第四紀(jì)課3第四紀(jì)氣候演變與全球變化2012

2012年春季學(xué)期近代第四紀(jì)地質(zhì)與環(huán)境授課時(shí)間表課程編號(hào)S070900XJ006學(xué)分2課時(shí)40上課時(shí)間：每周二上午4節(jié)課8:00-11:40上課地點(diǎn)：玉泉路研究生院教學(xué)樓教一階教室(人文學(xué)院樓）,聯(lián)系人：尹小平電話：82998397email:劉嘉麒電話：82998203email:,近代第四紀(jì)地質(zhì)與環(huán)境劉嘉麒中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所北京100029liujq,第三講第四紀(jì)氣候環(huán)境與全球變化,一、主要?dú)夂蚴录?.冰期與間冰期2.末次間冰期3.末次冰期4.Heinrich事件5.Dansgaard-Oeschger旋回6.新仙女木事件7.冰后期及全新世冷事件8.小冰期,1.冰期與間冰期冰期是地質(zhì)歷史上出現(xiàn)大規(guī)模冰川的時(shí)期；間冰期是兩次冰期之間氣候變暖的時(shí)期。冰期時(shí)，冰川大規(guī)模擴(kuò)張或前進(jìn)；間冰期時(shí)，冰川消融后退。一個(gè)冰期與相鄰的間冰期組合一個(gè)冰川周期/氣候旋回。一個(gè)地區(qū)的冰期與間冰期是通過對(duì)地質(zhì)遺跡的鑒別對(duì)比確定的。為便于研究對(duì)比，科學(xué)家通常用地名命名冰期與間冰期，最先命名的就成為后來對(duì)比的依據(jù)。一般說來，冰期的氣候要比現(xiàn)在低37，降水量也比現(xiàn)在大。在地球史上最后一個(gè)大冰期第四紀(jì)冰期中，冰川最強(qiáng)盛時(shí)，全球32的陸地面積為冰川覆蓋，大量水分以固態(tài)停滯于大陸，海平面要比現(xiàn)在低130米。地球歷史上發(fā)生過多次冰期是客觀事實(shí)，但冰期的次數(shù)卻是一個(gè)還在爭論的問題。即使距我們最近的第四紀(jì)大冰期，從什么時(shí)期開始，不同地區(qū)是否同時(shí)開始，同一地區(qū)又有多少次冰川作用等，都存在著爭議。也正是這種科學(xué)上爭論，推動(dòng)了對(duì)古冰川作用的一代接一代地探索，也使我們今天對(duì)地球史上的氣候變化有了比較多的了解。,地球歷史上的三次大冰期在地球歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過三次大規(guī)模的冰川作用時(shí)期，即震旦紀(jì)大冰期、晚古生代大冰期和第四紀(jì)大冰期。震旦紀(jì)大冰期發(fā)生于8.55.7億年前的震旦紀(jì)，冰川最盛時(shí)覆蓋了亞洲、歐洲、美洲、大洋洲的許多地區(qū)，有的地方冰層厚達(dá)千米。我國宜昌的南沱冰磧層，是這次大冰期的典型剖面。晚古生代大冰期發(fā)生于3.52.3億年前的石炭一二疊紀(jì)，南半球的廣大地區(qū)，包括大洋洲的大部、南美洲巴西與阿根廷的大部、現(xiàn)在赤道非洲的民主剛果與烏干達(dá)以及熱帶的安哥拉與莫桑比克等，都為冰川所覆蓋。巴西圣保羅的冰川沉積的厚度超過了千米。當(dāng)時(shí)還處在南半球的印度，在這次大冰期中，也有13的面積被冰川覆蓋。,第四紀(jì)大冰期又稱第四紀(jì)冰期，發(fā)生在最近的300萬年期間。在這次大冰期冰川最盛時(shí)，極地與高緯度地區(qū)的冰蓋、中低緯度的山岳冰川都大規(guī)模擴(kuò)張，以致地球上32的陸地面積為冰川覆蓋（現(xiàn)代冰川面積只占全球陸地面積的10），不僅西北歐平原、東歐平原與北美平原被大面積冰川所占據(jù)，就是非洲的乞力馬扎羅山的冰川，也下降到比現(xiàn)在雪線低1500米的地方，我國的長江流域與黃河流域中下游的一些地方也有冰川分布。,第四紀(jì)大冰期歐洲為恭茲(Gunz)、民德(Mindel)、里斯(Riss)和武木(Wurm)四個(gè)冰期，但是後來的學(xué)者又在恭茲冰期的冰河沉積物中分出更老的多瑙(Donau)冰期；北美洲同步發(fā)生內(nèi)布拉斯加(Nebraska)、堪薩斯(Kansas)、伊利諾(Illinios)和威斯康辛(Wisconsin)冰期；中國在這一個(gè)時(shí)期裏發(fā)生鄱陽、大姑、廬山與大理四個(gè)冰期，和翻陽-大姑間冰期、大姑-廬山間冰期、廬山-大理間冰期。