第四纪气候及海平面变化

教学目的：

主要讲述第四纪气候的总体演变特征；更新世气候变化的地质记录；第四纪世界气候的变化规律及第四纪海平面变化的总体规律及其与第四纪气候变化的关系。

教学重点和难点：

重点掌握第四纪气候的总体演变特征；第四纪世界气候的变化规律，第四纪海平面变化的总体规律及其与第四纪气候变化的关系；难点是海岸地区地质记录中如何区分是新构造运动还是海平面引起的升降。

主要教学内容及要求：

1. 了解更新世气候变化的地质记录； 2. 了解第四纪世界气候的变化规律； 3. 理解中国第四纪气候演化的基本特点；

4. 掌握第四纪海平面变化的总体规律及其与第四纪气候变化的关系。

第四纪是一个气候变化非常剧烈的地质时代，学习和研究第四纪的气候特征及其变化规律对认识地球的气候演化是非常重要的。同时，由于第四纪是距今最近的一个地质时代，今 天的气候就是第四纪气候的延续，因此，学习和研究第四纪的气候特征及其变化规律，对认 识今天的气候，预测未来的气候变化，具有重要的实际意义。

3.1 前第四纪气候变化概述

一、地球的五次大冰期

地球已经历了46亿年历史，根据已有研究发现，在其发展的历史长河中曾经历用于全新世高分辩率研究的石笋及样本。 三次大冰期，即：

早元古代冰期约2.3 GaBP 石炭纪-二叠纪冰期约300 MaBP 第四纪冰期约3 MaBP

其中对人类生存环境影响最大的是第四纪冰期，这也正是本课程所要讲述的。 二、第四纪冰期发生的背景

第四纪冰期是在中生代高温和新生代第三纪缓慢降温的基础上突然发生的。 3.2 第四纪气候变化

一、第四纪气候标志研究

分为宏观气候标志和微观气候标志两类 1、宏观气候标志

宏观气候标志也称直接气候标志，通过其可直接确定出气候的类型和特征。宏观气候标志

可分为三类：

(1）沉积物气候标志

由于不同气候环境形成不同的成因类型，因而沉积物成因类型可用来反映沉积时古

气候状况， 具体可见下表：

第四纪主要沉积物成因类型气候标志表

冰碛物，冰水沉积物，冻融堆积物，冰川漂砾，深海沉积物，冰寒冷（或冰期）沉积物 岩及其尘土含量，喜冷生物岩石层，寒冻风化角砾，寒冻洞穴角 砾 红粘土风化壳，珊瑚堆积，石灰华，石钟乳，古土壤，河、湖、温暖（或间冰期沉积物） 沼泽沉积物，喜暖生物岩层 干旱、半干旱气候沉积风成沙，黄土，岩类沉积物，大规模洪积物，温差风化碎石 物

（2）地貌气候标志

由于地貌形态是内外动力共同作用的结果，外力主要受控于气候条件。所以地貌类 型也是气候标志的一个重要方面。 如:

冰川、冻土地貌——寒冷气候 岩溶、河流、湖泊地貌——温暖气候 风蚀、风积地貌——干旱气候

（3）生物气候标志

第四纪生物绝大多数为现生种类亚种，因此,可以利用化石组合中的现代相似种的生存条件,来推测化石埋藏时的古气候与古环境。 用于第四纪古气候研究的主要生物化石有： A、植物化石

植物是陆地上最敏感的气候标志。可通过以下分析获取气候信息： a、生态分析 b、叶片形态分析 c、孢子花粉分析 d、年轮分析 B、哺乳动物化石

一定气候环境生活着与其相适应的生物群，从第四纪地层中所含的哺乳动物化 石的成分、种属的比例就可分析其生态环境。 如： 寒冷：猛犸象、披毛犀、北极狐动物群 温暖：河马、亚洲象、大熊猫、犀牛 半干旱（草原环境）：啮齿类、草食动物 C、海生软体动物化石、珊瑚化石

典型种属法： 冰岛北极蛤（冷水种），牡蛎（温水种） 组合比较法： 根据生物化石反映的纬度变化来推测气候的变化 珊瑚化石： 水温13~16度，水深<40~60m，是良好环境的指示计 D、其他微体动物化石

