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第四纪

第四纪是新生代最新的一个纪,包括更新世和全新世。

下限年代多采用距今258万年 [1] 。第四纪期间生物界已进化到现代面貌。灵长目中完成了从猿到人的进化。第四纪前是新近纪。它从约260万年前开始,一直延续至今。

第四纪这个名称最早是意大利地质学家乔万尼阿尔杜伊诺(Giovanni Arduino)于1759年研究波河河谷沉积情况时提出的。1829年,法国地质学家儒勒迪斯努瓦耶(Jules Desnoyers)引用了这个定义。他在研究塞纳河低地的沉积层时发现了一层比新近纪更新的岩层。这个岩层一直延伸到地表。

第四纪的时期基本上与最近的冰河期(冰川回退期)相符。另一种分法是将300万年前北极结冰的开始作为第四纪的开始,这样的话上新世的最新的一部分也算作第四纪了。也有人不承认第四纪的存在,而将它看作第三纪的一部分。

第四纪的260万年中人类已经存在。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,冰河期与间冰期交换。在冰川期中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(剑齿虎、猛犸、乳齿象、雕齿兽)灭绝。马科、骆驼科在北美洲灭绝。

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。 [2]

6500万年前那次生物大灭绝后,地球进入了新生代。新生代是地球历史的最新阶段,而第四纪是新生代最后一个纪。第四纪还可以分为更新世、全新世等。关于其下限一直存在争议,支持较多的有1.8Ma和2.6Ma 。虽然国际地层委员会推荐的第四纪的下界年龄为1.80Ma,但是由于2.6(开始认为为2.48 )Ma是黄土开始沉积的年龄,因而我国地质学家,尤其是第四纪地质学家基本都采用后者。目前国际地层委员会公布的国际年代地层表 (International Chronostratigraphic Chart) 中使用的第四纪下界为2.58Ma [1] 。这一时期形成的地层称第四系。第四系一名是法国学者J.德努瓦耶于1829年提出的(见新生代)。

从第四纪开始,全球气候出现了明显的冰期和间冰期交替的模式。第四纪生物界的面貌已很接近于现代。哺乳动物的进化在此阶段最为明显,而人类的出现与进化则更是第四纪最重要的事件之一。

哺乳动物在第四纪期间的进化主要表现在属种而不是大的类别更新上。第四纪前一阶段更新世早期哺乳类仍以偶蹄类、长鼻类与新食肉类等的繁盛、发展为特征,与第三纪的区别在于出现了真象、真马、真牛。更新世晚期哺乳动物的一些类别和不少属种相继衰亡或灭绝。到了第四纪的后一阶段全新世,哺乳动物的面貌已和现代基本一致。 [3]

大量的化石资料证明人类是由古猿进化而来的。古猿与最早的人之间的根本区别在于人能制造工具,特别是制造石器。从制造工具开始的劳动使人类根本区别于其它一切动物,劳动创造了人类。另一个主要特点是人能直立行走。从古猿开始向人的方向发展的时间,一般认为至少在1000万年以前。

第四纪的海生无脊椎动物仍以双壳类、腹足类、小型有孔虫、六射珊瑚等占主要地位。陆生无脊椎动物仍以双壳类、腹足类、介形类为主。其它脊椎动物中真骨鱼类和鸟类继续繁盛,两栖类和爬行类变化不大。

高等陆生植物的面貌在第四纪中期以后已与现代基本一致。由于冰期和间冰期的交替变化,逐渐形成今天的寒带、温带、亚热带和热带植物群。微体和超微的浮游钙藻对海相地层的划分与对比仍十分重要。第四纪包括更新世和全新世,相应地层称更新统和全新统。第四纪下限的确定,意见分歧较大。1948年第十八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的标志。陆相地层以意大利北部维拉弗朗层,海相以意大利南部的卡拉布里层的底界作为更新世的开始。中国以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,应用钾氢法测定了法国和非洲相当于维拉弗朗层的地层底界年龄约为180万年。因此,许多学者认为第四纪下限应为距今180万年。1977年国际第四纪会议建议,以意大利的弗利卡剖面作为上新世与更新世的分界,其地质年龄约为170万年。对中国黄土的研究表明,约248万年前黄土开始沉积,反映了气候和地质环境的明显变化,认为第四纪约开始于248万年前。还有学者认为,第四纪下限应定为330~350万年前。

第四纪地层的划分主要依据沉积物的岩石性质及地质年龄。第四纪沉积物分布极广,除岩石裸露的陡峻山坡外,全球几乎到处被第四纪沉积物覆盖。第四纪沉积物形成较晚,大多未胶结,保存比较完整。第四纪沉积主要有冰川沉积、河流沉积、湖相沉积、风成沉积、洞穴沉积和海相沉积等。其次为冰水沉积、残积、坡积、洪积、生物沉积和火山沉积等。 [4]

第四纪是人类出世并迅速发展时代,人类的发展经历了以下主要阶段:

1.早期猿人阶段(2百万年-1百75万年前):能人(Homo habilis)在东非坦桑尼亚出现,这可能是早期的直立猿人(Homo erectus)

2.晚期猿人阶段(1百万年前):直立猿人(homo erectus)从非洲扩散到中国、爪哇,最著名的代表是北京猿人和爪哇猿人

3.早期智人阶段(50万年前):智人(Homo sapiens)在非洲出现并迁移到欧洲。

4.晚期智人(新人)阶段(25万年-3万5千年前):现代人(Homo sapiens sapiens)在非洲南部出现,约5万年前,现代人类分布到中东地区,到3万5千年前,现代人类分布到达欧洲-克罗麦昂人(Cro-Magnon)

5.在更新世晚期,大约3万-2万年前,现代人类通过白令陆桥进入北美洲并向南迁移。进入全新世后,现代人的分布到除南极洲以外的各个大陆,并且成为唯一生存至今的人科动物(hominids)。

第四纪生物与第三纪相比,在分布和组成上发生了明显的变化。哺乳动物与上新世相比有很大进化,如欧洲及邻近的亚洲部分现生的119个种中只有6个在上新世生存过。植物界的进化比较缓 慢,西北欧的植物约80%在第四纪开始时即已存在。第四纪冰期时,大陆冰盖向南扩展,动植物也随之向南迁移。间冰期期间动植物向北迁移。冰期和间冰期植被带的移动范围最大可达纬度30°,在地层剖面中可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。这一大规模绝灭发生于距今15000~9000年。发生大规模绝灭的原因主要是人类的狩猎活动,其次是自然环境的变迁。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,出现了真马、真牛、真象;中更新世以克罗默尔动物群为代表;晚更新世时出现了许多极地动物。北美早更新世有布朗克动物群,中更新世有伊尔文顿动物群,晚更新世有兰错伯累动物群。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。

第四纪的构造运动属于新构造运动。在大洋底沿中央洋脊向两侧扩张。对太平洋板块移动速度测量表明,平均每年向西漂移最大达到11厘米,向东漂移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。地震和火山是新构造运动的表现形式。地震集中发生在板块边界和活动断裂带上,如环太平洋地震带、加利福尼亚断裂带、中国郯庐断裂带等。火山主要分布在板块边界或板块内部的活动断裂带上。中国的五大连池、大同盆地、雷州半岛、海南、腾冲、台湾等地都有第四纪火山。

第四纪大冰川期,距今约200万年。地球史上次大冰川期。冰川的发生是极地或高山地区沿地面运动的巨大冰体。由降落在雪线以上的大量积雪,在重力和巨大压力下形成,冰川从源头处得到大量的冰补给,而这些冰融化得很慢,冰川本身就发育得又宽又深,往下流到高温处,冰补给少了,冰川也愈来愈小,直到冰的融化量和上游的补给量互相抵消。一般冰川为舌状,冰川面往往高低不平,有的地方有深的裂口,即冰隙。冰川可分为大陆冰川和山岳冰川两大类。第四纪时欧洲阿尔卑斯山山岳冰川至少有5次扩张。在我国,据李四光研究,相应地出现了鄱阳、大姑、庐山与大理4个亚冰期。现代冰川覆盖总面积约为1630万平方公里,占地球陆地总面积的11%。我国的现代冰川主要分布于喜马拉雅山(北坡)、昆仑山、天山、祁连山和横断山脉的一些高峰区,总面积约57069平方公里。 [5]

第四纪期间由于气候变化、地壳运动等原因引起的海平面升降。包括绝对变化和相对变化两方面含义。如今的研究多从相对变化入手,即以陆地为基准,按不同时期海平面与陆地基准的相对高度关系来判别海平面的变动。其变化原因很多。1841年麦克拉伦(C.Maclaren)首先提出更新世海平面的振荡性,认为海平面变化是气候变化所致,并称之为冰川型海面变化。1865年杰米森(T.Jamieson)提出冰川均衡运动理论,认为气候变化引起冰盖消长,使地壳发生变形。他将海平面变化曲线主要归结于区域构造运动的性质和幅度,以及沉积物压缩性等原因。1906年,休斯(E.Suess)提出(全球)海面升降(eustasy)理论,认为沉积物增加会引起全球性海面上升;地壳沉降形成洋盆时,则引起海面下降。意指,海进和海退是洋盆容积变化的结果,全球性海面变化并不包括海水量的增减。20世纪50年代末至70年代早期,海平面变化研究工作迅速地由定性阶段发展到定量阶段。大量14C数据表明,最后一次冰川作用始于70000年前,距今18000年左右达到最盛期,约止于10000年前。冰川最盛期的最低海面位置,随着冰盖厚度研究的深入而有较大进展:1950年以前估算值为-100米左右;1969年弗林特(R.F. Flint)根据1953年以后南极大冰盖厚度,修正为- 132米

