Question

第四纪地质历史的基本特点

Answer 1

作为地球挽近发展阶段的第四纪的时间，虽然它的时间是最短的，但研究证明，其地质历史却是比较复杂的。第四纪地质历史，包括第四纪地形、第四纪堆积物以及其中所含的生物残骸的发育和形成历史，也包括第四纪构造运动、岩浆活动、变质作用等各种地质过程的发生和演化的历史。与前第四纪比较，第四纪各种地质过程的变化，具有比较明显的差异。也就是说，与前第四纪地质历史比较，第四纪的地质历史具有比较明显的特点。

第四纪地质历史是第四纪一般自然环境变化历史的一个组成部分，并且受着一般自然环境变化历史的控制。因此，第四纪地质历史的特点，也是第四纪总的自然环境的特点的一个方面，并且也是由第四纪总的自然环境的特点所决定的。第四纪地质历史的基本特点如下：

（一）地质历史记录保留得比较完整

由于第四纪的时间很短，所以，发生于第四纪的各种地质过程所产生的结果，即第四纪地形、堆积物及其中所含的生物残骸、地质构造、岩浆岩等等各种地质现象及其有关自然现象的保留，都比较好；并且，这些现象大部分分布在地表或近地表部分，易于进行观察研究，从而有利于恢复第四纪的地质历史。此外，现时正在进行着的各种地质过程，是第四纪地质历史的一种连续的过程，所以，可以直接对这些过程及其有关现象进行研究，并据以进行较确切地类比回溯第四纪地质历史。

（二）气候变化显著

第四纪地质历史的另一个基本特点是气候变化显著。始自新第三纪以来的气候变冷过程，在第四纪之初明显地加剧。第四纪的气候变化，在很大程度上控制着第四纪地形、海面变化、堆积物、土壤、生物群落以至人类的发生和发展。因此，自上一世纪中叶以来，地质工作者一直把气候的显著变冷并导致地球表面广大地区出现冰川，作为一个主要标志，以划分上新世与更新世之间的界限。而这一界限，也就是新第三纪与第四纪之间的界限。

图1-2中只画出了第四纪早期的气候变化。从图中可见，第三纪气候虽有变化，但却不如第四纪明显。

研究证明，第四纪的温度变化的幅度是比较大的，而且有反复的温度降低和升高的过程。第四纪温度变化是全球范围的，但在不同纬带和地区内存在着差异。温度变化最明显的是中纬度地带，两极和近赤道地区的变化幅度较小。第四纪的温度降低时期（冷期）与温度升高时期（暖期）之间的最大平均温度差计算为16—25℃。

在冷期中，在较为潮湿的地区内，降雪量超过融雪量，降雪长年累积、部分地消融、压实，并转变成为冰川。地球上大规模出现冰川的时期，叫做冰期（glacial age）。冰川首先由两极地区和中纬乃至低纬带的高山顶部发生。伴随着气候的继续变冷，冰川的厚度不断增大，其分布范围也不断向周围扩大，这种过程叫做冰进。冰期中，冰川的最大规模达到覆盖地表面积的1/3。冰川的出现，进一步加剧了气候的变冷。计算证明，冰期中冰川地区的平均温度，较现时低8—13℃。

图1-2　中纬带第三纪和第四纪平均温度变化图（据Teichmuller）

在暖期中，气候较现时平均温度高8—13℃。冰期中所累积的冰川，在暖期中大量消融。在冰川的边缘和末端，消融量最大。消融使冰川的厚度变小，并由其边缘和末端向冰川中心和发源地收缩。冰川的厚度持续减小以及冰川边缘和末端的持续退缩。这种由于冰川消融所引起的冰川厚度变薄以及冰川边缘和末端向着中心及源头退缩的过程，叫做冰退。冰退使陆地表面冰川的总面积和总体积逐渐缩小。而冰退过程持续进行的结果，则是导致陆地表面冰川在大范围内消失。

两次冰川之间的温暖时期叫做间冰期（Interglacial Age）。

包括现时在内的全新世冰川，占陆地表面面积的大致1/10。被认为，这是一种冰期与间冰期之间的过渡时期，叫做冰后期（postglacial Age）。冰后期的气候处于冰期与间冰期之间的过渡位置，比较地接近于间冰期。

