第四纪黄土研究进展论文摘要

第四纪科学是在人与自然的关系演化中产生和发展的。18世纪以前，人们从各种生产实践中只是萌芽出一些朴素的第四纪科学思想；19世纪初，关于未固结堆积物成因的争论、冰期的建立、动植物群和人类化石等的研究促进了第四纪科学的形成；20世纪60年代以来，第四纪科学有了惊人的进展，如深海岩心研究，建立了反映气候变化的海洋模式；黄土研究建立了气候变化的大陆模式；测年精度的大幅度提高使高分辨率时间序列研究成为可能；元素和同位素分析及计算机技术等的运用，使环境信息提取和分析水平进一步提高；地球南极、北极和青藏高原之“三极”的研究，成果显著，亟有助于全球环境变化问题的解决（夏正楷，1997）。

近40年来许多全球环境变化（GEC）国际研究计划及其他第四纪研究，如深海钻探计划（DSDP）、长期气候研究、制图与预测计划（CLIMAP）、国际地质对比计划（IGCP）等，发现并证实海洋沉积物、湖泊沉积物、“三极”冰心、黄土等保存着许多第四纪以来全球环境变化的直接证据，推动了第四纪科学的迅猛发展，为全球环境变化（GEC）研究及人地关系演变过程探讨奠定了科学基础。

目前，全球环境变化（GEC）研究已取得了一些重要的进展并达成诸多共识，如古全球变化研究在认识气候的自然变率、工业化前的全球大气成分、全球温室气体的自然变化及其与气候的关系、陆地生态系统对过去气候变化的响应、过去气候系统的突发性变化等方面取得了重要成果，获得了许多前所未知的事实，被国际社会公认是自然科学的重要进步。通过GEC研究，人们认识到：全球性问题的研究需要由区域研究来完成；区域性研究必须体现全球性问题；地球系统是一个由物理、化学、生物和人文因素组成的完整的自调节系统，除了温室气体排放和气候变化外，人类活动明显地通过多种途径影响地球环境，全球变化不能借助单一的因果模式来理解，地球动力系统具有临界阈值和突变特征，地球系统一些关键环境参数的变异已远超过50万年以来的自然变异范围；了解大陆水系统（河、湖、湿地、河口、地下水和陆架海）在地球系统的生物地球化学过程中的作用，重点要研究水、沉积物、碳和营养物（如氮、磷、硅）的通量、转换过程和变化；在从区域至全球的角度来评估生态环境和社会经济系统时，应考虑全球环境变化对食物生产、存量和土地利用的影响，分析其适应性策略的有效性。当今GEC历史及其变化原因的研究主要从两个时段上进行，其一为近2ka左右历史时期的变迁；另一为近150ka来的末次冰期过程。

黄土是存在于陆地表层、既能反映全球变化又具有区域性特征的陆相沉积物。我国的第四纪科学因黄土研究而跻身世界全球环境变化研究领域的前列。从20世纪50年代起，刘东生等对黄土高原进行了大量的野外考察和实验分析，完成了《中国的黄土堆积》等多部专著，提出的“新风成说”把过去只强调搬运过程的风成作用扩展到物源—搬运—沉积—沉积后变化这一完整过程，为全球变化研究奠定基础。刘东生等通过对黄土-古土壤系列进行高分辨率采样，从各层的颜色、稳定碳同位素、常量元素、微量元素和有机质含量分析及石英颗粒电镜扫描、粒度组成特征等指标的分析测定，进行年代学、磁学参数、地层学、矿物学、地球化学和考古学研究，对经典的四次冰期理论提出挑战，将第四纪以来的中国黄土-古土壤划分出13个气候旋回，重建了250万年以来的气候变化历史，最终建立了环境变化的多旋回理论，使中国黄土成为古气候变化记录的最重要档案库，与深海沉积、极地冰心并列成为全球环境变化研究的三大支柱，为国际科学界所信服，黄土研究成为全球环境变化研究的一个重大转折（张景勇，2004）。

