第四纪气候与地质环境演化及人类活动的关系的研究.pdf

2000 年第 1 期 矿 产 与 地 质第 14卷 2000 年 2 月MINERAL RESOURCES AND GEOLOGY总第 75期 第四纪气候与地质环境演化 及人类活动的关系的研究 徐文火 斤 李杏林 中国有色金属工业总公司矿产地质研究院, 桂林 541004 摘 要 研究地质环境的演化及人类活动对气候的影响, 提示环境保护的重要性和环境保 护的主要途径。 关键词 第四纪气候; 地质演化; 人类活动; 环境保护 中图分类号 P66 文献标识码 A 文章编号 1001- 56632000 01- 0023- 07 第四纪是地球发展历史中最新的一页, 时间约 250 万年左右, 在这段时间里, 自然界发生 了一系列重大变化, 如气候变冷、 海面升降、 生物演化、 人类出现、 地貌变迁等。 本文仅对第四纪 气候与地质环境的演化及人类活动的有关问题做一初步研究。 1 第四纪以来气候的基本特点 1 第四纪古气候的基本特征是气候显著变冷和它的周期性变化。 从深海沉积物和黄土 古土壤序列记录的气候变化过程来看, 气候的波动周期具有明显的等频性 图 1 。 2 第四纪古气候变化在全球各地表现形式多种多样, 有冰盖和山岳冰川的进退, 降雨量 的增减, 湖面的升降、 动植物迁徒、 黄土的堆积与古土壤的形成等。 3 第四纪气候显著变冷为玉木 大理 冰期, 规模最大为里期 庐山 冰期, 间冰期最显著 为民德里期 大姑庐山 间冰期。图 1。 4 气候由暖变冷为渐变过程, 而由冷变暖为突变过程。 2 未来气候变化趋势分析 根据地球历史气候变化的周期性, 可以探讨地球现在处于气候发展的什么阶段以及未来 可能向什么发展。 2. 1 10 8 年周期分析 地球历史上发生过 7次大冰期, 即前寒武纪三次、 震旦纪大冰期、 奥陶纪大冰期、 石炭二 叠纪大冰期和第四纪大冰期, 它们之间相隔在 1. 6亿年左右 除最早一次外 , 大冰期时间尺度 23 收稿日期 1999- 12- 21。第一作者简介 徐文火 斤, 男, 1954 年生, 高级工程师, 院重点实验室主任。国家科学技术 部, 中国农业科学院气象研究所资助课题。 在 n10 8 年, 第四纪冰期目前仅有 2. 510 6 年, 因此按自然规律, 有理由推断未来的几千万 年仍属于这次大冰期。 图 1 第四纪冰期中的亚冰期 Fig 1 Glacial Substage of Quafernary Glacial Period 2. 2 105年周期分析 第四纪冰期由多个冰期和多个间 冰期组成, 它们之中每一个的时间尺度 均在 10 5 年左右, 就是最短的末次间冰 期和末次冰期也有数万年的历史, 而冰 后期, 即现代间冰期至今仅 10 4 年, 因 此现代间冰期尚未结束, 冰后期仅仅是 这一间冰期的一部分, 它可能还要继续 下去。 2. 3 10 4 年周期分析 末次间冰期后时 50103年左右, 由三个暖期组成, 每个暖期历时 104年 左右。冰后期的时间长短与它们相似, 据冰岩芯分析, 这次间冰期的气候状况 与冰后期也十分相似。因此, 我们推断 目前的冰后期可能与末次间冰期中的 一个暖期 间冰期 相当, 由于这个间冰 期已历时 104年左右, 而且最暖时期 大西洋期 已经过去, 我们进一步可以 认为这个间冰期已近尾声, 在未来的 104年中, 一个新的冰期即将来临。 2. 4 103年时间尺度分析 冰后期历时 104年, 期间气候发生 多次波动 图 2 , 目前我们处于一个相 对凉湿的时间, 按气候变化的周期性规 律, 地球向暖的方向发展, 暖期过后将 会进入新的冰期。 3 全球气候变化原因 全球气候变化主要决定抵达地球表面的太阳辐射量的变化, 而引起太阳辐射变化的条件 是多方面的。 3. 1 太阳活动对全球气候的影响 太阳辐射受太阳本身活动的影响而具周期变化, 诸如太阳黑子活动 11年周期, 22 年磁周 期, 世纪周期等均会引起辐射能的周期性变化, 进而引起气候变化。 3. 2 地球轨道因素的改变 地球在自己的公转轨道上, 接受太阳辐射能。 而地球公转轨道的三个因素 偏心率、 地轴倾 角和春分点的位置都以一定的周期活动着, 这就导致地球上所受到的天文辐射发生变化, 引起 气候变迁。 24 图 2 全新世及未来气候变化曲线 Fig2 Climaticfluctuationfor Holocene times and the future a. 全新世气候波动变化曲线 b. 末来全球气候 变化预测曲线 虚线 实线为距今 2. 