周尚哲

2020-05-10 23:58 关键词:周尚哲:第四纪冰冻圈,全球变化长尺度研究,周尚哲,冰冻圈,冰川,冻土 分类:人类之最 阅读:384

周尚哲

本文刊载于《中国科学院院刊》2020年第4期

专刊:冰冻圈科学与可连续生长

周尚哲1*赵井东2王杰3许刘兵1崔建新4欧先交5谢金明3

1 华南师范大学

2 中国科学院西北生态情况资源研讨院

3 兰州大学

4 陕西师范大学

5 嘉应学院

第四纪冰冻圈的研讨目的是规复曩昔 260 余万年来的冰冻圈演化汗青,熟悉其演化纪律,以及探明其主导缘由。于是,第四纪冰冻圈科学除了研讨冰川、冻土、积雪等冰冻圈焦点要素在第四纪期间的变革以外,凡反应冰冻圈变革的物理、化学、生物的各类堆积纪录与机理研讨,以及与冰冻圈演化有因果联系的其他天文、地质的研讨也一定包孕在内,这是冰冻圈渗入于其他四大圈层(岩石圈、大气圈、水圈、生物圈)的跨学科性子及长时候标准所决意的。

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第四纪冰冻圈的研讨意义

第四纪被界说为冰川纪,其根基特点是冰期-间冰期瓜代。冰冻圈作为相对自力又与其他四大圈层有亲切联系的第五大圈层,其变革天然对其他圈层乃至全部地球体系有着无足轻重的影响,非常是决意了地表历程的庞大调解、生物圈的落莫与繁华乃至物种的演替与进化。

我们现在处于全新世相对暖湿的时段,这个时段是全部第四纪天气情况演化的连续。第四纪冰冻圈的研讨可使我们分析第四纪天气情况变革的幅度、频次及其缘由与结果。把握这些纪律,有利于窥察和猜测当前和将来天气情况变革趋向;特别是在环球连续变暖的后台下,地球这个宇宙中的“诺亚方舟”到底驶向何方。第四纪冰冻圈的研讨最少可以给出差别时候标准上的极限幅度。

进一步参考末次间冰期、末次冰期间冰段和全新世大暖期,实行“古类似”(paleo-analogue)预估,辅助人类从容应对。人类降生于上新世甚或中新世,其快速进化又差不多与北半球西欧大冰盖频频出现的第四纪相对应。降生于非洲的原始人类及以后的智人到底什么时候和如何走出非洲散布于天下,人类形体、器官、大脑和智能的演进与冰冻圈的扩大与畏缩有着如何的联系,都是庞大科学成绩,也隐含活泼的人地关系真理,对人类学、人文地舆学都具有非常深远的学术意义。

今朝,因为环球变暖,二氧化碳排放遭到史无前例的注重,加上人类对生计空间的无限定扩大,对天然情况的破损、净化,以及由此招致的生物种群的加快灭尽,迫使科学家提出一个“人类纪”(Anthropocene)的新概念。人类纪到底会是一个如何的纪元,人类到底在多大水平上冲破天然纪律的界线,需求以全部第四纪汗青作为后台来认知。于是,研讨第四纪冰冻圈,不但具有认知晚近地质汗青的科学意义,也为预知将来天气情况变革供应后台坐标。

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第四纪冰冻圈研讨内容

第四纪冰冻圈的研讨内容大抵可归结为以下 7 个方面。

1

冰冻圈地貌和堆积。这是冰冻圈演化空间范围和范围重修的基本,包孕冰川腐蚀地貌和冰川堆积、冰缘地貌和冰缘堆积、化石冻土等。此类地貌堆积遗址散布在高纬度、高海拔地区,以及陆地堆积中。

2

情况纪录。重修完好的第四纪冰冻圈变革幅度和情况特点的根据,包孕深海岩芯、极地冰芯、大陆黄土-古泥土、湖芯、石笋、树轮等各类载体中的纪录。其情况信息反应在多种同位素、堆积物粒度、二氧化碳、胞子花粉、粉尘、碳酸钙、磁化率、有机碳、硅藻、风化指数等一系列目标中。利用它们来揭露第四纪长时候标准的天气变革,并和冰冻圈地貌堆积供应的信息相互印证,获得纪律性的熟悉。