中国黄、东海大陆架,距今15000 年前的最低海面为-150 ~-160米。对全新世早期海平面迅速上升运动,已获得比较一致的看法;对近6000多年来的海面变化,主要有3种不同的观点:①大西洋期结束时海平面比如今高约3米;②全新世不存在高海面;③3600年来海平面是稳定的。有人从地球流变学观点出发,认为地球是粘弹性体,冰盖消长引起的冰川均衡作用(glacio-isostasy)对远距离地区也是重要的;冰盖消长引起的洋盆水体积变化,水力均衡运动(hydro- isostasy),对海底也有作用;地球内部和表面质量的重新分布造成大地水准面变形:大地水准面海面变化(Geoided eustasy)。克拉克(J.A. Clark,1980)提出的粘弹性地球体海面变化数值模型,将世界大洋划分为6个具有不同海面变化曲线带,认为全球不存在统一的海平面曲线,这为研究全新世海面变化提出新的思路。

第四纪时,地球气候出现过多次冷暖变化,240万年以来至少经历了24个气候旋回。晚新生代冰期开始于距今1400~1100 万年前,但在第四纪才出现冰期和间冰期的明显交替。冰期极盛时,北半球高纬地区形成大陆冰盖,格陵兰冰盖覆盖了格陵兰和冰岛,劳伦大冰盖掩埋了整个加拿大,并向南延伸至纽约、辛辛那提一带。欧洲将近一半被斯堪的纳维亚冰盖覆盖。西伯利亚冰盖则占据了西伯利亚北部地区。

第四纪沉积富集了各种砂矿、盐湖化学沉积、泥炭和少量褐煤。世界上一些重要的稀有金属多来自滨海和河流沉积中的第四纪砂矿,如沙金矿、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。

第四纪冰期及其对地貌发育的影响

第四纪全球气候曾有数次冷暖变化。气候寒冷时,陆地上的一部分水冻结,发育大规模冰 川,叫冰期;气候变暖,冰川消退,叫间冰期。北半球在第四纪时期一般划分为四个冰期和三个间冰期,还有一个冰后期。有些地区受区域性气候的差异影响,可划分为更多的小冰期和间冰期,但各个地区长时期的寒冷期与温暖期的变化大致是相同的。

第四纪冰期中冰川规模最大时,世界陆地面积的1/3被冰川覆盖,由于大量冰体积聚于陆地,使海面下降约150m,当时的海陆轮廊和自然环都发生较大的变化。在欧洲大陆冰流曾达到北纬50°,在北美曾向南推进到北纬38°,全球平均气温比现在低57C。由于地球上出现大面积的冰盖,改变了全球大气环流的形势,北半球气候带南移,中纬地区沙漠面积缩小,低纬及赤道地区沙漠扩大,大陆季风盛行,海洋季风衰退。

最后一次冰期开始前,距今约8. 5万年,海面比现在高16 m左右,渤海一带的海岸线比现在的岸线向陆伸入80~100 km。大约3. 6万年前的末次冰期的最冷阶段,海面下降,海岸线移到现在黄海水深70m处。此后,有一个温暖期,海岸线又向陆推移,在2.5万年前,长江下游的海岸位置在今江口以西160km左右处。大约23 700土900年前的又一次小冰阶,海水退 出现在的渤海、黄海地区,海岸线东移到东海大陆架水深110m处,到了冰期最盛时期,即距今14780±700年左右,中国海岸在东海大陆架边缘水深155m处,其位置在今长江口以东600km。如考虑到大陆架冰后期的地壳下降量为14 m,则最后一次冰期最盛期的海平面也要比现在低 140m。由于冰期时海面降低,大陆面积不断扩大,增强了中国气候的大陆性程度,这可能是当时气候干燥的原因之一。那时的降水量可能比现在少一百至数百毫米,华北和东北平原有暗针叶林和草原分布。当时的风成黄土分布范围到达长江下游,如南京的下蜀黄土。中国西北 部地区出现大面积的风成沙丘,柴达木盆地在最后一次冰期的晚期尤其显得干旱,蒸发强盛, 在2.1万年和1.3万年前,是柴达木盐湖的形成期。

冰期时,大陆冰盖的厚度平均为2000~3000 m,巨厚冰盖对地壳形成巨大压力,引起地壳沉陷;冰川消失后,地壳迅速回升。第四纪的冰期间冰期冰川负荷与卸荷使地壳升降变化称为冰川均衡作用。这种作用对地貌发育的影响极大,例如,冰后期冰川消融,地壳普遍上升,瑞典 北部现代上升速度达9 mrn/a;芬兰在冰后期地壳均衡上升,每年新生的陆地有7 km^2格陵兰冰后期地壳上升速度为0.9~l.0mm/a,使几十年前的风暴海滩与现在正在形成的风暴海滩已有相当长的一段距离。哈得逊湾由于冰川卸荷造成现代地壳不断上升,如上升达到均衡时,哈得逊湾将不复存在。


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