十五万年以来的古气候及其研究方法综述精Word格式.docx

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据初步估计,到21世纪中叶,全球年平均气温可增加115~415°

C,平均海平面可增加20~40cm〔1〕。

为了避免气候剧变给人类生存环境带来严重的不利影响,了解并掌握气候异常变化的成因机制并予以准确预测,变得极为迫切与重要。

研究过去才能预测未来,通过对晚第四纪古气候的研究,探索古气候变化的动力成因机制并由此预测未来气候变化趋势就成为现阶段各国科学家们致力解决的重大科学问题。

近年来人类生存环境的严重恶化已引起国际有关组织的关注。

70年代以来,国际上召开了一系列会议讨论与气候变化有关的问题,提出了若干个大型研究计划,其中与气候环境变化及预测紧密相关的研究计划有“世界气候研究计划（WCRP”〔2,3〕,“全球变化,国际地圈—生物圈计划（IGBP”〔4〕,“国际南北半球古气候计划（PANASH”〔5〕,其由IGBP的核心计划之一“过去的全球变化（PAGES”为将点或区域的研究扩展到全球而提出。

针对这些明确的现阶段古气候研究目标,各国科学家经过多年努力,尤其是近年来多种古气候研究新技术、新方法的应用,对晚第四纪古气候变化旋回及其中的短期波动事件已有了比较深入的认识。

1　十五万年以来的古气候变化旋回及短期波动事件

第四纪古气候以全球性变冷为最突出的特征,表现为冰川作用的盛衰和气候带的迁移,出

①国家自然科学基金资助项目（49672135成果

　　作者简介:

丁旋,女,1964年1月生,现正攻读博士学位,研究方向为古生物学及地层学

　　收稿日期:

1997209209　　　编辑:

黄秉艳

现多次冰期和间冰期交替。

经典的第四纪冰期分期是在阿尔卑斯山区、北欧—斯堪的那维亚和北美大陆建立的。

1909年,Penck和Bruckner在阿尔卑斯山区划分出4次冰期:

玉木冰期、里斯冰期、民德冰期、贡兹冰期和其间的3次间冰期,后又在阿尔卑斯山北部发现了更老的多瑙冰期和拜伯冰期;

与之相应,北欧分为6次寒冷期（冰期和5次温暖期（间冰期;

北美分为4次冰期和3次间冰期;

中国的第四纪也划分出4次冰期〔6,7〕。

洋底生物成因中w（18Ow（16O的比值可以反映古气候,Emiliani于1955年根据深海钻孔岩芯有孔虫壳∆18O值变化曲线首次建立了同位素期〔8〕。

十五万年以来全球气候变化可划分为6期氧同位素分期事件:

第1期为全新世冰后期;

第2~4期为末次冰期,大致相当于玉木冰期,其中第2期为末次冰期最盛期,第3期为一间冰段,第4期为冰期,但其∆18O值未达到第2期和第6期的水平;

第5期为末次间冰期,大致相当于里斯—玉木间冰期,该期中有3个轻同位素事件5a,5c,5e,以5e最为突出,其氧同位素值最低;

第6期为典型冰期。

末次冰期于118万aB.P.的盛冰期（氧同位素第2期达到高峰,北半球大冰流于1150~1140万aB.P.开始迅速消融,世界海平面迅速上升,至1120~1100万aB.P.,世界气候进入全新世,也称弗兰德林间冰期。

1150~1140万aB.P.大冰流开始迅速消融至全新世开始之间称为晚冰期,其气候波动剧烈,根据饱粉及其它气候指标,晚冰期有3次寒冷期和2次温暖期即最老仙女木期（冷—波令（Bolling（暖—老仙女木期（OlderDryas（冷—阿勒罗德（Allerod（暖—新仙女木期（YoungerDryas（冷。

新仙女木事件（YD为末次冰消期第一次变暖（Bolling—Allerod期后发生于1110~1100万a的短暂气候变冷。

最近科学家们认识到BOA—YD旋回不是唯一的,而是约16个期限和形式类似的旋回构成的旋回系列的最后一个,该旋回系列被称为Dansgaerd—Oeschger（DO旋回。

