第四紀氣候及海平面變化

3.1第四紀氣候

3.1.1概述（第四紀氣候特征、氣候變化證據）

3.1.2更新世氣候變化的地質記錄

(1)歐洲(3)深海沉積物及其化石記錄

(2)北美大陸(4)岡瓦納大陸上的地質記錄

3.1.3全新世(冰后期)氣候變化的地質記錄

3.1.4第四紀氣候演化（1）世界第四紀氣候演化（2）中國第四紀氣候演化3.2第四紀海平面變化

3.2.1海平面變化的一般特點

3.2.2海平面變動的標志

3.2.3第四紀早、中期的海平面變動

3.2.4中國晚更新世以來的海平面變動

3.2.5海平面波動的原因

3.2.6海平面變化效應3.1第四紀氣候

3.1.1概述第四紀是距今最近的地質時代，氣候變化非常劇烈，今天的氣候是第四紀氣候的延續，研究其特征、變化規律對認識今天的氣候，預測未來的氣候變化，具重要的實際意義。太古代以來，絕大部分時間全球以溫暖氣候為主，但在距今6-8×109年震旦紀(Z)、3×109年前的石炭紀(C)-二疊紀(P)及3Ma以來的第四紀(Q)，全球發生了三次大規模的冰川活動。可見，第四紀是地質歷史長河中的一個冷期。三次大的冷期中，對人類生存環境影響最大的是第四紀冰期。全球氣候變化圖（據地大精品課程資料）第四紀氣候特征：

(1)頻繁的冷暖交替;沿緯度的分帶及山岳的垂直分帶。

(2)更新世出現過至少4次冰期和三次間冰期，全新世為冰后期（見表1-1）。(3)氣候變化引起自然環境(生物、地質、土壤、地球化學等)變化，這些在地貌和第四紀堆積物中的變化記錄，成為研究第四紀氣候變化的依據。(4)氣候是第四紀地層乃至第四紀下限劃分的重要依據，是第四紀研究的重點。冰期：氣候變冷，發育冰川的時期。間冰期：兩次冰期之間，氣候變暖，冰川消退時期。冰

階：冰期中的冰川發育階段。間冰階：冰期中一次相對溫暖的氣候寒冷階段。第四紀氣候標志研究：

宏觀氣候標志、微觀氣候標志（1）宏觀氣候標志（直接氣候標志）可直接確定出氣候類型和特征。分為三類：（2）微觀氣候標志（化學標志）

在古氣候研究中越來越引起關注。較成熟和常用的有：氧同位素

粘粒分子率（SiO2/Al2O3、SiO2/Fe2O3）CaCO3含量磁化率粘土礦物

尋找第四紀氣候變化證據的方法生物證據

（1）動物群證據（2）植物化石證據沉積物證據：（1）冰川沉積物（2）其它沉積物地貌證據：

（1）湖岸階地系

（2）冰斗土壤（1）灰壤（灰化土）（4）黑鈣土（黑土）（2）棕壤（5）紅土（3）栗鈣土（6）沙漠土同位素測定降水量變化風

3.1.2更新世氣候變化的地質記錄早更新世(1)歐洲阿爾卑斯山在第四紀出現6次冰期形成的冰磧和冰水堆積構成的階地:

低階地礫石—玉木冰期；高階地礫石—里斯冰期；新蓋層礫石—民德冰期；老蓋層礫石—群智冰期;位置更高的蓋層礫石分別對應多瑙和比伯冰期。且在高階地表層保存三套褐色土，分別對應群智-民德、民德-里斯、里斯-玉木三個間冰期。玉木里斯明德滾資阿爾卑斯地區的研究成果推動了全世界第四紀古冰川的研究。我國李四光教授也在廬山發現了古冰川遺跡，并進行了劃分。世界各地劃分的冰期與阿爾卑斯地區有較好對比（表1-1），反映了氣候變化的全球性特點。