第四纪是一个冰期与间冰期互相交替的时期。为表示这一特点，在一些地质文献中，把第四纪叫做冰川纪。

冰期和间冰期是第四纪气候的周期性大幅度变化的结果。在同一个冰期中，还可以分出一些较小的气候变化的周期，即分为几个气候变化幅度较小，时间较短的变冷和变暖的时期。这些时期引起小范围的较短时间的冰进和冰退，叫做冰阶（glacial stage或stadial）和间冰阶（Interglacial stage或Interstadial）。详细的研究，还可以进一步分出由更小的气候变冷和变暖的周期性变化，形成规模更小的冰进和冰退。

地球大部地区的研究认为，第四纪出现过四个比较明显的冰期和介于这些冰期之间的三个间冰期，以及一个冰后期。但这个问题目前尚有不同意见。

（三）第四纪生物界

根据在第四纪地层中所收集的第四纪生物残骸资料，已经得出了较为清晰的第四纪生物界的分布、分类和发展的轮廓。这些资料包括陆地和海洋生物残骸。由于第四纪的时间短，生物的发展，不如其它各地质纪那样显著，但却具有自己的特点。

第四纪生物界的变化是由第四纪生态环境变化引起的。而生态环境变化，又主要取决于气候和构造运动两个因素。第四纪气候反复变冷和变暖所引起的冰期和间冰期的交替，引起了海面的反复下降和升高；而海面变化又使从而发生反复的一定范围的海陆变迁，其中包括一些陆桥的出现和消失。与此同时，剧烈的第四纪构造运动以及伴生的岩浆活动，也剧烈地改变着陆地和海洋地形。所有这些自然变化，都影响着第四纪生态环境的剧烈变化。

第四纪生态环境的变化，引起了第四纪生物界的迁徙、重新组合、形态变异，以及一些种属的灭绝和一些新种属的出现。

由于生态环境变化随地区而不同，而且第四纪生物界各个门类的适应能力也有差异，所以，第四纪生物界的变化，在各个地区和各个门类之间，都是不平衡的。

第四纪气候变化及其伴生的生态环境变化，是一种随纬度不同而具带性的现象。这种变化，在中纬度地带，较两极和赤道带更为明显；并且，陆地上的变化，较海洋中的变化更为明显。所以，第四纪生物界的变化，也是中纬度地带较高纬度地带和低纬度地带更为明显；陆地生物群的变化较海洋生物群的变化更为显著。

第四纪海洋生物群的变化，主要表现在地理分布和组合方面。除分布和组合的变化而外，还发生了较为显著的形态变异，一些种属灭绝，出现了一些新的种属。在第四纪开放海和大洋中，海生生物群的变化很小；在一些内陆海或封闭海盆中，例如黑海、波罗的海和地中海等，变化比较明显。

第四纪海洋生物群的研究，主要是无脊椎动物和微体生物的研究。第四纪海洋无脊椎动物群的历史，是一种定居和迁移，并伴有某些种的绝灭和新生的历史。这一结论主要是根据北海和地中海等内海地区的研究推定的。地中海第四纪动物群与现时动物群基本上是类似的，具有某些遥远的北方喜冷动物的外来种属，说明了第四纪海洋动物的迁徙。

第四纪陆地生物群受到气候变化的影响比较明显。第四纪陆地生物群虽然都在冰期和间冰期的交替过程中发生迁移、重新组合、灭绝、新生和变异，但在脊椎动物、无脊椎动物和植物等不同生物中的反映是有差异的。

在一个地区内，由较暖时期至较冷时期或由较冷时期至较暖时期的动物群变化，一般是由于当气候变得不适宜于动物群生存时，其分布缓慢地持续地向着更为有利的居住地区迁移引起的。由于混居而引起了动物群的不同的分布变化。当冰川收缩和消失时，一个生活于冰盖附近的冰种—冰缘动物群的某些成员，向冰川的退却的方向迁移；而其它一些成员，却保留在原地，变成非冰川动物群的一部分。当冰川发生和扩大时，喜冷动物群发生并随着冰进而扩大其分布范围，从而使非冰川地区的动物群中，包含着冰川动物群遗留下来的外来种属。在第四纪冰期与间冰期交替过程中，动物群的这种混合过程，反复地进行了几次，以致一般顺序的冰期和间冷期的哺乳动物群中，都含有一些混合的成分。

第四纪陆地植物群特点的形成，更多是由于两极向赤道方向的反复往返地迁移，而不是由于植物本身的演化的原因。第四纪冰期中的冰川作用，中断了极地植物带的发展，而在间冰期中，植物带又再度恢复起来。