关于该旋回系列的证据目前仅在格陵兰冰盖和北大西洋沉积物中被发现,但其每一个旋回的冷间断在大气甲烷浓度上都有一次下降,表明DO旋回系列具有全球性。

通过比较北大西洋沉积物中的记录与格陵兰冰盖中的记录,Bond指出,DO旋回被包裹于较长时期的变冷旋回系列之中,每一旋回以冰川群的活动而达到顶峰,Heinrich发现了这些“Bond”旋回,现称为“Heinrich事件”。

该事件被认为具有全球性,放射性碳定年给出的最近4次“Heinrich事件”分别在距今1145,2105,2170,3150万a之前〔9〕。

全新世冰后期指1120~1100万aB.P.至今的时代,在这1100万a时间里,气候变化的规律及未来发展趋势与人类关系密切,该期的研究以北欧的学者最有成绩,布列特2色南德尔根据北欧沼泽沉积中的植物化石及孢粉研究,将冰后期划分为5个气候期〔6〕:

前北方期（pre2Bore2al1103~0195万aB1P1（气候干冷、北方期（Boreal0195~0175万aB.P.（冬季干冷而夏季较暖、大西洋期（Atlantic0175~0150万aB.P.（气候最宜期,温暖而潮湿、亚北方期（sub2Boreal0150~0127万aB.P.（气候干凉而多变、亚大西洋期（sub2Atlantic0127~0100万aB.P.（气候凉爽潮湿。

2　晚第四纪古气候研究方法

地质历史时期气候及自然环境的变化,由同期形成的各种不同的沉积物及生物忠实地记录下来。

科学家们运用各种不同的技术方法及手段,最大可能地从地球上保存的这些古气候信息库中发掘出古气候信息,恢复古气候变迁史,分析古气候变化规律,为预测未来气候变化的趋势做出贡献。

211　黄土古气候研究方法

由于其区域上、时间上的不连续,黄土中可见的能直接反映古气候的标志〔10〕仅能表示气候环境的相对变化,难以满足深入了解高分辨率古气候环境变化规律的需要。

科学家们研究沉积地层的各种生物的、物理的、化学的特性,寻找那些可直接测量的地层特征指标,它们的变化在某种程度上可反映气候环境状况的变化,称为古气候环境的代用指标。

通过它们与气候环境状况之间定性—半定量—定量的转换研究,可了解精细的古气候环境变化规律。

21111　黄土中氧化铁与古气候　黄土中的氧化铁与黄土形成时的气候环境密切相关。

w（FeOw（Fe2O3比值的高低波动反映了古气候的寒干与暖湿的波动,可间接用作古气候代用指标;

游离氧化铁的质量分数在黄土剖面中具有与气候同步的10万a周期波动,是很好的古气候代用指标〔11〕;

全氧化铁质量分数曲线波动幅度高于游离氧化铁及亚铁质量分数的变化,是黄土中有关铁的地球化学指标中反映气候变化最灵敏、稳定性最好的一个指标②。

21112　黄土中稳定同位素与古气候　黄土地层中稳定同位素特征与黄土高原气候环境特征也存在着密切的关系。

黄土地层中碳酸盐岩的碳、氧同位素序列与磁化率、全氧化铁的气候曲线的波动一致,其中∆13C序列可与深海沉积同位素曲线对比,是一种较好的气候指标。

黄土地层中有机质的碳、氧同位素亦可作为气候指标,有机碳∆13C值在黄土地层中低,在古土壤中高,其高低波动可作为黄土高原过去植被状况乃至生物量和夏季降水量的一个替代性指标〔12〕。

21113　氨基酸有机地球化学与古气候　氨基酸来自生物蛋白质,其总量偏高,表示所处沉积环境相对温湿,生物发育,致使沉积下来的有机质丰度高;

氨基酸总量偏低,可能表示所处沉积环境相对干冷,生物发育贫乏,致使沉积下来的有机质丰度低。

所以氨基酸总量的多少在一定程度上有间接指示古环境的意义,其变化曲线可与氧同位素曲线、CaCO3含量等直接或间接的气候指标进行对比〔13〕。

21114　粉尘粒度变化与古气候　丁仲礼等〔14〕利用冰期时冰盖扩大并向南发展,从而使中国内陆沙漠面积扩大,风蚀作用增强,在同一地点堆积的粉尘粒径变粗,间冰期则有相反的特点,选择粒度曲线作为气候代用指标建立宝鸡剖面轨道调谐时间标尺。

