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冰期

冰期地球表面覆盖有大规模冰川的地质时期,又称为冰川时期。两次冰期之间唯一相对温暖时期,称为间冰期。地球历史上曾发生过多次冰期,最近一次是第四纪冰期。

是一个“冰河时期”(其时间跨度是几千万年甚至2、3亿年)之中,一段持续的全球低温、大陆冰盖大幅度向赤道延伸的时期。在中国大陆学术界冰期称冰河时期(Ice Age)也称之为“大冰期”。相邻的冰河时期之间的地球气候比较温暖的时间段,称之为“大间冰期”。地球史上四大冰河时期:卡鲁冰期、安第萨哈拉冰期、瓦兰吉尔冰期、休伦冰期;冰期内部的冷暖交替的时段,分别称为冰段(或称作副冰期、冰阶)与间冰段(或称作间冰阶)。时间尺度是数万年。

地球在40多亿年的历史中,曾出现过多次显著降温变冷,形成冰期。特别是在前寒武纪晚期、石炭纪至二叠纪和新生代的冰期都是持续时间很长的地质事件,通常称为大冰期。大冰期的时间尺度至少数百万年。大冰期内又有多次大幅度的气候冷暖交替和冰盖规模的扩展或退缩时期,这种扩展和退缩时期即为冰期和间冰期。

具有强烈冰川作用的地史时期。又称冰川期。冰期有广义和狭义之分,广义的冰期又称大冰期,狭义的冰期是指比大冰期低一层次的冰期。大冰期是指地球上气候寒冷,极地冰盖增厚、广布,中、低纬度地区有时也有强烈冰川作用的地质时期。大冰期中气候较寒冷的时期称冰期,较温暖的时期称间冰期。大冰期、冰期和间冰期都是依据气候划分的地质时间单位。大冰期的持续时间相当于地质年代单位的世或大于世,两个大冰期之间的时间间隔可以是几个亿,有人根据统计资料认为,大冰期的出现有1.50亿年的周期。冰期、间冰期的持续时间相当于地质年代单位的时期。

在地质史的几十亿年中,全球至少出现过三次大冰期,公认的有前寒武纪晚期大冰期、石炭纪-二叠纪大冰期和第四纪大冰期。冰川活动过的地区,所遗留下来的冰碛物是冰川研究的主要对象。第四纪冰期冰碛层保存最完整,分布最广,研究也最详尽。在第四纪内,依冰川覆盖面积的变化,可划分为几个冰期和间冰期,冰盖地区约分别占陆地表面积的30%和10%。但各大陆冰期的冰川发育程度有很大差别,如欧洲大陆冰盖曾达北纬48°,而亚洲只达到北纬60°。由于气候变化随地区的差异和研究方法的不同,各地冰期的划分有所不同。1909 年,德国的A彭克和E布吕克纳研究阿尔卑斯山区第四纪冰川沉积,划分和命名了四个冰期和三个间冰期。 [1]

大冰期的成因,有各种不同说法,但许多研究者认为可能与太阳系在银河系的运行周期有关。有的认为太阳运行到近银点区段时的光度最小,使行星变冷而形成地球上的大冰期;有的认为银河系中物质分布不均,太阳通过星际物质密度较大的地段时,降低了太阳的辐射能量而形成地球上的大冰期。

“冰川是气候的产物”,这是冰川学界的流行说法。那么,气候又是什么的产物呢?笔者的说法是“气候变化是地球系统的变化在大气圈中的反映”。冰冻圈是地球系统的一部分,所以人们可以说“气候的一部分是冰川的产物”。当然,气候的主要部分应该是地圈(包括壳、幔、核)的产物,因为地圈占地球系统总质量的99.9%。冰川与气候的关系紧密,它们同时受地圈变化的制约,人们甚至可以说“冰川和气候同是地圈变化的产物”。地圈的变化又受宇宙因素的制约,笔者经过长期研究,提出如下观点:宇宙磁场与地核磁流体的电磁耦合作用,可能是地球表层各系统变化的根本原因,也是冰川与气候变化的根本原因。 [2]

冰川期:距今大约100万年前,地球进入冰川期,广大地区被冰雪覆盖,许多物种如剑齿象、巨貘等都消失了,有些物种如大熊猫、水杉等只在极少地区存活下来!