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第四纪年月学。定年是支撑地貌、堆积和情况变革纪录的技巧基本,包孕同位素定年(如铀系法、钾氩法、铷锶法、碳 4 法等)、古地磁定年、电子自旋共振定年、释光定年、宇宙核素定年等。这些定年技巧各有优缺点,分别合适于测试差别堆积物和差别时段,它们的适用性和精确性也在不断被摸索、生长和美满中。

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建模与模仿。模子包孕概念模子、物理模子和数学模子。模仿研讨在诸如古雪线、冻土下限、古森林线的起落、大陆冰量增减、海平面涨落、猜测将来等研讨中利用广泛。

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生物演化。生物演化与冰冻圈的变革互相存眷,借助于动、动物化石可以熟悉那时的天气情况。比方,胞子花粉、猛犸象-披毛犀化石揭露西伯利亚在末次冰期过去是辽阔的冻土苔原地带,而且不断向南延长到中国华北一带。

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人类生计、进化与冰冻圈。因为人类次要是在第四纪进化而来,故对第四纪人地关系的研讨具有关键的学术意义。这类研讨今朝尚遭到古人类遗址数目的限定,但有很大的生长空间。

7

冰冻圈变革的缘由和驱动机制。这是从开掘纪录向理论熟悉的一定生长。内容包孕:地外空间情况,如太阳系在银河系中的活动、地球轨道参数变革和太阳黑子流动等;地球体系内部,如地壳活动、火山喷发、陆地与大气能量传输、生物-天气效应,以及人类干扰等。

第四纪冰冻圈研讨所触及的内容广泛而神秘,由此导致的质疑和争辩常常是猛烈而耐久的,这契合科学生长的通常纪律,更反应这门学科庞大的内涵动力。

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更新世冰冻圈演化及其缘由研讨希望

冰冻圈是一个较新的概念,但其基本研讨却已有相称的生长汗青。从 18 世纪初一些地质地舆学者存眷阿尔卑斯山冰川遗址可以,经由近 1 个世纪的考查摸索,于 19 世纪初发生冰川学。20 世纪发生了阿尔卑斯山第四纪冰期典范形式。与此同时,冰期天文学说获得极大的生长。随后,深海钻探及岩芯纪录研讨和年月学技巧突飞猛进。迄今,我们对第四纪冰冻圈的变革有了对照清楚的熟悉。

1

约距今 35 Ma 南极大陆形成不稳定冰盖,于距今 14 Ma 到达稳定。北半球距今 8 Ma 可以在冰期形成笼盖型冰川,至距今 2.6 Ma 可以,冰期中稳定出现冰盖,标记环球进入大冰期。于是,国际大将第四纪时限定为距今 2.6 Ma。

2

第四纪期间,距今约 0.8 Ma 发作所谓中更新世转型(Middle Pleistocene transtion,MPT)。MPT 之前为地轴倾角主导的 41 ka 周期,冰期时的冰川范围也广泛要小;以后转为偏心率主导的 0.1 Ma 周期,幅度加重。冰期最盛时,环球冰川面积到达 4500万平方公里,占环球陆空中积的 30%,主体是北美冰盖、欧亚冰盖和南极冰盖。而间冰期时,冰川面积只占环球陆空中积约 10%,主体是南极冰盖和格陵兰冰盖(图 1)。

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图 1 冰期与现在冰川范围对照 (a)和(c)分别为北半球和南半球冰期冰川情形;(b)和(d)分别为北半球和南半球当今冰川情形

在距今约 20 ka 的末次冰期最盛期,北半球多年冻土的面积到达 3350万平方公里(图 2)。海平面降落 135 m。

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图 2 末次冰期北半球多年冻土散布

但是,0.1 Ma 周期的冰期旋回中,冰川所到达的范围也不雷同。比方,深海氧同位素(MIS)偶数阶段所代表的冰期中,MIS2、MIS6、MIS12、MIS16 冰川范围很大,而 MIS8、MIS10、MIS14 等范围相对小(图 3)。

