第四纪地质学与地貌学论文

20 世纪 50 年代以后，放射性碳同位素测试的发展，钾-氩法及铀系测年法的应用，古地磁研究的进展，及全球深海沉积及氧同位素的分析等，使得第四纪古气候的研究取得了飞跃进展。

关于第四纪冰期，海平面变化的旋回和大气变化及其相互关系和反馈机制的研究逐渐明朗化。第四纪冰期的天文理论———米兰科维奇旋回理论，经过 60 余年多次反复验证，逐步得到公认。1947 年库伦堡所发明的活塞岩心取样方法在海洋调查上成功地得到应用。同年，尤里创立了氧同位素方法的理论基础。这两方面的科学进展，对第四纪地质学的发展有着重大的影响。尤里成功地从海底碳酸钙堆积物中揭示 n(18O)/ n(16O)与古气温的关系。与此同时，瑞典海洋调查船阿尔巴特罗斯号(Albatross)取得大量的长 10m 以上的深海岩心。伊米利亚尼(Cesare Emiliani)从中获得 8 个深海岩心，其分析结果曾以 《更新世气温》的名称于 1955 年发表。此文的发表被称为第四纪研究的里程碑。伊米利亚尼根据加勒比海底和赤道大西洋海底岩心的氧同位素分析，揭示出近 300ka 中曾发生过 7 次冰期旋回; 而且从氧的同位素所表示的气温曲线与米兰科维奇的辐射曲线相吻合，海底沉积物首次支持了冰期的天文理论。

由于海底沉积物同位素变化的研究成果，使彭克等权威性 4 次冰期理论从根本上发生了动摇。到 20 世纪 70 年代，从海底沉积物氧同位素变化曲线、古气温曲线、冰量曲线以及中国大陆上黄土剖面的综合研究，证实更新世每一次冰期循环为时约为100ka，第四纪约发生过20 次左右寒冷气候旋回。

1957 年，深海钻探计划(Deep Sea Drilling Program，DSDP)取得了很大的成功。深海钻探布局从大西洋开始，经太平洋扩大到印度洋及南极海区。1968 年，作为 DSDP 工具的钻探船“格洛玛·挑战者号”下水，它获得的钻孔岩心，为研究洋底扩张的速度、大陆边缘的垂直运动、新生代大洋沉积物提供了大量证据。1975 年，深海钻探计划扩大到国际性阶段。这个阶段的计划集中于 3 个课题: 大洋壳的演化，洋陆边缘的构造和起源，大洋的古环境。

在深海钻探研究取得巨大进展的同时，在陆地上进行了冰心的古气候研究。从 20 世纪 50年代末开始，美国、法国、前苏联等国家的一些科学家在北极、南极和一些高山地区进行冰心的古气候研究，获得了很好的古环境记录，并发现了一些重要的气候事件，如 D-O 循环，大大地推动了第四纪地质学的发展。我国的冰心研究始于 20 世纪 80 年代。另外，在古气候记录研究方面也得到扩展，如石笋、树木年轮、玛尔湖沉积等研究很好地高精度地揭示了气候变化。

第四纪气候变化的研究，可分两方面进行: 第一，从气候指标来进行研究，恢复古气候往往必须根据气候指标，如孢粉分析、树木年轮、海底深钻岩心、大陆沉积剖面以及冰流岩心等; 第二，系统研究，即研究大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈、生物圈之间的相互影响和反馈关系，这也是近一二十年形成的全球变化研究的核心。尽管米兰科维奇理论在解释第四纪万年尺度上的气候变化方面已经具有说服力，但对于数十年、数百年、千年时间尺度上气候变化的规律性还需深入研究。因此还需从岩石圈-水圈-大气圈系统之间的多种可能反馈机制研究中寻求答案。