北歐至今存在橫貫丹麥、荷蘭、德國北部和波蘭的巨大終磧，據堆積物組成、結構及動植物化石組合，可知這些終磧由6次寒冷期的冰川形成，并根據海侵層、泥炭層和孢粉分析，劃分出界于這6個寒冷期(冰期)的5次溫暖期（間冰期）（表3-1）。新老(2)北美大陸

據冰川堆積物及所含動植物化石組合特征，從新到老可劃分出4個冰期、三個間冰期和一個冰后期（表3-2）。(3)深海沉積物及其化石記錄深海沉積環境寧靜，沉積過程較連續，更能完整記錄第四紀氣候變化歷史。海洋沉積物在10～10mm/ka間，干旱區較小，溫潤區較大，一般生物擾動很少，厚幾米至幾十米的深海沉積物可以記錄第四紀全部氣候變化歷史。圖3-1是根據加勒比海海面以下4896m的鉆孔記錄對其中厚1540cm沉積物進行分析得出的第四紀氣候變化情況。可見更新世及次大的冰期均保存有兩個以上副冰期，表明氣候變化存在不同時間尺度的波動。暖冷(4)岡瓦納大陸上的地質記錄非洲除少數海拔高的山地如烏干達的瑞文速爾有冰磧物發育外，大部分地區未見冰川遺跡，但一些古湖岸線變化卻完整地記錄了第四紀雨期（對應冰期）—洪積期，間雨期（對應間冰期）—間洪積期的更替。洪積期雨量充沛，湖水上升，相鄰湖泊相連，如納庫里、埃曼德塔和納發沙等，歷史上曾擴張成一個湖泊。間洪積期，湖面縮小或干沽。根據湖泊的興衰，將非洲更新世古氣候劃分為4個洪積期和3個間洪積期，表3-3。

3.1.3全新世(冰后期)氣候變化地質記錄全新世也叫冰后期，世界大陸冰流大量融化，溫度上升，植物群向高緯度地區遷移，全新世（Holocene)這一術語是1869年Gervais提出的，1932年被國際第四紀委員會議決定采用。Blytt(1876)研究北歐沼澤沉積物中植物化石，以樹樁層代表干燥氣候，以大量泥炭發育時期代表潮濕氣候標志，由老到新劃分出（北極期）、前北方期、北方期、大西洋期、亞北方期、亞大西洋期和現代期。這一氣候演變規律后來得到了R.Sernander

的證實，并對上述各期泥炭或樹木進行了14C測年，其成果已成為國際上普遍采用的Blytt-Sernander冰后期氣候方案（表3-4）。3.1.4第四紀氣候演化

（1）世界第四紀氣候演化

更新世

據陸上及深海沉積物及保存的化石記錄。第四紀更新世全球可劃分6次大的冷期（如南歐的玉木、里斯、民德、群智、多瑙和比伯冰期）及5次暖期，其中無論是冷期還是暖期，都包含若干次一級的冷期和暖期。因此，更新世全球以頻繁的冷暖交替為特征。

北半球無論暖或冷期，從極地到赤道可分成9個氣候植被帶：極地冰蓋、大陸冰川、永凍層、苔原、溫帶森林、地中海植被、荒漠和草原、熱帶疏林草原（盧旺達）、赤道雨林。但冷暖期植被帶緯度范圍差別很大。冰期，大陸冰川、永凍層向中緯度推進，森林、荒漠面積縮小；間冰期，與現代氣候相似的暖期，大陸冰川向北推進，只分布在77°-81°N，森林面積擴大，荒漠面積相應也在擴大。南半球在冷期僅在極地及山岳地帶如安第斯山有冰川發育，大部分地區為雨期，降雨豐富，水系發達，湖水面積擴大，水位升高，沙漠面積縮小。暖期時，有些地方因副熱帶高壓向中緯度移動，出現干燥氣候，沙漠面積擴大，這一時期稱為間雨期。中低緯度高山區，氣候具明顯垂直分帶，如海拔5000m以上的高山從山頂向山下可分出：山岳冰川、永凍土、針葉林帶、針葉闊葉混交林帶、闊葉林帶。