黄土不仅记录着千万年来地球各圈层的相互作用，亦与内陆干旱化、沙尘暴、古文明的变迁等诸多关系到国计民生的问题息息相关，对其的研究引发了人们对人与自然和谐发展的积极思考与实践，如朱显谟的“黄土高原农业可持续发展的28字方略”、朱海之“黄河泥沙主要来自砂黄土地区”的研究结论为治理黄河提供了重要依据（刘东生，2003）。

青藏高原作为地球的第三极，将其隆起与东亚环境演化结合，与黄土高原结合，把固体岩石圈的演化同地球表层圈的演化结合，为地球科学研究的一个新领域，如今青藏高原已成为国际地学界进行地球系统各圈层相互作用研究的热点地区（郑度等，2004）。

中国第四纪地质学与地貌学的形成与发展凝聚了我国老一辈第四纪地质学家和地貌学家的心血，其中李四光、杨钟健、袁复礼、任美锷、刘东生、施雅风等一批中国第四纪地质学与地貌学的奠基人做出了巨大贡献。

中国第四纪地质与地貌的研究主要集中在第四纪冰川和地貌、海岸带第四纪和地貌、西北黄土地区第四纪地质和地貌、古人类、活动构造等方面。

1. 第四纪冰川及古环境研究

在第四纪冰川研究方面，自 20 世纪 80 年代以来取得巨大进展，其中包括南极冰盖和北极冰盖的考察研究，青藏高原冰心研究，山岳冰川编目以及冰川融水径流研究，中国西部的冰川地貌，中国东部第四纪冰川遗迹与环境的新认识等等。

中国科学家对南极的研究起步较晚，1982 年谢先楚首次在澳大利亚凯西站越冬考察，对末次冰期冰心做了大量细致研究。到 2008 年，中国已组织了 24 次南极考察，并建立了长城站和中山站。1990 年秦大河首次横穿南极大陆做科学考察，研究深入到稳定同位素 δ18O，δD 和过量氘(ex D)分布特征变化及其与古气候记录的意义。这些相关研究表明我国南极冰川学研究登上新的台阶。2004 年 7 月在挪威的斯匹次卑尔根群岛的新奥尔松建成了我国北极第一个科学考察站———黄河站。

与此同时，在 80 年代中期展开了对祁连山敦德冰帽的冰心研究，取得了比孢粉等其他资料更加详细的全新世气候波动的证据。1992 年，姚檀栋等又对西昆仑山古里雅冰帽(6300m，中亚最大的冰帽)进行了冰心研究，钻取了时间跨度 10 万年以上的冰心，这对于重建青藏高原晚更新世以来的气候和环境变化具有重要意义。

由施雅风主编出版的 《中国冰川与环境》(2000)一书总结了我国西部地区第四纪冰川和环境研究的重要成果。关于中国东部第四纪冰川遗迹的争论，在这一个时期也做了些工作。李四光于 20 世纪 20 年代提出在太行山、庐山、黄山等中低山存在第四纪冰川遗迹，并可划分为4 次冰期。他的冰期划分一直作为中国东部冰期划分的标准沿用至今。1980 年开始，部分冰川学家通过大量野外考察，并联系黄土沉积、孢粉分析、古脊椎动物、红色风化壳等研究，提出了不同的认识(施雅风等，1989)，其成果反映在 《中国东部第四纪冰川与环境问题》一书中。近年来关于中国东部第四纪冰川的争论已经逐渐冷却下来。

2. 西北黄土地区第四纪地质研究

中国第四纪研究的突破在于中国黄土研究方面的进展，建立起第四纪环境变迁的时间序列。目前全球变化研究中已建立了多种多样的环境变化时间序列，其中中国黄土、深海沉积和极地冰心是第四纪研究中的三大支柱。而黄土由于其特殊的地理位置和形成方式，成为一种第四纪古环境、古气候信息的非常理想的载体。中国的黄土研究，大致经历了如下 4 个大阶段。

