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古氣候?qū)W

研究地質(zhì)時(shí)期氣候形成的原因、過(guò)程、分布及其變化規(guī)律的學(xué)科。地質(zhì)時(shí)期的氣候狀況，只能通過(guò)它的物質(zhì)記錄保存下來(lái)，但這一記錄也只是一個(gè)不完整的記錄。即根據(jù)物質(zhì)成分、沉積巖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和生物，按一定的理論和方法推斷各地質(zhì)時(shí)代的氣候。古氣候?qū)W的研究與地質(zhì)學(xué)、古生物學(xué)、地球化學(xué)、同位素化學(xué)、大氣物理學(xué)和天文學(xué)等密切相關(guān)。

目錄[]

古氣候?qū)W - 研究簡(jiǎn)史

古氣候?qū)W

19世紀(jì)早期，古氣候的研究材料主要來(lái)源于歐洲和北美。由于當(dāng)時(shí)北美前寒武紀(jì)晚期冰川沉積尚未發(fā)現(xiàn)，所以認(rèn)為整個(gè)地質(zhì)時(shí)期的氣候都是溫暖的，直到第三紀(jì)氣候才開(kāi)始變冷，到第四紀(jì)更新世出現(xiàn)冰川。把高緯度地區(qū)指示溫暖氣候的沉積與化石，認(rèn)為是熱帶或亞熱帶氣候曾達(dá)到極地附近的證據(jù)。19世紀(jì)后期至20世紀(jì)初期，在南大陸發(fā)現(xiàn)晚古生代冰磧物以后，地質(zhì)學(xué)家不再把冰川看作是更新世特有的古氣候現(xiàn)象。對(duì)高緯度地區(qū)曾存在溫暖氣候的事實(shí)產(chǎn)生了另一種解釋?zhuān)吹刭|(zhì)時(shí)期古地理面貌與現(xiàn)在不同，各大陸及相對(duì)的極地曾發(fā)生過(guò)大規(guī)模的位移。這就是A.L.魏格納大陸漂移說(shuō)的基礎(chǔ)之一。

與此同時(shí)，先后有不少論述古氣候的論著，從而奠定了古氣候?qū)W的基礎(chǔ)。50年代以后，利用現(xiàn)代大氣物理學(xué)研究成果，古氣候?qū)W在研究方法、測(cè)試技術(shù)、古氣候成因研究以及應(yīng)用上都有較大的發(fā)展。還把地球的熱平衡、輻射分布、大氣環(huán)流、洋流、氣候帶等理論應(yīng)用到古氣候的研究中去。此外，還對(duì)影響古氣候的地內(nèi)和地外原因進(jìn)行深入探討。另一重要的進(jìn)展是根據(jù)氧同位素對(duì)古氣溫的測(cè)定。60年代以后，古代海洋和大陸溫度定量恢復(fù)方法的發(fā)展，對(duì)第四紀(jì)大冰期陸、海、冰古地理的恢復(fù)，大氣海洋一般環(huán)流模式及冰期氣候的模擬，及地球軌道變化對(duì)氣候的影響的研究等，使古氣候?qū)W取得了很大發(fā)展。

