第四纪地质与环境复习资料.pdf

写在前面：课次 时间 授课教师 授课内容 整理人员 1 3.3（2）刘嘉麒 第四纪导论 张月婷 2 3.5（4）刘嘉麒 第四纪地层与地质年表 3 3.10（2）刘嘉麒 第四纪年代学 虎贵朋 4 3.12（4）杨小平 沙漠 江奇达 5 3.17（2）杨小平 荒漠化 6 3.19（4）刘嘉麒 新构造运动与火山活动 成星 7 3.24（2）汉景泰 黄土沉积 李佩 8 3.26（4）汉景泰 黄土环境 姜雯琪 9 3.31（2）刘嘉麒 冰冻圈与极地探索 张仲彦 10 4.2（4）刘嘉麒 河、湖相沉积 11 4.23（4）刘嘉麒 青藏高原的隆升与亚洲季风的形成 成星 12 4.28（2）刘嘉麒 全球变化与气候问题 13 4.14（2）吕厚远 第四纪生物圈 翟吉璇 14 4.16（4）吕厚远 第四纪人类与环境 15 4.21（2）吕厚远 全新世人类与环境 16 4.7（2）汉景泰 现代海洋与海洋沉积 杨帆 17 4.9（4）汉景泰 第四纪气候变化的海洋证据 18 4.30（4）刘嘉麒 自然灾害与人类生存 李佩 19 5.5（2）刘嘉麒 第四纪科学的应用 汇总整理编辑：江奇达 在此，谨代表个人对以上参与复习资料整理的同学表示由衷的感谢。同时由于整理同学知识背景的局限性，可能有很多不如意之处，希望同学们包容，并能帮助更正。欢迎同学们在此基础上进行精炼或补充，以提供更好的版本给供大家复习之用。此外个人觉得分数各章相对来说是比较平均的，不是这个复习资料上多的部分，就需要多复习。建议平均用力。江奇达 2015 月 5 月 4 日 第一讲：第四纪地质与环境导论 地球演化的最新地质时期 130 亿年前宇宙大爆炸，地球自诞生起，从冥古宙、太古宙、元古宙到显生宙，经历了约 46 亿年的演变，到最近的 260 万年前进入第四纪。相对于漫长的地球历史，第四纪仅仅是暂短的一瞬。地球年龄：45.67-45.68 亿年，第四纪 2.58Ma。三大冰期：震旦纪大冰期、石炭-二叠大冰期、第四纪大冰期。第四纪的定义与划分 What is the Quaternary？The Quaternary is a subdivision of geological time which covers the last 2.6 million years up to present day.The Quaternary and the Tertiary Periods together form the Cenozoic Era.The Quaternary can be subdivided into two epochs:the Pleistocene and the Holocene.The Quaternary is an interval with dramatic and frequent changes in global climate.Warm interglacials alternated with cold ice ages.The Earth is right now entering a time of unusually warm climate.Significant and potentially rapid environmental changes could pose major challenges for human habitability.第四纪时期，地球发生了天翻地覆的变化，不仅构造运动活跃强烈，地震火山喷发频繁发生，最突出的是气候和生物界发生了剧烈变化，出现了地球历史上的第三次大冰期，出现了前所未有的人类。(1)冰期气候占主导地位：冰期气候是第四纪的环境特征 第四纪冰期最盛时，极地与高纬度地区的冰盖、中低纬度的山岳冰川都大规模扩张，以致地球上 32的陆地面积为冰川覆盖(2)生物演变：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。植物界的进化比较缓慢。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，喜冷和喜暖动植物群的交替现象非常明显。第四纪不同时期出现不同的动物群（3）、出现了人类：人类出现是第四纪的主要标志 1 早期猿人阶段（2 百万年-1 百 75 万年前）：能人。