近代黄土研究 中国黄土研究的开端与外国地质学家的参与密不可分。19 世纪，庞培利(R. Pumpelly)打开了中国黄土研究的大门，他提出了黄土湖泊沉积说。李希霍芬(F. VonRichthofen)否 定 了 庞 培 利 的 湖 泊 沉 积 说， 成 为 黄 土 风 成 说 的 鼻 祖。 奥 勃 鲁 契 夫(B. A. Obruchev)将黄土分为热黄土和冷黄土，第一次揭示了黄土的二元性和区域性意义。中国地质学家从1920 年开始黄土研究。1930 年，德日进(P. Teilhard de Chardin)和杨钟健对黄土做了地层与古生物方面的研究。在这一开创性的工作中，他们将黄土划为两大部分: 上部马兰黄土，下部红色土 A、B、C 带; 并按其中所含古脊椎动物化石将第四纪划分为早、中、晚期。

20 世纪 50 年代，中国黄土研究的新高潮 为中国黄土研究做出巨大贡献的刘东生院士在这个时期做了很多工作。1957 年，刘东生院士等分出老黄土(早于马兰黄土)和新黄土(马兰黄土及其以后黄土)，他与张宗祜院士(1962)将早、中更新世黄土命名为午城黄土和离石黄土，并于 1964、1965、1966 年分别出版了 《黄河中游黄土》、《中国的黄土堆积》和 《黄土的物质成分和结构》，奠定了中国黄土研究的基础。朱显谟、石元春等研究表明，黄土层所夹的红色条带，实质上是一种褐色土型的古土壤层。这一成就，使人们对黄土有了一个全新的认识，从而确认了巨厚的黄土高原是由 260Ma 以来沙尘暴的形式沉积而成的; 而干旱的沙尘暴时期中间又有多次气候变得温暖湿润的时期，形成古土壤。在这个时期，张宗祜院士对黄土高原黄土的工程性质进行了细致的研究。

20 世纪 70 年代以来，测量实验阶段 随着古地磁学、地球化学、同位素地球化学、年代学等新学科新技术的发展，黄土的研究从肉眼观察进入到观察与测量实验相结合的阶段。磁化率开始被当作反映第四纪环境变化的气候替代性指标，并进一步促使将黄土与深海沉积、冰心进行全球对比。

20 世纪 80 年代中期以来，定量化和对比研究阶段 安芷生院士提出黄土和古土壤分别代表古气候环境冬季风和夏季风的模式，将研究的主要方向对准了黄土与古土壤的形成以及解译其环境信息。其后，丁仲礼院士利用黄土和古土壤中粒径为 0. 002～0. 010mm 的颗粒含量比值作为冬季风搬运强弱的代用指标; 并得到与深海氧同位素吻合的粒度曲线。郭正堂利用黄土与古土壤中的 FeO 和 Fe2O3所代表的风化强度比值作为夏季风的代用指标，亦可与深海氧同位素进行对比。丁仲礼院士经过对比研究发现: 黄土与古土壤序列的变化自 180 万年以来，与深海沉积物氧同位素的旋回几乎可以一一对比，从而将大陆冰盖和海冰同内陆气候变化联系起来。在 1985 年，刘东生等出版了 《黄土与环境》一书，是对这个阶段早期研究的总结。后来，张宗祜等出版了 《中国黄土》(1989)一书。孙建中出版了 《黄土学》(2005)，论述了黄土的各个方面。

目前黄土研究的领域，主要集中在粒度、古生物学、地球化学、环境磁学等方面。这些方面的进展标志着中国黄土的研究已经处于世界领先地位。

3. 青藏高原第四纪地质和地貌研究

虽然在 20 世纪 50 ～60 年代我国 4 次组织了对青藏高原的科学考察，并取得了一些显著的成果，但限于当时的条件，考察的地区和内容都比较局限。1973 年，中国科学院再次组织了队伍庞大且考察内容广泛的青藏高原综合科学考察，并出版了 《青藏高原科学考察丛书》。其中相关的第四纪地质与地貌的考察成果主要反映在 《西藏第四纪地质》、《西藏冰川》、《西藏地貌》、《青藏高原隆起的时代、幅度和形式问题》等书中，这是新中国成立以来最重要的成果之一。

