第四纪

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第四纪动物群示意图

  第四纪汉语拼音:Di-siji;英语:Quaternary Period),地球发展历史的最新阶段,时间范围从上新世末(距今约260万年)直到现在。包括全新世更新世两个世。这一时期全球气候发生了频繁的周期性变化,古人类出现并进化为真正的人。第四纪形成的地层称第四系。

  第四纪的260万年中人类的存在已被确证。在这段时间里板块运动小于100千米,因此可以被忽略。在这段时间里气候不断变化,冰河期间冰期交换。在冰川期冰川可以一直延伸到纬度40度的地方。在这段时间里只有很少新的动物种类产生(可能因为这段时间还比较短),在更新世末期,在北半球有不少哺乳动物(如剑齿虎猛犸象乳齿象雕齿兽等)灭绝。马科骆驼科等在北美洲灭绝。

  中国地理学家竺可桢指出,第四纪欧洲和北美洲北部经历了四个冰河期和四个间冰期:第一冰河期距今30万年至27万年;第二冰河期距今20万年至18万年;第三冰河期距今13万年至10万年;第四冰河期距今6万5千年至1万5千年。

  第四纪一词由J.德努瓦耶于1829年提出,以后又进一步划分为更新世和全新世。更新世为1839年C.莱伊尔所创立,他把巴黎盆地含软体动物化石70%为现生种的地层称为更新世地层。全新世和近代为同义词,近代(Recent)一词在1833年被莱伊尔引进地质学中,含义为从此地球被人类所居住。1850年法国P.热尔韦提出全新世一词,1885年国际地质大会正式通过。

  第四系下界的确定至今仍有不同意见。1948年第18届国际地质大会确定,以真马、真牛、真象的出现作为划分更新世与新近纪的生物标志。陆相地层以意大利北部维拉弗朗层,海相以意大利南部的克拉布尼亚层的底界作为更新世的开始。根据这个决议,中国把相当于维拉弗朗层的泥河湾层作为早更新世的标准地层。其后,应用钾-氩法测定了法国非洲相当于维拉弗朗层的底界年龄约为距今180万年。1977年,第10届国际第四纪会议建议,以意大利的弗利卡(Vrica)剖面和介形虫“寒冷种”——爬行翼花介(Cytheropteron testudo)初现层位作为第四系下界,地质年龄为距今170万年左右。对中国黄土的研究表明,距今260万年左右,全球气候和环境发生向干冷转化,黄土开始加速沉积,不少学者主张以此作为第四纪下界。总之,第四纪下限尚未最后确定,这里暂以中国全国地层委员会所制定的距今260万年左右作为第四纪的开始。

沉积物和地层

  第四纪沉积物分布极广,与人类生活关系密切。成因类型主要有河湖相沉积、风成沉积、洞穴沉积、冰川沉积和海相沉积等,厚度一般数十米至数百米,个别地区可超过1,000米。

  划分第四纪地层主要依据沉积物岩石性质和地质年龄,应用的方法有岩石地层学、年代地层学、事件地层学、生物地层学和旋回地层学等。根据《中国地层指南》规定,第四系划分为更新统(Qp)和全新统(Qh)。更新统黄土地层划分为午城阶(Q1p)、离石阶(Q2p)、马兰阶(Q3p),同时将其他地层划分为相应的泥河湾阶、周口店阶、萨拉乌苏阶。

  冰川沉积物是第四纪地质学研究最早的沉积物之一,1909年,德国学者A.彭克和E.布吕克纳研究阿尔卑斯山区的第四纪冰川沉积后,划分出恭兹、民德、里斯和玉木四个冰期以及相应的三个间冰期。中国李四光在20世纪30年代根据庐山地区冰川沉积建立了与欧洲相对应的冰期系统。

地史特征

  第四纪新构造运动、气候变化、海面升降、生物演化等,不仅影响了古人类的进化过程而且与现在人类生活有密切关系。

新构造运动

  新近纪以来的构造运动称新构造运动,第四纪的构造运动属于此范畴。在大洋中,洋底沿大洋中脊向两侧扩张。对太平洋板块移动速度测量表明,每年向西移动最大达到11厘米,向东移动6.6厘米。陆地上新的造山带是第四纪新构造运动最剧烈的地区,如阿尔卑斯山、喜马拉雅山等。喜马拉雅山脉自第四纪以来,上升大约3,000米,珠穆朗玛峰一带每年上升达10毫米。有些地区第四纪时期地壳强烈下沉,沉积了巨厚的第四纪沉积物,如中国的华北平原、柴达木盆地等。

  地震是新构造运动的表现形式之一,地震集中发生在板块边界及活动断裂带上,如环太平洋地震带、加利福尼亚断裂带、中国的郯庐断裂带等。火山也是新构造运动的一种形式,主要分布在板块边界或板块内部的活动断裂带上。中国黑龙江的五大连池、山西大同盆地、广东雷州半岛、海南、云南腾冲、台湾等地都有第四纪火山。五大连池最后一次喷发在1720年。1951年新疆和乌塔库尔湖附近发生火山喷发,熔岩流堵塞河流形成湖泊。