5103a 以来气候变化曲线 3. 3 火山活动引起大气透明度的变化 到达地表的太阳辐射的强弱要受大气透明 度的影响。火山活动对大气透明度的影响最大, 强火山爆发喷出的火山尘和硫酸气溶胶能喷入 平流层, 由于不会受雨水冲刷跌落, 它们能强烈 地反射和散射太阳辐射, 削弱到达地面的直接幅 射。据分析, 火山尘在高空停留的时间一般只有 几个月, 而硫酸气溶胶则可形成火山云在平流层 飘浮数年, 能长时间对地面产生净冷却效应。据 历史记载, 1815 年 4 月初 Tambora 火山 8. 25 S, 118. 0 E 爆发时, 500km 3 内有三天不见天日, 各方面估计喷出的固体物质可达 100～300km 3。 大量浓烟云长期绕平流层漂浮, 太阳辐射显著减 弱, 欧美各国在 1816 年普遍出现了“ 无夏之年” 。 据 Bryson 1977 估计, 当年整个北半球中纬度气 温平均比常年偏低 1℃左右。在英格兰夏季气温 偏低3℃, 在加拿大6 月即开始下雪。 再从我国华 东沿海各省近 500 年历史气候资料可见, 在 1817 年 6 月 29 日 阳历 8 月 11 日 赣北彭泽 29. 9 N, 116. 0 E 见雪, 木棉 多冻伤。皖南东 至县 30. 1 N, 117. 0 E 在同年 7 月 2 日 阳历 8 月 14 日 降雨雪。在我国中部夏季有两处以上出现霜 雪记载的这类严重冷夏在 1500 年- 1865 年间竟 有 35 年。这说明“ 六月雪” 是确有其事的, 它们绝大多数在火山爆发后的两年间。 20 世纪以来, 火山强烈喷发后, 太阳直接辐射 Q 的减弱有实例记录可稽, 例如 Santa- maria 火山 14. 8 N, 91. 6 W, 1902 年 、 1903 年 Q 比 1902 年下降 15; Katmal 火山 46. 2 N, 155. 2 W, 1912 年 , 1912 年到 1913 年 Q 下降 11 ; St. helen 火山 46. 2 N, 122. 2 W, 1984 年 , 1980 年我国 5 站 Q 下降; Fl-chichon 火山 19. 3 N, 93. 2 W, 1982 年 1983 年冬使 我国日本和夏威夷的 Q 值分别下降 20 左右。 1991 年 6 月菲律宾 Pinatubo 火山爆发是近 80 年来最强的一次。在火山爆发后 3 个月后 气溶胶厚度达到峰值, 直到 1993 年 5 月 亦即约两年后 恢复到正常。南北半球中纬度 40 - 80 N, 40 - 60 S 气溶胶光学厚度的峰值出现较晚, 但均在春夏之际。 显然, 气溶胶光学厚度增 大, 太阳辐射削弱的程度亦增大。有资料证明 1992 年 4- 10 月北半球两个大陆气温距平在 0. 5～1. 0℃之间。1990 年和 1991 年曾经是近百年来最暖的两年, 但 1992 年全球平均下降了 0. 2℃, 北半球下降 0. 4℃。不少学者认为, 这主要是 Pinatubo 爆发的影响。 火山爆发呈现着周期性的变化, 历史上寒冷时期往往同火山爆发次数多、 强度大的活跃时 期有关。 Baldwin 等 1976 指出, 火山活动的加强可能是小冰期以至最近一次大冰期出现的重 要原因。 Bray 1977 指出, 过去 200 万年间几乎每次冰期的建立和急剧变冷都和大规模火山爆 发有关。 例如在 1912 年以前的150 年, 北半球火山爆发较频, 所以气候相对地比较寒冷。 1912 年以后至 20 世纪 40 年代北半球火山活动很少, 大气混浊度减少, 吸收较多的太阳辐射, 因此 气温较高, 形成一温暖时期。 25 3. 4 宇宙- 地球物理因子 宇宙因子是指月球和太阳的引潮力, 地球物理因子指的是地球重力空间变化, 地球转动瞬 时极的运动和地球自转速度的变化等。 这些宇宙- 地球物理因子的时间或空间变化, 引起地球 上变形力的产生, 从而导致地球上海洋和大气的变形, 并进而影响气候发生变化。 3. 5 下垫面地理条件的改变 在整个地质时期中, 下垫面的地理条件发生了多次变化, 对气候变化产生了深刻的影响, 其中以海陆分布和地形的变化对气候变化影响最大。 3. 5. 1 海陆分布的变化 在各个地质时期地球上海陆分布的形势也是有变化的。 以晚石炭世为例, 那时海陆分布和 现在完全不同, 在北半球有古北极洲, 北太西洋洲和安加拉洲三块大陆。 前两块大陆是相连的, 在三大洲之南为坦弟斯海。在海之南为冈瓦纳大陆, 这个大陆连接了现在的南美, 亚洲和澳大 利亚。 在这样的海陆分布形势下, 有利于赤道太平洋暖流向西流入坦弟斯海。 