2 晚期猿人阶段（1 百万年前）：直立猿人，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；4晚期智人（新人）阶段（25 万年-3 万 5 千年前）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）。第四纪地质与环境的研究范畴，研究简介 地球表层圈层：大气圈、生物圈、水圈、岩石圈 岩石圈：岩石圈主要由地壳和地幔圈中上地幔的顶部组成，从固体地球表面向下穿过地震波在近 33 公里处所显示的第一个不连续面（莫霍面），一直延伸到软流圈为止。岩石圈厚度不均一，平均厚度约为 100 公里。水圈：水圈包括海洋、江河、湖泊、沼泽、冰川和地下水等，它是一个连续但不很规则的圈层。如果整个地球没有固体部分的起伏，那么全球将被深达 2600 米的水层所均匀覆盖。大气圈和水圈相结合，组成地表的流体系统。生物圈：生物圈是太阳系所有行星中仅在地球上存在的一个独特圈层。大气圈：大气圈是地球外圈中最外部的气体圈层，它包围着海洋和陆地。地球大气的主要成份为氮、氧、氩、二氧化碳和不到 0.04比例的微量气体。由于地心引力作用，几乎全部的气体集中在离地面 100 公里的高度范围内，其中 75的大气又集中在地面至 10 公里高度的对流层范围内。根据大气分布特征，在对流层之上还可分为平流层、中间层、热成层等。中国第四纪地质与环境的研究现状和面临的挑战 1、气候环境全球变化始终是第四纪科学研究的主要课题；2、人类学和人文学受到普遍关注；3、人类与自然的相互作用越来越突出；4、从地球科学系统到地球系统科学；5、海洋研究方兴未艾；6、精细测量与实验观测；7、应用第四纪研究。第二讲：第四纪地层与第四纪年表 一、第四纪沉积物 第四纪沉积物分布极广，全球几乎到处被第四纪沉积物覆盖。这些沉积物形成较晚，大多未胶结，呈松散、松软状态存在。中国第四纪沉积物的主要类型（按成因划分）陆 相风 成：黄 土、沙水 成 湖 沼 沉 积河 流 沉 积冰 川 成：冰 碛 物 及 冰 缘风 化 壳 残 积：红 土洞 穴 堆 积：岩 溶生 物 堆 积：泥 炭火 山 堆 积：火 山 灰、火 山 碎 屑、熔 岩 等海 相物 理 沉 积 泥 沙化 学 沉 积 碳 酸 盐 等生 物 沉 积 珊 瑚、硅 藻冲 积洪 积泥 石 流冰 水 堆 积 物泥 沙泥 炭膏 盐硅 藻 黄土是联系欧亚大陆环境和文化的媒介:丝绸之路 艾丁湖盐碱地：新疆，地势低（154-156m）冰石缘：岩石空隙进水、结冰、膨胀，碎裂成碎块（一种冰缘现象，高纬和高山地区常见）。花岗岩风化形成褐红色红土，玄武岩风化形成砖红色红土，红土的形成是一种化学风化过程，相对来说，黄土的形成是物理过程。大陆架定义：沿海国的大陆架包括其领海以外陆地领土的全部自然延伸，扩展到大陆边外缘的海底区域的海床和海土。内水：大陆岸线以外，领海基线以内水域，属领土部分。领海（领水）：领海基线向外 12 海里。领土在海中的延续。毗连区（连接区、特别区）：领海基线外邻接领海的一带海域。领海基线向外 24 海里。该区是保护沿海国权益的重要海域之一，专属经济区：领海基线向外 200 海里的海域。在地理位置或法律性质上介于领海与公海之间。领海基线是将各基点连接起来的一条线，以此为依据确定沿海国的海域范围。滩涂：涨潮时淹没，落潮时露出的部分。第四纪地层：岩性(沉积)地层、磁性地层、生物(化石）地层、氧同位素地层、年代地层 地层界线：年龄界线、地质界线、地磁界线、生物变化、环境变化 1、岩性（沉积）地层：以黄土为例：根据沉积序列、时代和沉积物特征划分地层，比如：黄土沉积序列从下（早）到上（晚）可分为午城黄土、离石黄土和马兰黄土；黄土沉积序列中又分为多层黄土和古土壤交替产出，于是又从上到下把黄土分为 L1、L2、L3，古土壤分为 S1、S2、S3 2、磁性地层：磁性地层（magnetostratigraphy）是通过岩石天然剩余磁性的测定，求出地磁场的极性变化来研究地层。与现在地磁场方向一致的极性为正向，相反的为反向，在整个地史中把正向和反向按先后顺序排列起来，即成地磁极性年表。从第四纪到新近纪后期（最近450 万年间）的地磁场按顺序已分出 4 个极性时（chron)：布容正向极性时、松山反向极性时、高斯正向极性时和吉尔伯特反向极性时 B/M：0.78Ma；3、生物(化石）地层：第四纪不同时期出现不同的动物群。4、氧同位素阶（MIS)5、年代地层：依据地质时代（年龄）进行的地层划分。