漠等开展了广泛研究第四纪地质学建立奠定了基础③成熟阶段第二次世界大战各种测定年轻地质年龄方法断完善古环境指标得确定对前少涉及地区深海、南极、北冰洋开展了大量调查1955年C.埃米利亚尼根据深海沉积氧同位素测定提出近30万年来曾发生7次冰期旋回,成第四纪研究新里程碑从而建立了第四纪气候变化新模式研究表明,240万年来地球至少经历了24气候旋回目前第四纪地质学开始进入全球对比和全球变化研究新阶段方面要实现各大陆和海洋第四纪地层及古气候记录对比另方面要把地球作整体研究岩石圈、水圈、生物圈、大气圈相互作用相互影响全过程预测未来环境和气候变化趋势些都标志着第四纪地质学已日渐成熟

研究内容
第四纪地质学主要包括下列研究内容:①新构造运动研究第四纪地壳运动类型、运动方式和速度、地震活动规律性及们与工程建设关系②沉积物形成与地层划分确定第四纪沉积物分布和成因、物质成分与特性、沉积环境等根据沉积物时代、沉积相和物质特征等进行地层划分和对比③矿产与其资源勘查第四纪时期形成贵重与稀有金属、非金属砂矿,金刚石、砂金、独居石、锆石等砂矿,及岩盐、石膏、泥炭等调查水利、草场、荒地、旅游风景区等各种资源④环境与气候变迁研究第四纪时期气候变化、环境变迁、海面升降等探索们变化原因并预测未来发展趋势⑤动植物演替研究第四纪沉积物保存各种生物化石尤其哺乳动物、软体动物、有孔虫、介形虫、孢粉等划分第四纪动物区系、动物群组合鉴别新生种属与某些种属绝灭了解植被发育与演变过程从而确定古环境历史第四纪地层划分提供依据⑥人类起源与演化通过研究古人类化石解剖特征追溯人类起源及演化历史研究古人类使用生产工具和其活动遗迹探讨劳动起源与人类文明发展过程进化论和辩证唯物主义提供科学依据

研究方法
第四纪地质学除采用地质学般研究方法外还应用同位素地质年代学方法放射性碳测定、热释光法、裂变经迹法、钾-氩法等精确测定第四纪地层和地质事件年龄通过哺乳动物化石、孢粉化石、软体及微体动物化石鉴定确定同时代、同地区动物群组合特征使用孢粉分析、氧同位素测定、古土壤类型划分等方法重建第四纪古环境及古气候变化历史利用古人类化石比较解剖学方法结合旧石器考古、新石器和历史考古学方法探索人类起源、演化和迁徙过程应用大地测量及定点观测方法研究新构造运动使用遥感遥测手段进行资源调查及环境监测

与其学科关系
第四纪地质学与许多相邻学科有密切关系例第四纪新构造运动和沉积相分析地质学、沉积学、地貌学基础第四纪地层划分需要应用地层学、古脊椎动物学、地质年代学理论和方法重建第四纪环境历史和古气候变化过程时需要运用气候学、气象学、天文学、孢粉学、土壤学、动植物学有关知识探索人类起源与演化时人类学、旧石器考古学、历史考古学方面研究缺少资源和矿产普查普遍应用矿物学、矿床学、地理学理论和遥感遥测技术