第四纪冰冻圈——全球变化长尺度研究

更新世冰冻圈演化及其原因研究进展

冰冻圈是一个较新的概念，但其基础研究却已有相当的发展历史。从 18 世纪初一些地质地理学者关注阿尔卑斯山冰川遗迹开始，经过近 1 个世纪的考察探索，于 19 世纪初产生冰川学。20 世纪产生了阿尔卑斯山第四纪冰期经典模式。与此同时，冰期天文学说得到极大的发展。随后，深海钻探及岩芯记录研究和年代学技术突飞猛进。迄今，我们对第四纪冰冻圈的变化有了比较清晰的认识。

约距今 35 Ma 南极大陆形成不稳定冰盖，于距今 14 Ma 达到稳定。北半球距今 8 Ma 开始在冰期形成覆盖型冰川，至距今 2.6 Ma 开始，冰期中稳定出现冰盖，标志全球进入大冰期。因此，国际上将第四纪时限定为距今 2.6 Ma。

第四纪期间，距今约 0.8 Ma 发生所谓中更新世转型（Middle Pleistocene transtion，MPT）。MPT 之前为地轴倾角主导的 41 ka 周期，冰期时的冰川规模也普遍要小；之后转为偏心率主导的 0.1 Ma 周期，幅度加剧。冰期最盛时，全球冰川面积达到 45×10⁶ km²，占全球陆地面积的 30%，主体是北美冰盖、欧亚冰盖和南极冰盖。而间冰期时，冰川面积只占全球陆地面积约 10%，主体是南极冰盖和格陵兰冰盖（图 1）。在距今约 20 ka 的末次冰期最盛期，北半球多年冻土的面积达到 33.5×10⁶ km²（图 2）。海平面下降 135 m。然而，0.1 Ma 周期的冰期旋回中，冰川所达到的规模也不相同。例如，深海氧同位素（MIS）偶数阶段所代表的冰期中，MIS2、MIS6、MIS12、MIS16 冰川规模很大，而 MIS8、MIS10、MIS14 等规模相对小。

冰期发生于轨道偏心率的低值时期，此时由于轨道趋于圆且长轴不变，一年中的平均日地距离增加，由此引起的地面太阳辐射要减少 0.8%。如果再叠加地轴倾角减小，就很有利于高纬度大陆冰盖扩张——此时，岁差作用趋零。在偏心率高值期间的间冰期，岁差表现突出，如末次间冰期及大多数深海氧同位素奇数阶段。

末次冰期及其之后发生了一系列较短尺度的气候变化记录，即冰阶-间冰阶的交替。这些记录不能用轨道参数变化理论来解释，被称之为“亚轨道尺度”变化。业已发现的著名记录有 D-O 事件、H 事件、Dryas 事件、BA 事件，以及全新世 8.2 ka 事件、新冰期、小冰期降温。D-O 事件是格陵兰冰芯记录的冷暖旋回，每一个暖期之后紧接着是一个冷期，温度变化幅度达 5℃—8℃，持续数百年至 2 ka，平均周期为 1.5 ka。D-O 旋回中，最冷期得到北大西洋“冰阀作用”沉积的冰碛层验证，称为 H 事件。共发现 6 个期次的沉积，时间在距今 60.0—16.9 ka 前。H 事件被认为能引起海面温度和盐度降低，阻断北大西洋热盐环流，进一步加剧大范围降温。H 事件与 D-O 旋回事件均被认为是具有全球性意义的气候事件。末次冰期结束过程中于距今 18.0—11.7 ka 发生 Dryas 降温事件，被分为 oldest Dryas、older Dryas 和 younger Dryas（YD，即“新仙女木”）事件。这 3 次降温事件被发生于距今 14.7—12.9 ka 的 2 个温暖期分开，分别称为Bølling 事件和 Allerød 事件（即“BA 事件”）。新仙女木事件降温幅度相当于冰期的 50%—75%。这次降温后，才彻底进入冰后期，故而将新仙女木事件结束定为全新世的开始。

全新世虽为间冰期，但冰冻圈仍然有频繁波动。西方学者 19 世纪后期就根据北欧孢粉资料划分了全新世的气候期，即前北方期（Pre-Boreal）、北方期（Boreal)、大西洋期（Atlantic）、亚北方期（Sub-Boreal）和亚大西洋期（Sub-Atlantic）。20 世纪中期提出 “Hypsithermal Interval”“Climatic Optimum”和“Thermal Maximum”等名称定义全新世气候中最温暖的时期；并推算当时温度较现代高 2℃—3℃。进一步研究发现全新世北大西洋地区发生过 9 次冷事件，时间分别为距今 10.3、9.4、8.2、5.9、4.2、4.0、2.8、1.4 和 0.4 ka。这些事件出现的周期为 1 470±500 a，降温幅度以 8.2 ka 事件强度最大，当时温度低于现在 2℃—3℃。全新世冷期也导致各地山地冰川前进形成小规模冰碛垄，但这个尺度上的冰川前进具有较强的区域性（图 3）。北半球主要发生在晚全新世，南半球则发生在早全新世。当然，这个结论还有待更多证据和更准确的年代数据来支持。

冰期天文理论预言，在不计人类干扰的情况下，下一次大冰期将于 60 ka 后发生，北半球最大冰量可能会达到 27×10⁶ km³。

相关文章