年代地层单位的宇、界、系、统、阶、带分别与地质年代单位宙、代、纪、世、期、时相对应。三、第四纪的定位与划分：1、第四系底界：第四系/新近系（Q/N）（M/G）：以往把 Q/N 定在 1.8MaB.P.左右，现在则定在2.6MaB.P.左右。定在 1.8MaB.P.是以意大利的 Calabrian 组底为界，相当于氧同位素 62/63 阶界线；在陆相地层中则以含晚维拉方（Villafranchian）动物群的沉积层底界为第四系底界，其代表性地层为意大利的 Vrica 剖面，年龄为 1.61.8MaB.P.；根据磁性地层，把 Olduvai 事件作为第四纪的开始，其年龄介于 1.771.79MaB.P.。中国泥河湾动物群与Villafranchian 期的 Olivola 动物群最为接近。定在 2.6MaB.P.的主要依据：中国的午城黄土与底部红粘土的界线，松山/高斯极性转变事件（M/G）界线，在中国南海北部陆架出现浮游有孔虫 Globorotalia multicamerata s.i.的末现面，是生物演化的转折点，相当于 104 氧同位素冷阶开始。2、早更新统/中更新统（B/M）：0.78Ma 深海沉积物：氧同位素 19 期(MIS19，间冰期)中国黄土：第 8 黄土层（L8，冰期）3、上更新统中更新统界线：0.126MaB.P.上更新统（Qp3）中更新统（Qp2）界线，近年来研究成果比较一致地划在末次间冰期起始的时间 0.126MaB.P.，相当于深海氧同位素 5e 的起始时间，从这时起发生了第四纪以来全球最大的一次海侵；在中国黄土地层中为 S1/L2的界线。4、全新统（Qh）更新统（Qp）界线：11700a 从这个时期开始，自然界和生物界趋于现代化，气候也从冰后期开始转暖，结束了新仙女木突冷事件。Emiliani 深海沉积物氧同位素第 1 阶定为全新统；中国黄土古土壤 S0为全新统；根据新近发表的日历年龄，经过国际地层委员会表决，将 11700a 作为全新世的开始。用 Qp表示更新统，Qh表示全新统。更新统可分为下、中、上 3 个阶，分别用 Qp1、Qp2、Qp3，Qh4表示。近年来的趋向是向精细发展，比如，对深海沉积物采用氧同位素阶（MIS：Marine Isotope Stage）划分，从 2.6Ma 前至今已划分出 104 个阶。对陆相黄土沉积序列至少划分出 37 个黄土-古土壤旋回，实际上相当于 74 个气候旋回，也可以称黄土阶。地层界线 年龄界线;地质界线;地磁界线;生物变化;环境变化 第四纪的下级划分 纪 世 期 年代(万年)第四纪 全新世 0 1.17 更新世 Tarantian(晚更新期)1.1712.6 Ionian(中更新期)12.678.1 卡拉布里亚阶 (Lower)78.1180.6 格拉斯期 (Lower)180.6258.8 新近纪 上新世 皮亚琴察期 以前 第三讲：第四纪地质年代学 1.地质年代学的重要意义 地学的基本方法是将今论古、将古论今，因此，时间是研究地质问题的基础。地质年代学，即通过测量地质体(岩石、化石、沉积物)的年龄，研究地球的演化历史。高分辨率的定年和高分辨率的时间标尺，有利于准确地确定气候环境变化的周期和相位，从而更好地进行全球性对比，进而全面认识地球演变趋势和发展规律，为科学地探索过去，认识现在，预测未来提供依据1。2.新生代年代学的特点与问题(摘自 PPT)时代新；年龄小；要求精度和准确度高，因而实验条件也高；样品难得；定年方法多，但都具有一定的局限性；新方法不断产生，新技术被采用，如离子探针 3.地质年龄测定方法(摘自 PPT)岩石地层法包括地层层序、构造期次、沉积纹层、岩溶纹层、火山灰标志层、黑曜岩脱水；生物法化石、花粉、树木年轮、珊瑚年轮、氨基酸消旋法、岩石漆法、地衣生长法；磁性地层学法磁性倒转（polarity reversals）、极性漂移（polarity excursions）、长期变（secular variation）；考古法文化古迹、历史文献 放射性同位素年代学 K-Ar，Rr-Sr，U-Th 宇宙成因核素14C，10Be，26Al，36Cl；核辐射效应法裂变径迹定年，光释光，热释光 4.放射性同位素测年基本公式(摘自 PPT)衰变定理某同位素在任何时间 t 时的衰变速率与当时体系尚存的原子数 N 成正比。dN/dt=-N（为衰变常数）积分得 N=Noe-t（t=0，N=N0）假定：任一时刻 t 母核产生子核的原子数为 D*，则 D*=N0 N D*=No Noe-t =No(1 e-t )t=1/ln(D*/N+1)5.