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古地理学

来源:大科普网 | 时间:2013-06-04 | 关注度:27

研究和重建地质时期地球表面自然地理现象的学科。它属于自然地理学范畴,是地质学与自然地理学之间的边缘学科。通常将全新世以前(约距今 1万年以前)的自然地理环境研究归属于古地理学的范围,但也涉足距今 1万年以后至文字出现以前的先史时期的内容。
 

中国古代学者很早就对自然地理环境的变迁有所认识。东晋葛洪在《神仙传》中写道:“东海三为桑田”。唐颜真卿﹑宋沈括等都以山顶﹑山崖中所见的螺蚌壳为证据﹐阐述了海陆变迁的观念。科学古地理学的产生和发展﹐是与地质学和自然地理学的发展过程一致的。17世纪﹐欧洲一些学者根据岩层中的化石﹐对古地理环境作了一些推测﹐并试图对环境演变的原因作出解释。18世纪后期﹐英国J.赫顿在《地球的理论》一书中提出了均变论的思想。其後﹐英国C.赖尔在《地质学原理》中﹐发展为均变论学说﹐成为古地理学的研究原则﹔赖尔在重建欧洲第三纪古地理环境方面作出了杰出的贡献﹐并探索自然环境演变的原因。
19世纪上半叶﹐冰期学说得到承认之后,人们对第四纪古地理的演变有了比较深刻的认识﹐自然地理学范畴的古地理研究得到了比较全面的发展。德国彭克,A.和E.布吕克纳对阿尔卑斯山冰川沉积的研究和对第四纪冰期的划分(1909);奥地利A.L.韦格纳汇集大量古地理材料提出大陆漂移学说(1912);南斯拉夫M.米兰科维奇提出对冰期-间冰期变化天文成因的理论(1920)等,对古地理学研究都有深远影响。
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20世纪50年代以来,古地磁测量、放射性同位素测定﹑氧同位素分析﹑深海岩心的采样和分析等新技术﹑新手段的采用﹐美国H.H.赫斯﹑R.S.迪茨在1960~1962年间提出的海底扩张说﹐以及美国W.J.摩根﹑D.P.麦肯齐﹑R.L.帕克和法国X.勒皮雄于1967~1968年提出的板块构造说﹐都使古地理学以全新的面貌出现。1968~1983年完成的深海钻探计划等成果﹐已能勾画出近2亿年以来古海洋演变的基本轮廓。多方面的研究成果表明﹕自垩纪以来气候有变冷的趋势。深海岩心的氧同位素(18O/16O)测定指出﹕90万年以来可划分出23个18O阶段和10个完整的冰川周期。G.J.库克拉对中欧黄土的研究表明﹐黄土层序中的古气候旋回与海洋18O的23个阶段有对应关系﹔中国学者刘东生等对陕西洛川剖面的研究也得到了相同的结论。