古氣候?qū)W - 分支學(xué)科

古氣候?qū)W

按研究的側(cè)重點(diǎn)不同，古氣候?qū)W可以分為以下4個(gè)方面：①記述古氣候?qū)W，或稱(chēng)普通古氣候?qū)W。它研究古氣候的各種生物、沉積標(biāo)志，如化石或巖石代表在什么氣候條件下生長(zhǎng)或形成的，根據(jù)這些記錄恢復(fù)某地區(qū)在一定時(shí)期的古氣候。它與沉積巖巖石學(xué)、巖相古地理、古生物學(xué)、古生態(tài)學(xué)、古生物地理和同位素化學(xué)有密切的關(guān)系。②成因古氣候?qū)W。在恢復(fù)和記述古氣候的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討古氣候的成因及過(guò)程，它涉及地球物理學(xué)、大氣物理學(xué)、現(xiàn)代氣候?qū)W、板塊構(gòu)造學(xué)和天文學(xué)等。氣候與太陽(yáng)和地球間緩慢變化，以及與太陽(yáng)輻射、太陽(yáng)黑子活動(dòng)周期等有關(guān)。此外，如地磁極變動(dòng)、黃道傾斜(即地球自轉(zhuǎn)軸的傾斜度)、地球自轉(zhuǎn)速度變化、地殼外表山脈的形成、火山爆發(fā)、大氣圈的演化、洋流的改變等都影響氣候。③應(yīng)用古氣候?qū)W。在恢復(fù)某一時(shí)期某些地區(qū)古氣候的基礎(chǔ)上，推測(cè)在該種氣候條件下可能形成的礦產(chǎn)，指導(dǎo)礦產(chǎn)資源的尋找和勘探。這需要與成因礦床學(xué)、成因礦物學(xué)、地球化學(xué)、大地構(gòu)造學(xué)等結(jié)合起來(lái)研究。④歷史古氣候?qū)W。其內(nèi)容是論述各地質(zhì)時(shí)代古氣候及其演化。

古氣候?qū)W - 基本內(nèi)容

按研究的側(cè)重點(diǎn)不同，古氣候?qū)W可以分為記述古氣候?qū)W、成因古氣候?qū)W、應(yīng)用古氣候?qū)W、歷史古氣候?qū)W四個(gè)學(xué)科。記述古氣候?qū)W，也稱(chēng)普通古氣候?qū)W。它研究古氣候的各種生物、沉積標(biāo)志，如化石或巖石代表在什么氣候條件下生長(zhǎng)或形成的，根據(jù)這些記錄恢復(fù)某地區(qū)在一定時(shí)期的古氣候。它與沉積巖巖石學(xué)、巖相古地理、古生物學(xué)、古生態(tài)學(xué)、古生物地理和同位素化學(xué)有密切的關(guān)系。

溫帶草原氣候

成因古氣候?qū)W是在恢復(fù)和記述古氣候的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討古氣候的成因及過(guò)程，它涉及地球物理學(xué)、大氣物理學(xué)、現(xiàn)代氣候?qū)W、板塊構(gòu)造學(xué)和天文學(xué)等。氣候與太陽(yáng)和地球間緩慢變化，以及與太陽(yáng)輻射、太陽(yáng)黑子活動(dòng)周期等有關(guān)。此外，如地磁極變動(dòng)，黃道傾斜(即地球自轉(zhuǎn)軸的傾斜度)、地球自轉(zhuǎn)速度變化地殼外表山脈的形成、火山爆發(fā)、大氣圈的演化、洋流的改變等都影響氣候。

應(yīng)用古氣候?qū)W是在恢復(fù)某一時(shí)期某些地區(qū)古氣候的基礎(chǔ)上，推測(cè)在該種氣候條件下可能形成的礦產(chǎn)，指導(dǎo)礦產(chǎn)資源的尋找和勘探。這需要與成因礦床學(xué)、成因礦物學(xué)、地球化學(xué)、大地構(gòu)造學(xué)等結(jié)合起來(lái)研究。歷史古氣候?qū)W是論述各地質(zhì)時(shí)代古氣候及其演化的學(xué)科。

生物都是在一定的環(huán)境中生存的，生物的演化也是生物不斷適應(yīng)周?chē)h(huán)境的結(jié)果。因此，生物能反映其所生存的環(huán)境，如生物的分異度，從赤道向兩極呈現(xiàn)由高到低的梯度變化，反映了當(dāng)時(shí)的氣候狀況。熱帶生物最豐富，溫帶動(dòng)、植物種類(lèi)較少，而南北極最為貧乏。除緯度外，海拔高度、濕度和水深等也影響生物的分異度。一般來(lái)說(shuō)，用植物化石來(lái)判斷古氣候是比較可靠的，其次是底棲固著的無(wú)脊椎動(dòng)物。脊椎動(dòng)物小型兩棲類(lèi)、爬行類(lèi)由于有冬眠的習(xí)性，在較冷的氣候條件下還能生存。而大型的爬行類(lèi)如鱷，絕大多數(shù)分布在熱帶和亞熱帶，只有很少的代表分布在溫帶。

