第四纪冰冻圈——全球变化长尺度研究

中国网/中国发展门户网讯   第四纪冰冻圈的研究目标是恢复过去 260 余万年来的冰冻圈演化历史，认识其演化规律，以及探明其主导原因。因此，第四纪冰冻圈科学除了研究冰川、冻土、积雪等冰冻圈核心要素在第四纪期间的变化之外，凡反映冰冻圈变化的物理、化学、生物的各种沉积记录与机理研究，以及与冰冻圈演变有因果关联的其他天文、地质的研究也必然包括在内，这是冰冻圈渗透于其他四大圈层（岩石圈、大气圈、水圈、生物圈）的跨学科性质及长时间尺度所决定的。

第四纪冰冻圈的研究意义

第四纪被定义为冰川纪，其基本特征是冰期-间冰期交替。冰冻圈作为相对独立又与其他四大圈层有密切联系的第五大圈层，其变化自然对其他圈层乃至整个地球系统有着举足轻重的影响，特别是决定了地表过程的重大调整、生物圈的凋零与繁荣乃至物种的演替与进化。我们现在处于全新世相对暖湿的时段，这个时段是整个第四纪气候环境演化的延续。第四纪冰冻圈的研究可以使我们了解第四纪气候环境变化的幅度、频率及其原因与后果。掌握这些规律，有利于观察和预测当前和未来气候环境变化趋势；尤其是在全球持续变暖的背景下，地球这个宇宙中的“诺亚方舟”到底驶向何方。第四纪冰冻圈的研究至少可以给出不同时间尺度上的极限幅度。进一步参考末次间冰期、末次冰期间冰段和全新世大暖期，进行“古相似”（paleo-analogue）预估，帮助人类从容应对。人类诞生于上新世甚或中新世，其快速进化又几乎与北半球欧美大冰盖反复出现的第四纪相对应。诞生于非洲的原始人类及后来的智人到底何时和如何走出非洲扩散于世界，人类形体、器官、大脑和智能的演进与冰冻圈的扩张与退缩有着怎样的联系，都是重大科学问题，也隐含生动的人地关系真谛，对人类学、人文地理学都具有十分深远的学术意义。目前，由于全球变暖，CO₂ 排放受到前所未有的重视，加上人类对生存空间的无限制扩展，对自然环境的破坏、污染，以及由此导致的生物种群的加速灭绝，迫使科学家提出一个“人类纪”（Anthropocene）的新概念。人类纪到底会是一个怎样的纪元，人类到底在多大程度上突破自然规律的底线，需要以整个第四纪历史作为背景来认知。因此，研究第四纪冰冻圈，不仅具有认知晚近地质历史的科学意义，也为预知未来气候环境变化提供背景坐标。

第四纪冰冻圈研究内容

第四纪冰冻圈的研究内容大致可归结为以下 7 个方面。

冰冻圈地貌和沉积。这是冰冻圈演化空间范围和规模重建的基础，包括冰川侵蚀地貌和冰川沉积、冰缘地貌和冰缘沉积、化石冻土等。此类地貌沉积遗迹分布在高纬度、高海拔地区，以及海洋沉积中。

环境记录。重建完整的第四纪冰冻圈变化幅度和环境特征的依据，包括深海岩芯、极地冰芯、大陆黄土-古土壤、湖芯、石笋、树轮等各种载体中的记录。其环境信息反映在多种同位素、沉积物粒度、CO₂、孢子花粉、粉尘、碳酸钙、磁化率、有机碳、硅藻、风化指数等一系列指标中。利用它们来揭示第四纪长时间尺度的气候变化，并和冰冻圈地貌沉积提供的信息彼此印证，获得规律性的认识。

第四纪年代学。定年是支撑地貌、沉积和环境变化记录的技术基础，包括同位素定年（如铀系法、钾氩法、铷锶法、碳 4 法等）、古地磁定年、电子自旋共振定年、释光定年、宇宙核素定年等。这些定年技术各有优缺点，分别适合于测试不同沉积物和不同时段，它们的适用性和准确性也在不断被探索、发展和完善中。

建模与模拟。模型包括概念模型、物理模型和数学模型。模拟研究在诸如古雪线、冻土下限、古森林线的升降、大陆冰量增减、海平面涨落、预测未来等研究中应用广泛。

生物演化。生物演化与冰冻圈的变化息息相关，借助于动、植物化石可以认识当时的气候环境。例如，孢子花粉、猛犸象-披毛犀化石揭示西伯利亚在末次冰期曾经是广阔的冻土苔原地带，并且一直向南延伸到中国华北一带。

人类生存、进化与冰冻圈。由于人类主要是在第四纪进化而来，故对第四纪人地关系的研究具有重要的学术意义。这类研究目前尚受到古人类遗址数量的限制，但有很大的发展空间。

冰冻圈变化的原因和驱动机制。这是从发掘记录向理论认识的必然发展。内容包括：地外空间环境，如太阳系在银河系中的运动、地球轨道参数变化和太阳黑子活动等；地球系统内部，如地壳运动、火山喷发、海洋与大气能量传输、生物-气候效应，以及人类干扰等。

第四纪冰冻圈研究所涉及的内容广泛而奥秘，由此引起的质疑和争论经常是激烈而持久的，这符合科学发展的一般规律，更反映这门学科巨大的内在动力。

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