21115　孢粉组合变化与古气候　孢粉组合中各组成成分的变化可反映其形成时期的气候及生态条件,黄土中孢粉资料的转换函数研究,可对古气候作出定量估计〔15〕。

212　冰岩芯古气候研究方法

冰岩芯研究是古气候、古环境研究的重要手段。

冰岩芯记录气候、环境不但时间尺度长,可提取的信息参数多,分辨率也高,通过对冰岩芯中气候与环境信息的研究,可揭示近代至现代,远至过去几十万年的气候、环境特征和演化规律。

21211　冰岩芯中氢、氧同位素值的变化与温度变化　冰雪中氧、氢同位素值与降水时温度有关,只要建立一个地区氧、氢同位素值和温度之间的关系,就可将这个地区冰岩芯中氧、氢同位素值随深度变化解释为冰面气候随时间的变化〔16〕。

21212　冰结构变化与古气候变化　冰晶生长速率主要是由沉积时的冰面温度决定的,所以冰晶形态随冰岩芯不同深度的变化反映古气候变化信息。

一般,气候变冷时,冰晶变小,气候变暖时,冰晶变大〔17〕。

21213　气泡含量变化与古气候变化　从冰薄片上测得的每立方厘米粒径大于1mm的气泡

②魏明建1全新世黑垆土中千年尺度的全球变化记录〔博士学位论文〕11996

含量的变化与气候变化有关。

对东南极Caroline冰岩芯气泡含量研究表明,当处于全新世温暖气候期时,气泡含量低,随着气候变冷,气泡含量增加,在气候最冷阶段气泡含量达到最大〔17〕。

21214　微粒含量变化与古气候变化　用微粒计数器与光扫描法测得的冰岩芯微粒数量含量和体积含量的变化与气候变化相关。

气候变暖对应着微粒含量减少,气候变冷对应着微粒含量的增加〔17,18〕。

21215　CO2,CH4等微量气体含量变化与古气候变化　冰岩芯气泡中CO2,CH4的含量变化与气候变化关系密切,CO2,CH4浓度的高低明显反映古气候的冷暖变化〔19〕。

另外,某些微量元素如Ca,K,Si,Na,S,Br和Pb等的变化、大气气溶胶中NO-3,SO2-4含量的变化、反映降水变化的10Be的变化等间接地含有古气候变化的信息〔16,20〕。

213　古海洋沉积古气候研究方法

古海洋沉积记录了大量的第四纪气候和环境变化的信息,尤其是古海洋沉积过程平稳,沉积物连续少有间断,可提供高分辨率的短期气候事件记录,更是古气候学研究重点之所在。

21311　稳定同位素与古水温　海洋中二氧化碳2水2碳酸盐系统中氧同位素的分馏作用与海水温度间存在着相关关系,通过化石壳氧同位系值的测定可以了解晚第四纪冰期、间冰期气候旋回变化及其中的短期气候波动事件〔8〕。

21312　微体古生物方法与古气候变化　利用海洋微体古生物研究古气候,主要从两个方面着手:

一是利用生物对海水温度反映灵敏的特点,用不同指温种的百分比或者用生态条件相近似,只是所反映的水温不同的两个种的比值来标志古温度的变化〔21,22〕;

另一种则是古温度转换方法,这一方法已被各国学者进一步深入研究加以推广发展,可以分为5大类〔23〕。

21313　碳酸盐含量变化与古气候　古气候旋回的变化同样也反映在深海碳酸盐的溶解与堆积作用上,在深海地层中呈现出碳酸盐含量的周期性变化。

不同的洋区碳酸盐含量的变化表现不同,印度洋与太平洋相似,表现为冰期增大、间冰期减小的“溶解旋回”;

