第三章 全球变化研究方法

Chapter3TheResearchMethodonGlobalChange第三章全球变化研究方法（途径）[教学目的与要求]1.了解对过去全球变化各种研究方法的基本原理2.理解如何利用各种代用指标恢复古环境3了解全球变化动态监测的手段与内容4了解全球变化模拟的类型，原理[重点与难点]各种研究方法的基本原理[教学时数]6学时[教学方法与手段]研究性讲授，利用多媒体展示教学内容；指导学生利用图书资料及网络资源，查阅相关研究方法的文献进行阅读。[主要内容]•Section1Loess—paleosoilRecords•第一节黄土—古土壤记录•Section2TheDeep—Seaδ18ORecords•第二节深海氧同位素记录•Section3IceCornRecords•第三节冰岩芯记录•Section4TreeRingRecords•第四节树木年轮记录•Section5SporopollenandPhytolithRecords•第五节孢粉及植物硅酸体记录(Sporo-孢子，芽孢)•Section6CoralAnnualLayerRecords•第六节珊瑚年层记录•Section7CaveDepositsRecords•第七节洞穴堆积记录•Section8EnvironmentalArchaeology•第八节环境考古•Section9HistoricalArchivesRecords•第九节历史文献记录•[参考书目]•朱诚,谢志仁,申洪源.全球变化科学导论(AnIntroductiontoGlobalChangeScience).南京:南京大学出版社,2003.•[课堂训练、作业思考题]•课堂训练：用多媒体手段指导学生利用图书馆资料及网络资源，查阅相关书籍及期刊文献，了解现在全球变化研究中目前的最新进展•作业思考题•1．反映全球变化的记录有哪些?如何利用这些指标重建过去的全球环境变化？•2．如何理解利用各种指标重建古环境的原理？Section1Loess—paleosoilRecords第一节黄土—古土壤记录•欧洲和北美均有第四纪黄土沉积,我国的黄土高原地区更分布有数百米厚的第四纪黄土.我国的黄土和古土壤序列是已知陆地上连续性最好,且能够很好地与深海沉积序列对比的沉积物,利用黄土与古土壤序列重建过去的全球变化是我国在世界上独具特色的研究领域之一.黄土成因研究简史•1930’初期,杨钟健等开始中国黄土研究,将华北晚更新世黄土确定为典型的风力堆积物,定名为马兰黄土(刘东生等,1985)•1980’以前,主要研究了第四纪黄土的分布成因和地层划分.对晚更新世黄土的系统研究较少.•1980’以后,刘东生、安芷生、李吉均等引入新的手段与方法，在黄土和古土壤的年代测定、地层划分、形成环境等方面进行大量研究。•取得成果：•晚更新世黄土地层中含有最后一个间冰期---冰期旋回中环境变迁的多种信息。•发现晚更新世黄土中夹有古土壤层•从马兰黄土中存在的古土壤层中获取了大量的环境变化信息与测年数据，并建立了多种气候代用指标。黄土沉积特征•第四纪黄土沉积以黄土层和古土壤层交互沉积为特征。黄土层的形成反映风尘堆积作用过程，而古土壤层的形成反映成土作用过程。当风尘堆积作用大于成土作用时形成黄土层，反之，形成古土壤层。•黄土沉积与寒冷的冰期相对应，古土壤与相对温暖的间冰期相对应。•我国黄土主要分布在干旱荒漠区的外缘，表明黄土沉积时期当地属于干寒草原环境，而古土壤发育时期则对应温暖的森林草原环境。•黄土与古土壤层的交替变化是第四纪冰期---间冰期环境周期性变化的反映。•根据黄土层的风化程度和古土壤发育程度的差别，推断环境在不同时期的差别。•黄土—古土壤序列是目前已知的唯一能与深海氧同位素记录对比的陆上沉积。两者有很好的对应关系。•黄土是一种以风尘组分为主的堆积,我国境内的黄土堆积主要与冬季风环流的搬运密切相关.所以,黄土被当作反映东亚季风变化的标志.黄土地层序列及其年代•黄土层:一般为灰黄色,质地均一,无明显结构.