人們把武木期和大理期稱為末次冰期、末次冰以后的時(shí)期稱為冰后期。,第四紀(jì)冰期與間冰期記錄第四紀(jì)氣候的主要特征是冰期與間冰期交替發(fā)生。該時(shí)期包含有多個(gè)冰期-間冰期旋回，在深海沉積物、黃土-古土壤序列和冰芯中都有很好的記錄。深海沉積物記錄，Imbrie（1972）等將幾個(gè)鉆孔的氧同位素曲線結(jié)合在一起，大致以V28-238為基礎(chǔ)，根據(jù)軌道調(diào)整的原則，建立了一個(gè)綜合性的布容期時(shí)間標(biāo)尺和一條綜合性的氧同位素曲線，將布容期即0.78MaBP劃分為19個(gè)階段，9個(gè)氣候旋回。這個(gè)時(shí)期的氣候旋回以100ka周期為主，松山期的氣候旋回則以41ka周期為主。黃土記錄，中國的離石黃土、午城黃土各有18層古土壤，加上全新世形成的土壤S0，共有37層古土壤；與此相對(duì)應(yīng)的是37層黃土。每一層黃土-古土壤代表一個(gè)冰期-間冰期旋回，這樣，中國黃土-古土壤序列2.6Ma以來共記錄了37個(gè)冰期-間冰期旋回。其中2.6-1.5MaBP共有10個(gè)黃土-古土壤組合（S23-L33）,氣候旋回以100ka為主周期，1.5-0.8MaBP共有15個(gè)黃土-古土壤組合（S9-L23）,氣候旋回以41ka為主周期；0.8MaBP至今共有12個(gè)黃土-古土壤組合,氣候旋回又以100ka為主周期（丁仲禮等，1989）。,直立人,現(xiàn)代人,南方古猿,周口店猿人,藍(lán)田猿人,能人,（巫山人）,中國黃土地層和石器古人類的對(duì)比,廬山冰期廬山位于江西省北部，東經(jīng)11505211608，北緯2902629041，地處東亞亞熱帶季風(fēng)區(qū)，面積302平方公里，北瀕長江，南襟鄱陽湖，大江、大湖、大山渾然一體，險(xiǎn)峻與秀麗剛?cè)嵯酀?jì)，素以“雄、奇、險(xiǎn)、秀”聞名于世。,西方學(xué)者曾斷言中國無第四紀(jì)冰川。李四光先生卻加以否定，他在廬山發(fā)現(xiàn)了眾多的第四紀(jì)冰川遺跡，如大坳冰斗、蘆林冰窖、王家坡U形谷、犁頭尖角峰、含鄱嶺刃脊、金竹坪冰坡、,蓮花臺(tái)“冰桌”“飛來石”，實(shí)為冰川漂礫。底層巨石長8.9米，寬6.1米，高4.5米。,金錠山冰川漂礫，是與當(dāng)?shù)貛r石毫不相同的巨礫。長軸達(dá)8米，來自廬山，搬運(yùn)距離達(dá)10公里之遙。,羊背石、冰川條痕石等，并認(rèn)定廬山眾多奇特的地貌景觀是第四紀(jì)冰川雕琢的“杰作”。他的冰期之廬山奠定了中國第四紀(jì)冰川學(xué)說。,混雜堆積,冰芯記錄，1998年，美、法和俄三國在南極的東方站（Vostok）鉆探得到了3623米的冰芯。由于火山灰層顯示在3310米以下冰芯已經(jīng)擾動(dòng)，所以只取該冰芯3310米以上部分的數(shù)據(jù)。經(jīng)計(jì)算得出3310米處年齡為423ka，覆蓋了4個(gè)冰期-間冰期旋回（Petitetal.,1999）?？傮w上，冰期間冰期溫度相差約12（表面水平），后兩個(gè)旋回比前兩個(gè)旋回歷時(shí)要長。,-89.00C,格陵蘭冰心項(xiàng)目GreenlandIceSheetProject,冰心包含比其它自然記錄更豐富的氣候信息：溫度、降水量、大氣圈下部的化學(xué)和氣體成分、火山噴發(fā)記錄、太陽輻照率變化和海平面變化等，其時(shí)間可追縮到過去的幾百年到幾萬年。,格陵蘭冰心,110000yearrecordsGISP23053.44m(72.6N,38.5W,3200ma.s.l.),July11993.USAGISP3028.8m,30KmwestofGISP21992,Europeancompanion,2.末次間冰期關(guān)于末次間冰期的定義有兩種意見，一種是相當(dāng)于深海氧同位素曲線5期，跨越時(shí)段約為130-74kaBP；另一種是只相當(dāng)于深海氧同位素曲線5e期，其時(shí)段約為127-116kaBP（Larsenetal.,1995）。不過在緯度較高地區(qū)，只有5e段表現(xiàn)出明顯的氣候變暖，所以末次間冰期在歐洲指Eemian，在北美為Sangamon,而將5a-5d劃為早Weichsel，即末次冰期早期（Dansgaardetal.,1993）。