地貌研究也从定性描述转入数理分析和定量研究，与数学、力学、物理学和化学等结合越来越多，研究内容更为扩大和深入。借助于相邻学科如河流动力学、海洋动力学、冰川动力学、风沙动力学等理论，研究地貌形成的动力过程和演变过程，在河流地貌、风成地貌、冰川地貌等方面取得了重要进展。板块构造理论的兴起，推动了全球地貌格局形成的研究。物理探测和遥感技术为地貌研究提供了纵深的宏观资料。在这一阶段构造地貌学、动力地貌学、气候地貌学、应用地貌学等分支学科相继形成。

近年来，在社会主义现代化建设蓬勃发展的我国，第四纪地质学及地貌学正日益广泛地被用来解决各种生产实践问题。

在进行水文及工程地质勘察时，不同类型的地形形态和第四纪堆积物在空间上分布的资料是非常重要的。例如，水库坝址和库区的选择，首先要考虑河谷形态和第四纪堆积物的分布。坝址宜选在峡谷和第四纪堆积物较少的地段，库区则宜座落在宽谷地段等等。

在进行地质测量和找矿时，地形形态和第四纪堆积物分布的资料，能够作为分析地质构造和矿产分布的重要依据，其中对砂矿、石油和盐类矿产的找寻和勘测最为重要。

第四纪堆积物的成分和岩相资料，能够提供找寻和评价地下水、工程建筑原料和工程地基的依据。第四纪堆积物的含水性，是与其粒度密切相关的。砂砾石层是含水层，粘土和亚粘土则是隔水层；为细粒物质所充填的角砾或砾石堆积物是一种稳定的地基，而含有机质的淤泥层，则需要采取措施才能进行工程建筑等等。

在地质调查和找矿方面，也应考虑第四纪堆积物的分布资料。例如，对残积物的分析研究，可以用来推断被覆盖的基岩情况，结合其它方面的资料可以帮助确定地质情况和矿产分布情况。

新构造运动的特点可以表现在新地质构造、地形、第四纪堆积物和现代外力地质作用等方面，这些表现能够为矿产找寻和勘探，以及水文地质和工程地质勘察提供理论基础。

新构造运动，地形和第四纪堆积物的成因，在很大程度上决定着水文及工程地质条件。例如，冰积物基本上是不透水的；风成的黄土比其它成因类型的黄土具有更大的湿陷性；砂矿的成因类型，与其所赖以存在的第四纪堆积物的成因类型是一致的等等。

为正确地评价水文及工程地质环境，找寻矿产和确定矿产的成因类型，还需要研究地形形态、第四纪堆积物和新构造运动的发展历史。对一些长远的水文及工程地质措施而言，尤为重要的是研究地形，第四纪堆积物和新构造运动的进一步发展趋势。

地震，是断裂运动的一种伴生现象。断裂活动性的确定，需要地形和第四纪堆积物的资料。为预测地震，需要研究新断裂运动。研究新断裂运动，需要同时研究与新断裂运动伴生的其它各种新构造运动。研究新构造运动，就必需研究新构造运动在地形和第四纪地质现象上的各种表现。

研究地质学的一个非常重要的现实主义原理是“将今论古”，即用研究现代地质作用和现象的方法去了解地质历史时期的地质过程。为研究前第四纪的地质历史，第四纪地质学和地貌学的研究，乃是必须的。

土壤的形成与第四纪气候、地形、堆积物、水文和植物群落直接相关。所以，第四纪地质学和地貌学的研究，也可为土壤学提供理论依据。

人类的出现、演化和生活的环境，是第四纪地质历史的一部分。所以，古人类学的研究，不能脱离第四纪地质学和地貌学的研究。在研究人类现代生活环境方面，第四纪地质学和地貌学的研究，尤为重要。

现代动物和植物群，是第四纪动物群和植物群的直接延续。为了有效地从历史的观点去研究现代生物，第四纪地质学和地貌学的研究，是必不可少的。

现代气候的变化所带来的生态环境以及其它方面的变化，已经引起人们的巨大关注。例如，气候变化所引起的南极、格林兰、高山地区（包括我国天山和喜马拉雅高山地区）的冰川的融解，海面的变化，干旱和沙漠的发展等等，已经直接波及人类的环境。为理解气候变化的规律，不进行第四纪地质学和地貌学的研究，是不可设想的。