•古土壤层:为红色,有明显的土壤结构和土壤发育层次.•研究中以L代表黄土层,以S代表古土壤层黄土高原：兰州、西峰、洛川、宝鸡四个地区代表性的黄土剖面对比对比发现：四个剖面都存在B/M界线（古地磁界线），都有S0----S5古土壤层和L1---L15黄土层沉积。表明中国黄土沉积的连续性与完整性，为第四纪时期古气候变迁历史的重建提供了宝贵材料。布容正极性带和松山负极性带，二者的界线(B/M)松山负极性带与高斯正极性带的界线(M/G)松山负极性带中存在贾拉米洛正极性亚时(J)、奥尔都维正极性亚时(O)和留尼旺正极性亚时(R)重要的气候代用指标从黄土----古土壤序列中提取的具有指示古气候、古环境变化的重要指标有：1、粒度2、磁化率3、CaCO3含量4、有机碳含量（TOC---总量）和δ13C5、全氧化铁含量6、黄土剖面中10Be浓度7、黄土地层中生物遗存1、粒度：是用来反映黄土粗细程度的指标，粒度的大小差别反映风力搬运强度的差别。对我国来说，上世纪60年代，刘东生等发现黄土高原马兰黄土的粒度分布表现出由西北向东南逐渐减小的趋势，这种分布与现代西北季风和现代沙尘暴天气的移动路径完全吻合，推论黄土是来自于西北荒漠的风尘堆积物。黄土剖面粒度大小与西北季风的强弱直接相关。黄土高原南部洛川剖面：粗粉砂含量高，粘土含量低，属于粘土质粉砂刘家坡剖面：粗粉砂含量低，粘土含量高，属于粉砂粘土质•2、磁化率(susceptibility)(magneticsusceptibilitykappameter)是物质被磁化难易程度的一种量度。磁化率值的变化与气候变化尤其是降水量的变化有一定的关系。所以黄土---古土壤序列中磁化率的变化被作为夏季风变化的指标。磁化率μ=M/HM代表磁介质单位体积内所有分子（或原子）的磁矩之矢量和H代表磁场强度。μ0，M与H反向，是抗磁性物质μ0为顺磁性物质。有些物质被磁化后，即使撤掉外磁场，其磁性不再消退。称铁磁性物质。•1.磁化率μ的含义：在有磁性材料存在的情况下，合磁场的B与外磁场的B（不含磁性材料被磁化所产生的附加磁场）的比值，就叫这个材料的磁化率。2.μ的意义（作用）：μ越大的材料越容易被外磁场磁化。所以磁化率是表示磁性材料能够被外磁场磁化的容易程度的物理量。•古地磁是主要的测年手段。几条重要的古地磁界线如：B/M、贾拉米洛极性亚时、奥尔都维极性亚时、M/G界线，在宝鸡黄土---古土壤序列中得到明确的测定。郑洪波\简介.doc据推断：这个剖面的黄土在2.5MaB.P.前后开始堆积.松山期开始堆积经33层黄土,布容期开始堆积第8层黄土.•布容正极性时（B），松山反极性时(M)黄土中记录了贾拉米洛正极性亚时(J)、奥尔都维正极性亚时(O)和留尼旺正极性亚时(R)松山负极性带与高斯正极性带的界线(M/G)•磁化率大小反映沉积物中铁磁性矿物相对含量的高低。磁化率的峰值与古土壤层对应。铁磁性矿物-----磁铁矿、赤铁矿和磁赤铁矿等在古土壤中明显富集，表明古土壤堆积形成时期气候湿热，成壤作用强烈，长期风化淋溶使原有的铁磁性矿物相对富集，并产生新的铁磁性矿物。黄土堆积时期气候冷干，风尘堆积物受到次生改造很弱。•安芷生提出：黄土剖面磁化率变化可以作为衡量东南季风演变的代用指标。•3CaCO3含量为易溶盐类，在次生风化改造过程中变化非常明显，可以当作探索大气降水或湿润程度的指标。研究发现规律是CaCO3在黄土层中含量高，而在古土壤层中含量低。表明在黄土沉积时期，为干旱少雨的环境，CaCO3在土层中淋溶少，沉积多，故含量高。在古土壤沉积时期，环境湿润多雨，大量CaCO3被淋溶殆尽，故含量低。CaCO3在古土壤剖面中淀积深度的变化，也可作为衡量气候湿润程度的指标，这对于推断黄土地区过去的全球变化具有重要意义•4、有机碳含量（TOC---总量）和δ13C黄土中有机碳含量（TOC---总量）和δ13C与其堆积之后生物气候环境有密切关系，所以它可以作为气候变化的代用指标。