第四纪地质与环境教案

1第一章绪论第一部分：提问1、提问对第四纪地质的了解。2、对第四纪气候环境的认识。第二部分：讲课内容第四纪（Quaternary）一词，是1829年法国地质学家德努埃（Desnoyers）所创，他把地球演化历史分为四个时期，第四纪是指地球发展历史最近的一个时期。1839年赖尔（Ch.lyell）把含现生种属海相无脊椎动物化石达90%和含人类活动遗迹的地层划为第四纪，并将第四纪分为更新世(Pleistocene)和全新世(Recent)，奠定了第四纪地层划分系统。直到1881年第二届国际地质学会才正式使用“第四纪”一词。第四纪是全球气候变冷，冰川出现；生物界发生变化，人类出现（目前，人类祖先出现已被前推到500万年）以及现代文明产生的时期。第四纪是地质历史中最生动的时代。第一节第四纪环境概述第四纪时期全球气候、环境发生了频繁而巨大的变化。冰盖与冰川、河流、湖泊与海洋、沙漠与黄土、绿洲与荒漠、火山与地震遗迹等等均记录了环境的变化。在以后的一些章节里我们将分析这些记录，正确认识第四纪时期发生的事件，并理解人类在全球环境中的地位和职责。1.冰盖与冰川大约20Ma前，冰开始在南极积累。北半球冰盖形成则要晚得多，直到2.4Ma前，主要冰盖才开始在北美迅速增长。其原因目前还不清楚（可能与地球环绕太阳旋转的轨道和地轴倾斜的周期性变化密切相关）。北半球大冰盖的发育都按照这样的模式：冰雪积累形成冰盖的过程十分缓慢，但后来冰川融化、冰盖退缩的过程却十分迅速，大陆环境的变化深受极地冰盖及大陆冰川影响。２．海洋记录较大的第四纪冰盖厚达4000m。当冰盖缓慢积累至最大厚度时，由于不断增加的冰的重量会导致使其下的基岩逐渐下沉。而冰融化时，基岩又慢慢上升恢复到冰期前的水平。这种随第四纪大冰盖扩张和消减的“均衡调整”导致了海平面的相对变化。在冰期最盛期，地球上大约5.5％的水以冰的形式储存（现在的数值为1.7％，大约是盛冰期的三分之一）。当冰盖扩张时，地球海平面将2会下降，根据冰的总体积计算，全球出现最大冰盖时，海平面的下降可达150m。当冰盖迅速融化退缩时，海平面又逐渐回升再次达到现在的水平。重建过去海平面变化有助于了解全球冰盖积累和融化的速率，但较精确定年的第四纪海平面变化的历史，仅能追溯到250ka前，所以其它十分之九的记录必须从其它方面，特别是从深海岩芯中获得。推断大洋循环模式变化主要依赖于沉积学和微体化石的研究，底栖和浮游有孔虫钙质介壳的氧同位素组分的分析是提供深部海水或表面海水温度和盐度变化的一种可靠手段。充分考虑到区域因素的影响后，也可以用这一技术来评估全球冰量的变化。从表层海水盐度的区域变化能指明主要河流径流量、蒸发量、季节性降水量的变化。深海岩芯记录有两大优点：一是它覆盖全球；二是其时间跨越新生代大部分。相对而言，除了黄土之外，大陆上少有这样漫长的、连续的记录，目前只有某些特殊的湖盆才可能提供类似的记录。“厄尔尼诺”现象困扰着人类，介绍它的发生、发展与影响。3.河流、湖泊尽管海洋记录能提供良好的第四纪时期全球气候波动的模式和速率的信息，但陆上记录对于直接了解当地的和区域性的水文变化更为有用。这些水文变化在大小河流的第四纪沉积物中，以及与当地蒸发量、降水量、地下水位变化密切相关的湖泊记录中是十分明显的。可惜的是大多数河流冲积物只能提供一些历史片断。但是河流和湖泊结合起来将能获得某些地区如何响应第四纪环境变迁的高精度的信息。4.沙漠环境中国有塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、巴丹吉林沙漠等十多个沙漠。沙质荒漠面积690000km2，沙漠化面积（沙地）146000km2。沙漠环境是我国第四纪地质与环境研究的重要组成部分。中国北方荒漠化十分严重。5.生物界变化与人类出现大陆上植物及动物化石所记录的各种变化可以用来重建大陆气候、环境变化。中国华北哺乳动物群：游河动物群、泥河湾动物群、公王岭动物群、周口店动物群、陈家窝动物群、大荔动物群、山顶洞动物群的特征反映了华北地区气候、环境的变化。