窄温性示冷示暖有孔虫常用于第四纪海洋古气候的分析。如： 喜冷：Hyalina balthca(饰带透明虫〕 喜暖：Globorotalia menardii(门氏元球虫） 2、微观气候标志

由于微观气候标志存在的广泛性，在古气候研究中越来越引起人们的关注。目前比较成 熟和常用的微观气候标志主要有以下几种： （1）氧同位素

冰期环境: 海洋沉积物中 O18/O16——高 极地冰盖中 O18/O16——低

（2）粘粒分子率（SiO2/Al2O3、SiO2/Fe2O3） 比值低——湿热，比值高——干冷 （3）CaCO3含量

冰期——CaCO3高，间冰期——CaCO3低 （4）磁化率

一般地：磁化率大——温湿，磁化率小——干冷 （5）粘土矿物

一般地：高岭土——湿热，伊利石——干冷 二、第四纪气候变化的特征 1、几个基本概念

冰 期－－－第四纪时期全球性的降温期，此期内发生大规模的冰川活动，在大陆冰川 作用区，大陆冰川从高纬向中纬扩大，引起生物群从极地向赤道迁移，在 高山区，高山上部的山岳冰川向山下或向山外围扩大，生物群垂直分带向 下迁移。

间冰期－－－两次冰期之间全球性的增温期，地表大量的冰雪消融以致消失，大陆冰川 消失或向高纬后退，高山区由山下向山上后退，但有大量的新生种产生。 冰 阶－－－冰期中的冰川发育阶段。

间冰阶－－－冰期中一次相对温暖的气候寒冷阶段。

2、冰川作用区的气候变化

冰川作用区是指第四纪时期受到古冰川的侵扰和扫荡的地区，一般是35°N以北的中高纬 地区和高山地区经过。

研究最早也是最经典的地区是阿尔卑斯地区。德国的A.Penker.bulukenier,1909年对该区进行了研究，根据寒冷和温暖气候所造成的地貌和沉积物的交替出现划分了4次冰期。 从而建立了第一个第四纪气候演化方案。即： 贡兹冰期（G） 贡兹－－民德间冰期（G－M） 民德冰期（M） 民德－里斯间冰期（M－R） 里斯冰期（R）

阿尔卑斯地区的研究成果推动了全世界第四纪古冰川的研究，欧洲、北美、亚洲等

地相继发现了古冰川。我国李四光教授也在庐山发现了古冰川遗迹，并进行了冰期划分。世界各地划分的冰期与阿尔卑斯地区有较好对比（见下表），反映了气候变化的全球性特点。

3、深海沉积物的多波动气候旋回

深海沉积环境宁静，沉积过程比较连续，比陆地上更完整地记录了第四纪气候变化历史。海洋沉积车在10～10mm／ka间，干旱区较小，温润区较大，一般生物扰动很少，厚几米至几十米的深海沉积物可以记录下第四纪全部气候变化历史。现在全球海区已施工钻孔数 以千计，为第四纪气候变化史研究提供了有利的条件。目前，已获得多条深海氧同位素气 候曲线，而它们又是可以对比的。这是目前人们获得的最为理想的第四纪气候变化曲线。

极阿尔卑斯山 北欧 北美 西伯利亚 性 冰后期 冰后期 冰后期 冰后期 玉木冰期 魏克塞尔冰期 威 斯康星冰期 赞卡冰期 里斯－玉木间埃姆间冰期 桑加蒙间冰期 间冰期 期 B 萨马诺夫冰里斯冰期 萨勒冰期 伊利诺冰期 期 中国 备注 冰后期 大理冰期 末次冰期 庐山－大末次间冰期 理间冰期 庐山冰期 大姑－庐 山间冰期 大姑冰期 鄱阳－大姑间冰期 鄱阳冰期 民德－里斯间霍尔斯坦间冰 雅蒙斯间冰期 期 期 民德冰期 艾尔斯坦冰期 堪萨斯冰期 恭兹－民德间克罗默暖期 阿夫唐间冰期 冰期 恭兹冰期 门纳帕冰期 M 多瑙－恭兹冰沃林暖期 期 内布拉斯加冰多瑙冰期 伊布龙冷期 期 蒂格林暖期 拜伯冰期 前蒂格林冷期 （更老冰期） 气候变化历史。现在全球海区已施工钻孔数 以千计，为第四纪气候变化史研究提供了有