聶高眾等（1996）根據(jù)渭南黃土剖面古土壤的發(fā)育狀況及年齡測定結(jié)果，認(rèn)為S1發(fā)育的時(shí)期為末次間冰期，開始于128.8kaBP，結(jié)束于73-74kaBP。末次間冰期是近150ka來全球最暖的時(shí)期，整體的氣候狀況與全新世間冰期相似。根據(jù)Summit的（GRIP和GISP2）冰芯記錄，Eemian的時(shí)段為133-114kaBP，持續(xù)約20ka。有3個(gè)明顯的暖階，5e1、5e3、5e5；2個(gè)冷階，5e2、5e4，分別持續(xù)2ka和6ka。據(jù)氧同位素推算Eemian的暖階至少比氣候最適宜期要高2，冷階比全新世的低5（GRIPMembers,1993）。,3.末次冰期與末次冰盛期末次冰期在加拿大和美國被稱為Wisconsin，在西歐稱Weichsel，在英國稱Devensian，在阿爾卑斯稱Wrm。末次冰期對(duì)應(yīng)于氧同位素2-4段，約74-10kaBP；在歐洲通常被劃分為2個(gè)亞期：早期對(duì)應(yīng)于MIS5a-5d段，約117-74kaBP；晚期對(duì)應(yīng)于MIS2-4段，約74-10kaBP（Dansgaardetal.,1993）。也有人將末次冰期劃分為三個(gè)亞期：早期對(duì)應(yīng)于MIS5a-5d段，約117-74kaBP；中期對(duì)應(yīng)于MIS3-4段，約74-24kaBP；晚期對(duì)應(yīng)于MIS2段，約24-10kaBP（Williamsetal.,1993）。末次冰盛期（LGM）從嚴(yán)格意義上講是指最近一次冰蓋體積最大的時(shí)期，并不一定是最近一次溫度最低的時(shí)期，日歷年齡約為21-18kaBP（Bard,1999）。聶高眾等（1996）根據(jù)黃土粒度曲線認(rèn)為LGM約在20-18kaBP。末次冰期向全新世過渡期又稱晚冰期，包括老仙女木期（OldestDryas）、Bolling暖期、中仙女木期（OlderDryas，）、Aller暖期和新仙女木期（YoungerDryas）。,4.Heinrich事件Heinrich（1988）研究發(fā)現(xiàn)，末次冰期北大西洋深海沉積物巖芯中常包含數(shù)層（一般為六層）陸源冰漂礫含量增多的沉積物，其原因不明，直到Bondetal.(1992，1993)在北大西洋其它鉆孔中也發(fā)現(xiàn)類似的沉積，并揭示出這些事件伴隨有海面溫度和鹽度降低，有孔蟲數(shù)量急劇減少，才引起學(xué)術(shù)界的足夠重視。Heinrich事件以北大西洋發(fā)生大規(guī)模冰川漂移事件為標(biāo)志，代表大規(guī)模冰山涌進(jìn)的氣候效應(yīng)而產(chǎn)生的快速變冷事件（Bond,1993;Andrews,1998）。在整個(gè)末次冰期氣候背景下，北大西洋共發(fā)生了6次強(qiáng)烈的冰川漂移事件，即代表發(fā)生6次大的Heinrich事件，其時(shí)代依次為60、50、35.9、30.1、24.1和16.8kaBP(Bondetal.,1993,1997)。根據(jù)格陵蘭的冰芯記錄，幾次大的Heinrich事件使大氣溫度在冰期氣候條件下又降低36(Mayewskietal.,1997)。這些事件基本上以510ka為周期，持續(xù)的時(shí)間為2002000年（Elliotetal.,1998）；Dowdeswelletal.(1995)則認(rèn)為，Heinrich事件每713ka發(fā)生一次，持續(xù)的時(shí)間為100500年，沉積物大部分分布在40-55oN之間。這種短時(shí)間氣候變冷現(xiàn)象在佛羅里達(dá)的湖泊沉積物中以及中國的黃土中都有記錄，說明Heinrich事件可能是末次冰期北半球普遍的氣候事件。