冰期时期最重要的标志是全球性大幅度气温变冷,在中、高纬(包括极地)及高山区广泛形成大面积的冰盖和山岳冰川。由于水分由海洋向冰盖区转移,大陆冰盖不断扩大增厚,引起海平面大幅度下降。所以,冰期盛行时的气候表现为干冷。冰盖的存在和海陆形势变化,气候带也相应移动,大气环流和洋流都发生变化,这均直接影响动植物生长、演化和分布。

第四纪冰期以后,距今约1万年以来的时期叫冰后期。此期气候仍有过多次低量级的冷暖波动,如距今4000~6000年期间曾出现的较明显的寒冷期,使全球冰川一度扩展前进,被称为新冰期。

近一次较明显的小规模的冰川推进出现在13~14世纪至20世纪初(有的文献主要指16~19世纪),约在18世纪中至19世纪中期达到最盛,通称为小冰期。

学者们提出过种种解释,但至今没有得到令人感到满意的答案。归纳起来,主要有天文学和地球物理学成因说。

天文学成因说主要考虑太阳、其他行星与地球之间的相互关系。①太阳光度的周期变化影响地球的气候。太阳光度处于弱变化时,辐射量减少,地球变冷,乃至出现冰期气候。米兰科维奇认为,夏半年太阳辐射量的减少是导致冰期发生的可能因素。②地球黄赤交角的周期变化导致气温的变化。黄赤交角指黄道与天赤道的交角,它的变化主要受行星摄动的影响。当黄赤交角大时,冬夏差别增大,年平均日射率最小,使低纬地区处于寒冷时期,有利于冰川生成。

地球物理学成因说影响因素较多,有大气物理方面的,也有地理地质方面的。

①大气透明度的影响。频繁的火山活动等使大气层饱含着火山灰,透明度低,减少了太阳辐射量,导致地球变冷。

②构造运动的影响。构造运动造成陆地升降、陆块位移、视极移动,改变了海陆分布和环流型式,可使地球变冷。云量、蒸发和冰雪反射的反馈作用,进一步使地球变冷,促使冰期来临。

③大气中CO2的屏蔽作用。CO2 能阻止或减低地表热量的损失。如果大气中CO2含量增加到今天的2~3倍,则极地气温将上升8~9℃;如果今日大气中的CO2含量减少55~60%,则中纬地带气温将下降4~5℃。在地质时期火山活动和生物活动使大气圈中CO2含量有很大变化,当CO2屏蔽作用减少到一定程度,则可能出现冰期。

新生代以前的大冰期因时代古老,可辨认的冰川遗迹零散残缺,研究程度也较差,多依据地层中所含带冰川擦痕的混碛岩、页岩中的燧石结核和带冰川擦痕的基岩底盘等。新生代大冰期的冰川遗迹保存普遍较为完整,尤以晚新生代冰期的研究较为深入,如沉积连续性好的深海沉积岩芯、黄土等,能较完整地记录全球气候和环境的变化。20世纪70年代以来,各国学者用氧同位素分析、放射性年代测定及古地磁等方法力图恢复和重建晚新生代的全球气候变化和沉积环境,作为划分冰期的重要依据。此外,包含海洋生物、哺乳动物、植物孢粉化石的生物地层学,地貌分析,沉积岩石学以及古土壤等方法也常作为研究晚新生代环境和冰期划分的依据。 [3]

在地球发展史上有冰期的时间只占整个地球历史时期的10%左右,而绝大部分时间是处于温暖期。已被确认的大冰期有以下几次。

是已知地球上最早的大冰期。以加拿大南部和美国大湖区西部的休伦群高干达组冰碛层为代表,该地层年代为距今27~23.5亿年前。另外,在南非、澳大利亚西部、印度都有这次冰期的产物。这次大冰期持续约4000万年。 [4]

约距今9.5~6.15亿年前的一次影响广泛的大冰期。其遗迹除南极大陆尚未发现外,世界各大陆的许多地方都有保存,并多被非冰川沉积岩层所隔开,表明该冰期是多阶段性的。最早发现于苏格兰、挪威,此后在中国、澳大利亚、非洲、格陵兰和北美相继发现。以挪威北部芬马克的冰碛岩为其代表。在中国则为震旦系底部带擦痕的南沱冰碛层,主要分布在长江中下游等处。