高分辨率定年材料 树轮树木的形成层，向内侧分化过程中由于生长速度的周期性季节变化，而在木质部横切面上形成的肉眼可分辨的层层同心轮状结构，即为树轮（引自：百度百科）。树木年轮生长的宽窄状况，取决于环境的温度和降水、土壤湿度、光照、与光合作用有关的树叶表面积大小以及土壤正常矿物质的供给等因素。于是，可以从树木的年轮中，提取气候环境因子的变化，以此进行高分辨率的古气候重建。纹层（石笋、珊瑚、纹泥、泥炭）玛珥湖，具有独特的封闭性和物理化学条件，因此成为古环境变迁信息的理想载体。其沉积物是高分辨率的古气候环境载体，可以把时间尺度推算到季。纹泥是玛珥湖中比较常见的沉积构造。纹泥中的硅藻，对光量、温度和各种无机盐反应敏锐，因此具有重要的古环境意义2。冰芯包含丰富的气候信息：温度、降水量、大气圈下部的化学和气体成分、火山喷发记录、太阳辐照率变化和海平面变化等，其时间可追缩到过去的几百年到几万年。6.新生代地质年代学的应用(摘自 PPT)(1)测定地质年龄(2)探讨地质、环境演变历史，受热史(3)计算地壳升降速率和沉积速率(4)判别地质体的埋藏深度和剥蚀速率(5)确定地质事件、环境时间、气候事件，磁性时间的时间(6)建立地质年表(7)考古，建立人类文明史 参考文献 1刘嘉麒，王文远.第四纪地质定年与地质年表J.第四纪研究.1997(3):193-195 2刘嘉麒，刘东升，储国强等.玛珥湖与纹泥年代学J.第四纪研究.1996(4):353-354 第四、五讲：沙漠与荒漠化 这部分的内容大家查看 ppt，就可知整理难度较大。而且杨老师在讲授时并未完全按照大纲来，而是以自己的逻辑为主。很有意思，恰恰因为大纲和他讲课的思路异路同向，所以在我理解这部分可能考察的点就很明晰了。当然，因本人水平有限，所以整理得可能不如人意，望包涵。我的整理思路为：以大纲为主，兼以讲授的重点研究课题，挑出最可能考察的部分进行完善。1.新月形沙丘的概念 新月形沙丘平面形状形如新月，因而得名。它的高度一般为十几米到几十米，其纵剖面不对称，迎风坡微凸而平缓，坡度一般在 1020之间；背风坡微凹而较陡，坡度一般在 2833之间，背风坡的坡度大小与不同粒径沙粒的休止角有关。沙丘两翼顺风延展，而脊呈弧形。新月形沙丘多是从到饼状沙丘到盾形沙丘再到雏形新月形沙丘演化而来，其形成主要与翻过沙堆（沙丘）顶部与绕过两侧的气流在沙堆（沙丘）背风坡产生的漩涡有关。2.沙漠的概念 沙漠系指干旱地区地表为大片沙丘覆盖的沙质荒漠，也包括了沙漠化土地（人类历史时期内）和半干旱地区的沙地。（朱震达，1980，中国沙漠概论）荒漠泛指干旱区一切不毛之地。（王涛，2008，中国的沙漠.戈壁）3.现代荒漠、沙漠的分布 主要集中分布在副热带地区以及中国、美国、南美温带地区。4.荒漠、沙漠的成因及其影响因素 副热带地区沙漠主要是因为受副热带高压控制而形成，美国、南非温带地区沙漠主要因为近岸的表面冷洋流、雨影效应等形成，中国温带地区沙漠主要因为远离海洋、雨影效应、构造运动等原因形成。总而言之，沙漠的形成的主要因素为：纬度和大气环流、远离海洋、近岸洋流、雨影效应、构造作用等。5.高大沙丘的成因 沙丘沙源的多源性（源）、多风向且风力大致相等（风）气候的干湿交替（水）、下伏基岩形态起伏（埋藏）等因素共同促成了沙漠高大沙丘的形成。6.干旱地区荒漠的主要类型及其形成的动力机制 干旱地区荒漠的主要类型包括：岩漠、沙漠、泥漠、盐漠。形成的动力机制：岩漠，风蚀作用、物理风化、洪流冲刷作用。沙漠，风蚀作用、蒸发作用。泥漠，洪积作用、蒸发作用。干旱地区洪积作用把从山区搬来的细粒粘土物质淤积到的低洼地带或封闭盆地的中心，因强烈的蒸发作用，粘土变干，发生多边形网状裂隙，形成龟裂地。盐漠，大河下游、湖泊周围，地下水位高，因强烈的蒸发作用形成。7.荒漠化、沙漠化的概念 荒漠化：干旱、半干旱和半湿润地区由于受自然力或人类不合理开发利用导致的土地质量下降、生产力衰退的土地退化过程。沙漠化：沙漠化是沙质荒漠化的简称，是干旱地区最常见的荒漠化类型，沙漠化即风蚀引起的荒漠化，定义为“环境出现以风沙活动为标志，类似沙漠景观类型的土地退化过程”。第六讲：新构造运动 1.新构造运动：新构造运动通常是指晚新生代以来的地壳运动。在中国为喜玛拉雅造山运动以来的构造活动。它是奠定现代地貌形态的地质作用，从本质上讲是造陆运动。