在众多曲线中，以V28—238和V23—239孔曲线最为完整。位于太平洋近赤道海域水下3000m多的V28—238(01oN，160o29′ E)和V23—239(3o1 5N，159o11′E)2个深海钻孔试样的有孔虫壳δ18O曲线在布容正极时的0.7Ma内反映

的冷（或冰期）、暖（或间冰期）气候波动情况类似：在布容正极时(0.73Ma BP)以前气候波动频繁而幅度较小，布容正极性时内气候波动幅度较大而更有规律。如V28－238孔岩芯长16m，用14C法、铀系法、古地磁法和沉积率外推法划分氧同位素边界年龄(图10-12)，在孔深12.4m内记录了0.73Ma BP以来8个半由暖(奇数阶段)到冷(偶数阶段)组成的气候旋回(从A –I，B为复杂旋回，A为半旋回)。

δ18O气候曲线呈不对称锯齿状，显示降温和冰雪积累过程较长，升温和冰雪消融过程较快。冰期持续时间最长67ka，最短为11ka；间冰期最短为18ka，最长为71ka。近0.73Ma内有明显的准l00ka气候变化周期。深海沉积物反映的多波动气候旋回模式不同于经典的阿尔卑斯冰期方案，前者的连续性较好，后者的地层间断多，且难以估计，所以太平洋V28- 238和V23-239等孔气候曲线可作为海陆气候对比的标准孔，但应慎重。因为，无论海陆气 候曲线多因使用的气候标志不同而有“长”、“短”气候年表差异。

中国黄土的多波动气候旋回

刘东生等通过数十年对黄土高原黄土研究，以陕西洛川剖面的黄土－古土壤序列为基础，利用多种宏观和微观气候标志，建立了2.4Ma以来的气候曲线（图10－24），发现了10个时间尺度较大的温湿和干冷的多波动气候旋回，并可与深海氧同位素曲线对，首先了气候变化的海陆对比。

4、130(或150)ka BP来气候与环境变化

130(或150)ka BP来，气候与环境变化是目前第四纪气候变化研究的重点，包括末次间

冰期、末次冰期和冰后期。

①晚更新世 (末次间冰期— 末次冰期)气候变化

这一时段大约从130(或150ka BP开始到11ka BP左右，包括里斯－玉术间冰期和玉木冰期，相当于V28—238深海钻孔δ18O气候曲线上的第5、4、3、2阶段和冰期旋回 B (图10—12)。

末次间冰期始于l30ka BP左右，终于75ka BP，是一个温暖气候阶段，其最温暖期大 约在开始的l20ka BP左右，当时年均温比现在约高 2～3℃，以后气温渡动下降，在75 ka BP进人末次冰期。末次间冰期内世界许多沿海地带发生海侵(如欧洲北部沿海、中国华北平原东部)，湖糟发育，阔叶林扩大。

末次冰期始于75 ka BP，终止于11 Ka BP，一般划分为两寒夹一暖3个阶段。早冰阶气候寒冷但非最严寒阶段，年均温比现代低 5～6℃。中期是相对温暖的寒冷气候阶段。晚期(尤其是 18ka BP) 末次冰期气候严寒干冷的盛冰期，年均温比现代低 8～9℃左右，也是130ka BP来海平面下降幅度最大和沙漠显著发展的干旱期。由于气候干冷，故末次冰期球川规模不太。世界各地根据其地貌(如终硕堤)、 冰碛物等对末次冰期都作了详细的研究， 但气候期划分与时限也不尽相同。末次冰盛冰期之后的14一11ka BP的3ka期间，是由冰期往冰后期(暖)的转化时期。 对研究预测气候与环境变化有参考价值。 欧洲大陆根据冰川终碛、植被、冰盖变化和海平面变化，揭示出这一从冷到暖过渡的约3ka内有过几百年内7月均温变幅在 2～3℃内的冷暖气候变化频繁出现(有的研究者把一时段称为“晚冰期”)。