一些巖石的形成也有它的古氣候意義，如冰磧巖、冰川漂礫和冰川紋泥代表寒冷冰川或大陸冰蓋氣候。 任何元素同位素的分餾系數(shù)都與溫度有關(guān)，原則上都可以作為地質(zhì)過(guò)程的溫暖標(biāo)志。同位素溫標(biāo)主要用于較低溫度范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，它在古氣候測(cè)定方面顯示了特殊的優(yōu)越性，其中氧、碳、氫同位素溫度計(jì)應(yīng)用員廣泛。此外，有用氨基酸外消旋法、惰性氣體溶解度法和微量元素法來(lái)測(cè)定環(huán)境溫度或古海水溫度等。地球物理學(xué)方法主要是通過(guò)古地磁的研究確定古緯度，闡明地球氣候變化與地球磁場(chǎng)變化的關(guān)系。

元古宙晚期有全球性冰期出現(xiàn)，代表普遍的寒冷氣候。寒武紀(jì)時(shí)氣候轉(zhuǎn)暖，，當(dāng)時(shí)各個(gè)分散的大陸板塊和岡瓦鈉古陸的大部地區(qū)都扯于赤道附近。因此，在西伯利亞、澳大利亞和中國(guó)西南地區(qū)都發(fā)現(xiàn)了蒸發(fā)巖沉積。奧陶紀(jì)早、中期，海侵廣泛，氣候溫暖，但奧陶紀(jì)晚期至志留紀(jì)初期，則在西岡瓦納大陸(北非、南美、南歐)發(fā)生了大規(guī)模的大陸冰蓋和冰晦沉積，代表寒冷的極地氣候。東岡瓦納大陸和其他陸塊仍處于赤道附近。在北美、西伯利亞和中國(guó)華北地區(qū)有蒸發(fā)巖沉積，推測(cè)為干熱的古氣候條件。

志留紀(jì)早期與奧陶紀(jì)晚期古氣候情況相似，以后氣候轉(zhuǎn)暖，冰川溶化，海侵加大。志留紀(jì)時(shí)，西岡瓦納大陸大部已脫離極地氣候區(qū)，處于溫涼氣候帶，同時(shí)出現(xiàn)了冷溫水動(dòng)物群，僅在南美仍有少量冰川沉積，代表寒冷的極地氣候。北美有重要的鹽類(lèi)沉積和珊瑚礁，代表熱帶氣候。西伯利亞板塊位于古北緯約30°～40°位置，其南北方向與現(xiàn)在相反，所以阿爾泰、大興安嶺一帶出現(xiàn)圖瓦貝動(dòng)物群，可能代表北溫帶的溫涼氣候。晚古生代地球上北大陸氣候是溫暖的，但古氣候變化中最引入注目的是晚石炭世至早二疊世南大陸上大規(guī)模冰川活動(dòng)。

大陸冰蓋中心最初位于南非，以后經(jīng)南極洲向澳大利亞移動(dòng)，至早二疊世晚期最后消失由于植物大量繁盛，大氣中二氧化碳含量降低，氧含量增加，由于太陽(yáng)紫外輻射的光化作用，在地球上空大氣平流層內(nèi)產(chǎn)生臭氧層。臭氧層能吸收危害生命的太陽(yáng)紫外輻射，這對(duì)古生代生物的演化發(fā)展并由海域登上陸地起了促進(jìn)作用。 中、新生代的氣候是早期以干燥氣候?yàn)樘攸c(diǎn)，中期溫暖潮濕氣候諞布全球，晚期則逐漸轉(zhuǎn)冷，出現(xiàn)大冰期。到全新世全球氣候普遍轉(zhuǎn)暖。

