第17卷 第2期1998年 6月地质科技情报Geo logical Science and T echno logy Info r m ati onVol117 No12Jun1 1998十五万年以来的古气候及其研究方法综述①丁 旋(中国地质大学,北京,100083)摘 要 简述了十五万年来古气候变化旋回及其中的短期波动事件,如新仙女木事件;概要地介绍了黄土、古海洋沉积、冰岩芯、树木年轮、洞穴碳酸钙等的古气候研究方法的最新进展;并指出在古气候研究中,必须注意多种方法的互相对比印证,才能保证结论的准确性与可靠性。
关键词 十五万年以来 古气候 研究方法分类号 P532气候变化及其对人类生存环境的影响问题已引起各国政府和科学家们的极大关注,特别是近十多年来气候异常在世界许多地区造成了一系列的自然灾害。
另一方面,由于人类活动造成大气中CO2,CH4等温室气体含量增加,也严重影响到全球气候的变化。
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20～40c m〔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(W CR P)”〔2,3〕,“全球变化,国际地圈—生物圈计划(IGB P)”〔4〕,“国际南北半球古气候计划(PANA SH)”〔5〕,其由IGB P的核心计划之一“过去的全球变化(PA GES)”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B ruckner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(18O) w(16O)的比值可以反映古气候,Em ilian i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5 a,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a B.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a B.P.开始迅速消融,世界海平面迅速上升,至1120～1100万a B.P.,世界气候进入全新世,也称弗兰德林间冰期。
1150～1140万a B.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(Bo lling)(暖)—老仙女木期(O lder D ryas)(冷)—阿勒罗德(A llerod) (暖)—新仙女木期(Younger D ryas)(冷)。
新仙女木事件(YD)为末次冰消期第一次变暖(Bo lling—A llerod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D an sgaerd—O eschger(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,H ein rich发现了这些“Bond”旋回,现称为“H ein rich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“H ein rich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a B.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(p re2Bo re2 al)1103～0195万a B1P1(气候干冷)、北方期(Bo real)0195～0175万a B.P.(冬季干冷而夏季较暖)、大西洋期(A tlan tic)0175～0150万a B.P.(气候最宜期,温暖而潮湿)、亚北方期(sub2 Bo real)0150～0127万a B.P.(气候干凉而多变)、亚大西洋期(sub2A tlan tic)0127～0100)万a B.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(FeO) w(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Caro line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,N a,S,B r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10B e的变化等间接地含有古气候变化的信息〔16,20〕。