②全新世(冰后期)气候变化

A、全新世气候研究的主要材料

全新世气候与环境的变化主要根据植被演替，冰川末端、冻土边界和林线位置高度变化，海(湖)面升降、冰岩中 δ18O及其尘土含量，树木14C及稳定同位素 (H2、δ18O)，树本年轮，物候记录和考古历史资料等的研究推断, 近年来，纹泥、珊瑚 、 石笋、冰芯等，也成了全新世高分辨率研究的主要材料。

用于全新世高分辩率研究的主要材料 (图中明暗相

间

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用于全新世高分辩率研究的冰芯及样本 B、全新世气候变化的基本特征

全新世气候变化按其特征可分为A、B、C、D 4个阶段：

a.全新世早期升温阶段 包括北极期、前北方期和北方期，此时冰期过后气候开始波动升

温，由于冷向干暖转化，但仍较寒冷(图10－14A段)。

b.全新世中期高温阶段 主要是大西洋期(又称气候适宜期)，此时全球气候湿暖年均温比现在高 3℃(有的地区可能更高一些)，降水显著增加，全球冰川冻土萎缩，海平面显著上升 ，阔叶森林扩大(山地林线下降) ，其大气环流结构具有间冰期特征。 这是人类已经历过的最近的一次全球高温期(图10－14B段)。

c.全新世晚期降温阶段 从大西洋期末期大约 5ka BP全球气温开始下降(有的地方阔叶 树量减少) 直到20世纪，气候发展是波动降温，有一系列102a和lO3a尺度的l～2℃ 的全球性寒暖气候波 动(图10－14之C段)，而且2ka以来人为活动对气候与环境的冲击加剧。 这一时段的次级气候 变化阶段如下：

2.7－2.4ka BP地球年均温下降约2℃，各地冰川冻土有所发展，林、雪线下降(图10－14a)。

900－1300a A.D.，年均气温比现在高约 l～2℃，称为“小气候适宜期或 “中世纪暖期”( 图10－14b)。 气候温和降水增加 ，农业、建筑、贸易有所发展。但北极浮冰融化，林、雪线上升泥石流和森林火灾增多。

1550－1850a A.D.，全球年均温比现在低2℃左右 ，称为 “现代小冰期 (Francois Mathes， 1939) , 其中最冷阶段在l550一l700a A.D. 。现代小冰期大气环流结构具有冰期特点， 对全球现代冰川冻土发展扩大有重要的影响，引起林、雪线明显下降 并不时发生江河湖海水面封冻，风暴频繁，风沙、滑坡、山 崩增多，农业歉收，对世界经济产生过负面的影响(图10－14c)。

d. 20世纪升温阶段20世纪以来，现代小冰期结束，进入现代升温阶段（图10-- 14 ) 。 现代气候虽仍有冷暖波动，但总的呈现升温趋势 (图10－15)。工业革命以来的 l.9一l.9kaA.D.气温比19世纪80年代高 0.4～0.6℃，一般认为与大量燃用化石燃料使大气层中CO2温室效应增温有关。1.940～1.960ka A.D.地球上火山爆发增多，“阳伞效应”①使全球气温下降0.3℃。1960年以来地球增温趋势加强，气候异常断不出现，旱、涝、风、雪、泥石流和森林火灾此起彼伏，海平面上升威胁着沿岸的城市。

3.3晚更新世以来的海平面变化

一、晚更新世海平面(130—11ka BP)变化

这一阶段包括末次间冰期和末次冰期，后者海平面历史研究详于前者。

130—75ka BP的未次间冰期的海平面变化历史，据新几内亚海成阶地珊瑚礁台的铀系法测年资料，与探海钻孔V19－30岩芯浮游和底栖有孔虫壳δ18O气候曲线对照(图10－19)，两者都揭示出有120ka BP、100ka BP和80ka BP 3个高海平面时期(图10－19有黑点处)；可与大西洋巴巴多斯岛的3个高海成面：巴巴多斯Ⅲ(1 25ka BP)、巴巴多斯Ⅱ(103ka BP)和巴巴多斯I(82ka BP)对比。新几内亚海成阶地经校正后，其中只有120kaBP的海平面比现代海平面 高6m，其他都低于现代海平面，并呈现下降趋势。据有孔虫和其他资料分析，120ka BP(末次间冰期初期)高海平面阶段水温比现在高2～3℃。