全新世(冰后期)

無大規模的冰川作用，但冷濕、干暖、濕暖氣候多次交替出現，如在北歐就可劃分出5次大的氣候期（Blytt-Sernander冰后期劃分表）。

（2）中國第四紀氣候演化中國位于亞洲大陸東部，東部瀕臨太平洋，屬季風氣候，西北部深入歐亞大陸內陸，屬大陸干燥與半干旱氣候。中國第四紀冰川研究由著名地質學家李四光開創，并以廬山冰川研究為基礎，于1934年劃分了鄱陽、大姑、廬山、大理等4個冰期。更新世

中國出現4次冷期，3次暖期。冷期（冰期），發育規模較大的山岳冰川，在下風區形成黃土堆積。暖期（間冰期），發育湖泊或形成古土壤。鄱陽冰期，江西一帶出現過一次規模較大的山麓冰泛，在珠峰、華北、云南、陜西等均有冰磧物存在，并在華北區(山西)形成午城黃土。鄱陽-大姑間冰期，使南方湖泊發育，北方形成古土壤。大姑冰期，為規模較大的山谷冰川或山麓冰筏發育期，保存的冰磧物以發育網紋狀構造的棕紅色泥礫為特征。

大姑—廬山間冰期，氣候濕熱，東部普遍發育網紋紅土，西部則為巨厚的礫石層堆積。在西部高山地區生長著茂密的針闊葉混交林，年平均氣溫10°左右。廬山冰期，在東部海拔800m以上的山區出現冰川，其外圍為冰水堆積；西部山區則在海拔1000m以上出現冰川。廬山—大理間冰期，氣候干熱為古土壤發育期，富含鐵錳風化殼。大理冰期，長江中下游未發育冰川，但在西部山區有冰川發育。我國此時氣候普遍寒冷，西北、華北出現大面積的風成黃土堆積，長江下游一帶出現風成粘土（下蜀粘土）。冰后期，氣候縱向上具明顯的波動性（冷暖交替）和分帶性（表3-5）。

氣候變化原因冰期及間冰期交替的周期性，長達幾億年，每一周期又包含多級小周期。這些變化需用冰川發生原因解釋。代表性假說有：（1）Simpson（辛普森）假說認為第四紀冰期與間冰期多次交替出現是太陽放射能變化引起。放射能增大，溫度上升，介于赤道兩極間的環流增大，引起雪和降水量增大，使雪線降低，形成冰進；放射能減小，情況剛好相反。在冰川以外地區，則表現為洪積期和間洪積期。（2）Milankovitch(米蘭科維奇）假說太陽放射能可看作是一個常數，由于地球赤道要素的緩慢變化，可引起在不同緯度帶內和不同季節內接受太陽能的量發生變化。在時間過程中，大氣層頂部接受到的太陽放射能，可以按不同緯度帶和季節加以計算。其結果產生了以milankovitch命名的放射曲線。這一曲線與最近1500Ma一些大的冷暖事件有較好的對應性，即放射能變化可直接與冰進和冰退的進程關聯起來。（3）Ewing和Donn假說用洋流和北冰洋變化來說明周圍陸塊冰盾的反復發生。暖期（間冰期），北極冰由于來自大西洋的暖流而被解體，引起降水量增大，周圍陸地冰川增長。同時引起海面降低，海水變淺，陸橋浮出，阻礙暖流向北方穿透，北冰洋被凍結，降水量減小，海面再度上升，陸橋被淹沒，暖流向北方移動，再度引起北冰洋冰融解，循環再次開始。該假說認為第四紀是在北極達到有利于這種循環過程的時候開始的，與地質資料有矛盾。（4）R.F.Flint假說該假說把延緩第三紀以來的造山運動，引起地形起伏及第四紀冰的出現與太陽放射能變化聯系起來，說明氣候變化和冰川的起因，即太陽地形說。該假說較好解釋了第四紀反復的氣候變化和冰期、間冰期交替。但地球各部分接受太陽能的變化，卻沒說明。此外，如大的氣候變化是由太陽地形說的方式引起的一些小的變化，仍然可由其他原因引起，這一問題仍需要研究。3.2第四紀海平面變化