海洋示冷有孔虫大量出现，也提供了第四纪初气候变化的证据，有孔虫碳酸岩壳体的氧同位素高灵敏度的记录了气候、环境变化。某些有机体本身对其生存环境的变化是非常敏感的，它们对外部环境干扰的响应非常迅速。人类演化阶段的探讨。6.火山与地震火山爆发与地震是地球上最常见、最状观的地质活动，深刻的影响地球环境，。7.黄土3中国黄土是研究第四纪大陆环境变化的最好载体，中国黄土被认为是东亚冬季风从中国西北部沙漠地区携带来的粉尘堆积。在寒冷时期东亚冬季风强盛，粉尘携带增加，在黄土高原地区沉降、堆积黄土。在温暖时期东亚夏季风强盛，大洋潮湿气流北上为黄土高原地区带来雨水，地表成壤作用加强。黄土高原地区黄土――古土壤序列记录了东亚季风变化规律，同时记录全球气候环境变化信息。8、城市环境城市是人口集中的活动区，城市地质环境对人类生存有特殊的意义。讲述与城市居住密切相关的地裂缝、地面塌陷、滑坡等内容。第二节中国第四纪环境概况由于青藏高原的热力作用，使高原面相对于四周自由大气来说，冬季是冷源，夏季是热源。夏季形成青藏低压（南亚低压的一部分），影响南亚季风环流。冬季随着气候带南移，高原本身形成强大的闭合冷高压，其影响叠加在蒙古冷高压之上，从而大大增加了冬季风的强度。高耸的青藏高原阻挡了来自印度洋向北输送的水汽，越过高原的气流在高原北缘发生下沉作用，焚风效应使西北广大地区冬季干冷，夏季干热，当地环境不断向干旱化方向发展。其次，中国北方与西伯利亚地区接受印度洋气流带来的热量减少，西伯利亚冷高压加强，促使中国东南季风区不断扩大。西南地区成为孟加拉湾暖湿气流向北输送的重要通道，使西南季风也相应加强。青藏高原本身由于其巨大的高度使地质环境过程以寒冻风化作用为主，成为独特的高寒环境系统。第四纪时期青藏高原持续隆起，使这些环境特征和区域分异具有相对稳定性，并有不断加强的趋势，从而使中国形成6个不同的地质环境系统（图1-1）。1.青藏高原区第四纪环境青藏高原经过上新世末的强烈隆起使海拔高度大为增加，根据1964年在希夏邦马峰北坡5900m处发现的高山栎叶片化石推测第四纪初当地已达3000m，而第四纪早期高原平均海拔已达到2000~3000m。许多山峰达到雪线以上，高原四周一些盆地内沉积了巨砾沉积。林振耀和吴祥定（1981）认为，当高原面平均高度达到3000m以后，其环境效应已与现代相似，可以使东亚季风环流系统基本定型。上新世末至早更新世初，青藏高原湖泊广布，是晚新生代一个重要的成湖期。早更新世湖相沉积与上新世地层之间为连续沉积。孢粉组合了温带森林草原、草原和荒漠草原环境。湖相沉积中的生物化石反映了湖水为淡水环境，显然大多数湖泊尚未成为封闭湖泊。整个青藏高原在第四纪时逐渐形成一个以寒冻剥蚀作用为主的系统。早更新世末至中更新世初，青藏高原经历了一次较强烈的隆起，平均高度达到3000m以上。高山地区进入“冰冻圈”，开始了大规模的冰川作用时期。4其中本区倒数第3次冰期（0.72~0.52Ma）规模最大，发育冰帽冰川（王苏民等，1994）。中更新世中期，大约在深海氧同位素15~13阶段，气候湿润多雨，地表径流丰富。在地形较高地方形成棕壤，较低的高原面形成红壤型土壤（高以信和张林源，1992）。晚更新世是中国大陆第四纪以来最干冷的时期，青藏高原隆起，对来自西面的水汽和印度洋的暖湿气闭的屏障作用愈益加强，使西北地区降水明显减少。青藏高原深化为极其干寒的环境，冰川冻土成为第四纪地质过程的主要产物，高寒荒漠景观占主导地位。高原面上发育星罗棋布的内陆湖泊，大多保存了连续分布的古湖岸线。年代学研究表明，高湖岸线时代为40~25ka，当时湖面面积比现今大许多倍，如甜水海－阿克赛钦（Aksayqin）湖面积比现在大7.7倍（李炳元，1994）。上述事实说明，在全球气候暖湿阶段，高原湖泊面积扩大。而这些湖泊现已明显缩小，大多深化为咸水湖。晚更新世青藏高原作为世界屋脊耸立在亚洲的南部，自然地带的垂直谱系发育完整，也是我国生物多样性的典型地区之一。青藏高原在全新世已达到现今的高度，全新世大暖期时冰川退缩，湖泊扩大。