古氣候?qū)W - 生物標(biāo)志

生物都是在一定的環(huán)境中生存的，生物的演化也是生物不斷適應(yīng)周?chē)h(huán)境的結(jié)果。因此，生物能反映其所生存的環(huán)境，如生物的分異度，從赤道向兩極呈現(xiàn)由高到低的梯度變化，反映了當(dāng)時(shí)的氣候狀況。熱帶生物最豐富，溫帶動(dòng)、植物種類(lèi)較少，而南北極最為貧乏。北美陸生鳥(niǎo)類(lèi)和哺乳類(lèi)，都是隨緯度的降低而分異度增高，如鳥(niǎo)類(lèi)從40個(gè)種增加到660種，哺乳動(dòng)物由20個(gè)種增加到130個(gè)種，植物界也有類(lèi)似的情況。中、南美熱帶雨林1公頃面積有40～100個(gè)不同的種，北美東部落葉林帶只有10～30個(gè)種，加拿大北部針葉林帶，僅有1～5個(gè)種。除緯度外，海拔高度、濕度和水深等也影響生物的分異度。

古氣候?qū)W

一般來(lái)說(shuō)，用植物化石來(lái)判斷古氣候是比較可靠的，其次是底棲固著的無(wú)脊椎動(dòng)物。脊椎動(dòng)物小型兩棲類(lèi)、爬行類(lèi)由于有冬眠的習(xí)性，在較冷的氣候條件下還能生存。而大型的爬行類(lèi)如鱷，絕大多數(shù)分布在熱帶和亞熱帶，只有很少的代表分布在溫帶。所以豐富的大型爬行類(lèi)化石的存在，標(biāo)志著溫暖的氣候。無(wú)脊椎腔腸動(dòng)物的造礁珊瑚幾乎全部生活在熱帶，它們不能生活在低于16～17℃的條件下，一般在25～30℃的條件下，個(gè)體豐度及分異度最大。地球赤道兩側(cè)熱帶和亞熱帶的淺海，廣泛分布著珊瑚礁。

這一地區(qū)水面年平均溫度約18～30℃。這樣，在地層中如發(fā)現(xiàn)大量由珊瑚等形成的生物礁，就可以推測(cè)，這種地層分布的地區(qū)應(yīng)屬于熱帶、亞熱帶的淺海環(huán)境。腕足動(dòng)物的舌形貝是一種“狹溫動(dòng)物”，它只在熱帶和亞熱帶的淺海與潮汐帶生活。晚古生代的?類(lèi)和新生代的貨幣蟲(chóng)也是溫暖海水中的無(wú)脊椎動(dòng)物。南大陸二疊紀(jì)雙殼類(lèi)的寬鉸蛤?qū)?(Eurydesma)是典型的冷水型標(biāo)志。疊層石是生物成因的沉積構(gòu)造，它是藍(lán)綠藻與碳酸鈣相互作用的結(jié)果。而鈣質(zhì)藻在熱帶、亞熱帶淺海水域最為發(fā)育。鈣質(zhì)綠藻幾乎全部生活于熱帶地區(qū)，只有少數(shù)幾個(gè)種分布于溫帶。中石炭世至早二疊世，隨著植物類(lèi)群的迅速演化繁育，分布地區(qū)日益擴(kuò)大。在北半球的聚煤地帶，生長(zhǎng)著茂盛的陸生植物，具有高大的樹(shù)干和密厚的枝葉，同現(xiàn)代的熱帶叢林酷似。