75－11ka BP的末次冰期海平面波动下降趋势明显，尤其是20－14ka BP间世界几个大陆架上的试样14C年龄资料表明，世界海平面继晚更世以来的降势，在此期间达到130ka BP以来的最低点(图10－20)，海平面位于－100～－135m不等，如北美－105m、日本－135m、黑海－110m、尼日利亚－100m，中国－150m左右，这是目前了解最多的一个全球沿海地带环境变化时代

由于全球性海退，各洲大陆的岛屿岸线外推几公里至几百公里不等，太部分陆架露出水面许多近岸岛屿与陆地相联，内海形成湖或缩小，大陆面积暂时增加约lO％，气候的太陆性增强动、植物发生相应的迁移，在露出的陆架上可形成有价值的砂矿和陆相沉积物。

中国130－14kaBP海平面变化史是根据沿海陆架钻孔与平原海陆相交互地层和贝壳堤推断的(图10—2l)。130一75ka BP的末次间冰期，中国沿岸普遍发生海侵，沉积了平原下伏的E层海相层(渤海称第一海相层)。进次海侵历史约经历了35ka,海平面时有波动，最高海平面出现在 120ka BP左右的北洋淀海侵 (与巴巴多斯Ⅲ同期)，海平面比现在海平面高

5～7m。据沉积物中含有现生活在黄海以南水域的伊沙伯丽蛤等暖水种化石，推断当时黄海水域水温为18～20℃，比现在高3℃。

70一40ka BP间末次冰期(大理冰期)早冰阶，中国东部沿岸普遍发生海退，海水撤出黄海陆架，海岸线位于－7 5m处，称黄海海退(或黄海冷期)；当时东海陆架海岸线在－100m左右。在海水退去的陆架上约35ka内为荒凉的干冷草原。渤海西部沉积了D层陆相层。 40～25 ka BP左右是一个相对温暖的气候期(“中黄海暖期”)，中国东部发生太湖海侵这次海侵历时不长，在渤海西部沉积了C层海相层(渤海西称第二海相层)。

25－14 kaBP末次冰期(大理冰期)晚冰阶，海平面大幅度震荡下降，在18－15ka BP间，中国东部发生130ka BP来的最大规模的东海海退(图10－20)。从陆架上水下－112m、－136m、 －141m和－115m埋藏的残余贝壳堤，可反映海水分阶段再次撤出沿海陆架。在东海陆架上当时海岸线最低时在－150m左右(14C16000－14780a)。长江、黄河在露出的陆架上往东推进，长江东进约600km，其尾闾在水深－150—－160m左右。渤海洼地和露出的陆架上沉积了B层陆相层(包括黄土和长江三角洲沉积)，北方哺乳动物(如野牛)游移其间。在朝鲜

济洲岛与中国台湾孤形连线以西，这片再度出露且范围更大的陆架上，再次呈现干冷草原环境。

14－11ka BP世界气候冷暖变化剧烈，海平面随之发生幅度较小的变化，但中国资料尚欠不足，估计这段时期海平面回升到－30～－40m。沿岸岛屿(包括台湾)与大陆最后分离发生在14—12ka BP间。

二、全新世(11ka BP)海平面变化

全新世(冰后期)是一个全球温暖期，除南北极冰盖变化不大外，世界其它冰盖和中纬山地 冰川全部或大部分消融，在11－6ka BP(至5ka BP的大西洋期)全球海平面急剧震荡上升(图l0－22及表10－7)，以后上升速度减慢并逐渐过渡到现代海平面，以上推论是建立在大量近岸泥炭（部分地区用贝壳或珊瑚亚化石）14C年龄基础上的。