而大西洋,则表现冰期减小、间冰期增大的“稀释旋回”〔8〕。

21314　生物生产力与古水温　冰期时海平面下降,陆源营养物质供应充分,致使生物生产力增大。

通过地层中碳稳定同位素、有机碳含量及生物初级生产力测定,可推测古气候旋回变化〔8,24〕。

21315　分子温度计与古水温　利用烯酮化合物的不饱和度与其生物母源（颗石藻Emilianiahuxleyi的生长温度密切相关的特点,通过确定样品材料中长链烯酮化合物的相对丰度来估计古海水表面温度〔25〕。

214　树木年轮古气候研究方法

树木年轮宽度的变化为记录最近几十年甚至追溯0180万a年来气候变化的天然仪器,一般情况下,比较适用于干旱和半干旱地区〔7〕。

树轮中碳、氢、氧同位素是大气CO2浓度及其它气候因子变化信息的间接指示器,其含量比反映历史时期对应的天文和气候变化的相关信息〔15〕。

215　洞穴碳酸钙古气候研究方法

洞穴碳酸钙的古气候研究方法有多种,洞穴碳酸钙的稳定同位素∆D、∆18O、∆13C等是古气候研究的最重要代用指标。

Winograd等于1988年通过对美国内华达南部Devils洞地下水中的方解石脉（DH2的氧同位素变化曲线与深海及南极冰芯的氧同位素曲线对比发现,末次间冰期（氧同位素第5期在方解石脉记录中起始于（14170±

3100万aB.P.比海洋至少提前1170万a,比南极冰芯提前0170万a,由此提出,天文轨道动力并非更新世冰期产生的主要原因〔26〕。

3　评　述

以上概略地介绍了一些晚第四纪古气候研究方法,由于任何沉积物或生物形成时都有多种因素的同时共同作用,各古气候指标或代用指标均为多种因素综合作用的结果,气候未必是唯一或最主要的因素,所以任何一种研究方法都难以达到尽善尽美,如古海水温度最常用的定量方法为有孔虫壳氧同位素地球化学及微体古生物转换函数方法,由于各种微体生物生存除受温度影响外,同时受到盐度、上升流等众多因素的影响,有孔虫壳氧同位素值又受壳体种类以及极地冰盖大小的影响,故上述方法所反映的结果往往是温度与其它参数的联合效应。

转换函数方法在运用中因子数目的多寡及有孔虫属种的增减存在着较大的随意性,对古温度转换的结果有很大的影响。

其它古温度转换方法也有各自的弊端。

通过深海碳酸钙含量判断古气候限于各海区碳酸钙溶解情况与陆源物质供应情况不同,其推导方法亦不尽符合太平洋“溶解旋回”与大西洋“稀释旋回”〔27〕。

O′Nei等在1969年利用洞穴碳酸钙的氧同位素值计算古温度,要求氧同位素值必须满足下列条件:

①同层碳酸钙中的氧同位素值保持稳定（碳酸钙与地下水达到同位素平衡;

②同层碳酸钙中的氧同位素和碳同位素没有线性关系（地下水氧同位素必须是沉积当时的氧同位素,因而Schwarcz等在1967年对分离出洞穴碳酸钙的水包裹体进行氧同位素分析。

另外该公式应用的前提是同一时间面氧同位素组成稳定不变,但在大陆区域,洞穴CO22H2O2CaCO3系统中H2O,而大气降水的∆18O不仅随温度变化的幅度很大,而且强烈地受到降水量的影响,可见,大陆温度指标的建立决非易事〔26〕。

因此,在古气候研究中应注意应用多种方法的互相对比、印证,以保证结论的准确性与可靠性。

在撰写本文的过程中得到了中国地质大学（北京万晓樵教授的精心指导,在此深表感谢!

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sclimateduringthelast150000andshort2termclimateeventssuchasYoungerDryasevent,Heinrichevent.Itinstroducestheringoftreesandspeleothems.Theaccurateandreliableresultcanbeobtainedonlyunderalatestprogressinthestudymethodsofpaleo2climateinloess,icecores,deepseacores,annualcomprehensivestudyofdifferentsubjectswhichcanbeconfirmedeachother.Keywordslast150000years,paleoclimate,studymethods·

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