從石炭-二疊紀(jì)植物的器官分析，它們還缺少完善的防止水分蒸發(fā)的表皮層，木質(zhì)部分和厚壁細(xì)胞均不發(fā)育，沒(méi)有年輪，多數(shù)為喬木。由此推斷，當(dāng)時(shí)的氣候既溫暖又潮濕，大約相當(dāng)于現(xiàn)今的熱帶和亞熱帶雨林地區(qū)。然而，在約3億年前的南半球，景觀卻不是這樣，從地層中采到的植物化石是以舌羊齒(Glossopteris)為主，屬于旱生植物，大都是矮小的灌木狀或類(lèi)似草本的類(lèi)型，樹(shù)葉緊密排列，而且堅(jiān)厚，木質(zhì)部分具有年輪，植物群的種類(lèi)相當(dāng)單調(diào)，數(shù)量貧乏。由此推斷，石炭紀(jì)、二疊紀(jì)南半球的氣候可能既寒冷又干燥。格陵蘭等地位于北極圈內(nèi)，氣候寒冷，常年冰雪覆蓋。在距今1000萬(wàn)年前的地層中，發(fā)現(xiàn)了象木蘭、棕櫚等常綠喬木的植物化石，這些植物現(xiàn)僅見(jiàn)于熱帶。這說(shuō)明格陵蘭等地在1000萬(wàn)年前屬熱帶氣候。不僅植物可以反映古氣候的特征，而且年輪和一些植物器官也可用來(lái)分析氣候，如植物葉片的葉級(jí)（葉片面積的大�。�、葉緣、滴水尖的有無(wú)、葉型、葉脈類(lèi)型、葉脈密度、葉片角質(zhì)層厚度和葉基形態(tài)等。

古氣候?qū)W - 意義

古氣候的礦物、沉積巖石標(biāo)志 　一些巖石的形成有它的古氣候意義，如冰磧巖、冰川漂礫和冰川紋泥代表寒冷冰川或大陸冰蓋氣候。元古宙晚期冰磧巖的分布廣泛。岡瓦納古陸晚石炭世、早二疊世的冰磧巖分布更引人注目。在干旱、半干旱地區(qū)可以形成蒸發(fā)巖，如石膏、硬石膏、鉀鹽、鹽巖等。此外，還有風(fēng)成的沙漠或沙丘。干旱地區(qū)的古土壤中由于植物貧乏，難于形成厚的有機(jī)質(zhì)層，滲流水量也很少，堿金屬和堿土金屬被帶走的很少，pH值很高，從而產(chǎn)生堿性環(huán)境，有利于風(fēng)化殼（見(jiàn)風(fēng)化作用）中蒙脫石的形成，也有利于鉀長(zhǎng)石的保存。由于溶解度低，使溶解在水中的鈣質(zhì)在堿性條件下沉淀在土壤剖面中，形成鈣質(zhì)層或結(jié)核，溶解于水中的SiO2也可以形成硅質(zhì)殼。

這些土壤也可反映古氣候特征。在潮濕的氣候條件下，有利于植物的生長(zhǎng)繁盛。地球上大面積森林常年累月的生長(zhǎng)，為后來(lái)形成的煤田創(chuàng)造了有利條件。因而煤的生成及含煤巖系代表潮濕氣候。在溫暖潮濕氣候條件下，發(fā)生風(fēng)化作用時(shí)，廣泛形成水云母，也可含有高嶺土（見(jiàn)高嶺石）。在炎熱潮濕氣候條件下，有更多可溶離子被地下水帶走，導(dǎo)致鐵、鋁氧化物聚集，形成紅土風(fēng)化殼和鋁土礦。在紅土風(fēng)化殼中沒(méi)有方解石、白云石和鹽類(lèi)礦物。即使在母巖為碳酸巖類(lèi)的地區(qū)，也不含碳酸巖的碎塊。因?yàn)樗鼈冊(cè)谒嵝越橘|(zhì)中被溶解帶走。在寒冷潮濕的環(huán)境里，由于微生物活動(dòng)促使鐵質(zhì)沉淀，在土壤上部形成一個(gè)褐鐵礦結(jié)殼。海相磷塊巖和化學(xué)成因的碳酸巖是溫暖或炎熱氣候的標(biāo)志，鮞狀灰?guī)r是炎熱氣候的標(biāo)志。