在中纬度地带，冰期中的冰川并不是连续的，而是分散、孤立和多中心的。中纬度地带冰川地区的气候不利于植物的生长。所以，植物群在各个地区的变化颇大。冰期的一般趋势是中纬度地带的植物群向赤道方向迁移；间冰期的植物群重新由赤道向两极方向返回。

在赤道附近地带，第四纪气候变化对植物群的影响较小。

由于植物群的迁涉是缓慢和困难的，所以，在第四纪冰期和间冰期交替过程中，一些植物不能返回原地带，一部分为了适应新的气候环境，发生变异；另一部分不能适应新的环境，因而灭绝。

一般来说，植物和无脊椎动物群的适应能力较差，迁移缓慢，易于灭绝和变异，其化石对气候的反映比较灵敏；但哺乳动物，特别是陆地哺乳动物，大部分种属适应能力较强，迁移迅速，因而对于气候的反映不甚灵敏。所以，在某种场合下，虽然可以根据单一植物种属做出关于第四纪气候环境的推测，但对于哺乳动物却不能简单地这样做，必须研究整个哺乳动物群的特征，才能减少来自不同种属对气候反映的误差。在第四纪冰期和间冰期，大多数哺乳动物的区系，都是如同现时一样地互相超复的。例如，在同一地点的单一地层中，可以出现混合的草原和苔原动物群，并且还可以含有林原动物。

生物区系一般是连续的，但由于冰期的干扰，也可出现不连续。这也是第四纪生物界的一个特点。

（四）第四纪沉积环境的基本特点

1.大陆沉积环境　第四纪冰川的出现和消失，在大陆地区内，形成了三种沉积环境，即冰川环境、冰缘环境和非冰川环境。在每一环境中，都出现一些特定的沉积过程和沉积物的共生组合。

（1）冰川环境　冰川环境是指第四纪冰期和冰后期的冰川地区的环境。在冰川环境内，出现一种以冰川作用为主的剥蚀和沉积作用系统，其中包括风力、机械风化、重力、冰川和冰水的剥蚀和堆积作用等等。在这种环境下的上述过程，形成了风积物、机械残积物、重力堆积物、冰川堆积物、以及冰水堆积物的共生组合。

（2）冰缘环境　冰缘环境指第四纪冰川外围或冰川地区以外的寒冷环境。这种环境的地质作用包括冻融、机械风化、生物、冰水、湖沼、风、泥（石）流的剥蚀和堆积作用等等。由这些作用所形成的堆积物有冻土、机械残积物、泥（石）流堆积物、生物堆积物、湖沼堆积物、风积物等等。

（3）非冰川环境　非冰川环境是指间冰期和冰后期内陆地区无冰川的广大地区的环境。在冰期，这种环境也可出现于冰期较温暖的低纬度地带。非冰川环境又可分为冷湿地区、干旱地区和湿热地区三种环境。

冷湿地区　在这类地区内，在第四纪冰期曾发生过冰川作用；但在间冰期和冰后期内，伴随着气候转暖和冰川的消失以及冻土的融解过程，却再次恢复了类似于冰期以前的剥蚀和沉积环境。流水、湖沼、生物、化学风化等作用发育，它们在改造冰期形成堆积物的同时，形成了一种带有温暖潮湿气候特点的堆积物共生组合。其中包括冲积物、湖沼堆积物、生物堆积物（泥炭、腐植泥等）和化学残积物。此外，在这一时期，生物对第四纪松散堆积物的剧烈作用，还形成了土壤层。这种非冰川环境第四纪堆积物的共生组合和土壤层，也可出现于第四纪冰期中的低纬度地带。

在有第四纪冰川作用的地区，冰期和间冰期的交替，形成了冰期堆积物共生组合与间冰期堆积物（土壤）共生组合互相交替的顺序。

干旱地区　在这类地区内，即使气候寒冷，也由于干燥而不能形成第四纪冰川。这种地区多位于大陆内部。干旱地区的许多湖泊的湖岸与湖底沉积物之间的关系，以及这些湖泊地形和沉积物与冰川和冰水地形和沉积物之间的关系说明，湖泊涨缩时期，是与冰期和间冰期相对应的；这些地区湖涨的主要原因，是降水量增大和蒸发量减小。这正是冰期气候在这些地区的表现特点。在冰期，由于气温降低和气温梯度增大，邻接地区冰盖的产生和扩大，以及冷气团和暖气团强度和接触频度增大从而导致降水量增大；由于温度的降低和暂时的零散的雪层的覆盖又可使蒸发量减小。其结果是使冰雪融解的水量增多，河流排水量增大，因而在一些封闭的湖泊，出现水面上涨，和一些无水的干旱盆地内集水形成湖泊的现象。降水量增大时期，叫做（多）雨期。由于降水量的增大，可引起洪流的增大和大量洪积物的产生，所以，多雨期又叫做洪积期（Pluvial Age）。降水量减少时期为间雨（干旱）期，由于干旱和洪积物的减少，又被叫做间洪积期（Interpluvial Age）。这样以来，在干旱地区就出现了雨期（洪积期和湖涨期）与冰期相对应，间雨期（干旱期、间洪积期和湖缩期）与间冰期和冰后期相对应的现象。非冰川环境干旱的沙漠地区，特别是沿我国北部、中亚、北非和南北美的沙漠边缘以及赤道附近，上述现象表现得最清楚。