气候变化

  第四纪时期,地球气候出现过多次冷暖变化,早期的研究结果认为第四纪时期曾发生过四次冰期。20世纪前半叶南斯拉夫学者M.米兰科维奇提出冰期发生的天文学说,他认为地球轨道要素的周期性变化导致第四纪冰期的出现。20世纪后半叶,出现一些研究古气候、古环境的新方法新手段,第四纪环境变化研究进入一个新的阶段,获得了许多新认识。1955年C.埃米利亚尼发表了对深海沉积物有孔虫介壳氧同位素比值的研究结果,发现30万年中曾发生7次冰期旋回。1973年N.J.沙克尔顿和N.D.奥普代克测定了采自西太平洋所罗门高原深3,120米海洋沉积物的钻孔岩心样品的氧同位素比值,通过磁性地层学研究将70万年以来的古气候记录划出22个阶段。

  以后,海斯、英布里和沙克利顿据印度洋海底钻孔岩心古气候记录的波谱分析,发现这些气候变化过程是2.3万年、4.2万年和10万年三个不同的周期相互叠加的结果,它们与米兰柯维奇理论中的岁差、地轴倾角、轨道偏心率的周期相一致。因此,米兰柯维奇关于地球轨道周期性变化是第四纪气候变化重要驱动机制的学说被广泛接受。对深海沉积钻孔岩心氧同位素记录的进一步研究中,有关学者划分出它们所代表的气候冷暖变化序列,给以固定的编号,奇数代表温暖阶段,偶数代表寒冷阶段,称为氧同位素阶段。从古地磁松山正极性时开始到现在(大约260万年)共划分出104个氧同位素阶段,并计算出每个阶段的起始年龄。

  中国黄土高原的黄土是典型的风成堆积,它们由多层灰黄色黄土层和浅棕红色古土壤层叠加而成。自20世纪50年代以来,刘东生等对中国黄土堆积的研究,发现黄土层形成于气候干冷阶段,古土壤层形成于温暖阶段,黄土粒度组成和磁化率是较好的气候更迭指标。在磁性地层学和生物地层学研究的基础上,将松山正极性时以来的黄土堆积划分出33个黄土层和32个古土壤层,称为黄土-古土壤序列,它们在剖面上可以直观地显示出第四纪气候变化历史。粒度分析和磁化率测定获得的变化曲线可以同深海氧同位素曲线很好地对比。中国黄土陆相沉积的气候记录与深海沉积钻孔岩心的记录一起证实了米兰柯维奇理论。

  第四纪古气候变化研究的另一个重要领域是极地冰岩心,它们采自南极与格陵兰地区的冰盖。冰岩心样品的氧同位素比值、10Be同位素、尘埃的含量等记录了地球气候变化的信息,测定的结果也可以和深海氧同位素及黄土–古土壤序列的记录相对比。由于极地冰盖的不断流动,早期的冰层会流入海洋而消融,因此冰岩心记录的时段较短,如南极东方站2,000多米长的岩石心,底部年龄距今16万年左右。

  深海沉积物、黄土-古土壤序列和极地冰岩心由于它们记录了第四纪以来丰富的古气候变化信息,成为研究第四纪全球变化的三大支柱。同时第四纪学者还在探索其他可能记录了气候变化信息的地质体,如通过钟乳石、玛珥湖沉积、湖相沉积等的研究,使第四纪以来全球环境变化的面貌更加清晰。

  气候变化可使生物带、气候带产生大规模的迁移。例如距今1.8万年为末次冰期最盛时期,夏季海洋表面温度降低2.3℃,北大西洋海水温度降低18℃,西太平洋降低10℃。北半球中纬地区气温下降10~15℃,欧洲大陆冰流由北纬77°南移到北纬55°,苔原由北纬69°移到北纬45°。北美大陆冰流扩展到北纬40°~38°。中国多年冻土南界南移到北纬40°左右。现在地球正处于间冰期,但有的第四纪间冰期气温比现在高2~3℃。一般地说,冰期时气候寒冷干旱、间冰期时温暖湿润。然而气候状况是大气环流、构造运动、海陆分布、地貌和植被特征等多方面正负反馈、相互作用的综合结果,所以个别地区冰期时反而湿润多雨。

  第四纪地球气候变化的原因,有许多假说,除米兰柯维奇“天文理论”已被普遍接受外,还有太阳辐射假说、地磁场变动假说、大气透明度变化假说、海陆变迁假说等,虽然这些假说都有一定根据,但研究深度和获得的证据都不如“天文理论”。气候变化研究中还发现一些突发性气候变化事件,如新仙女木事件、哈因里奇事件等,它们已不能用米兰柯维奇理论来解释,有待进一步研究。

  人类活动特别是工业生产使大气中CO2增加,加强了大气的温室效应,使气温升高,近100年来,平均气温升高约0.4℃。这一趋势还将继续下去,因此全球变暖已成为第四纪气候变化研究的重要课题。