按时限分：现代构造运动、年轻构造运动、近代构造运动 按波段分：地震波、大地测量波、地貌学波、地质学波 2.新构造运动的形式与方式：形式：垂直、水平、线状、面状、褶皱、断裂 方式：板块运动（扩张造海，挤压造陆，隆升造山，沉降造谷）、裂谷作用、断裂作用、地震活动、火山活动、海平面升降 3.板块运动是新构造运动主要表现形式 海底扩张、俯冲、岛弧、弧后扩张、裂谷作用 4.新构造运动的研究方法：实地测量：地貌、地质、考古 仪器测量：天文法：卫星、遥感、GPS 大地测量：水准、三角网 地球物理测量：重、磁、电、震、热 水文测量 5.中国的新构造运动 中国的新构造运动非常发育和强烈，且具有继承性，主要表现在升降运动、水平运动和断裂运动，地震、火山活动频繁。中国新构造运动的特性：间歇性：地貌发育的阶段性 第四纪沉积的间断与韵律性 断层的间歇性活动 地震活动的韵律性 火山活动的多期性 继承性：构造格局的继承、运动方向的继承、构造类型的继承 新生性：东部构造应力场的改变，中生代燕山运动的挤压构造应力场被引张应力场所取代；某些稳定的地区如天山，祁连山，新构造时期又开始活动；若干下降地区在新近纪之后转为隆起；一些新的断陷盆地形成。6.青藏高原的新构造运动：青藏高原的形成演化是中国乃至全球新生代最重要的地质事件，是新构造运动最活跃地区。从构造空间看，主要表现为隆升（垂直方向）和扩展、扩散（水平方向）二个方面。新生代气候环境变迁与新构造相关，尤其是大陆隆升与气候变化的耦合关系越来越受重视。7.地震：地震是地壳运动的集中体现之一，自然地震几乎全发生在新构造运动活跃地区。汶川地震构造背景：龙门山断裂带是一条沿北东南西方向展布、以北西南东方向逆冲为主兼具小量右旋走滑分量的断裂带，其逆冲运动的速率约为 18-20毫米/年。华南块体运动速率只有 1214 毫米/年，未能完全调整龙门山断裂带北西南东方向的逆冲运动。龙门山断裂带逆冲运动速率（18-20毫米/年）与华南块体运动速率（1214 毫米/年）之差为4-8毫米/年。应变在龙门山断裂带中的岩石内逐渐长期积累，使得龙门山断裂带成为最具危险性的发生地震破裂的活动构造。8.地震带：环太平洋地震带、地中海-喜马拉雅地震带、大洋中脊地震带、大陆裂谷地震带 9.火山活动：火山活动也是地壳运动的集中体现之一，它的生成与地震有关，也有别，除了有构造条件，还要有岩浆形成条件。全球火山多分布在构造板块的边缘，2/3集中在太平洋边缘的“火链”。中国新生代火山主要分布在东部大陆边缘和青藏高原 地震与火山喷发都是地壳活动的集中体现，二者往往相伴而生，火山多的地方地震也多，火山活动必然引起地震，但地震并不一定引起火山喷发。现时的地球正处于地质构造运动的活跃期。10.长白山火山所处的地质环境：从大陆边缘（大陆裂谷）边缘海 岛弧 海沟，到太平洋板块，构成了一个典型的完整的板块体系，是地震、火山活动强烈地区，而地震、火山是地球动力的集中体现。第七讲：黄土与环境（By 李佩）一：黄土的概念及其相关概念 黄土：由风力搬运的以粉砂颗粒为主的气下碎屑沉积。在岩性上，它属于粉砂质黏土至黏土质粉砂碎屑沉积，颜色一般为黄色调，矿物组成以石英、长石、方解石、黏土及云母为主。黄土的定义应强调三个要素：一是搬运营力（风力搬运），二是粒度特征（粉砂为主），三是堆积环境(气下沉积)。中国黄土风成沉积的关键证据要点：区域分布：位于半干旱-半湿润气候区，处在沙漠地带下风区 黄土分布的高度：没有统一的高度，几乎覆盖所有高度的基底地形；与基岩关系：超覆各种岩性的基岩；沉积厚度：总体上沿西北-东南向逐渐变薄；沉积结构：柱状节理，无沉积层理；粒度组成：粉砂为主，几乎不含细砂或更粗颗粒；平均粒径沿西北 -东南向逐渐变细，黏土含量渐增；矿物组成：全区域上高度一致，与当地基岩无关；生物化石：鼢鼠等啮齿类，陆生蜗牛，无典型水生类；至为重要的一条：证明了黄土地层中的红色条带是古土壤，而不是具水平层理的湖相沉积 粉尘（dust）：即指可由通常风力悬浮搬运的碎屑物质，与通常意义上的尘土一致，其粒度组成主要为粉砂和小于粉砂的颗粒，也可含少量细砂。粉尘一词既暗含了黄土的成因又体现了黄土物质的粒度组成特征，形象简捷，为黄土学者广泛使用。黄土沉积的 3 个基本条件：（即物源、风力悬浮搬运和堆积区）。（1）物源，就需要有丰富的粉尘物质，同时又要植被覆盖度差，即荒漠化环境，否则，风力就无法有效地搬运。（2）风力作用是黄土形成过程中不可缺少的要素。