研究内容和分科

研究内容比较广泛﹐研究古地貌﹑古气候﹑古水文﹑古土壤﹑古生物﹑古海洋等﹐分别形成相应的古地貌学﹑古气候学﹑古土壤学﹑古生物地理学﹑古海洋学等。

基本理论和方法

古地理学的基本理论是将今论古原则。它假定现代所存在的自然地理过程﹐在过去时期里都同样地存在﹑同样地进行﹐因而可以利用现代的自然地理过程和自然地理原理﹐推论和复原过去的自然地理环境。但是事实上﹐在40多亿年历史进化中﹐地球表面的自然地理过程是不可能不变化的。如当生物圈还处在原始阶段的时候﹐大气的组分﹐特别是氧和二氧化碳的含量大异于今天﹐生物过程﹑风化过程和土壤形成过程等也是不同于现代的。因而﹐在复原环境运用将今论古的原则时﹐又要对此原则有一定的限制。一般说﹐对于机械的和物理的过程﹐该原则适用的时间范围大一些﹔对于化学的﹑特别是生物的过程﹐适用的时间范围不能过于扩展。自然地理学范畴的古地理学﹐其研究范围主要属于新生代时期(距今6700万年以来)﹐现代自然地理过程大体上适用于这个时期。
古地理的重建﹐不论是单一的或是综合性的自然地理要素﹐都需要考虑时间的尺度问题﹐即一幅古地理复原图所表现的自然地理现象覆盖的时间长度。各个自然地理要素发展和变化的时间尺度有很大差别:大陆漂移、海底扩张引起的海陆分布变化,和造山运动引起的地形起伏变化,在时间尺度小于105年的古地理图上是难以显现的;大陆冰盖的伸展和退缩﹐海岸线的进和退﹐却在103年的时间尺度的古地理图上就能明显表现;水系﹑植被等要素﹐甚至在102年的时间尺度的古地理图上就能显现。即使是同一个自然地理要素﹐本身也存在著多种时间尺度的变化﹐如气候要素可区分出从10年至109年多种时间尺度的变化。因而﹐复原不同的自然地理现象﹐必须根据要求选择恰当的时间间距﹐选择的时间间距小于该特定现象的变化率﹐其成果才有意义。如重建更新世时期“洲”级空间尺度的古环境,时间间距应不超过104年;重建全新世间冰期期间的古地理变化﹐时间间距应不超过103年。重建古地理的具体依据和方法有。

岩石和地层依据

不同类型岩石的生成和分布﹐都代表各自不同的地理环境。分析某一地质时期变质岩和岩浆岩的分布﹐有助于识别古造山带﹑火山岛弧带和地震带的分布等。根据沉积岩的颜色﹑矿物成分﹑粒度﹑磨圆度﹑分选程度﹐结合所含的化石﹐可复原当时当地的沉积环境。
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判断海洋环境最可靠的标志是沉积物中只含有海生生物化石。根据沉积物及化石的性质﹐还可进一步区别海洋环境中的超深海带﹑深海带﹑半深海带和浅海带﹐以及当时海水的温度﹑含盐度﹑清澈度﹑氧的含量等条件。深海冷水不利于碳酸钙的沉淀﹐因而厚层石灰岩的形成代表著浅\海暖水环境﹔石灰岩中的鲕状构造是在浅暖水带的波浪作用下形成的﹐也是浅\海环境的标志。分选极差的浊积岩是大陆坡半深海带的标志﹔缺少碳酸钙的沉积物表示水深已在碳酸盐补偿带以下﹐一般水深已超过3000米。深海沉积物以含有放射虫等硅质软泥为标志。在潮间带浅滩﹑潟湖﹑河湾等不同自然地理环境﹐可从不同的沉积物质和沉积构造特征加以识别。
在陆相沉积物中﹐冰碛物及相应的冰蚀痕迹﹑第四纪黄土堆积﹑红层﹑古沙丘和蒸发岩﹐对往复古地理环境具有特殊的重要意义。冰川是寒冷气候环境的产物。通过对冰碛物﹑冰川纹泥﹑羊背石﹑冰擦痕等研究﹐可往复古冰川的分布范围及其消长过程。更新世气候最寒冷时期﹐冰川的覆盖面积约为现代冰川面积的3倍﹔最温暖时期﹐覆盖面积略小于现代。更新世时期冰川的多次扩展和退缩﹐冰期和间冰期的多次交替﹐标志著中﹑高纬度地区气候和古地理环境的反覆递变。
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第四纪黄土在欧洲﹑北美主要分布在冰川外缘﹐表明当地当时属于寒冷苔原环境。中国的黄土主要分布在乾旱荒漠区的外缘﹐表明当地当时属于乾寒草原环境。随著冰期﹑间冰期的交替﹐黄土的沉积率有明显变化。间冰期时气候转暖﹐黄土沉积率低﹐在有利的生物-气候条件下﹐黄土表面发育土壤层。欧﹑美﹑亚洲的黄土沉积剖面中都夹有多层古土壤﹐它是冰期气候多次为较温暖的间冰期气候所中断的明证。
红层是沉积物中不稳定元素与易溶矿物大多淋失﹑而高价氧化铁和氧化铝得以残存的产物﹐形成于化学风化强烈的暖热气候下。它是暖热而又有明显乾湿季节差别的环境标志。广泛的古沙丘和短暂片状洪流形成的洪积扇群﹐通常反映当时属于乾旱环境。根据沙丘的排列格局和交错层的倾向﹐可推断当时的盛行风向。蒸发岩由石盐﹑石膏﹑钾盐等组成。大型的蒸发岩沉积主要形成于大型封闭盆地内﹐大多属于浅水环境﹐且当地的蒸发量须大于降雨量和河流淡水注入量﹐因而也是乾旱环境的标志。沉积剖面中多层蒸发岩的出现意味著乾﹑湿环境的多次交替。