关于全新世海平面高度和上升方式与变化曲线形态有3种观点。R.W.费尔布里奇（1961） 认为，到大西洋结束时，海平面已迅速上升到现代海平面以上3m，并从那时以后的海平面具有6m振幅。F.P.谢帕德（1963）不同意全新世有高出现代海平面3～4m德高海平面存在，认为海平面从11kaBP起从－40m逐渐上升，从4kaBP以来上升缓慢，以后接近现代海平面的位置。J.R.柯里和N.A.摩尔纳等不同于前两者，认为全新世海平面震荡稳定上升，约在5－ 3.6kaBP曾达到目前海平面的高度，难以用统一的全新世海平面变化曲线表示。J.A.克拉克（1980）在地球具有流变性质冰川与水均衡观念的基础上，提出全球全新世6个不同海平面 变化区带（图10－23），其中（I、II、III和IV带）都属中全新世曾有高出现代海平面的高海平面上升带，只有在冰盖前缘隆起发生塌陷的下降带（II带）和大洋沉降带（IV带）才有海平面下降的现象。中国属克拉克分区中的大陆滨岸区（IV带包括所有大陆）

11 ka BP以来世界海平面变化

年代（ka BP） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 谢帕德 ﹣0.5 ﹣1 ﹣2 ﹣3 ﹣4 ﹣7 ﹣10 ﹣16 ﹣22 31 40 斯科菲尔德 ﹢1 ﹢2 ﹢3 ﹢5 ﹣2 ﹣0.5 ﹣4 ﹣19 ﹣33 36

费尔布里奇 1 ﹣2 ﹣3 ﹢2 ﹢3 ﹣0 ﹣6 ﹣16 ﹣14 ﹣32 戈得温等 ﹣0 ﹣4 ﹣9 ﹣17 ﹣28 ﹣35 ﹣44 中国全新世海平面历史大致分为三段： (1)lO-8ka BP海平面急剧上升阶段

在lO－8ka BP期间，中国东部海平面已回升到－15～－20m(图10－19)左右，如渤海西

部第一海相层(A海相层)(图10－20及图10－21)顶板在－10～－15深度( 14C测年为10－8ka BP)；上海地区海相泥炭层－20m(14C测年为7.33士0 45kaBP)。8－6ka BP海平面上 升到－5m左右，浙江、辽东、海南、和台湾都有这一深度和年龄的泥炭、淤泥或珊瑚。 从10 kaBP前海平面在－40m起算，2ka内中国沿岸海平面上升了30～35m。

(2)6－5ka BP高海平面阶段

全新世大西洋高温期全球都发生过全新世最大海侵，此时,中国从北到南沿岸也都发生海侵。华北渤海西岸在5ka BP海水越过现代海岸线进人内陆，称黄骅海浸(图10－20 )，沉积了第三海相层(A海相层)， 海湾线最远达到河北省静海县西部，离现代海岸线80～100km。南方的杭嘉沪平原发生含暖水种毕克卷轴虫组合海侵(有人称镇江海侵)，使江苏省淮阴一镇江一丹阳一漂阳南北连线以东(包括太湖的大部分地区)皆成泽国，长江口退缩到镇江附近。这个时期，南北地区的A层海相层中，激浪带堆积的海滩堆积、牡蛎礁和贝壳堤的14C年龄都在6－5ka BP内。据赵希涛等(1982)研究，在6—5ka BP间中国曾有过高出现代海平面2～4m的高海平面出现；黄镇国等(1987)对华南同一时期的海平面变化研究也得到类似结论。 (3)5ka BP以来海平面波动下降阶段

在距今5ka BP左右中国东部南北海平面微有波动下降，在南北沿岸都留下高度和年代从西往东递减的4道断断续续贝壳堤，北部的渤海地区从西到东为贝壳堤IV(14C年龄4.7－4ka BP)、贝壳堤Ⅲ(14C年龄3.8—3ka BP)、贝壳堤Ⅱ(14C年龄2.5～1.6ka BP)和贝壳堤I(正在形成中)① ；在江苏南部称西岗(14C年龄6 Ka BP)、中岗(4ka BP)、东岗 (3.8kaBP)和新岗(正在形成中)。贝壳堤顶板高出现代海平面2～5m，底板往东倾斜，海拔高程在1～2m间，顶底高差与现代高低潮位差大体相近，反映其总的波动下降趋势，但其中也出现过1～2m的短暂的高海平面。在2.8ka Ba左右海退中钱塘江涌潮开始出现这时中国东部海平面基本稳定在目前位置上。中国全新世海岸遗迹在天津宁河县汉沽区和河北省丰南县有保存甚好的古贝壳堤、牡蛎滩和湿地，是保护对象。