第四纪地质学与地貌学的启蒙和创立阶段

第四纪地质学与地貌学的发展阶段~

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。

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?

对第四纪地质和地貌进行科学研究始于 18 世纪的欧洲，但中国很早就产生了对水文、气候和地貌的启蒙研究。3000 年前我国人民就已对黄河流域的降水性质、农作物品种、被狩猎动物有所记载。在西周的 《诗经·大雅·笃公流》中，已有 “岗”(丘陵)、 “塬”(平原)、“隰”(低湿地)等 3 种地貌的分类。成书于公元前四至三世纪的 《尚书》中的 《禹贡》篇描述了我国九州内的山川大势和土壤类型。北魏的郦道元所著 《水经注》(公元六世纪)详细记载了黄河、长江和西江等大河及其沿岸的地形、气候等特征。宋朝沈括根据野外观察完成的《梦溪笔谈》，提出了清晰的海陆变迁和黄土侵蚀搬运、堆积的观点。明代著名的地理学家徐霞客(1586 ～1641)对我国南方地区地貌的类型、分布、成因等进行了详细的观察和记载，后人把他的观察整理成我国著名的地貌著作 《徐霞客游记》。到了清初，孙兰对地貌的形成提出了 “变盈流谦”的观点，即堆积会使地貌变高(变盈)，侵蚀会使高地夷平(流谦)，他还认为地貌的作用力是 “因时而变，因变而变，因人而变”的，从地貌形成的动力学角度论述了地貌的形成和变化。

第四纪地质学的创立始于欧洲。在 18 世纪末至 19 世纪初，欧洲的一些地质学家对分布于基岩之上的松散沉积物进行了研究，当时称为漂积物(drift)。受 《圣经》的影响，19 世纪 20年代的巴克兰(William Buckland，1784～1856)及赛德威克(Adam Sedgwick，1785～1873)提出了这些漂积物形成的洪积理论，曼特尔(Gideon Mantell，1790～1852)还把较老的部分称为洪积层(diluvium)，较新的部分称为冲积层(alluvium)。但随着 19 世纪初极地和高山探险工作的开展，人们直接观察到了冰川的搬运与堆积作用，于是提出了漂积形成的冰川理论。所以，这个时期的佩罗廷(Jean-Pierre Perraudin，1767～1858)、韦内茨(Ignaz Venetz，1788～1859)、 沙 尔 庞捷(Jean de Charpentier，1786～1855 )及 阿 加 西 斯(Louis Agassiz，1807～1873)把瑞土境内漂砾解释为冰川成因。

第四纪这个名称出自法国的一位地质学家，德努瓦耶(J. Desnoyers，1800 ～1887)在研究法国巴黎盆地的地质时，于 1829 年将该盆地覆于第三纪地层之上的松散堆积物命名为第四系(Quaternary System)，将形成这套堆积物的时代称为第四纪(Quaternary Period)，与当时划分出的第一纪、第二纪、第三纪并称，作为地球历史的一个时代。直到 1881 年，在第二届国际地质大会上第四纪这个名称才被正式接纳，并沿用至今。

差不多在同一个时期，英国的著名地质学家莱伊尔(Charles Lyell，1797～1875)根据含现代动物种属的多少，把松散堆积物划分为更新统和全新统。在 1839 年，进一步提出了更新世(Pleistocene)和全新世(Holocene)。这与先前由福布斯(Forbes)(1846)提出的冰川世(Glacial epoch)和 冰 后 期(Post glacial)相对 应。在 19 世 纪 后 半叶，默 奇 森(RoderickMurchisen)提出了第四纪为 “冰河期”。后来，还有些人提出了 “冰川纪”、 “人类纪”、 “灵生纪”等名称，但一直没有被广泛使用。

19 世纪 50 年代开始对冰川堆积物进行地层学研究，发现过去的冰流或冰川曾不止一次地扩展。到了 19 世纪后半期，多数学者建立了多冰期的概念。1877 年盖基(Archibald Geikie，1835～1924)在东英吉利亚(East Anglia)建 立 了 4 次 冰 期。1909 年 彭 克(Albrecht Penck，1858～1945)及布吕克纳(E. Brückner)于阿尔卑斯建立了 4 次冰期。此后在世界各地也先后建立了 4 次冰期。到这个时期，第四纪地质学的一些基本概念和一些基本理论已经确立。

20 世纪 30 年代我国地质学家李四光根据庐山冰碛物的风化程度、接触关系及地貌特征首次划分出中国的 3 次冰期。

地貌学的启蒙早于第四纪地质学，但比较系统的描述或论述开始于 18 世纪中叶。在 1749 ～1788 年，法国博物学家布丰(Georges-Louis Leclerc，Comte de Buffon，1707～1788)在他的巨著 《自然史》中对地表的地形起伏和河流侵蚀进行了科学探讨。后来，英国的地质学家赫顿(James Hutton，1726～1797)在 《地球的学说》(1788)中对河流的侵蚀进行了系统阐述。对地貌学的创立做出巨大贡献的是美国的戴维斯(William Morris Davis，1850～1934)和德国的彭克父子(Albrecht Penck，1858 ～1945; Walther Penck，1888 ～1923)。戴维斯在 1899 年提出地理(地貌)循环学说，认为地貌是构造、营力和时间(侵蚀阶段)的函数。构造运动造成的上升山地在外力作用下，主要是流水侵蚀下，经历了幼年期、壮年期和老年期 3 个阶段。在老年期，地面被夷平为 “准平原”。彭克的 《地貌分析》(1924)提出地貌是内外力同时相互作用下的产物，注意到剥蚀过程与地壳垂直运动的关系，认为山坡形态(凸形坡、凹形坡、直线坡)取决于构造(上升)运动与剥蚀作用之间的数量对比关系。

经过这段时间的探索，第四纪地质学和地貌学的基本概念已经形成，一些基本理论也已经确立，但进展十分缓慢。20 世纪 40 年代以后，随着测年技术、古地磁、深海氧同位素分析等方面研究的突破，第四纪地质学才走上快速发展的道路。

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才旦泽纯欣： 流程短,按艾里定律洪流具有更大推力,其搬运的颗粒大于河流,分选作用比河流差,流程短. ================以上引自《地貌学及第四纪地质学》,中国地大1995版,70页 显然洪流的流量小,但峰值大,地貌塑造和堆积过程更具急进性,并常伴生灾害你说的河沟是不是指洪流? 沟谷中流动的水位暴涨暴落的暂时性沟谷水流统称为洪流.洪流作用发生在暴雨或冰雪消融季节,历时短暂,流速大,紊动性强.洪流与河流相比,流域面积小