冰盖与海平面变化

  第四纪气候周期性变化过程中,有相当长的时段由冰期占主导地位。冰期时两极地区冰盖扩大,导致了地形障碍,改变大气环流的运动模式,使全球气候产生巨大变化。例如末次冰期盛冰期时(大约距今1.8万年),冰盖曾覆盖北美大陆、欧洲和俄罗斯亚洲地区,南极冰盖和格陵兰冰盖面积扩大。雪线明显下降,许多高山地区广泛发育山地冰川和冰帽。大量的水分以冰的形式积累在两极冰盖和山地冰川中,大洋中海水量相应减少,于是海平面逐渐下降。当地球气候由冰期转入间冰期时,全球气温升高,两极冰盖和山地冰川开始消融,融冰水流回大洋,海平面开始回升。第四纪时期,海平面经历过多次明显的升降运动,它们是大洋水量体积变化和地壳构造运动相互作用的结果(见海平面变动)。现在世界冰川体积(折合水量)约为24.06×106立方千米,冰期时约为71.36×106立方千米,即比现在约多47.30×106立方千米,相当于海水面下降132米。在南极未形成大冰盖之前,世界海平面比现在约高55米,其后随着第四纪气候的波动,海平面也产生相应的升降变化,末次冰期最盛时,海面比现在海面约低130米。末次冰期结束后,海面逐渐回升,到距今6,000年左右基本达到现在海平面位置。海平面的变化影响到海陆分布的变化,从而使动植物迁徙的道路畅通或隔绝。现代海平面升降则直接关系到人类的生产活动。

生物界

  第四纪生物在分布和组成上都发生过明显的变化。这些变化主要由三个因素引起:①生物的进化;②动植物的迁徙;③物种大规模的绝灭。随着自然环境的变化和地质历史的发展,第四纪哺乳动物与上新世相比有明显的进化,如欧洲及其邻近的亚洲部分现生的119个种中,仅有6个在上新世生存过。植物界的进化比较缓慢,西北欧现生的植物,大约80%在第四纪开始时就已经存在了。另一方面,哺乳动物的体质发生变化,以适应新的环境,如猛犸象、披毛犀等,身上生长长毛以适应低温环境。

  第四纪动植物有周期性的迁徙。冰期时北半球大陆冰盖向南扩展,动植物也随之向南迁移,间冰期时动植物向北迁徙。冰期和间冰期植被带的移动范围最大可达纬度30°,在这个范围内,地层剖面中可以明显地看到喜冷和喜暖动植物群的交替现象。

  第四纪后期,大型陆生哺乳动物发生过明显的大规模绝灭。在北美,大型哺乳动物的属,有70%绝灭,欧洲和非洲比例小得多。这种大规模绝灭发生在距今15,000~9,000年间。一般认为出现这种现象的原因主要是石器时代人类的狩猎活动,其次是自然环境的变化。

  由于上述原因,第四纪不同时期出现不同的动物群。欧洲早更新世具代表性的是维拉弗朗动物群,它与上新世不同的是出现了真象、真牛、真马。中更新世以克罗默尔动物群为代表,晚更新世的动物群则出现了许多极地动物。北美早更新世为布朗克动物群,中更新世为伊尔文顿动物群,晚更新世为兰错伯累动物群。中国北方则有早更新世泥河湾动物群,中更新世周口店动物群,晚更新世萨拉乌苏动物群。

  20世纪60年代,古人类学家倾向于把直立行走作为人与猿分界的标志,因此把能直立行走的南方古猿划为早期猿人的范畴,2000年又发现距今600万年的千禧人。早更新世初在非洲坦桑尼亚奥杜瓦伊峡谷发现能人,同时还发现迄今最早的石器。同在奥杜瓦伊发现的东非人化石,现在定为南方古猿包氏种,认为它是与能人同时生活的另一种早期猿人。晚期猿人以北京猿人和爪哇猿人为代表,他们生活在中更新世,已能用火,并用不同方法加工石料,制造各类型的石器。蓝田猿人的时代比北京猿人早,但也属于晚期猿人。与北京猿人同时的还有阿特拉猿人,稍晚有和县猿人。从亚洲、非洲和欧洲地区晚期猿人文化的分布看,大大超过了早期猿人的分布范围。中更新世晚期,人类发展到智人阶段。属于这个阶段的人类化石,有中国丁村人、马坝人等,欧洲以尼安德特人为代表。早期智人广泛采用修理石核技术来制造石器,中国的丁村文化、欧洲的莫斯特文化和勒瓦娄哇文化,都是这个时期旧石器文化的代表。晚期智人出现在晚更新世晚期,有中国河套人、山顶洞人等,欧洲有克罗马农人。晚期智人的文化有河套文化、山顶洞文化,欧洲把晚期智人的文化分为奥瑞纳、梭鲁特和马格德林三期。这个时期石器加工十分精细,出现了雕刻、绘画等艺术品。

矿产

  第四纪沉积物中富集了各种砂矿、盐湖化学沉积、泥炭和少量褐煤。世界上一些重要稀有金属多来自滨海和河流沉积中的第四纪砂矿,如砂金矿、钴镍铬砂矿、锡钨砂矿、金刚石砂矿等。中国盐湖中锂和硼的蕴藏量居世界首位。