这个洋流分出一 支经伏尔加海向北流去, 因此这一带有温暖的气候。 冈瓦纳大陆由于地势高耸, 有冰河遗迹, 在 其南部由于赤道暖流被东西向的大陆隔断, 气候比较寒冷。 在南北极洲与大西洋洲之间有一个 向北的海湾, 其附近有显著的冰川遗迹。 3. 5. 2 地形变化 在地球历史上造山运动使地形发生巨大变化, 地形改变造成地面反射率和粗糙度变化, 从 而使气候改变。 地球历史上的造山运动与冰期几乎同步, 另外, 高大的喜马拉雅山脉, 并阻止海 洋季风进入亚洲中部的障碍, 因此使新疆, 内蒙古在第三纪气候很湿润, 而现在变的干旱。 3. 6 大气环流和大气化学组成的变化 大气环流形势和大气化学组成成分的变化是导致气候变化和产生气候异常的重要因素。 在本世纪 50 年代至 60 年代, 北半球大气环流的重要变化, 就是北冰洋极地高压的扩大和加 强。在极地中心区域平均气压的变化较小, 平均气压变化发生在大西洋北部区域, 导致北大西 洋地面偏北风加强, 促使极地海冰南移和气候带向低纬度推进。 1961～1970 年, 这 10 年是经向环流发展最明显的时期, 也是我国气温最低的10 年。 在转 冷最剧烈的 1963 年, 冰岛地区竞被冷高压所控制, 原来的冰岛低压移到了大西洋中部, 亚速尔 高压也相应南移。就使得北欧奇冷, 撒哈拉沙漠向南扩展。在这一副热带高压中心控制下, 盛 行下沉气流, 因而造成这一区域的持续干旱。而在地中海区域正当冷暖气团交替的地带, 静止 峰在此滞留, 致使这里暴雨成灾。 大气中有一些微量气体和痕量气体对太阳辐射是透明的, 但地气系流中的长波辐射却有 相当强的吸收能力, 对地面气候起到类似温室的作用, 故称温室气体。图 3给出地气系流的长 波辐射及影响气候变化的主要温室气体的吸收带, 图中所列出的 CO2 、 CH 4 、 N 2O、 O3等成分是 大气中所固有的, CFC11和 CFC12是由近代人类活动所引起的。这些成分在大气中总的含量虽 很小, 但它们的温室效应, 对地气系流的辐射能收支和能量平衡却起着重要的作用。这些成分 浓度的变化必然会对地球气候系统造成明显扰动, 引起全球气候的变化。 4 人类活动对气候的影响 人类活动对气候的影响有两种, 一种是无意识的影响, 即在人类活动中对气候产生的副作 用; 一种是为了某种目的, 采取一定的措施, 有意识地改变气候条件。在目前阶段, 以第一种影 响占绝对优势, 这种影响表现最为显著。 26 图 3 地球气候系统的长波辐射及温室 气体的吸收带阴影部分为大气窗口 UNEP Environment Library, 1987 Fig 3 Air Window shows the absorbed hothouse gas and radiation of long wave in globe climate system 4. 1 改变大气化学组成与气候效应 工农业生产排出大量废气、 微尘等污染 物质 进入大 气, 主 要有 CO2 、 CH 4 、 N 2 O 和 CFCs 等 表 1 , 大气中 CO2浓度在工业化之 前很长一段时间大致稳定在约 28010 10 - 6mL/ L, 但在近几十年增长速度甚快, 大气 的 CO 2浓度急剧增加的原因, 主要是大量燃 烧石化燃料和大量砍伐森林所造成的。排放 在大气中的 CO2有一部分为海洋所吸收, 另 一部分被森林吸收变成固态生物体, 贮存于 自然界, 但由于目前森林大量被毁, 致使森林 不断减少对大气中 CO2的吸收, 而且由于被 毁森林的燃烧和腐烂, 更增加 CO2排放至大 气中。按目前 CO2的排放水平, 在 2025 年大 气中CO2浓度为 42510 - 6mL/ L。 表 1 大气中的主要温室气体 IPCC, 1990 年 T able 1 Main Hothouse Gas in the Air 温室气体 工业化之前浓度 1750- 1800 年 现在浓度 1990 年 增 量 在大气中衰变时间 年 CO228010- 6mL/ L35410- 6mL/ L1. 610- 6mL/ L 0. 5 50- 200 CH40. 7910- 6mL/ L1. 7210- 6mL/ L0. 01510- 6mL/ L 0. 9 10 N2O28810- 6mL/ L31010- 6mL/ L0. 810- 6mL/ L 0. 25 150 CFC- 11 0 28010- 6mL/ L1010- 6mL/ L 4 65 CFC- 12 048410- 6mL/L710- 6mL/L4 130 CH4是另一种重要的温室气体。