因此，黄土沉积意味着其源区环境风力活跃的特征。（3）地形条件是黄土沉积区的首要问题，它必须能够较好的捕获并保存粉尘沉积，而邻近源区地形平坦、水作用弱的盆地往往是黄土堆积的理想地区，而这一沉积区往往需有足够的植被密度以避免沉积下来的黄土被侵蚀殆尽 特殊黄土类型：上面讨论的原生黄土和次生黄土，均指陆上环境。成岩者可称作黄土岩（loessite）。若风尘物质沉降于湖泊或海洋但而仍有粉尘的粒度组成特征，可称为湖积黄土或海积黄土。二、黄土的类型 1.黄土的类型 除了根据成因划分出原生黄土和次生黄土外，根据源区和分布特点，原生黄土还可分为沙漠黄土、冰川黄土、河谷黄土、海滨黄土。沙漠黄土，又称为暖黄土，是指黄土的物质由风力自沙漠搬运而来，它与沙漠在空间分布上有着密切的联系，多分布在沙漠周围。在有显著主导风向的情况下，沙漠黄土在主风向的下风区最发育，我国黄土高原即是沙漠黄土沉积的典型代表。冰川黄土，又称为冷黄土：以冰川沉积为直接物源的黄土。这一类型的黄土在欧洲阿尔卑斯附近、北美、南美以及新西兰等冰川广泛发育的地区有较多分布。河谷黄土是指沿河谷分布的黄土，其直接物源与河流沉积相关。相对于沙漠和冰川黄土来说，河谷黄土的分布规模一般较小，但在全球发育极为普遍。如我国长江下游的下蜀土，三门峡附近黄河南岸、洛阳附近十分发育。在欧洲多瑙河流域，北美密西西比河沿岸及邻近地区也有典型的河谷黄土。滨海黄土是指以滨海沉积物或低海面时期暴露于气下的海洋沉积物为物源、经风力悬浮搬运，在沿海附近堆积的黄土。2.黄土的次生改造和次生黄土 次生黄土：原生黄土经过风力之外的动力搬运沉积改造，但又保留了原生黄土的主要性状和成分，均称为次生黄土。次生改造作用主要有重力堆积、坡积、洪积、冲积等 注：除重力作用形成的次生黄土外，其他次生黄土由于受水流作用将产生一定的沉积构造（如沉积层理），也会改变原生黄土的结构（如孔隙度变小、结构由疏松变紧实），还会带来物质成分上的轻微变化（如某些层位混入少量的砂砾石）。这些次生改造使次生黄土失去了原生黄土沉积的古环境意义。在研究黄土及其古环境记录中，一般选择原生黄土为研究对象，对次生黄土不作讨论。三、中国的黄土分布与黄土地层 从黄土地层的空间分布规模、连续性和地层序列的稳定性方面，中国的黄土高原都是独一无二的。1.中国的黄土分布 我国黄土主要分布在长江以北。其发育程度与沙漠有密切关系，最典型的地区是黄土高原，新疆塔克拉马干沙漠周边以及东北沙地以东的部分地区都有黄土分布 黄土高原区泛指青海龙羊峡至河南三门峡的黄河中游，北至阴山山脉、南至秦岭，西至贺兰山、东至太行山所围成的地理区域。六盘山与吕梁山之间为中部亚区，其基底地形多为平缓的丘陵和盆地，黄土沉积厚度大，黄土地层分布稳定、连续。黄土古土壤的典型剖面基本都分布在这一亚区。在东部沿海地区如山东半岛、庙岛群岛、辽宁半岛等地，黄土分布具有自海岸向陆地逐渐变薄、粒度变细的特征，富含海相有孔虫化石，属典型的滨海型黄土，自然剖面最厚可达 60 m。2.黄土地貌 黄土地貌塬、梁、峁的成因 塬：宽阔平坦的黄土台地，发育于较宽阔的盆地，沟谷侵蚀处于初期发育阶段。梁：宽度较小的长条状台地，梁间沟谷发育。沟谷可以是继承黄土沉积前地形，也可以由沉积后切割发育而成。峁：其形态为近圆形黄土丘，此种地貌可以是原始地形的继承，也可为后来的强烈切割形成。3.中国的黄土地层 典型的黄土地层由两种基本岩性地层单元构成，即黄土和古土壤。二 者的主要区别在于：黄土颜色浅，多呈灰黄棕黄色，质地疏松，粒度较粗；古土壤颜色较深，多呈棕红褐红色，质地紧实，粒度较细，土壤结构发育。这二种地层单元相互叠置，构成了我国黄土高原区黄土沉积序列典型的发育旋回特征，也成为一级地层划分的基本单元，并以此二单元制定了地层命名方案。黄土地层划分与命名：顶部为全新世黄土，下伏黑垆土（全新世古土壤）为 S0，自此以下，黄土单元（用 Lx 表示）依次为 L1，L2，L3，,古土壤单元（用 Sx 表示）依次为 S1，S2，S3，根据多剖面的综合研究，黄土高原第四纪黄土古土壤序列目前被划分为34个黄土单元（全新世黄土，L1L33）和 33 个古土壤单元（S0S32），二者相互交替。黄土-古土壤序列中的标志层：在黄土高原地区，黄土古土壤序列中有 3 个重要的标志层，为黄土地层的空间对比提供了极大便利。它们分别为 S5，L9 和 L15。S5 由 3 层土壤单体构成，土壤化强烈、厚度较大、颜色深红，在各处剖面上都很显著，在过去被称为“红三条”。