古氣候?qū)W - 溫度標(biāo)志

相關(guān)書(shū)籍

任何元素同位素的分餾系數(shù)都與溫度有關(guān)，原則上都可以作為地質(zhì)過(guò)程的溫暖標(biāo)志。同位素溫標(biāo)主要用于較低溫度范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，它在古氣候測(cè)定方面顯示了特殊的優(yōu)越性，其中氧、碳、氫同位素溫度計(jì)應(yīng)用最廣泛。此外，有用氨基酸外消旋法、惰性氣體溶解度法和微量元素法來(lái)測(cè)定環(huán)境溫度或古海水溫度等。地球物理學(xué)方法主要是通過(guò)古地磁的研究確定古緯度，闡明地球氣候變化與地球磁場(chǎng)變化的關(guān)系。

元古宙晚期有全球性冰期出現(xiàn)，代表普遍的寒冷氣候。寒武紀(jì)時(shí)氣候轉(zhuǎn)暖，當(dāng)時(shí)各個(gè)分散的大陸板塊和岡瓦納古陸的大部地區(qū)都處于赤道附近。因此，在西伯利亞、澳大利亞和中國(guó)西南地區(qū)都發(fā)現(xiàn)了蒸發(fā)巖沉積。奧陶紀(jì)早、中期，海侵廣泛，氣候溫暖，但奧陶紀(jì)晚期至志留紀(jì)初期，則在西岡瓦納大陸（北非、南美、南歐）發(fā)生了大規(guī)模的大陸冰蓋和冰海沉積，代表寒冷的極地氣候。東岡瓦納大陸和其他陸塊仍處于赤道附近。在北美、西伯利亞和中國(guó)華北地區(qū)有蒸發(fā)巖沉積，推測(cè)為干熱的古氣候條件。志留紀(jì)早期與奧陶紀(jì)晚期古氣候情況相似，以后氣候轉(zhuǎn)暖，冰川溶化，海侵加大。志留紀(jì)時(shí)，西岡瓦納大陸大部已脫離極地氣候區(qū)，處于溫涼氣候帶，同時(shí)出現(xiàn)了Malvinokaffric冷溫水動(dòng)物群。

僅在南美仍有少量冰川沉積，代表寒冷的極地氣候。岡瓦納古陸東部澳大利亞已移至赤道附近，并有蒸發(fā)巖沉積。其他陸塊大部處在赤道附近。北美有重要的鹽類(lèi)沉積和珊瑚礁，代表熱帶氣候。西伯利亞板塊位于古北緯約30°～40°位置，其南北方向與現(xiàn)在相反，所以阿爾泰、大興安嶺一帶出現(xiàn)圖瓦貝動(dòng)物群，可能代表北溫帶的溫涼氣候。晚古生代地球上北大陸氣候是溫暖的，但古氣候變化中最引人注目的是晚石炭世至早二疊世南大陸上大規(guī)模冰川活動(dòng)。大陸冰蓋中心最初位于南非，以后經(jīng)南極洲向澳大利亞移動(dòng)，至早二疊世晚期最后消失。

由于植物大量繁盛，大氣中二氧化碳含量降低，氧含量增加，由于太陽(yáng)紫外輻射的光化作用，在地球上空大氣平流層內(nèi)產(chǎn)生臭氧層。臭氧層能吸收危害生命的太陽(yáng)紫外輻射，這對(duì)古生代生物的演化發(fā)展并由海域登上陸地起了促進(jìn)作用。中、新生代的氣候是早期以干燥氣候?yàn)樘攸c(diǎn)，中期溫暖潮濕氣候遍布全球，晚期則逐漸轉(zhuǎn)冷，出現(xiàn)大冰期。到全新世全球氣候普遍轉(zhuǎn)暖。

古氣候?qū)W - 參考資料

珞珈網(wǎng)
大科普網(wǎng)

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