它主要由于水稻田、 反刍动物、 沼泽地和生物体的燃烧而 排放入大气, 工业化前 CH4含量均在 0. 7510 - 6～0. 810- 6mL/ L, 目前已增加 1 倍以上。 N2O 向大气排放量与农田面积增加和施放氮肥有关。平流层超音飞行也可产生 N2 O。在 工业化前大气中 N2O 含量约为 2. 8810 - 6mL/ L, 在 1990 年已到 31010- 6mL/ L。 氟氯烃化合物 CFCs 是制冷工业, 喷雾剂和发泡剂中的主要原料, 是强烈增温效应的温 室气体, 也是破坏平流层臭氧主要因子, 在工业化前, 大气无此成分, 而目前大约在 76410 - 6 mL/ L, 其增长十分迅速。 臭氧 O3 也是一种温室气体, 它受自然因子影响而产生, 但人类活动排放的气体破坏, 如 氟氯烃化合物, 卤化烷、 N2O、 CH4和 CO2均可破坏臭氧。 大气中温室气体的增加会造成气候变暖, 全球气温升高的同时, 海水温度也随之增加, 这 将会使海水膨胀, 导致海平面升高, 温室气体增加, 降水量会增加, 高纬度冰冻会部分解冻; 森 林北界会向极地方向发展。中纬度将会变干, 沙漠将扩大 3, 林区减少 11, 草地会扩大 11。因此控制和减少温室气体是目前各国控制污染的首要任务。 27 此外, 人类活动排放出来的气体还有大量硫化物、 氮化物和人为尘埃, 在一定条件下会形 成“ 酸雨” , 使森林鱼类、 农作物及建筑物蒙受严重损失。大气中微尘的迅速增加会减弱日射影 响气温、 云量 微尘中有吸湿性 和降水。 4. 2 改变下垫面性质与气候效应 从人类出现以来, 人们一直对下垫面进行破坏作用和建设作用, 历史上世界森林占地球表 面积 2/ 3, 但到现在已下降到 22, 从而造成地面反射率及粗糙度的变化; 人们还修建大小水 库, 浇灌土地、 填湖造田, 结果使区域温度场、 压力场发生改变; 由于失误, 海洋石油污染非常严 重, 大约每年有 200～1000 万吨废油被倒入到海洋, 使洋面温度、 蒸发量改变, 这些都直接影响 到气候的变化。 4. 3 人为热和人为水汽的排放 工业生产、 机动车运输中有大量废热排出, 居民炉灶、 空调以及人、 畜的新陈代谢等亦放出 一定的热量, 这些“ 人为热” 像火炉一样直接温暖大气。在燃烧大量石化燃料 天燃气、 汽油、 燃 料油和煤 时除有废热排放外, 还向空气中释放一定量的“ 人为水汽” , 排放出的人为热和人为 水汽主要集中在城市中, 对城市气候的影响将愈来愈显示其重要性。 城市是人类活动的中心, 在城市里人口密集, 下垫面变化最大。 工商业和交通运输频繁, 耗 能最多, 有大量温室气体、 “ 人为热” 、 “ 人为水汽” 、 微尘和污染物排放至大气中。因此人类活动 对气候的影响在城市中表现最为突出。 城市和郊区气候对比结果如表 2。 从表中可以看出城市 气候的特征可归纳为城市“ 五” 效应 混浊岛、 热岛、 干岛、 湿岛、 雨岛 和风速减小多变。 表 2 城市与郊区气候特征比较* Table 2 Comparizon of Climate Feature Between city suburb 要 素 市 区 与 郊 区 比 较 大气污染物凝结核比郊区多 10 倍, 微粒多 10 倍, 气体混合物多 5～25 倍 辐射与日照太阳总辐射少 0～20 , 紫外辐射, 冬季少 30 , 夏季少 5 , 日照时数少 5 ～15 云和雾总云量多 5 ～10 , 雾, 冬多 1 倍, 夏多 30 降水降水总量多 5 ～15 , 5mm 雨日数多 10 , 雷暴多 10 ～15 降雪量城区少 5 ～10 , 城区下雪 10 气温年平均高 0. 5～3. 0℃, 冬季平均最低高 1～2℃, 夏季平均最高高 l～3℃ 相对湿度年平均小 6 , 冬季小 2 , 夏季小 8 风速年平均小 20 ～30 , 大阵风少 10 ～20 , 静风日少 5 ～20 * 见 H. E. Landsberg. T he Urban Climate. Acodem; Press. 1981. 5 存在问题 第四纪气候环境预测十分复杂, 在人类未出现时, 引起气候变化主要是自然因素。人类出 现后, 引起气候变化除了自然因素又增加人为因素, 这两种因素目前还难以区分以谁为主。第 四纪气候环境演化规律是非线性的, 从古到今, 规律越来越不太明显, 似乎气候变得混沌起来。 碳酸盐岩的氧同位素计算古温度要求氧同位素必须满足下列条件 1 同层碳酸盐岩与地 下水达到同位素平衡; 2 同层碳酸盐岩中的氧和碳同位素组成无线性关系, 在应用时必须要 考虑上述条件, 反之则计算古温度不准确。 