生物和生态依据

生物化石是重建古地理环境最重要的依据。如现代造礁珊瑚生存在热带﹑亚热带浅海中﹐在年平均温度低于18℃的海域只能生存﹐不能造礁﹐因而珊瑚礁的存在不仅表明属于浅海环境﹐且是属于热带﹑亚热带环境﹔棕榈属于热带﹑亚热带植物﹐现在北半球分布于北纬35°~36°以南﹐第三纪时它在北半球的分布范围要比现在广阔得多﹐表明当时热带﹑亚热带所跨纬度比现在宽广﹔在不列颠群岛﹐现代矮桦生存环境的最高温度不超过22℃﹐八瓣仙女木不超过23℃﹐它们在第四纪冰期时在中欧平原的出现﹐表明当时该地曾经是寒冷苔原环境。
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生物化石的某些生态特征对重建古地理环境有重要意义。如树叶有滴雨尖是热带雨林的特征﹐披毛犀的长毛意味著气候寒冷。一般说来﹐同一种属的哺乳动物的个体﹐有向两极寒冷环境增大的趋势﹔与此相反﹐冷血动物的个体有向赤道湿热环境增大的趋势﹐最大的甲虫﹑蚱蜢﹑多足类动物等都出现在热带和亚热带。
动植物的繁茂程度也是探索古地理环境的依据。厚煤层的出现一般表明当时当地环境温暖润湿﹐有利于植被的生长。
生物化石的微细构造可用于追索古环境的细节。如根据植物化石中的年轮可推断当时的温度季节变化和降水季节变化﹔年轮木明显﹐可能表明当时当地是全年高温多雨的环境﹔特殊的年轮现象有可能标志著异常气候的出现。
利用微体古生物往复古地理环境的工作﹐近10多年来有很大的进展。与枝﹑叶﹑花果等植物机体相比较﹐植物的孢子和花粉具有数量大﹐耐酸﹑碱﹐耐高温(可达300℃)﹐耐高压﹐容易保存等优点。因此﹐植物孢子花粉组合分析在重建古植被群和往复古气候﹑古地理环境方面作出了可贵的贡献。通用于全球的最後冰期以来气候变迁期的划分﹐是以不列颠群岛及中欧﹑北欧孢粉分析为基础而建立的;欧洲冰期﹑间冰期自然地带的变化图式也是建立在孢粉分析的基础之上的。
依据有孔虫﹑介形类等水生微体古生物对盐度﹑温度的适应情况﹐可以鉴定所生存的环境是海洋﹑盐湖或淡水河湖﹐是冷水或温水。底栖有孔虫随著水深的变化而具有不同的种属组合﹐因而能藉以鉴定当时的水深。根据微体化石群鉴定沿海地区海﹑陆相层的交替规律﹐研究第四纪以来海侵和海退过程的工作取得很好的成绩。
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运用古生物信息重建古地理环境时﹐要注意不能机械地按现代种属对环境的要求来解释过去的生物地理现象﹐因为生物在进化﹐生物有逐渐改变自己对环境适应程度的能力。因此﹐在重建距今久远的古地理环境时﹐应选择进化缓慢的生物为标志。一般说来﹐根据动物群或植物群来推断古气候﹑古环境﹐要比以个别种为依据更为可靠。

