第四纪地质的主要研究进展

摘要：本文主要从中国的黄土、红土以及冰川等方面来介绍第四纪地质在我国

的研究中的进展概况。随着各种新型的、精准的测年等技术的应用使得第四纪的研究迅速发展，并取得了一系列的成果。

关键词：第四纪 红土 黄土 冰川 测年技术

从第四纪这门学科的发展史来追溯,大致经历了两个阶段,即萌芽期(古代到中世纪)和发展期(中世纪至今)。第四纪这个名字是由法国学者德努瓦耶(J.Desnoyers)于1829年提出,1893年英国著名地质学家莱伊尔(C.Lyel)又提出更新世一名。所以第四纪是一门较古老的学科。尤其是北半球各国,在第四纪研究方面都程度不同地取得了一些成就。六十年代初以来,由于与第四纪有关的学科深入发展,各种测试技术的应用及研究领域的扩大(如陆架区和深海区第四纪沉积物的研究),大大促进了第四纪学科的发展;经典的理论正在经受着考验和挑战,某些传统的内容也正在不断更新。

一、第四纪红土研究进展

中国南方红土是我国秦岭—淮河以南、青藏高原以东广泛分布的第四纪土状堆积,是我国热带、亚热带地区第四纪以来季风气候环境下的产物,是中国南方古环境演化与气候变迁的重要陆相沉积载体.该红土沉积通常由三部分岩性层组成,一般包括上部的下蜀黄土,中部的网纹红土层以及下部的均质红土层。近年来许多学者对我国南方第四纪红土的物质来源、地层学特征、土壤学特征、地球化学特征、磁学特征、生物特征等展开了广泛的探讨,对我国南方红土的成因、年代学、古气候学等进行了深入系统的研究,取得很多丰硕的成果。

1.红土的成因

近年来很多学者致力于中国南方红土的成因研究,但我国南方红土的物质来源和成因类型至今尚未取得一致的认识.

目前对我国南方红土物质来源有冲积、洪积、风积、坡麓堆积风化等不同看法。一些学者在肯定红土水成说的同时,提出我国南方局部地区网纹红土可能与冰川、生物和砾石风化作用有关。但是,我国亚热带南部和北部的红土物质来源可能是不同的.有的学者认为,我国南岭以南的第四纪红色粘土系全新世前的水成沉积物,是高处古土壤和古风化壳被流水冲刷而下在河谷或低平处的堆积物.很多学者认为,我国南部广东省、华南地区的红土母质主要是水成的。另外一些学者研究了我国北亚热带网纹红土后提出,我国亚热带北部长江中下游网纹红土大部分系风积成因。近年来,江西、湖南、浙江等中亚热带地区第四纪红土的粒

度、地球化学特征和稀土元素特征的分析也表明,中亚热带网纹红土母质与北方黄土—红粘土间存在物源联系,可能具有风成特性,并且经历了较强的风化成壤作用。最近研究结果也显示,我国南方红土可能具有多元成因的特点。

总体上看,我国亚热带北部,尤其是南岭以北区域的第四纪红土有较多风成成因的证据,而南岭以南的红土则主要与水动力的搬运沉积有关,反映了我国更新世冬季风粉尘传输的可能影响范围.

2.红土形成年代研究

在早期研究中,许多学者就从各个学科角度对我国南方红土的年代学进行不断的探索.但是,由于我国南方红土中生物化石贫乏,并且受到早期测年技术的限制,南方红土沉积序列的绝对年代问题并未解决.