例如：渭南剖面有机碳的平均含量：0.26%古土壤层中含量较高,在0.3%~0.64%黄土层中的含量明显低,在0.04%~0.45%整个剖面有机碳含量曲线的峰值与古土壤层对应良好,反映古土壤层形成于温暖湿润,生物繁茂的时期.•5、全氧化铁含量•当风尘堆积在次生改造过程中,不稳定成分风化分解淋洗掉,铁被分解出来或富集起来.•全氧化铁的含量包含有原生和次生成分.它在剖面中的变化趋势曲线与磁化率曲线具有相同的变化趋势,即Fe2O3/FeO比值与成壤强度正相关.6、黄土剖面中10Be浓度宇宙射线作用于大气圈物质产生10Be,它通过大气降水沉降于地表.如果10Be沉降通量恒定,则冰期时黄土以较大速率堆积的话,黄土中10Be的浓度降低;间冰期时黄土堆积速度小,10Be的浓度必定很高.7、黄土地层中生物遗存----孢粉与陆生腹足类蜗牛化石根据黄土剖面不同层位若干花粉属种的植物生态学特点可以推断古植被、古气候.陆生腹足类蜗牛化石对生态环境变化特别是湿度变化敏感。古土壤层中多见间齿螺组合，其现生种分布到长江流域，故其化石组合反映比较湿润的环境，而黄土中多见中华蜗牛，其现生种分布于黄河流域和我国西部，化石组合反映的就是干旱寒冷环境。ThelocationofDagangsectioninZhenjiang镇江大港剖面位置图MagneticsusceptibilitycurveoftheXiashuloessinZhenjiangandcomparisonwithMIS镇江下蜀黄土磁化率记录与深海氧同位素阶段的对比Section2TheDeep—Seaδ18ORecords第二节深海氧同位素记录•氧同位素与温度变化目前能够比较准确地反映古温度变化细节的证据,是深海沉积物中浮游有孔虫化石氧同位素的变化.Section3IceCornRecords第三节冰岩芯记录•反映过去气候变化的一个尤为有价值的资料来源是冰芯中的记录，尤其是格陵兰和南极大陆冰芯中的记录。这些冰芯有数千米厚，它是随着多年降雪的产生，每年积累的雪最终会转换成冰，形成—个年层。近顶层的冰是最近形成的，近底层的冰可能是上万年前落在表面的雪。因此，对不同层次的冰的分析可以得出关于过去不同时期盛行的气候条件。从这些地区取得的冰芯中获得的主要记录是氧同位素比率δ18O。•当水汽从海面蒸发时，含18O的重分子水不易蒸发，而在水汽凝结时H218O较H216O更易于凝结，使剩余在水汽中的H218O比重进一步减小，因而陆地水体中的18O／16O值均小于标准大洋水汽中的18O／16O值，离海洋蒸发源越远，水体中的18O／16O值越小，δ18O的负值越大。•蒸发和凝结作用均与温度有关，分析测试表明温度每降低1℃，δ18O在格陵兰地区降低0.70‰。，在南极地区降低0.75‰，在青藏高原北部降低0.65‰，根据这种关系，可由冰芯中的δ18O推断温度变化。南极东方站冰芯记160kaB．P．以来的气温变化青藏高原古里雅冰芯记录的末次间冰期以来的气候变化Section4TreeRingRecords第四节树木年轮记录树木年轮是树木形成层周期性生长的结果。在温暖或湿润的生长季节树木生长快，细胞大而细胞壁薄，形成较宽的浅色早材；在寒冷或干燥的季节树木生长缓慢，细胞小而细胞壁厚，形成较窄的暗色晚材。早材和晚材合起来为一个年轮。正常情况下，树木每年向外生长一个年轮。树木年轮可提供时间分辨率为年或季的全球变化信息，是重建几十年到几百年尺度全球变化的最重要信息源之一。树木年轮指标•1.年轮宽度：反映树木生长量状况的。它的大小与树木的年龄、前期生长状况和环境等多种因素有关。在寒冷地区，温度起主导作用。低温年份年轮窄，高温年份年轮宽。在干旱半干旱区，多雨年份年轮宽，少雨年份，年轮窄。年轮中的缺轮、伪轮等变异轮可用来反映冻害、虫害、火灾等异常环境事件。•2.年轮密度：反映年轮细胞大小、细胞壁厚度和细胞数量多少的一个量。分最大密度、最小密度、平均密度等参数。比宽度反映更多的环境信息。它适用于早