1993 年，由诸位院士领导的 “青藏高原形成演化、环境变迁与生态系统研究” 的国家攀登项目，再次把青藏高原研究推向高潮，并取得了一系列的重大进展，又出版了 《青藏高原研究丛书》。总结了青藏高原的隆升过程及其环境变化、青藏高原隆升过程对中国的季风形成和发展的影响，提出了 340 万年以来的 3 次构造运动(青藏运动、昆黄运动、共和运动)，青藏高原在第四纪时期不同阶段的高度，在距今 80 万～60 万年全面进入冰冻圈，才真正发育成为地球上的第三极。青藏高原隆起引起了其周边的新构造运动，形成了一系列的活动断裂，其中东缘的断裂活动异常强烈，形成了我国地震活动强烈的南北地震带，2008 年 5 月 12 日的汶川 8. 0 级大地震就发生在该带上。

有关青藏高原在第四纪是否存在大冰盖的问题一直存在争议，其焦点是: 一是否存在过?二如果存在，那是在什么时代? 这些问题还有待今后的深入工作来解答。

4. 长江和黄河的研究

青藏高原的研究也带动了对我国两大河流———长江和黄河的形成演化研究。长江发育的历史一直是地貌学家关注的问题，沈玉昌(1965)对长江上游河谷地貌进行了研究，总结了金沙江河谷地貌的特征，袁复礼(1958)、任美锷(1959)等对金沙江石鼓湾是否由河流袭夺而成进行了研究。长江三峡的切穿是实现长江全线贯通的关键河段，研究表明三峡的切穿时间应在早更新世晚期到中更新世的初期，研究还表明金沙江的全线贯通也大体发生在这个时期。2006 年，杨达源等出版了 《长江地貌过程》 一书，对长江地貌和形成过程进行了总结。

黄河的研究在这个时期也取得一系列的进展。黄河三门峡的贯通与长江三峡的贯通具有同等的意义，虽经过众多的科学家研究，但在贯通的时间上尚没有达成一致的意见，不少的学者认为三门峡的切穿发生在早更新世晚期到中更新世初期，与长江三峡的切穿时间基本同时。其次是黄河上游地区的几大峡谷的切穿，龙羊峡在约 15 万年前切穿，若尔盖的古湖消失在晚更新世晚期，在晚更新世末期黄河延伸到现今的黄河源区。在晚更新世，黄河上游地区发生了水系的重大调整。

这个时期还研究了长江和黄河的演化过程与青藏高原隆升的关系。

5. 古人类的研究

在20 世纪初，北京周口店地区 “北京人”的发现被认为是我国在20 世纪古生物化石研究方面最重要的两大发现之一，她的发现不仅填补了东亚地区古人类化石的空白，而且把人类的历史向前推进了几十万年，更有意义的是发现了最早的人类用火痕迹。后来，钱方在云南元谋发现了 “元谋人”(1965)，把人类的历史推进到距今约 170 万年。

在 20 世纪 70 ～90 年代，在湖北、重庆、安徽、江苏、陕西等地发现了丰富的直立人化石和石器，尤其是在湖北建始发现的 “建始人”和重庆巫山发现的 “巫山人”，揭示我国人类历史超过了 200 万年。这些发现确立了中国东部地区在人类演化历史中占有重要的地位。在百色盆地、汉水流域、蓝田盆地发现了手斧，从而否定了 “莫氏线”的存在，证实在东亚地区同样存在手斧文化。

思考题

1)第四纪地质学与地貌学研究的价值?

2)从第四纪地质学和地貌学的发展历程我们能得到哪些启示?

3)中国对第四纪地质学与地貌学的贡献?