,5.Dansgaard-Oeschger(D-O）事件對(duì)格陵蘭冰芯的研究發(fā)現(xiàn)，末次冰期內(nèi)該地區(qū)的氣候發(fā)生了一系列千年級(jí)的快速的、大幅度的冷暖變化事件，即Dansgaard-Oeschger事件，也稱Dansgaard-Oeschger旋回（D-O），即每一個(gè)暖期之后緊接著是一個(gè)冷期，氣溫可在短短幾十年內(nèi)變動(dòng)，年均變化幅度為57，周期為13ka；在11514kaBP共出現(xiàn)了24個(gè)旋回，每個(gè)旋回開始只需數(shù)十年甚至更少的時(shí)間，持續(xù)數(shù)百年至2000年，平均持續(xù)約1500年（Dansgaardetal.,1993;Bondetal.,1997；Mayewskietal.,1997）。,6.新仙女木事件（YoungerDryas）新仙女木事件（YD）是末次冰期向全新世過渡的急劇升溫過程中最后一次快速降溫變冷事件，它以丹麥Allerod冰緣沉積物中發(fā)現(xiàn)的北極苔原植物仙女木（DryasOctopetala）命名，是迄今在冰芯、陸地和海洋沉積物的古氣候記錄中研究最為詳細(xì)的一次快速氣候變冷事件。,仙女木,YD,Broeckeretal.(1988)認(rèn)為YD界于1110kaBP之間；Dansgaardetal.(1989）通過對(duì)格陵蘭冰芯的氧同位素和灰塵濃度曲線研究認(rèn)為YD在10,720150aBP突然結(jié)束，在不到20年的時(shí)期內(nèi)，北大西洋地區(qū)的氣候變得溫和，冰層消退，雨量增加；約50年的時(shí)間，格陵蘭南部增溫7；Mayewski（1995)認(rèn)為YD持續(xù)13001150年，然后約十年之內(nèi)突然結(jié)束；Bondetal.(1997)標(biāo)定的日歷年界限是12.911.5kaBP，峰值在12.2kaBP；Litt等（1999）根據(jù)歐洲湖泊沉積物紋層和孢粉研究確定的年代為12.68011.590ka。,AproposalfortheGlobalStratotypeSectionandPoint(GSSP)forthebaseoftheHoloceneSeries/Epoch(QuaternarySystem/Period)AbstractTheGreenlandicecorefromNorthGRIP(NGRIP)containsaproxyclimaterecordacrossthePleistocene-Holoceneboundaryofunprecedentedclarityandresolution.AnalysisofanarrayofphysicalandchemicalparameterswithintheiceenablesthebaseoftheHolocene,asreflectedinthefirstsignsofclimaticwarmingattheendoftheYoungerDryas/GreenlandStadial1coldphase,tobelocatedwithahighdegreeofprecision.Thisclimaticeventismostclearlyreflectedinanabruptshiftindeuteriumexcessvalues,followedbymoregradualchangesin18O,dustconcentration,arangeofchemicalspecies,andannuallayerthickness.Atimescalebasedonmultiparameterannuallayercountingprovidesanageof11,700yrb2k(beforeAD2000)forthebaseoftheHolocene,withanestimated2errorof99yr.ItisproposedthatanarchivedcorefromthisuniquesequenceshouldconstitutetheGlobalStratotypeSectionandPoint(GSSPforthebaseoftheHoloceneSeries/Epoch(QuaternarySystem/Period).FiveparastratotypesforthePleistocene-Holoceneboundaryarealsodescribed.,7.冰后期全新世是第四紀(jì)最近一次冰川消融期，又稱冰后期，也有人認(rèn)為是一次新的間冰期。其時(shí)段約為1.2kaBP至今，對(duì)應(yīng)于深海氧同位素1段，其氣候經(jīng)歷了升溫期、高溫期和降溫期這樣一個(gè)完整的間冰期氣候變化過程。