28 参考文献 [ 1] 周淑贞. 气象学与气候学[ M ] . 高等教育出版社, 1997. [ 2] 夏正楷. 第四纪环境学[M] . 北京大学出版社, 1997. [ 3] 许靖华. 太阳、 气候、 饥荒与民族大迁移[ J] . 中国科学, 1998 4 . [ 4] 郭地义. 过去全球变化研究中环境地球化学进展[ J] . 地质科学, 1998 4 . [ 5] 魏东岩. 试论未来全球气候变化[ J] . 化学矿产与地质, 1997 3 . [ 6] 张德仁. 中国历史文献中古气候和古全球变化研究中国气候变化与气候影响研究[ M ] . 气象出版社, 1997. [ 7] 任振球. 当代气候变暖若干问题商榷、 中国气候变化与气候影响研究[M] . 气象出版社, 1997. [ 8] 竺可桢. 中国近 5000 年来气候变迁的初步研究[ J] . 中国科学, 1973 2 . [ 9] 桃 栋. 冰芯所记录的环境变化及空间耦合特征[ J] . 第四纪研究, 1995 1 . [ 10] 景才瑞. 第四纪地质学概论[ M ] . 地质出版社, 1990. [ 11] 任振球. 全球变化[M ] . 地质出版社, 1990. [ 12] 王绍武, 等. 中国的小冰河期[J] . 科学通报, 1990. [ 13] 干津生. 中国同位素地球化学研究[ M ]. 科学出版社, 1997. [ 14] 林百达. 农业对土壤吸收 CH4与排放 N2O 的影响、 中国气候变化与气候影响研究[ M] . 气象出版社, 1997. [ 15] 石广玉, 等. 中国森林CO2释放与吸收的评估、 中国的气候变化与气候影响研究[ M ] .气象出版社, 1997. [ 16] Steimer J. ctai, Possible galactic causes of pericolic and episodie glaciation[ J] .Geol so Amer Ball, 1973. [ 17] Willicans D.F.paleogagr paleocimat paleoed[M] . 1988. [ 18] Shackleton N.Y,Oxygen isotonoe and palacomagncric stratigraphy of equatrial pacific core v28- 238Oxyg en isotope temperature and ice volume on a 105year and 106year soule quaternary res[M ] . 1973, 39- 55. [ 19] Shackleton. Oxygen isotipe and palaevmagnetic stratig rapr of Equatorial Pacitic core v28- 239 late plioceoc to latest Pleistoene inrestiqution of late Quaternary pulaeoceomography and palaoclimation[ J] . M cn geol soc am no. 1976. STUDY ON THE RELATIONSHIP QUATERNARY CLIMATE AND DEVELOPMENT OF GEOLOGICAL ENVIRONMENT AND ACTIVITY OF MANKIND Xu Wenxin, Li Xinglin Guilin Research institute of Geology For Mineral Resources, Guilin 541004 Abstract It has been studied that the development of geological environment and the mankinds activity have affected the climate on earth, and the importance of protecting the environment and how to realize the purpose have been mentioned in this paper. Key words Quaternary climate; Geological Development; Mankinds Activity; Protection of Environment 29