发生在奥陶纪晚期至志留纪早期的大冰期。约距今4.6~4.4亿年前,有人认为可能延续到泥盆纪晚期(3.6 亿年前)。其混碛岩见于法国、西班牙、加拿大、南美、北非及苏联新地岛。北非的冰碛岩露头极佳,并保存有若干冰川地貌的遗迹,如保存极好的冰壅构造、鼓丘、蛇形丘和砂楔等地形。

发生在石炭纪中期至二叠纪初期的一次冰期。当时全球气温普遍下降,形成大面积的冰盖与冰川,持续时间长达8000万年,是地球历史上影响最为深远的一次大冰期。见于印度、澳大利亚、南美、非洲及南极大陆的边缘。澳大利亚东南部和塔斯马尼亚岛是这次大冰期冰川作用最强的地区。

是地球历史上最近的一次大冰期。自新第三纪出现冰期与间冰期交替,一直延续至今。早在渐新世南极就开始出现冰盖,中新世中期冰盖已具规模,是最早进入冰期的地区。第四纪初期的冰期环境波及全球,中期达到最盛,所以晚新生代大冰期主要指第四纪冰期。当时,北半球有两个大冰盖,即斯堪的纳维亚冰盖和北美劳伦冰盖。前者的南界到达北纬50°,后者达北纬38°附近。此外,在中、低纬的一些高山区还发育了山麓冰川或小冰帽。大约在8000~10000年前,全球又普遍转暖,大量冰川和冰盖消失或收缩,地球进入冰后期。但是,诸大陆的冰川和冰盖并未完全消失。

第四纪冰期的划分如下:

①世界的划分。1901~1909年德国A.彭克和E.布吕克纳陆续发表《冰川时期的阿尔卑斯山》(3卷),书中根据欧洲阿尔卑斯山北麓多瑙河上游几级砂砾阶地的发育,提出该山区有4次冰期和3次间冰期,由老到新分别命名为恭兹(Günz)、民德(Mindel)、里斯(Riss)和玉木(Würm)冰期,恭兹-民德、民德-里斯和里斯-玉木间冰期。后来,B艾伯尔和I谢弗又补充了较老的多瑙(Donau)冰期和更老的拜伯(Biber)冰期。几十年来,阿尔卑斯冰期系统广为流传,为世界许多地区所采用,并作为典型冰期模式与世界各地对比。

20世纪20年代,一些学者根据北欧斯堪的纳维亚冰盖边缘活动位置,将丹麦、荷兰、德国北部和波兰的终碛系列划出四次冰期和三次间冰期,自老到新为艾尔斯特(Elster)、萨勒(Saale)、瓦什(Warthe)、维塞尔(Weichsel)冰期,克罗默(Cromer)、霍尔斯坦(Holstein)和埃姆(Eem)间冰期。北美的冰期系列主要是按照北欧冰期划分方法确定的,根据冰碛物和终碛的位置划分出:维斯康辛、伊利诺安、堪山和内布拉斯加四个冰期及桑加蒙、雅莫斯和阿弗顿三个间冰期。世界其他一些地区也划分了本地区的第四纪冰期系列。后来,M米兰科维奇建立的距今百万年以来太阳辐射变化曲线表明,至少可分出14~15个冰期轮回,即阿尔卑斯冰期系列中的每个冰期几乎都包含着2~3个冰期轮回。50年代发展起来的深海岩芯氧同位素研究,传统的阿尔卑斯冰期系统受到冲击,因为它不能完整地记录下气候与环境变化信息,相关的地层和地貌极易被曲解。而深海岩芯同位素可以相当完整地记录至今最为精确的更新世气候与环境变化资料,几乎不受岩芯地理位置的影响,其连续性和在全球的广泛性都是惟一可以与其他气候地层学系统的可靠资料作对比和验证的。据太平洋深海岩芯18O记录,大约90万年以来可以划分出23个18O阶段和10个完整的冰川周期(由B期到K期),期间被11个终至界线(由Ⅰ至Ⅺ)所分开。在时间序列上可与阿尔卑斯冰期系统相对比。