地球化学依据

沉积物和化石的化学性质记录了当时当地的环境特点﹐因而地球化学与化学地理资料是重建古地理的信息。许多元素有显示古环境的意义。为高价氧化铁所染红的砂﹑页岩﹐具有指示高温﹑低纬的古地理意义。含镓较多的页岩属于淡水环境沉积物﹔铷﹑硼的相对含量较高的岩层属于海水沉积环境﹐因为它们随水体中含盐量的增加而增大。海洋介壳类外壳中镁和锶的含量随水温而变化﹐根据海底富含无脊椎动物介壳的钙质沉积物中镁和锶的含量可推断古水温﹕含量较高﹐一般为低纬暖水环境﹔含量低﹐一般为高纬冷水环境。
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黏土矿物的性质能标示不同的古环境。伊利石的含量在赤道地带最低﹐随纬度升高而增高﹐高岭土相反﹐在赤道强烈化学淋溶地区含量最高。南美亚马孙河口不同时期沉积物的分析表明﹐全新世时期的沉积物中高岭土含量较高﹔最后冰期时期的沉积物中高岭土含量较少﹐且含有占相当比重的未分解的方解石。这说明该地现代为热带雨林植被﹐在一﹑二万年以前则是稀树草原植被。
由于後来的环境变化可能使先前埋藏的沉积物和生物体的化学性质发生改变﹐因而某些地球化学与化学地理资料在单独使用时需要慎重对待。

地球物理依据

火成岩和沉积岩中都含有细粒的磁性矿物﹐这些磁性矿物在冷却沉积过程中﹐都受当时地球磁场的作用。成岩以後﹐这些古磁场特征﹐包括磁极方向及对纬度高低起指示意义的磁倾角大小﹐便保存在岩石中。对不同年代的岩石作古地磁测定﹐可确定当时磁极的位置和采样地点的古纬度。各大陆不同年代岩石样品的古地磁测定表明﹐地球的磁极位置是在不断移动的﹐而且从不同大陆上的岩石中所测到古磁性磁极的移动路径不一﹐说明各大陆的相对位置随著时间的推移在变化﹐这是大陆漂移说和板块构造说的重要依据。古地磁测定表明﹐现在位于热带地区的印度次大陆﹐在石炭纪时曾有过大规模冰川﹐原因是当时它与现代的非洲﹑南美洲﹑澳大利亚都处在南半球接近南极圈的高纬度处。
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同位素分析依据的氧同位素有3种﹕16O﹑17O﹑18O。其中17O含量极小﹐可忽略不计。不同环境中的水﹐其18O与16O含量之比(18O/16O)是有差异的﹐陆上水体中18O/16O的值均小于大洋水体中 18O/16O的标准平均值。离海洋蒸发源愈远﹐水体中的此值愈小。以大洋水中的18O/16O﹐标准平均值为准﹐各种水体中的18O/16O值与大洋水中的18O/16O标准平均值之差可以18O表示﹐18O值受温度的影响。现代南﹑北极地的冰盖是由各个不同时期的降雪积累﹑压实而成的
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﹐测得不同时期冰层中的18O值﹐即可往复各时期冰原的古气温。对格陵兰西部世纪营最近 100年的冰层作逐年的氧同位素分析﹐推得百年来的气温变化﹐与邻近气象站的实测记录相符。最近13000年来的冰层18O含量变化表明﹕约在距今10000年前﹐18O值急剧增高﹐标志著冰期的结束﹔冰後期的“暖期”即“大西洋期”(见表)﹐18O值高于现代﹔距今4000年左右以来﹐伴随著短期振动﹐18O值稍呈减低的趋势﹐与全球气温的缓慢转冷相符。对深海沉积物中构成有孔虫残骸的CaCO3作氧同位素测量﹐为往复第四纪以来古海水温度和大陆冰盖的变化提供了可靠的证据。18O进入到 CO中的比重受温度的影响﹐水温增高﹐碳酸盐溶解量降低﹐浓集效应降低﹔水温降低﹐浓集效应增高﹐因而测得不同时期沉积层中有孔虫残骸18O值﹐即可以计算出有孔虫生存时期的海水温度。冰期来临﹐大陆冰盖扩展﹐18O含量低的淡水大量滞留在冰盖中不再回归大洋﹐大洋水中的18O含量显著增高﹐有孔虫介壳中的18O含量也随之增大。这两类效应是同向的﹑叠加的﹐使各大洋深海有孔虫沉积物的18O变化曲线对第四纪以来全球性的冷暖变化能有比较确切的反映。对极地冰盖和洋底有孔虫残骸的 18O的测定﹐为往复第四纪古温度提供了至今最为完整的全球性定量数据。
同位素分析方法在研究洞穴沉积物﹑树木年轮等方面也取得了较好成果。所采用的同位素还有 1H与2H﹑12C与13C等。