L9 和 L15为两层沉积厚度大、粒度粗、结构疏松的黄土层，往往成为黄土区重要的含水层，通常被称为上粉砂层和下粉砂层。黄土地层单位对比中应注意的问题 1)由于沉积速率和保存的区域差异，这些基本地层单位的数量和厚度在不同剖面的表现不尽一致。比如 S5，在洛川剖面为 3 层叠置的古土壤组成，而在沉积速率大的西峰剖面这 3 层古土壤单体均被黄土层隔开，但这 3 个古土壤单体和 2 个黄土夹层的组合体构成古土壤单元 S5。2)剖面间的差异应由次一级地层单元或再次级单元表达，如 S5 分为 S5I，S5II，S5III。在黄土地层中，还存在一种介于黄土和古土壤之间的过渡型，它们具有土壤化特征但不如 S0 强烈。此类单元也按次级体现的原则标记，比如 L1 中的上层弱化土壤，可以用 L1S1标示。3)由于不同的层位时代不同，其红化程度不易准确比较，因而以颜色反差为主要标志的野外地层划分会出现人为差异，造成地层的人为缺失或多出。精细的地层对比应借助于实验数据，比如磁化率地层对比与野外观察相结合。四、中国黄土的粒度、矿物及主量元素 1.黄土的粒度 黄土的的粒度组成以粉沙为主，黏粒次之，细砂更次之，其含量一般少于 5。古土壤的粒度分布形态与黄土相似，二者相比，后者粗粒组分较低，细粒组分较高。而下伏于黄土古土壤序列的上新世红黏土，较第四纪古土壤更细。中国黄土高原黄土的粒度在空间上存在明显的变化规律，总体上自西北向东南方向逐渐变细。总体上，黄土比古土壤粗，由老到新逐渐变粗。2.黄土的矿物组成特征 黄土高原地区黄土的主要矿物成分为石英、长石、方解石，其次为黏土矿物和云母，占总重量的 90以上。石英和长石类矿物的含量基本相当，各占 40左右。方解石在原生黄土中的含量约 10。副矿物成分十分复杂，达 30 种以上，其主要成分有角闪石、辉石、绿帘石、黝帘石、磁铁矿、钛铁矿、石榴石、锆石、金红石、电气石等。这些重矿物既可来自变质岩，也可来自岩浆岩，还可能来自沉积岩。黄土的矿物组成在空间上具有很好的稳定性，不同时代的黄土其矿物组成也很相似。复杂且稳定的矿物组合特征说明，黄土物质是来自多种岩类又经过高度混和的产物。在黄土中，方解石含量较高、颗粒较粗、碎屑状含量较高。而在古土壤中，方解石细粒含量高，碎屑状含量低甚至缺失。其含量在不同土壤层位变化很大，在一些发育程度高的古土壤淋滤层，方解石被全部淋失，在钙积层可形成钙结核或厚层钙板。古土壤中的长石含量往往比下伏黄土中的有所降低，显微镜观察可见到长石碎屑表面的风化现象 黏土矿物含量在黄土和古土壤中变化较大，从不足 10到超过 20。除了原始沉积的成分差异，二者的大幅度变化还表明了沉积后的成土作用（机械淋淀和少量的风化蚀变作用）对矿物组成的显著影响。黏土矿物组分以伊利石为主，还有高岭石、蒙脱石、绿泥石以及少量不规则混和层结构矿物，风化程度较高的古土壤中含有少量蛭石。各时代黄土的黏土矿物组成相似，与古土壤的黏土矿物组合及主要组分含量也差异不大。这说明，黄土和古土壤的黏土含量的变化主要由于沉积时的粒度组成差异和沉积后的机械迁移。无论是黄土、古土壤还是上新世红粘土，黏土矿物组分很相似，均以伊利石为主，其次是高岭石、蒙脱石、绿泥石以及少量不规则混和层结构矿物 3.黄土的主量元素 不同黄土层的主量化学元素的含量比较一致，与古土壤的差别不大，在空间上表现稳定，不同时代的黄土也比较相近。含量由高到低依次为 SiO2（67.470.4），Al2O3（14.916.7%），Fe2O3（5.36.6%），K2O（2.93.4%），Na2O（1.01.6%），MgO（2.43.2），CaO（0.11.5%），TiO2（0.800.83%），FeO（0.40.8%），MnO2（0.110.14%），P2O5（0.060.19%）。黄土中的主量化学元素组成与矿物组成有良好的对应：黄土粗颗粒主要为石英、长石，SiO2含量较高，而细颗粒黏土则 Al2O3、MnO2、Fe2O3、K2O等含量较高。粒度的差异一方面是原始沉积的差别，另一方面来自成壤过程的改造作用。比如风力较弱时期的古土壤，加积的粉尘颗粒较细，而风力较强时期的黄土其颗粒较粗。另外，成壤作用可以将细粒物质经淋淀作用从地表带向深部，从而改变了原始沉积粒度组成的层位分布 讨论 1.非洲存在着比中国更大规模的沙漠区，为什么中国的黄土沉积规模和沉积厚度在全球最大？相对于中国，它们没有好的沉积区；青藏高原的隆升，使得东西走向的喜马拉雅山挡住了印度洋暖湿气团的向北移动，久而久之，中国的西北部地区越来越干旱，渐渐形成了大面积的沙漠和戈壁。