近年来,随着TL、ESR和古地磁等测年方法的运用,关于第四纪红土的年代学研究得到长足的发展,并初步建立了中国南方红土地层序列。最近研究结果表明,我国南方网纹红土发育盛期在中更新世,其时代跨度可以从早更新世末一直延续到晚更新世初.一般认为,下伏砾石层年龄大于850kaB.P.，网纹红土形成于850～400kaB.P.，均质红土形成于400～100kaB.P.。

3.南方红土与古环境演变研究

我国南方红土能否反映环境演变并进而恢复南方第四纪环境演化历史,对此不同学者存在不同意见.有学者认为南方第四纪冰期风尘堆积通量低,间冰期水热活动强烈,间冰期的生物气候条件可破坏绝大部分前冰期,乃至上一个间冰期留下的沉积物,其间有大量缺失层位或重叠的沉积剖面,所以对古环境的重建必然失真,重建区域环境演变的可行性存在争议.但是大部分学者仍然认为,我国南方红土是对当时气候环境某种程度和规模的响应,记录了南方第四纪以来的气候变化和环境变迁,其存在的多个“沉积-成土”旋回反映了气候的冷暖或干湿交替,为研究古气候变迁提供了依据.

关于我国南方红土研究,虽然还存在一定的争议,但是大部分学者认为利用地貌学、地层学、地球化学、土壤学、古地磁学和年代学等方法对南方第四纪红土进行综合研究,可以建立红土分布区的气候、构造环境演变序列,对全面认识我国第四纪气候变化过程,青藏高原抬升、东亚季风演化规律以及全球变化纬度效应均具有重要的意义.

二、第四纪黄土研究进展

第四纪时期全球气候、环境发生了频繁而大幅度的波动,这些波动具有一定的周期性。在记录第四纪气候波动的历史上,中国黄土是一种十分理想的信息载体,它同深海沉积及极地冰芯一起,成为全球气候变化的三大信息库。

1.黄土-古土壤序列的建立

第四纪古气候高分辨率研究需求的推动,促使了中国黄土-古土壤序列的建立,

也催生了以气候变化为标志的中国第四纪地层对比表。第四纪黄土-古土壤已细分出33对地层,即古土壤层S0-S32和黄土层L1-L33。其中,S0为全新世古土壤,L1为马兰黄土,S1-L15为离石黄土(S1顶部至L5底部为离石黄土上部,S5顶部至L15底部离石黄土下部),S15-L33为午城黄土。以粒度曲线的峰谷变化为基础,黄土-古土壤地层已进一步划分出164个气候事件。

2.黄土磁化率变化的古气候意义的发展

中国学者于1977年开始测量研究黄土磁化率,注意到了古土壤与黄土磁化率的差异。20世纪80年代发现磁化率值高低与成土作用强弱有关,可以作为古环境的替代性指标,并把黄土)古土壤磁化率曲线与深海氧同位素曲线进行对比,认为磁化率的波动变化包含了全球变化信息。20世纪90年代前期对成土过程中形成的非常细小的强磁性颗粒(磁铁矿和/或磁赤铁矿)造成古土壤磁性增强已被广泛接受。将磁化率变化转换成定量或半定量的气候参数,此方面的研究还处于探索阶段。一种做法是用统计学将古磁化率与古降水量联系起来;一种做法是建立表土磁化率与年均温、年降水量的回归方程,反演计算古降水量和古年均温。

3.黄土的碳氧同位素与10Be

近年来,人们一直在探索如何利用陆地沉积物的同位素变化来提取古气候信息。黄土高原地区研究表明,古土壤钙结核中碳酸盐的同位素组分有可能记录了古环境变化的信息。目前对发育在古土壤底部的碳酸钙结核的碳氧同位素组分已作了不少分析。

黄土高原宝鸡、洛川、渭南、吉县和会宁等黄土-古土壤序列全岩样品的碳酸盐分析发现全岩样品碳酸盐的δ13C和δ18O值在不同的地层单位有明显变化。与黄土中碳酸盐的碳氧同位素组分相比,古土壤碳酸盐的δ13C值相对偏负,δ18O值相对偏正,不同剖面全岩样品碳酸盐的碳同位素记录具有相似的变化趋势,自东向西同一层位全岩样品碳酸盐的δ13C值越来越偏正,这一切表明全岩样品的碳酸盐可能也记录了很多环境变化信息。