应当注意的是湖泊的变化，也可由其它一些原因引起，其中包括湖盆所在区地壳的上升和下降运动、断裂运动、火山活动以及侵蚀和堆积作用的变化等等。因而在研究湖泊的变化时，需要将这些原因所引起的变化与气候原因所引起的变化加以区分。

湿热地区　在赤道附近的湿热地区，第四纪气候变冷，只在局部的高山地区引起冰川的发生；在大部分地区，一般都是非冰川环境，自然环境的变化不甚显著。湿热地区冰期与间冰期的交替，表现为与冰期相当的多雨期和与间冰期相当的少雨期的交替。湿热地区的这种多雨期和少雨期的交替，除引起这里的流水和湖泊堆积物的变化外，在作为这类地区典型沉积物之一的残积红土剖面中，也清楚地反映出来。在多雨期内，发育着残积红土；在少雨期内，残积红土常常停止发展，或者发展的速度变得缓慢。

2.海岸沉积环境　海岸地形、堆积物、生物残骸及其它方面的研究证明，第四纪的海面，曾经发生过反复的大幅度的上升和下降。

引起海面变化的原因很多，其中包括海水有冰川因素，也有非冰川因素。非冰川控制因素包括海岸和海底构造运动、岩浆活动、海底堆积物的累积、海水温度变化、均衡调节运动等等。这些因素并非第四纪专有的，而第四纪海面变化的特殊的控制因素，就是冰期和间冰期的交替。在冰期中大量水以固态形式被封闭在陆地，陆地流向海中的水量减小，因而引起海面下降。相反，在间冰期中，由于降雪量减少，陆地冰被大量融解，冰融水返回海中，因而导致海水面上升。经计算，现时陆地冰川融解后，可使海面上升50m左右。在第四纪间冰期中，陆地基本上没有冰川。所以间冰期海面应较现时海面高50m上下。第四纪冰期中的冰川体积和面积都较现时大得多。在第四纪冰期中，计算海面下降幅度可达为80—150m。

第四纪冰川控制的海面上升和下降的交替，在海滨地区产生了海滨及浅海堆积物和陆地堆积物互相交替的顺序。在冰期海面下降的过程中，海滨和浅海底部的一部分浮出海面，并沉积陆相堆积物，其中包括冰川及冰水堆积物、湖泊堆积物、冲积物、风积物、残积物等。在间冰期海面上升的过程中，冰期中沉积下来的陆地沉积物被海水淹没，并为新的海滨堆积物和浅海堆积物所覆盖。所以，在海滨地区内，冰期堆积物和间冰期堆积物顺序，表现为海退堆积物和海进堆积物的交替。

3.海洋沉积环境　如果说大陆的第四纪地质事件记录，常常由于沉积间断和剥蚀作用而不完整或被破坏，那么，在深海和洋床中的一些地区内，这种记录却是连续的并且保留得相当完整。这些记录的研究证明，海洋沉积环境的变化，不像大陆环境那样剧烈，海水的沉积作用在颇大程度上是连续的。但是，在许多海洋地区，第四纪沉积作用受到大陆棚、大陆坡的浊流、崩塌、地滑、海底洋流、掘土动物的干扰和剥蚀，也会造成正常的海积物的沉积顺序不连续现象，沉积物的分布和类型也会变得较复杂。