这里就是堆积起了黄土高原的那些沙尘的发源地。2.中国黄土从老到新粒度越来越粗？沙漠的不断扩大，从而使物源离沉积区的距离减小从而使搬运的粒度越来越粗；北极冰盖的不断增长，使得冬季风加强，导致黄土的粒度快速增加。3.你认为中国的黄土地层学研究还有哪些需要解决的问题？高精度，高分辨率的指标；黄土的物质来源等 第八讲：黄土与环境 四、黄土的沉积作用与现代沙尘暴 1.粉尘风力搬运及沉积的动力学、现代沙尘暴 粉尘颗粒从源区地面到沉积区地面必须经历启动、上扬、传输和沉降这 4 个过程。1）粉尘颗粒的启动 颗粒启动临界速度（u*t）随颗粒密度与介质密度差（p-a）和颗粒直径（D）增大而增大，即颗粒越大，需要的启动速度越大，越不易启动。当粒径小于 80 mm 时，颗粒间的粘着作用随粒径变小而增加，启动临界速度增大。也就是说，黏土颗粒比细粉砂更难启动 2）粉尘颗粒的搬运与沉降 粉尘颗粒启动后，在大气中被搬运的方式取决于它的沉降速度与剪切速度的比值。对于给定的颗粒来说，其沉积速度不变，剪切速度越大，即风速越大，越容易被悬浮搬运。典型黄土对应的主要颗粒粒径为 2040mm，在常见风速和沙尘暴风速下，黄土颗粒以短期悬浮搬运为主。2.现代沙尘暴与黄土沉积 现代沙尘暴与历史雨土记录研究的主要结论（1）现代沙尘暴频繁出现的地区与我国黄土堆积区一致，沙尘暴年频次与黄土沉积厚度在黄土高原的空间分布相吻合；（2）历史时期雨土记载的地点分布与黄土堆积区基本吻合，有理由推断沙尘暴会发生在更老的地质时期；（3）现代降尘的物质成分，包括粒度、主要矿物和常量化学元素组成与黄土非常相近。（4）沙尘暴和历史雨土发生的季节主要在冬春季，是强烈冷空气南下与松散裸露的地表共同配合的产物。(5)现代沙尘暴被认为是黄土沉积过程的再现。黄土代表了物源区强烈的冷空气活跃的天气状况。（6）沙尘暴发生的频次与冬半年较干旱区的寒冷程度和干旱程度存在正相关，即冬半年越冷，沙尘暴活动也会越频繁。反过来说，粉尘沉积速率越大，说明沙尘暴越多，冬季风越强烈，气候越干冷。由此，黄土沉积序列与冬季风强度变化历史也就建立了内在的联系。五、中国黄土古土壤序列与古气候重建 1.黄土沉积序列年代学标尺 适合中国黄土地层定年的比较成熟的方法：14C：04x104年；材料：植物残体，有机质，生物碳酸盐壳体+老碳校正 热释光、光释光：0104年；材料：碎屑矿物，石英、长石等；古地磁：目前国际古地磁场倒转和极性漂移记录理论上达到白垩纪，中新世以来可信度较高；适合有年龄标志层的连续沉积以及沉积间断不大的序列；钾-氩、氩-氩法：103109年；材料：火山灰或火山岩夹层；地层对比法：与已知年龄的地层或标志层对比，获得欲测年龄的沉积序列，比如黄土高原地区的第四纪黄土-古土壤序列的多个标志层 辅助佐证法：比如年代比较明确的生物化石，通常用于地层的大致时代判断 2.古气候指标 黄土古土壤沉积序列的形成主要有以下几个影响因素：物源条件：粉尘堆积时期的风力状况；黄土沉积后的改造。这三方面因素基本都可归结为气候因素。目前在我国黄土古环境研究中，常用的古气候替代指标有粒度、磁化率、土壤形态、化学风化指数、黏土矿物等无机指标和有机及生物指标，包括孢粉、有机质同位素、动物化石、蜗牛化石、植硅体等。1）粒度 粒度组成是冬季风强度的直接反映。粒度的粗细被用来指示冬季风的强弱，间接指示气候的干冷程度。2）磁化率 有关磁化率与气候的内在关系，一个较为可信的解释是成土过程中增加了大量超顺磁组分，从而大大提高了古土壤的磁化率(Zhou et al.,1990)。由于超顺磁（单畴、假单畴）磁性颗粒在细颗粒组分，黄土与古土壤沉积时的粒度差异应该是古土壤磁化率高于黄土的因素之一。古土壤非磁性碳酸盐的淋失和压实作用也有积极贡献。总之，在风化作用不强的成土阶段，磁化率的高低可以记录土壤化的强度，而土壤化强度又取决于气候的湿热程度，因此，磁化率可以作为夏季风强度的替代指标。3）土壤形态 现代土壤类型的地理分布与气候、植被有密切关系，这为用黄土古土壤的土壤形态学指标来反演古气候提供了基本依据。3 黄土古土壤序列的长期古气候记录 黄土高原的黄土古土壤交替沉积序列反映了两种地层形成时期显著不同的土壤化程度。黄土层粒度粗，原生方解石含量高，成壤作用弱，磁化率低，反映了沉积时期冬季风强、夏季风弱的干冷气候条件。古土壤层粒度细，碳酸盐（包括方解石、白云石等）含量明显