Post（1946）把冰后期細(xì)分為三個(gè)階段：第一階段以日益溫暖為特征，第二階段氣候最溫暖，第三階段氣溫下降；Antevs（1953）把全新世氣候期正式命名為：階段變暖期（anothermal），階段高溫期(altithermal)，階段稍變冷期(medithermal)。,Bond等（1997）的研究表明，全新世有9次冷事件，由近及遠(yuǎn)編號(hào)0-8,出現(xiàn)于0.4、1.4、2.8、4.2、5.9、8.1、9.4、10.3及11.1kaBP；從早全新世到晚全新世逐一分析9次冷事件出現(xiàn)的時(shí)間和對(duì)氣候的影響，發(fā)現(xiàn)與冷事件對(duì)應(yīng)的氣候異常主要表現(xiàn)為北半球高緯寒冷、低緯亞非季風(fēng)區(qū)干旱；也有跡象表明出現(xiàn)冷事件時(shí)西-中歐及北美北部氣候濕潤。這些冷事件一般僅維持100-200a，而且開始及結(jié)束多在較短時(shí)間內(nèi)完成，所以也稱為氣候突變或快速氣候變化；由于其發(fā)生頻率在1.0-1.5ka之間，也有人稱為千年尺度氣候震蕩。其成因：早全新世，融冰淡水脈沖作用可能有重要影響；中-晚全新世，太陽活動(dòng)減弱可能是主要原因，但不排除有氣候系統(tǒng)內(nèi)部振蕩的影響。發(fā)生冷事件時(shí)，北大西洋表層為融冰淡水控制，抑制了北大西洋深水（NADW）的形成，使北大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)流（MeridionalOverturningCirculation,MOC）的強(qiáng)度減弱，向北輸送的熱量大為減少，進(jìn)而對(duì)大西洋兩岸的氣候有重要影響，并且可能通過大氣環(huán)流和海洋環(huán)流影響到世界其他地區(qū)。,紅線表示5個(gè)階段；灰色部分表示冷事件共劃分為5個(gè)階段：1（14-11.4ka）；2（11.4-9.07ka）；3（9.05-4.2ka）；4（4.2-1.67ka）；5（1.67ka至今）其中冷事件為12.2-11.4ka；10.75-10.4ka；9.4-9.07ka；8.5-8.2ka；7.8-7.4ka；4.6-4.2ka；3.7-3.25ka；2-1.67ka；0.3ka至今,吉林省二龍灣瑪珥湖沉積物14kaBP來的氣候記錄,8.小冰期小冰期的名稱是Matthes在1939年提出來的，當(dāng)時(shí)是在廣義上應(yīng)用這個(gè)名詞泛指氣候最適宜期之后，大約從2kaBP開始的冷期。后來愈來愈多的學(xué)者把廣義的冷期稱為新冰期，而小冰期則專指近數(shù)百年中出現(xiàn)的冷期。對(duì)于小冰期的開始時(shí)間，有的認(rèn)為從16世紀(jì)開始，例如1550年；也有的認(rèn)為從13世紀(jì)開始，例如1250年；而結(jié)束時(shí)間則幾乎所有學(xué)者都同意在1850年前后。王紹武(1995)分析了不同作者的研究結(jié)果，認(rèn)為17及19世紀(jì)的冷期是普遍存在的，12世紀(jì)前半，13世紀(jì)后半紀(jì)及15世紀(jì)后半紀(jì)的冷期相對(duì)較弱，只出現(xiàn)在部分地區(qū)。這三個(gè)冷期可以看作是從中世紀(jì)暖期向小冰期的過渡，小冰期為1600-1700年。,米蘭柯維奇認(rèn)為第四紀(jì)冰期-間冰期氣候變化受地球軌道變化制約.地球軌道偏心率、地軸傾角和歲差的周期性變化影響地球接受太陽輻射的總量和太陽能量在不同緯度和季節(jié)的分配。季節(jié)性的太陽光線在高緯度的變化，可以降低夏天的溫度,導(dǎo)致冰川的增大，冰期的到來。軌道的變化在中緯度和高緯度會(huì)導(dǎo)致冷與暖的交替出現(xiàn)。Berger計(jì)算寒冷期和第四紀(jì)冰川發(fā)育冰期相吻，所以他的結(jié)論是地球軌道的變化導(dǎo)致第四紀(jì)冰期的出現(xiàn)。不過,僅是軌道變化本身不能導(dǎo)致冰川的前進(jìn)或后退。軌道周期引起的地球系統(tǒng)的其他方面的變化則能導(dǎo)致并增加變冷的情形；有人研究認(rèn)為，高緯度氣候寒冷導(dǎo)致大面積森林消失，使太陽到達(dá)地球的能量被反射,致使地球變冷,冰期出現(xiàn)。,9.米蘭柯維奇假說,偏心率,地軸傾角,歲差,10.全新世問題,11.氣候變化趨勢,二、全