以色林错（SilingCo）为例，距今12~10ka左右，气候干冷，湖泊水位最低，甚至可能出露湖底，以后随全新世气温升高，融冰水汇集到湖泊中，湖水面急骤上升（顾兆炎等，1994）。其后随着蒸发量加大，湖泊又逐渐收缩。2.西北戈壁－沙漠区第四纪环境西北地区的塔里木（Tarim）盆地早更新世接受周围山地的河流沉积，形成厚1000m以上的砾石层。发源于昆仑山的河流甚至能把砾石搬运到麻扎塔格山山麓。盆地西、北、东缘为坳陷区，早更新世发育大面积的湖泊，盆地内部以河流相为主。柴达木（Qaidam）盆地早更新世存在较大的湖泊，广泛沉积泥灰岩和砂质粘土，其中有时夹石膏和芒硝层。总之西北地区早更新世已比较干旱，但总体上较现今湿润和温暖一些。西北干旱区的山地在中更新世上升显著，普遍发育山地冰川，山麓地带形成较厚的砾石层。昆仑山东段和天山北坡，冰碛物分布在山麓倾斜平原地带，它们可能与青藏高原倒数第3次冰期相当。间冰期时大量的冰融水流入盆地，使湖泊范围扩大。但是中更新世时期盆地内的荒漠气候更为发展，沙漠和戈壁不断扩展，湖泊也在间冰期的中后期迅速收缩，发育一些盐类沉积。湖相沉积物随之遭受风蚀，形成雅丹地形。塔克拉玛干（Taklimakan）沙漠、巴丹吉林（BadainJaran）沙漠、腾格里（Tengger）沙漠已经形成，塔里木盆地边缘的河湖平原明显缩小。柴达木盆地统一的大湖收缩成为狭长的湖泊。晚更新世，塔克拉玛干沙漠扩大到整个塔里木盆地。柴达木盆地的湖泊基本消失，收缩为面积很小的盐湖，进入新的成盐时期，干盐湖周围出现干旱荒漠景观。巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠等都扩展为大规模的沙漠。毛乌素沙漠、科尔沁沙地等的出现说明沙漠向东扩展。除沙漠以外，西北干旱区的山麓地带，盆地周边地区洪积平原广泛发育，5其上的细粒表层物质被风吹蚀以后，成为砾石裸露的戈壁。沙漠和戈壁作为西北干旱区占主导地位的地貌景观，说明晚更新世西北地区干旱化已达到最严重的程度，形成蒙新极干旱风化残积系统。西北干旱区在全新世经历了一次较晚更新世湿润的时期，可能不同地区不同地貌单元湿润时期出现的时间有所差别，但湖泊扩大、地表径流加强、沙丘固定等环境特征都是一致的。例如罗布泊、艾比湖等全新世都有一个高潮面时期。这时的河流径流较多，绿洲比较发育，沙漠相应后退。毛乌素沙漠在这个时期成为固定的沙地，而且普遍发育零星的小湖，历史上曾经是水草丰美的肥沃土地。现在西北地区又急骤向干旱方向转化，人类不合理的生产活动是重要的起因之一。3.黄土堆积区第四纪环境黄土高原地区在早更新世，甚至在此之前的上新世晚期，大气沉积作用受冬季风影响逐步加强，已经大量接受粉尘堆积，形成红粘土和午城黄土。午城黄土中古土壤层密集，黄土层较薄，堆积范围限于秦岭以北，汾河以西地区，反映当时风力搬运能力较弱，气温较高，降水也较现在多。西北地区的干旱化导致沙漠、戈壁的扩大，黄土高原的粉尘堆积明显向东南方向扩展，离石黄土的南界达到30°Ｎ，说明当时风的地质营力加强。离石黄土中的第5层古土壤形成时期是中更新世气候最湿热的阶段，这种气候状况在该区其他类型沉积物中也有反映。随着西北地区沙漠、戈壁的进一步扩大,黄土堆积的物源区在晚更新世达到最广阔的范围。黄土高原地区全新世堆积了厚约1m的黄土，其中发育黑垆土，代表了比较潮湿的环境，其时代大致在9~7kaB.P.。4.东部平原区第四纪环境东部平原区包括了中国东部自北而南排列的松辽平原、华北的、淮河平原以及长江中下游平原等。它们形成于第三纪初，发育了巨厚的古新世－上新世陆相、海陆过渡相地层。第四纪时期，继承以前的构造运动形式，持续下沉，堆积了几百米厚的河流和湖泊沉积物，成为广阔坦荡的辽冀淮沉降平原系统。早更新世，松辽平原沿山麓堆积洪积和冲积物，向平原中部过渡为河湖相沉积。从山麓地区到平原可见到灰白色砂砾石层逐渐相变为湖相粘土。中更新世沉积了厚层的河湖相粘土层，其中经常发现淡水螺类、贝类等化石。晚更新世松辽平原上沉积