海平面意義：地球巖石圈表面凹凸不平，陸地和海盆起伏最大。水圈里的水：97.2%以液態儲存在海盆里；2.15%以固態水儲存在極地和高山冰川中；其余或保存于陸地江、湖、土壤巖隙，或散布在大氣層中。海平面海岸線平均海平面高程吳淞高程系統黃海高程系統地球形態巴拿馬海峽中東地塊白令海峽3.2.1海平面變化的一般特點全球的一致性海平面波動的無規律，表面形態起伏不平海平面為“大地水準面”水體分布變化引起大地水準面重新調整陸地高程改變的原因是“均衡性”的調整

地貌標志地層標志3.2.2海平面變動標志

許多地貌證據證實，第四紀海平面位置時高（海侵）時低（海退）。古海岸線3.2.3第四紀早、中期的海平面變動

(1)全球第四紀早、中期的海平面變動構造運動強烈時期為低海面時期；大陸進入長期夷平時期則為高海面時期。

維爾（P.R.Vail，1976）指出寒武紀以來，全球海平面變化大致發生過兩次大的升降循環，每次周期約3億年。從O-C1是高海面期，以后下降，J1降到最低點。從J開始，海平面迅速上升，K3達最高峰，然后逐漸下降至今。期間還有過許多不同時間尺度和升降幅度的波動周期(見3-2圖)。（三次冰期Z，C-P，Q）高海面期高海面期圖3-2寒武紀以來全球海平面相對變化圖（據維爾等）

從3-2圖可見:①第四紀前的幾次最大海侵期：早-晚奧陶紀、中-晚志留紀和早-晚石炭紀、中-晚白堊紀。②曲線證實在石炭—二疊紀大冰期之后的白堊紀是全球氣溫最高時期，也是全球高海面期。③曲線具明顯不對稱性及不規則鋸齒狀，這種型式特征與古氣候、古環境及地殼構造運動等有密切關系。④曲線還說明地球活動的脈動性或節奏性。高海面期高海面期圖3-2寒武紀以來全球海平面相對變化圖（據維爾等）第四紀冰期，因水分大量固結在大陸而引起海面下降，使世界上幾乎所有大陸架都成為廣闊陸地，在這些陸地上發育土壤、河流、湖泊、三角洲等，且生長著森林和草原，生活著陸生哺乳動物以及淡水魚類和軟體動物等。第四紀間冰期，冰川大量消融引起海平面上升，幾乎所有大陸架被淹沒，原來陸地及生活在這些陸地上的各種動植物，或代表陸地環境的各種沉積層和地貌，又都被淹沒在海面下。原與大陸連接的半島變成島嶼，原來相連的大陸被海洋阻隔。最著名的是連接亞洲陸地與北美大陸的白令海峽，曾經幾次成為大陸橋。第四紀因冰期、間冰期的更替引起海平面變動的遺跡在世界各地可見。在地中海存在有-100m深度的棚狀岸線；在南非西海岸-100m深處有縱長650km的一條水下岸線；在北美東海岸有水底巖石平臺；在紐芬蘭南岸有被淹沒的外沖平原；在地中海的隆河口有淹沒的大三角洲。被淹沒的河谷實例很多，在亞馬遜河口外有140km長的一段河谷被淹沒在海面以下70m深處；在馬來半島和婆羅洲之間巽他陸架上有一條長1000km的谷地，深度達-90m。(2)中國第四紀早、中期的海平面變動我國此時的海平面變化同世界相似:東海-100~200m處發現納犸象牙，-40多米處發現野牛骨骼、鹽沼泥炭及樹干等陸相沉積物；長江入海口曾延伸于大陸架，古長江三角洲發育遍及黃海南部和東海北部；東部沿海有數次高海面，對應多次海侵。

