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第四紀冰河時期(第四紀冰期)

2015-2-18 08:54|查看:8308|評論:0|字體: 繁體

末次冰盛期時的北半球冰川分布

末次冰盛期時的北半球冰川分布。3至4 km(1.9至2.5 mi)厚的大陸冰蓋導致了海平面下降了120 m(390 ft)。

第四紀冰河時期, 也稱作“第四紀冰期”、“第四紀大冰期”、“第四紀冰河期”、“第四紀冰川期”、“更新世冰川期”、“當前冰河時期”、“末次冰河時期”,是指從258萬年前到現在的地球氣候時段。在此期間,南極大陸與格陵蘭島形成了永久性的冰蓋,歐亞大陸北部與北美的北部也出現了面積廣大的大陸冰蓋,并在世界各處高緯度或高海拔地區廣泛出現了山岳冰川。此次冰河時期的主要效果是大陸上的冰川侵蝕與沉積,改變了河流系統的走向,產生了數百萬湖泊,改變了海平面的高程,在遠離冰川邊緣的地方發育了雨成湖,地殼均衡。影響到海洋、洪水、生物物種。

描述

在第四紀,陸地冰的體積、海平面,全球氣溫的波動最初以41,000年的周期,后來是以100,000年的周期。證據是對過去80萬年的冰核鉆孔取樣,以及更早期形成的海底沉積物的鉆孔取樣。過去740,000年有8次冰期循環。整個第四紀,開始于258萬年前,被稱作一次冰河時期,因為至少有一個永久型大型冰蓋— 南極大陸—連續地存在。第四紀之前與早期的格陵蘭的冰覆蓋的情況還不能確定。在寒冷的冰期內,歐洲、北美與西伯利亞西北部存在大型大陸冰蓋。冰期之間的短暫、溫暖的時期,稱之為間冰期。

藍色為溫度、綠色為CO2

藍色為溫度、綠色為CO2,紅色為塵埃dust,數據來源于俄羅斯東風南極科考站的過去42萬年冰核取樣。

當前,地球處于自全新世開始的間冰期之中。這次間冰期始于1.1萬年前。這導致了末次冰期的冰蓋的消退。末次冰期殘存的冰蓋還覆蓋著10%的陸地面積,存在于南極大陸與格陵蘭。全球變暖自1850年以來加劇了冰川消融。

在冰期的時候,正常的水文系統(指間冰期時候)在全世界大片地區被徹底中斷。由于陸地冰積累了巨大體積,海平面比現在最多下降了120米。大量野外地質工作證實,歐洲、北美與西伯利亞的很多地區曾被大陸冰川覆蓋。綜合這些冰川遺跡的位置、鼓丘的朝向、 蛇形丘、冰磧、條痕,冰河流動的通道,可以繪制出地圖,揭示了冰蓋的范圍、流動方向、冰川融水系統的位置,使得科學家可以解開多次冰進、冰退的歷史。冰河時期的冰進與冰退的時段,對應了冰期與間冰期的輪替。溫暖的間冰期對應了泥土沉積剖面、泥炭層、湖泊與河流的沉積,并被未分類未分層的冰河巖屑所間隔開。

冰核證據

冰核的分析提供了高分辨率的氣候變化的證據。并證實了海洋同位素階提供的編年。冰核分析表明,過去40萬年的各次間冰期都很短暫(10,000至30,000年),如同現今一樣溫暖;而各次冰期很漫長(70,000至90,000年)。新的EPICA南極冰核提供了400,000至780,000年前的樣本,表明間冰期占據了每次冰期/間冰期旋回的很大時間段,但是沒有更近的間冰期那樣溫暖。

分期

冰期與間冰期的旋回

冰期與間冰期的旋回,使用CO2在大氣層中提及比例,數據來源于過去80萬年的冰核樣本的分析

從19世紀開始,研究者用各地的地質特征來為第四紀冰河時期的各個冰期命名。現在普遍使用海洋同位素階數劃分,從2.6Ma前至今已劃分出104個階。奇數表示溫暖期,偶數表示寒冷期。海洋記錄保存了所有過去的冰期的信息;而陸地證據可能會被后續的冰期所破壞。大陸冰蓋的冰核也提供了完整的記錄,但是不能像海洋數據那樣追溯到很遠。湖底或沼澤中的花粉數據,以及黃土的垂直地層剖面也提供了重要的陸基相關證據。雖然科學文獻已經采用了海洋同位素階數,但是這些海洋數據得出的分期還沒有都獲得“名字”。例如,過去50萬年的海洋沉積物分析表明了更新世的5個冰期/間冰期旋回,但是同期在陸上只有3個經典的間冰期被識別出來。

陸基證據可以以海洋數據一直到MIS 6都對應得很好,但是更久遠的地質史階段的協調就困難了。因此陸基資料對地質史的劃分是不完整的,某種程度上是推測性的。但是陸地數據對于研究地貌是必須的。