海洋沉积物包括陆源碎屑沉积物、化学沉积物、有机沉积物和火山沉积物。

第四纪冰期和间冰期的交替，虽不能像大陆那样剧烈地改变海洋环境，但却影响着海洋的沉积环境。第四纪冰期和间冰期的交替，在一定程度上影响着海水的深度、温度和密度，并因而改变着海水的成分、咸度、海生生物的生活环境，从而也改变着沉积环境。在大陆的冰进期间一部分海水由海中抽出，以冰的形式封闭于大陆表面；冰退时，冰雪融化，水又可从大陆返回海中。在冰期，由于海水的温度降低、密度和咸度增大、化学沉积增多、喜冷生物沉积增多，在陆源沉积物中出现冰筏沉积物和冰棚沉积物的成分，一些浅海沉积物中含有大量冰水沉积物。在间冰期，由于海水增多、海面升高、深度增大、水温升高、海水密度和咸度减小、化学溶解度升高，其化学沉积会减少，一些冰期中的化学沉积甚至被溶解，喜暖生物沉积增多。冰期和间冰期的交替产生，在海洋沉积物中，则表现为冷期沉积物和暖期沉积物交替现象。

（五）第四纪堆积物的基本特点

第四纪堆积物的形成发展历史，是第四纪地质历史中的一个重要组成部分，并且受着整个第四纪地质历史的控制。第四纪堆积物的基本特点，是由上述第四纪地质历史的基本特点所决定的。

第四纪堆积物具有如下一些基本特点：

1.第四纪堆积物普遍覆盖于大陆地表，在大多数场合下，都与下伏前第四纪地层呈不整合或假整合关系。在海洋与一些湖泊的底部，第四纪堆积物的沉积与前第四纪沉积物是连续的。

2.第四纪堆积物的空间分布，与现代地形联系密切。在山岳、大陆坡等陡峭凹凸的地形中，第四纪堆积物的分布，在水平延展方向上，是零散的不连续的或斑块式的。在陆地平原、湖盆和海盆平原中，第四纪堆积物的延展是比较连续的。

3.由于第四纪时间短暂，在大多数场合下，第四纪堆积物所经受的剥蚀破坏及构造变形比较轻微。第四纪堆积物的大部分，基本上没有构造变形，一般都保留着与地形密切联系的原始产状。第四纪堆积物的成因类型和年代，都与地形有着密切联系。

4.第四纪堆积物的厚度，与第四纪构造运动和地形起伏有联系。在正向运动发展的高凸地形中，第四纪堆积物的厚度小而不均匀，甚至缺乏；在负向运动发展的低凹地形中，第四纪堆积物的厚度较大，并且较为均一，其厚度可达数百乃至数千公尺（我国华北平原有些地区第四纪堆积物的厚度就可达2—3000m），但在大多数场合下，其厚度在数公尺至数十公尺之间。

5.第四纪堆积物由于形成的时间短，成岩作用未能充分进行，所以，绝大部分第四纪堆积物都是松散的。但在第四纪堆积物一词中，也包含着硬结的火山岩、胶结的角砾岩、化学岩等等坚硬的岩石。

6.第四纪堆积物中所含生物残骸的石化程度较浅。

7.由于沉积环境的变化剧烈和频繁，所以，在第四纪沉积物的沉积过程中，特别是在陆相堆积物的沉积过程中，存在着许多间断。这些间断表现为剥蚀面、构造不整合面，以及各种不同成因类型的变化和置换（如第四纪冰期堆积物与间冰期堆积物的互相交替等等）等。

8.第四纪堆积物的形成过程，当前仍在进行。

9.第四纪堆积物的成因类型复杂。由于第四纪冰川的出现，使第四纪沉积物的沉积环境大大复杂化，与第三纪的沉积环境比较，第四纪增加了冰川-冰缘环境。第四纪冰川-冰缘、干旱、湿热、海滨和海洋环境都分别有自己的地质作用组合，并产生一定第四纪堆积物的共生组合。所以，第四纪堆积物的成因类型是多种多样的，而且在空间分布和时间分布方面也是变化显著、频繁而复杂的。

（六）第四纪构造运动

第四纪地质历史的另一个特点是构造运动活动剧烈，与以前各纪比较，第四纪的地球表面的山岳是相对高大的；并且大陆的一般高度，也较前第四纪时期大得多。大量研究资料证明，现代地形的基本轮廓主要是由新第三纪—第四纪时期的构造运动所决定的；第四纪构造运动在其中占有颇为重要的地位。一些大的地形单位（如山系、平原）和一些次级的地形单位（如山间盆地之类）的发展与新构造运动所形成的新构造单位基本上是吻合的。

第四纪构造运动，还伴有火山和地震活动。特别是在环太平洋带和阿尔卑斯-喜马拉雅带以及一些大陆裂谷和海洋中脊裂谷带内，火山和地震活动极为频繁。

由于第四纪构造运动控制着第四纪地形的形成和发展，所以也间接地控制着第四纪堆积物和生物区系。