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图 3 深海氧同位素纪录的第四纪冰冻圈变革

3

冰期发作于轨道偏心率的低值期间,此时因为轨道趋于圆且长轴稳定,一年中的均匀日地间隔增添,由此导致的空中太阳辐射要削减 0.8%。假如再叠加地轴倾角减小,就很有利于高纬度大陆冰盖扩大――此时,岁差感化趋零。在偏心率高值期间的间冰期,岁差体现凸起,如末次间冰期及大多数深海氧同位素奇数阶段。

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末次冰期及其以后发作了一系列较短标准的天气变革纪录,即冰阶-间冰阶的瓜代。这些纪录不克不及用轨道参数变革理论来诠释,被称之为“亚轨道标准”变革。

业已发明的知名纪录有 D-O 事宜、H 事宜、Dryas 事宜、BA 事宜,以及全新世 8.2 ka 事宜、新冰期、小冰期降温。D-O 事宜是格陵兰冰芯纪录的冷暖旋回,每一个暖期以后紧接着是一个冷期,温度变革幅度达 5℃―8℃,连续数百年至 2 ka,均匀周期为 1.5 ka。D-O 旋回中,最冷期获得北大西洋“冰阀感化”堆积的冰碛层考证,称为 H 事宜。

共发明 6 个期次的堆积,时候在距今 60.0―16.9 ka 前。H 事宜被认为能导致海面温度和盐度低落,阻断北大西洋热盐环流,进一步加重大范围降温。H 事宜与 D-O 旋回事宜均被认为是具有环球性意义的天气事宜。末次冰期竣事历程中于距今 18.0―11.7 ka 发作 Dryas 降温事宜,被分为 oldest Dryas、older Dryas 和 younger Dryas(YD,即“新仙女木”)事宜。这 3 次降温事宜被发作于距今 14.7―12.9 ka 的 2 个暖和期合并,分别称为B lling 事宜和 Aller d 事宜(即“BA 事宜”)。新仙女木事宜降温幅度相称于冰期的 50%―75%。此次降温后,才完全进入冰末期,故而将新仙女木事宜竣事定为全新世的可以。

5

全新世虽为间冰期,但冰冻圈仍旧有频仍颠簸。

西方学者 19 世纪末期就依照北欧孢粉材料分别了全新世的天气期,即前北方期(Pre-Boreal)、北方期(Boreal)、大西洋期(Atlantic)、亚北方期(Sub-Boreal)和亚大西洋期(Sub-Atlantic)。20 世纪中期提出 “Hypsithermal Interval”“Climatic Optimum”和“Thermal Maximum”等称号界说全新世天气中最暖和的期间;并推算那时温度较当代高 2℃―3℃。进一步研讨发明全新世北大西洋地区发作过 9 次冷事宜,时候分别为距今 和 0.4 ka。

这些事宜出现的周期为 1 470±500 a,降温幅度以 8.2 ka 事宜强度最大,那时温度低于现在 2℃―3℃。全新世冷期也招致各地山地冰川进步形成小范围冰碛垄,但这个标准上的冰川进步具有较强的地区性(图 4)。

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图 4 环球全新世以来冰进事宜的期间

北半球次要发作在晚全新世,南半球则发作在早全新世。固然,这个结论还有待更多证据和更精确的年月数据来支撑。

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冰期天文理论预言,在不计人类干扰的情形下,下一次大冰期将于 60 ka 后发作,北半球最大冰量大概会到达 2700万立方千米。

4

第四纪冰冻圈与岩石圈活动

冰冻圈与岩石圈有亲切的互动关系。地质汗青上的大冰期均与海陆板块散布款式存在耦合。第四纪期间,环球大陆板块散布款式虽无较大的变革,但新机关活动活泼地区,数千米的垂直抬升量则足以改动水热环流,从而对冰冻圈发生庞大影响和呼应。