土壤中有机质碳同位素是植被状态的直接记录。最近,李玉梅等利用全岩碳酸盐和有机质碳同位素及磁化率对大荔地区马兰黄土分析,表明该区气候在40-30kaBP时期暖湿的气候特征和高含量的C4植物,与该时段古土壤发育程度相对应,同时可与深海氧同位素MIS3a全球气候弱暖相对应。

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Be是宇宙射线与大气中氮、氧裂变反应形成的长寿命放射性元素,半衰期

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115Ma。Be被大气气溶胶吸附,通过降水或降尘沉积在地表。降尘中的Be浓度分布与气团运动及粉尘传输过程有关,因而成为研究风成沉积作用理想的同位素示踪剂。黄土是干旱半干旱气候条件下形成的风成沉积物,10Be自始至终参与了粉尘形成与堆积的全过程。西峰和洛川黄土剖面10Be记录有相似变化趋势。洛川黄土剖面10Be浓度与磁化率变化及深海氧同位素曲线均有很好的对比关系。初步研究已经表明黄土中10Be可以灵敏反映古气候波动和环境变迁。最近,对10Be在

风化过程中的不活动性研究进一步肯定了其对环境研究的示踪意义。

三、第四纪测年技术及其在冰川研究中的新进展

精确的年代测定是第四纪冰川研究的基本要求也是获得冰川时空演化规律的关键.第四纪冰川研究经历了3个阶段.

第一阶段为漫长的20世纪70年代一直到彭克和布留克涅尔甚至阿伽西的时代,这个阶段的主要特点是全世界各地的第四纪冰川研究与经典的阿尔卑斯相对比的阶段.第二阶段为20世纪70年代至世纪末,其时,深海氧同位素曲线显示的地球轨道偏心率,地轴倾角和岁差周期,与Milankovitch冰期天文理论相得益彰,极地冰芯与内陆黄土湖泊记录也推波助澜,共同为全球第四纪研究树立了标尺.

近年,电子自旋共振法(ESR,electric spinresonance),光释光(OSL,optically simulated luminescence)法,特别是宇宙射线方法(CRN,cosmogenic radio nuclide)等技术已被小心翼翼地应用于冰川沉积测年,这些测年技术和流行的14C、热释光(TL)、古地磁等手段互相辉映,预示着一个以技术测年为特点的第四纪冰川研究新时期的来临.CNR测年技术是第四纪冰川研究中应用最成功的测年技术．它不仅可以测定冰川沉积物（冰川漂砾等）、冰蚀地形（基岩磨光面等）等的暴露年龄，而且还可以测定冰川沉积物的埋藏年龄OSL与ESR测年技术可测定冰川沉积物的沉积年龄。OSL测年技术已从最初的多测片法、随后的单片再生测定技术到渐趋成熟的单颗粒测定技术。近年来，我国学者也将OSL测年技术应用到第四纪冰川研究中取得了一些进展。在缺少第四纪火山活动的区域，沉积物成为第四纪地质构造和地貌环境演化等方面研究的主要年代学测量对象对于老于200ka的沉积物，电子自旋共振(ESR)是潜在的测量方法之一。随着ESR年代学法的进一步发展和完善，其在第四纪沉积物年代测定方面已有越来越多的成功实例出现，尤其是利用石英Ti心ESR信号对第四纪沉积物年代学的研究最近几年已取得了突破性的进展，为第四纪沉积物年代学研究提供了又一有效的手段。

2003年召开的第16届INQUA再度出现第四纪冰川热.我国青藏高原第四纪冰川研究近年也取得了重要进展,初步确定高原各山脉发生最早冰川作用的时间是不同的:天山和祁连山在450~470kaBP的氧同位素12阶段,横断山的沙鲁里山和玉龙山在560kaBP左右的16阶段,东西昆仑山在约700kaBP左右,念青唐古拉山在680kaBP.表明在青藏高原昆-黄运动后的全球历次冰期中,高原各部相继发育冰川,成为了冰期中地球中低纬度山地冰川的王国。

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