第四紀的冰期與間冰期,按照從新到老順序命名如下,時間單位為千年。

第四紀的冰期編年,陸基證據

冰期索引名字冰期/間冰期時間段(ka)MIS地質史
阿爾卑斯北美北歐中國英國南美
冰后期Flandrian間冰期現在– 121全新世
1st玉木威斯康辛魏克塞爾
或Vistulian
大理冰期DevensianLlanquihue冰期12 – 1102-4
& 5a-d
更新世
里斯-玉木桑加蒙艾姆廬山-大理間冰期IpswichianValdivia間冰期110 – 1305e (7, 9?)
2nd里斯伊利諾伊斯薩勒廬山冰期Wolstonian或Gipping

Santa María

冰期130 – 2006
民德-里斯亞茅斯霍爾斯坦大姑-廬山間冰期Hoxnian間冰期200 – 300/38011
3rd – 5th民德堪薩斯埃爾斯特大姑冰期AnglianRío Llico冰期300/380 – 45512
貢茲-民德阿夫唐克羅莫鄱陽-大姑間冰期克羅莫*間冰期455 – 62013-15
7th貢茲內布拉斯加明納普鄱陽冰期BeestonianCaracol冰期620 – 68016
多瑙-貢茲瓦爾間冰期
8th多瑙埃布朗冰期
拜伯-多瑙梯格林間冰期
9th拜伯前梯格林冰期

第四紀更為古老的階段

名字冰期/間冰期千年MIS地質史
巴克間冰期600 – 800
前巴克頓冰期800 – 1300
布拉摩敦間冰期1300 – 1550

**根據Gibbard Figure 22.1.

原因

尚沒有完全令人滿意的理論能解釋地球的冰期。板塊構造能在大的時間尺度上影響到冰河時期的出現與結束;地球軌道力學的要素可以產生中等時間尺度影響到冰期與間冰期的輪回。太陽活動、火山噴發、溫鹽循環等因素可以在較小時間尺度上影響冰段與間冰段的交替。

天文因素

地球的軌道與冰期的關系

19世紀后期,James Croll首先提出地球軌道的變化與冰期的關系。1930年前后,米盧廷·米蘭科維奇,一位南斯拉夫地球物理學家,明確提出并計算了地球軌道的不規則的變化與冰期之間的關系,被稱之為米蘭科維奇循環

地球軌道離心率以100,000年為周期改變。 地球自轉的轉軸傾角在22°至24.5°之間變化(地球自轉軸相對于地球公轉平面的傾角,造成了季節變化。傾角越大,四季越分明)。自轉軸傾角的改變以41,000年為周期。 地球自轉軸進動以21,700年為周期。根據米蘭科維奇的理論,上述因素導致地球每40,000年周期性冷暖變化。主要原因是季節性接受太陽輻射熱的對比的變化,而不是地球接受太陽總輻射能量的變化。

直到1970年代有了充分長且詳細的第四紀溫度變化的編年數據后,米蘭科維奇的理論才被證實是成立的。深海鉆孔取樣分析表明,過去數十萬年的氣候波動非常接近于米蘭科維奇的計算結果。

米蘭科維奇的理論存在的問題是:天文學周期存在了數十億年,但冰期的出現確是稀少的。實際上,天文學周期用來解釋一個冰河時期內冰期與間冰期的交替。其它因素,如大陸的位置及對洋流的影響,太陽內部的長期波動等等,可能造成了冰河時期。

大氣成分

有的理論認為,大氣中CO2的下降,啟動了長期的冷卻,最終導致冰期。最近對格陵蘭冰芯鉆探取樣中的微小氣泡中CO2比例的分析,傾向于支持這一理論。地球化學碳循環表明從中生代以來大氣CO2的比例下降了10倍。但不清楚什么原因導致了CO2含量的下降,以及這種下降是氣候變冷的原因還是結果。

CO2對冰期與間冰期的輪替也有重要意義。高的CO2含量對應于溫暖的間冰期,而低的CO2含量對應于冰期。但研究表明CO2可能不是冰期與間冰期轉變的原因,而是一種反饋。

板塊構造與洋流

氣溫長期下降的一個重要原因可能是大陸相對于南北極的位置(但這不能解釋冰期的快速出現與消退)。 這種相對關系可以控制洋流與大氣的循環,影響到洋流能否把熱量輸送到高緯度地區。在大部分地質歷史上,北極是開闊的、開放的海洋,大型洋流可以從赤道不受阻礙的進抵北極區。這種不受限的循環在大部分地質歷史時期形成了溫和、均勻的氣候。

新生代,北美大陸與南美大陸離開了歐亞板塊而向西移動,形成了大西洋呈南北分布,北極區成為一個小型的,幾乎是被陸地包圍的海盆——北冰洋。大約3百萬年前,南北美大陸的匯合形成了巴拿馬地峽,改變了洋流,形成了流向北大西洋與北冰洋的灣流,這與第四紀冰河時期開始時間一致。