第四纪地质学、地貌学和新构造运动学的实践和理论意义，不限于上述，它是非常广泛的。为此，世界各国都非常重视作这方面的研究。

1. 第四纪地质学的概念

第四纪(Quaternary)是地球发展历史中最新的一个纪，延续的时间比较短暂，按现今多数从事第四纪地质学研究者的观点，是指距今 2. 60Ma 以来的历史。如果把地球的历史缩短为365 天的话，那么第四纪即开始于除夕之夜的 19 点(图 1-1)。在地球演化的历史上，第四纪虽然时间短暂，但与人类的关系却非常密切。在这个时期，人类得到快速进化，成为地球上迄今最为高等和最为智慧的动物，而且还发生了很多重要的地质事件，如气候变迁、海平面波动、植被更替、火山喷发、青藏高原快速隆升等，这些事件都对我们赖以生存的环境和资源产生了重大的影响。第四纪这一名称曾在 2004 年出版的国际地层表中被取消了，但在 2008 年新出版的国际地层表中又恢复其名称，还是把它作为新生代中一个纪来处理。

图 1-1 地球历史的划分(按 365 天计算)

第四纪地质学(Quaternary geology)是研究在第四纪时期发生在地球表层的各种地质事件及其动力机制的一门学科。第四纪是地球历史中一个环境很不稳定的时期，地球表层的环境发生过巨大的变化，有些地区的面貌与现今大相径庭，如中国东部的渤海、黄海、东海等在第四纪的某些时期完全出露海面，是一片陆地景观，而有些时期，海岸线可深入到北京，上海是一片汪洋; 在某些时期，华北和西北地区为亚热带气候，曾有象群的分布，而有些时期，气候却非常的寒冷，在中国的东部山地可能有冰川发育，北美的大部地区被厚厚的冰川所覆盖，北欧也是一片冰原景观。第四纪地质学就要研究这些地质事件发生的背景、演变过程、驱动机制等，弄清这些地质事件发生的规律，以便预测地球表层未来可能发生的地质事件和环境变迁。

2. 地貌学的概念

地貌学(Geomorphology)是研究固体地球表面的形态特征、成因、演化和分布规律的一门学科。固体地球表面的形貌千姿百态，成因也各不相同。有海拔 8844. 43m 高的珠穆朗玛峰，也有位于海平面以下-11034m 深的马里纳亚海沟; 在陆地上，有高低起伏的崇山峻岭，也有一望无际的大平原; 在海底，有绵延 70000 多千米的巨大山脉(大洋中脊)，也有呈孤立状的海山; 在中国，有沟壑纵横的黄土高原，也有一马平川的华北平原。所以固体地球的表面是一幅由各种地貌镶嵌而成的美丽 “画卷”，同时也记录了固体地球表面的演变过程。地貌学不仅要研究这些地貌的形态特征和变化，而且还要研究各种地貌的分布规律和演变过程，研究地貌的形成和演变与各种动力的关系，以及地貌的未来发展。

图 1-2 第四纪地质学与地貌学的关系

按照现今的学科分类，第四纪地质学属于地质学的范畴，为地质学下属的一个二级学科; 而地貌学属于地理学的范畴，作为自然地理学的一个分支。尽管如此，第四纪地质学与地貌学关系密切，它们是从两个不同的角度研究地球表层的性质(图1-2)。任何一种外力地质作用，在塑造地貌的同时，也形成第四纪堆积物。第四纪地质学主要是从沉积物的角度研究地球表层的特性，如沉积物的形成和特点、构造运动、气候变迁、环境记录等，而地貌学是从地表形貌的角度研究地球表层的特性，如地形的高低、起伏、分布、演化等。在实际工作中，研究地貌的同时，也必须研究相关的第四纪沉积物，它们的研究成果互为补充，互为验证。