研讨讲明,欧洲阿尔卑斯山于新近纪已达海拔 2 500―3 000 m。距今 3.5 Ma 可以,部份较高的山地可以发育冰川。至 MPT,阿尔卑斯山东大学范围进入冰冻圈并可以发育冰盖。在南美安第斯山中部,古动物证据显现 20 Ma 前时,均匀海拔高度不敷当代(3 700 m)的 1/3,自距今 12―9 Ma 至今,均匀抬升幅度为 1705±695 m。在山地抬升的同时,天气也在渐突变冷,二者的耦合招致了距今 7.0―4.6 Ma 巴塔哥尼亚地区发作冰川感化。至距今 1.2 Ma,巴塔哥尼亚地区形成了更新世最大的冰帽。跟着天气的进一步变冷和山脉的渐渐抬升,安第斯山中低纬度地区也顺次进入冰冻圈而发育冰川。安第斯山北部进入冰冻圈发育冰川的时候则要晚许多,最大范围的冰川感化出现在 MIS8―MIS6。

研讨讲明青藏高原在上新世处于准平原形态,大抵海拔 1 000 m。距今 3.6 Ma 的上新世晚期发作“青藏活动”,可以新一轮隆升。经由 A、B、C 3 幕抬升和昆黄活动,在距今约 0.8 Ma,高原面到达 3 000 m 以上,高原残山和周边的山脉到达更高的高度,于 MPT 发作较大范围的冰川感化,标记着此时高原进入了冰冻圈。今后继承上升,每到冰期,冰川扩大,间冰期,冰川畏缩。特别是经由“共和活动”,高原渐渐靠近现在的高度;即便到了间冰期,仍旧可以残留大批的山地冰川,成为地球上低纬度冰冻圈的主体。

现已肯定,青藏高原在更新世发作了希夏邦马冰期、昆仑冰期、中梁赣冰期、古乡冰期和大理冰期。这 5 次冰川感化期分别对应于 MIS22、MIS16、MIS12、MIS6 和 MIS4―MIS2。高原山地冰川对全新世新冰期、小冰期也有主动呼应。

青藏高原隆升对冰冻圈有反应感化。有学者认为,青藏高原抬升导致化学风化增强,耗损大气中的二氧化碳,发作“冰室效应”而使天气变冷,距今 2.6 Ma 北半球大冰盖启动很大概与此有关。也有学者料到,昆黄活动使青藏高原上升到 3 000 m 以上高度,不清扫招致 MPT 事宜大概性。这些勇敢的推论,尚需求进一步商量。可是,这确实说清楚第四纪冰冻圈与青藏高原隆升之间大概存在的联系。

不言而喻的是,青藏高原隆升培养了中国三级门路的大地貌款式和天下上最强盛的亚洲季风天气体系,体现出最典范的三向地带性,形成中国三大天然地区,深入影响了中国乃至全部亚洲的天气情况。

冰冻圈与岩石圈之间的互动还反应在地壳平衡机关方面。冰盖充足强盛时,招致地壳下沉,畏缩后导致地壳上升。比方,在更新世冰川感化最盛时,劳伦泰冰盖中心区的平衡下沉幅度大概超出了 900 m。冰期以后大冰盖区广泛出现反弹抬升。比方,北美曾抬升 300 m 阁下,芬诺斯坎底亚抬升 307 m。在哈德逊湾的东南角,全新世期间的均匀抬升速度超出了 30 m / ka,现在仍旧有 13 m / ka。全新世晚期的抬升速度应当远超出 30 m / ka。

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第四纪生物与人类对冰冻圈变革的顺应

第四纪在生物演化史上是个对照长久的时段。但是,与第三纪比拟,第四纪时木本动物削减而草本动物增添;木本动物中耐寒的落叶、阔叶和针叶种增添,被子动物空前繁华;动物群落屡次迁移,经向更改幅度达 10度以上,垂直带谱上下挪动到达 1 000 m 以上,这标记着第四纪冰冻圈紧缩与扩大的水平。

动物界在哺乳动物方面次要体现为三趾马、轭齿象、剑齿象、剑齿虎动物群的灭尽,以及真相、真牛、真马的出现。原有部份种群向南方迁移,得以连续。

冰期中,也生长出特有的生物种群,形成新的生态体系。比方,西伯利亚形成冻土-苔原地带,一度成为披毛犀-猛犸象生计王国。别的,也有少数物种在渡过极真个冰期残酷情况后幸存下来,被称作“活化石”,如银杏、银杉、水杉、水松、台湾杉、金钱松,大熊猫、金丝猴、扬子鳄、白鳍豚等。国家长江流域保留这些余存物种的地区被称作动、动物“避难所”,这也讲明长江流域冰期情况还没有到达过于残酷的水平。