3.2.4中國晚更新世以來的海平面變動晚更新世（12～1萬年），東部平原區有3次大的海侵（圖3-3。隨后東海、黃海大陸架經歷了2次較大的海退。

圖3-3近10萬年中國北方3次海侵范圍及海岸線分布圖（據趙松齡等）

據鉆孔資料，我國東部濱海平原Q3-Q41的沉積厚度在40~100m，有三套海相層(圖3-4中的A、C、E層)夾兩套陸相層(圖3-4中的B、D層)。海底鉆孔資料也表明，渤海、黃海和東海陸架也與濱海平原一樣，剖面上存在海陸交替重迭。圖3-4中國東部濱海平原海相地層對比表（據耿秀山）

6萬年3.5萬年2.5萬年1萬年12萬年

①第一次海侵：里斯-玉木間冰期(Q3始)，年齡11.4~10.8萬年。

②第一次海退：早玉木期海退，約在6~3.5萬年。大陸架部分露出水面。

③第二次海侵：玉木亞間冰期海侵（始于4萬年前）(圖3-5)。

④第二次海退：玉木亞間冰期海退(2.5萬年始)

⑤第三次海侵：晚玉木冰期后期（1.5~1萬年始）①②③圖3-5中國東部、菲律賓及北緯13°氣候與中國東部海平面變化曲線（據耿秀山）

11.4-10.8↑6-4↓4-3↑3-1.8↓1.8-0.5↑(萬年)圖3-6中國東部2萬年來的海面變化曲線（據趙希濤等）

晚玉木期冰后期圖3-7中國東部的古海岸線變遷線（據耿秀山）

晚更新世以來(約13~1萬年前)，我國沿海的海岸線變遷見圖3-7。圖3-8最末一次冰期南黃海的氣候及海面波動（據徐家聲）

老新圖3-9晚更新世以來東海海面變化（朱永其）

老新6.5-4萬年4-2.8萬年2.8-1.6萬年1.6-0.5萬年3.2.5海平面波動的原因

㈠冰川-海面變化㈡冰川均衡作用㈢構造-海面變化㈣沉積物充填引起的海面上升㈤水均衡作用產生的海面上升第四紀海平面變化原因：㈠冰川——海面變化1841年麥克拉倫（C.Maclaren）首先提出更新世海平面的振蕩性，認為海平面變化是氣候變化所致，并稱之為冰川型海面變化。海水體積變化大陸冰川消長，是全球海平面變化也是第四紀海平面變化的主導因素。當大量的水以陸冰儲存時，導致海平面下降（平均1m/ka，冰層快速生長時期可達5m/ka）。在末次冰期最盛時海平面下降到最低，比現在海平面低120-150m。㈡冰川均衡作用1865年杰米森（TJamieson）提出冰川均衡運動理論，認為氣候變化引起冰蓋消長，使地殼發生變形。他將海平面變化曲線主要歸結于區域構造運動的性質和幅度，以及沉積物壓縮性等原因。冰川型海平面升降，其波動伴隨著海盆和大陸之間物質(主要是水量)的重新分配。當大陸負載冰川時下沉，洋盆由于部分負載減少，洋殼上升；間冰期卸荷導致陸地的均衡抬升和海底下沉。㈢構造——海面變化①海盆容積變化當海底板塊擴張加快，地幔對流作用給大洋中脊帶來熾熱熔巖，海底地殼增生，海嶺發生熱膨脹。海嶺體積擴大使海水溢出，海平面升高。當海底板塊擴張速度減慢時，大洋中脊變冷收縮，海底下降，海平面降低；如白堊紀由于海底擴張的持續，海平面抬升幅度達350m左右（M?mer,1987）。

②

局部地區構造運動第三紀，喜馬拉雅山脈隆起前，印度大陸與歐亞大陸間是一片淺海。由于印度板塊向下俯沖到亞洲板塊下，擠壓形成喜馬拉雅山脈，從而使大陸塊面積減少1×106km2，海洋面積增