后果

冰期的時候,大量的陸地冰川給地貌造成了巨大影響。山脈不再受水流侵蝕,取而代之受到冰川的侵蝕與沉積。數百萬平方公里的地貌在冰川影響下在很短時間里發生巨變。大量的冰川冰影響到了整個地球。

湖泊

第四紀冰河時期產生的湖泊數量超過了其它地質過程的總和。大陸冰川完全打斷了冰前水系。冰川流經之地遭到了擦蝕與侵蝕,在基巖上留下了無數封閉的、沒有外流出口的洼地。這些洼地填入了水后就成為湖泊。

在冰緣產生了非常大的湖泊。北美與歐洲的大陸冰蓋的中心之處厚達3,000 m(9,800 ft) ,并且向冰緣處逐漸變薄。冰蓋中心處的地殼受到冰的巨大壓力而下沉很大。當冰蓋融化后,地殼反彈上升有個后延時間,造成了向著冰蓋中心的地殼傾斜。這種傾斜產生的盆地可以持續數千年。這種盆地變成湖泊或者海侵。北美五大湖與波羅的海就是如此形成的。

雨成湖

冰川導致了一些距離冰緣較遠的干旱或半干旱地區有了較多降水,增加了河流與時令河的水量,導致了大型雨成湖的形成與增長。雨成湖在冰期可以非常大,但在間冰期由于降水減少,雨成湖往往蒸發成鹽灘。

均衡調整

當前全球地殼垂直運動速率

當前全球地殼垂直運動速率。

第四紀冰河時期的大陸冰蓋數千米的厚度,壓迫其下的巖石圈下沉,達到了均衡調整(isostatic adjustment)。加拿大環繞哈德遜灣的大片地區下沉到海平面以下,同時期歐洲環波羅的海地區也是如此。冰川融化后這些地區的地殼處于反彈上升中。9,000年前還曾在斯坎迪納維亞引發了大地震。這些地震非常獨特,因為它與板塊構造無關。

研究表明地殼上升有兩個不同階段。冰消后最初的上升是快速的(或者說是彈性的)。彈性階段后,地殼上升是緩慢黏滯的,上升速度呈指數下降直到趨于0。現在,典型上升速率是1 cm每年的數量級或者更小。在北歐,這被GPS數據觀測網BIFROST所證實。研究認為地殼反彈還會再持續10,000年。整個地殼反彈取決于冰期時的當地冰蓋重量,在冰蓋中心可能是幾百米。

大規模的陸地冰蓋,很大地改變了大氣環流。冰緣的風是很強烈與持續的,因為密度大的寒冷空氣流出冰原。 這種風吹起并運送了大量松散、細粒度的冰川帶下來的沉積物。風攜帶這些物質,在一定地區逐漸累積形成了黃土,包括密蘇里河河谷的一些不規則條狀分布、中歐、中國華北。在中國黃土高原,代表了寒冷干旱氣候的黃土與代表暖濕氣候的古土壤(典型如紅粘土)交替分層出現達28次,表明了地質史上的氣候冷暖旋回。

早第四紀時沙丘分布非常廣泛與活躍。如內布拉斯加州的沙山,覆蓋了大約60,000 km2(23,166 sq mi)。這一地區在更新世是廣闊活躍的沙丘地區,但現在已經是穩定了并被草地覆蓋。

早期冰川作用的記錄

5億年來氣候變化

5億年來氣候變化。

冰期在地球歷史上是稀少的。存在證據表明在古生代后期(200—300 Ma)與前寒武紀末期(即新元古代,600—800 Ma)曾廣泛分布大陸冰川。在2-3百萬年開始的當前冰河時期之前,地球氣候長期是溫和、均勻。這被地層沉積中植物動物化石所證實。

下一次冰期

大氣中Template:Co2濃度

大氣中Template:Co2濃度,由Mauna Loa Observatory測得。

1972年氣象學家討論這一主題時,下一次冰期看起來正在快速來臨(當時稱為全球變冷)。此前的間冰期看起來每次也就持續了10,000年。假定當前的間冰期是同樣長度,氣象學家得出結論:“很可能當前間冰期將很快結束,如果人類不作干涉”。從1972年之后,對氣候系統的理解得到了改善,知道了并不是所有間冰期都是相同的長度;由于米蘭科維奇循環地球接受的太陽熱量輻射是非線性的;溫室氣體濃度正在增加。對未來全球氣溫的計算認為,如果CO2濃度增加到750ppm(當前按照體積是398ppm),間冰期可以持續50,000年并發生全球變暖。如果CO2下降到210 ppm,那么下次冰期將在15,000年后出現。

海床沉積物與冰蓋的冰核研究指出,氣候變化并不順滑。冰核中同位素成分研究表明從溫暖到嚴寒的轉變可以在一、二十年內完成。此外,冰核研究表明冰期并不是均勻的冷,間冰期也不是均勻的溫暖(參見小冰期)。格陵蘭冰核分析表明過去25萬年氣候變化是頻繁、突然的。當前間冰期已經是相當穩定與溫暖的,但上一個間冰期就被幾段持續了數百年的冷期而突然中斷。



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