黄土是陆地上广泛分布的更新世必层。自第四纪初就开始发育,几乎是连续沉积到今天。由于保存着完整的黄土-古土壤沉积序列、生物化石和气候信息,它是研究大陆第四纪环境变化的最理想的对象,同时还可以和深海沉积相对比。黄土大部分是冰期时的沉积物,在欧洲和北美多分布于古冰盖的外围。在冰盖退缩的间冰期里,气候湿润,发育了棕壤,形成黄土和棕壤交替沉积剖面,记录了冰期-间冰期的气候循环。欧洲的黄土-森林棕壤沉积层序可划分出若干沉积周期与亚周期,并可以与北欧冰期系列相对应。中国的黄土分布广,厚度可达410米。如今对陕西洛川剖面的研究表明,大约距今240万年以来,记录了11个古气候组,可与欧洲黄土沉积周期系列对比。其中距今90万年的黄土层序与海洋18O阶段1~23有较好的对应关系。

②中国的划分和表现形式。中国西部高山地区的冰期划分已为人们所公认,以研究较好的喜马拉雅山珠穆朗玛峰区北坡为例,第四纪冰期划分为:a.依据希夏邦马峰北坡附近的老冰碛平台确立的早更新世的希夏邦马冰期。b.依据珠穆朗玛峰西侧聂聂雄拉高平台的冰水-冰碛沉积确立的中更新世的聂聂雄拉冰期。c.在绒布河谷中基隆寺附近的残破漂砾群及上游绒布寺的终碛垅分别代表晚更新世早期的基隆寺阶段和较晚期的绒布寺阶段,这两个阶段构成了晚更新世的珠穆朗玛冰期,也有的学者将这两个阶段划为两个独立的冰期。

关于中国东部第四纪冰期的问题,仍在争论中。1944年,李四光以庐山为样板,将中国东部第四纪冰期由老到新划分出鄱阳、大姑、庐山冰期,再加上1937年H.von费师孟提出的末次冰期──大理冰期,建立了中国东部第四纪冰期系列。对此,一些中外学者一直持有不同意见。80年代初,施雅风等提出:除太白山、长白山主峰区及台湾中央山脉等海拔3500米以上的高山存在第四纪冰川遗迹外,长江中下游山地、广西桂林、湖北神农架、北京西山、东北大兴安岭等都缺乏可靠的古冰川证据;中国东部和西部在第四纪冰期时的表现形式是不一样的,东部地区不具备发育成山岳冰川的水、热和地形条件,只是处于一个气候较寒冷的时期,李四光所确认的东部古冰川遗迹实非冰川成因,如把泥石流堆积误认为冰碛物等;东部地区第四纪冰期系列,除大理冰期外,其他冰期均缺乏根据。

约24亿至21亿年前休伦冰期

约8.5亿至6.35亿年前成冰期

约4.5亿至4.2亿年前奥陶纪

约3.6亿至2.6亿年前石炭纪

约258万年前第四纪冰期

冰期对全球的影响是显著的。

1,大面积冰盖的存在改变了地表水体的分布。晚新生代大冰期时,水圈水分大量聚集于陆地而使全球海平面大约下降了100米。如果现今地表冰体全部融化,则全球海平面将会上升80~90米,世界上众多大城市和低地将被淹没。

2,冰期时的大冰盖厚达数千米,使地壳的局部承受着巨大压力而缓慢下降,有的被压降100~200米,南极大陆的基底就被降于海平面以下。北欧随着第四纪冰盖的消失,地壳则缓慢在上升。这种地壳均衡运动至今仍在继续着。

3,冰期改变了全球气候带的分布,导致大量喜暖性动植物种灭绝。 [5]

冰川波动一般包括冰舌进退(其特征时间为101a)和冰川物质平衡,零平衡线高度变化(其特征时间为100a)等几项内容,它们均与短气候变化紧密相联。近40多年以内是各种地学资料最多的年代,可以进行较仔细的讨论。有些气候学家认为,在这段时间里出现过两次气候突变,一次在1960年代中,一次在1980年代初。或者说,可以将此40多年以内的气候分为三个时段。以下将1960年代中至1970年代末这一时段简称为70年代,重点讨论此时段的冰川与气候波动及其可能原因。

70年代是北半球的低温时段(南半球为高温时段),中国大部份地区是低温少雨时段,青藏高原积雪面积亦变小。可是由于地形性热力环流的调节,使高海拔区在该时段的降水反略有增加,于是前进冰川的比例大为增加。这一点与“小冰期”的情形颇为相似。

70年代是地球自转的慢段,是太阳黑子的相对低值时段,也是中国大陆地震多发的时段。这些特点均与“小冰期”相似。


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