人类起源于非洲,在第四纪晚期曾有限散布。在格鲁吉亚、土耳其、以色列、印尼、越南、德国、匈牙利、捷克、阿尔及利亚、摩洛哥、中国(蓝田人、元谋人、北京人)发明零散化石或石器。直到晚更新世末次间冰期才有较大范围散布。末次冰期海平面低落,人类通过大陆桥散布到美洲和澳洲。尼安德特人在生计斗争中消亡,而克罗马农民连续并成为当今人类先人。这类迁移和天然选择的历程都与冰冻圈冰期-间冰期演化不无关系。非常风趣的是,广谱反动、细石器、种植、驯养、纺织、制陶等糊口、临盆妙技相继出现都与新仙女木事宜以后的天气变暖相联系。今后,农业社会便蓬勃地生长起来。

工业反动可以,人类将地球岩石圈数亿年间积聚的有机能源快速开释于大气圈,环球增温致冰冻圈快速退化。人类临盆糊口举动也使岩石圈(泥土)、水圈、大气圈全方位净化,再加上生计空间合作,形成生物物种大批灭尽,其灭尽速度与范围远超地质史上已发作过的任何天然灭尽事宜。人类对地球体系的影响到达如此严峻的水平,迫使科学家们提出人类纪概念以示申饬――人类利用下的地球这个“诺亚方舟”到底驶向何方?

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考虑与倡导

中国在第四纪冰冻圈的研讨中取得了长足的希望:根基查清了青藏高原及周边山系的第四纪冰川、冻土散布及其纪律,重修了冰期序列,摸清了高亚洲冰冻圈与环球冰期和青藏高原抬升的耦合关系。但是,这类基本研讨仍需求大力推动。笔者认为近期有以下 3 个方面的工作亟待展开。

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青藏高原及周边山脉冰川与冰川地貌航拍材料库的设立

现在的无人机航拍技巧已很蓬勃,可以知足高区分地貌辨识,非常合适于无植被冰雪带地貌航拍。于是,亟待利用这一新本领对冰川及其地貌实行体系航拍,设立基本图库。这既是当代冰川、积雪静态检测所需,也是冰川冰缘地貌、第四纪冰期序列细化研讨所必须。如此一套基本材料的设立势必极大推动研讨和预估水准。倡导国家天然科学基金委员会和中国科学院设立庞大项目完成这一工作。

2

展开冰缘地貌遗址普查工作,填制冰缘遗址散布图

这项工作迄今没有体系实行,人们对冰缘遗址的分析停留在“顺手牵羊”认知的形态。国家青藏高原及周边山脉、东北与华北广泛散布的古冰缘遗址关于弄清第四纪特别是末次冰期情况及预估将来有非常关键的意义,也非常有助于进一步申明“青藏高原大冰盖论”和中国东部所谓“低海拔冰川”的真伪成绩。现在交通、装备、人材各方面条件都已具有,倡导这项工作应尽快展开。

3

清算中国东部部份名山疑似古冰川以误导公家的成绩

第四纪冰冻圈的研讨中触及中国东部所谓“低海拔第四纪冰川”成绩。因为晚期发生的毛病观念加上少数人的保持,以及旅游经济生长的需求,一些名山以似是而非的“冰川遗址”做招牌兜揽旅客,极大地误导了旅客和公家。乃至发作四川彭州毛病地将“八角镇”改名为“冰川镇”而不克不及从新改回的荒谬事。倡导中国科协构造专家组合营本地当局和旅游部分清算这方面的成绩,以改正毛病、混淆是非,把公家视听引向安康的科学轨道。

周尚哲

周尚哲华南师范大学地舆科学学院传授。研讨工作次要触及青藏高原及相邻山脉第四纪冰川与情况演化等。

作品源自:

周尚哲,赵井东,王杰,许刘兵,崔建新,欧先交,谢金明.第四纪冰冻圈――环球变革长标准研讨.中国科学院院刊,2020,(4):475-483.

总监制:杨柳春

助理编纂、校正:PAN

排版:江淼

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