年代测定方法

古地理学研究古地理环境的演变过程﹐因而确定每一幕古环境的年代是极其重要的工作。缺乏年代﹐难以建立演变过程的顺序﹔对各种不同来源的资料﹐也只有在定出确切年代後﹐才能相互对比和综合。20世纪中期以来古地理学取得许多重大突破﹐是与多种有效的绝对年代测定方法的出现分不开的。
现代常用的年代测定方法有﹕
放射性元素年代测定法。利用放射性元素的衰变规律测定绝对年龄﹐如钾-氩法﹐放射性钾(40K)衰变为惰性气体氩(40Ar)的半衰期约为1.3×109年﹐适用于测定年龄超过5万年的样品。碳-14法﹐放射性碳(14C)半衰期为5730年﹐故适用于测定年龄小于5万年的样品。另外还有铀(U)-铅(Pb)﹑钍(Th)-镤(Pa)﹑铷(Rb)- 锶(Sr)法等。
古地磁年代测定法。在地球发展过程中﹐磁极有过多次“逆转”。如近69万年以来形成的岩石中﹐岩石磁轴的北极基本上都指向现代磁北极方向﹐在距今243~69万年之间﹐岩石磁轴的北极基本上都指向现代磁南极方向。前者称为正极性时期﹐後者称为逆极性时期。在正极性时期内﹐还有若干短时期出现逆极性﹔在逆极性时期内﹐也有若干短时期出现正极性。此短时期称为该时期内的“事件”或“亚期”。利用钾-氩法﹐标定每一次磁场逆转的绝对年代﹐编制成地磁年代表。将待测定年龄沉积物层的磁性逆转图像﹐与地磁年代表相对比﹐便可以确定待测沉积物层的年代。这一方法对测定海洋沉积物年龄和基本上连续沉积的黄土层年龄﹐效果很好﹐在研究第四纪环境演变中已广泛利用。
氨基酸年代测定法。活体内的氨基酸均呈左旋光性质﹐死亡後左旋光向右旋光转化﹐称为外消旋作用。因而根据氨基酸的外消旋转化率﹐可以推算出样品死亡的年代。
年轮年代测定法。利用气候季节变化留下的树木年轮以一年为周期的痕迹﹐来确定年代。适用于数十至数千年的范围﹐目前推算的最长年代达8000年。地貌- 沉积年代测定法。根据沉积率或侵蚀率推断年代﹐这一古老的方法所得的结论比较粗略﹐需用其他方法验证﹐但在某些缺少采用其他测年条件的场合﹐仍不失是作出初步判断的手段。标准化石测定法。具有简便易行的优点﹐但在确定短尺度环境演变事件的时代方面有局限性。
⑤地貌- 沉积年代测定法。根据沉积率或侵蚀率推断年代,这一古老的方法所得的结论比较粗略,需用其他方法验证,但在某些缺少采用其他测年条件的场合,仍不失是作出初步判断的手段。
⑥标准化石测定法。具有简便易行的优点,但在确定短尺度环境演变事件的时代方面有局限性。其他还有裂变迳迹年代测定法、热发光年代测定法等。