第四纪大冰期：人类起源的序幕

一、第四纪大冰期概述

一般认为第四纪大冰期始于距今200-300万年以前，以大陆冰盖和中、高纬度山岳冰川为主要特征。在第四纪内，依据冰川覆盖面积的变化，可划分出几次冰期和间冰期。

面积巨大的冰盖使地球反照率(太阳的辐射能从地球上反射的程度)提高，进一步冷却了气候。包括赤道附近地区的山岳冰川和山麓冰川，都曾经向下延伸到较低的位置。

约1万多年前开始,全球气温逐渐上升，冰川覆盖的面积相应缩小，海平面随之上升，地球气候又进入较为温暖的时期。

到目前为止，第四纪大冰期仅存的主要冰盖为南极和格陵兰冰盖，其他大部分冰盖，形成于冰期，在间冰期已完全消失。现今地球的冰冻圈由全球冰川（大陆冰盖、山岳冰川）组成。全球冰川覆盖约10%陆地面积,其中，南极冰盖占约85%的总面积，占全球冰川总体积的90%，其次为格陵兰岛冰盖，约占全球冰川7%以上的总体积。剩余的2-3%体积的冰川见于其他高纬度地区，如加拿大北部、美国阿拉斯加州以及高山区（喜马拉雅、安第斯、阿尔卑斯山脉等）。与南极冷冰盖不同，多数北极冰川属于温冰川，北极冰川对全球增暖的响应比南极冰盖要快速。北极冰帽和冰川数量可占全球小型冰川三分之二，如果它们全部融化，可使全球海平面上升0.5m。

上新世-第四纪北半球冰川分布范围略图(来自互联网)

冰川对全球淡水存储方式的调节和全球海平面变化具有的重要影响。如果南极冰川全部融化，全球海平面将升高60m以上。本世纪以来全球显著增暖，加速了全球范围冰川退缩与融化的主导趋势，在2000年初北极冰盖，包括北极大陆或北极诸岛，北极圈内的加拿大、大西洋和俄罗斯，其前进冰川的数目大幅度下降，多数冰川退缩或保持稳定，只有60年代曾出现短暂的冰进阶段，成为百年来单一冰退趋势中唯一的“插曲”，反映这一时期全球降温。目前北极地区冰川整体处于退缩状态，其中阿拉斯加的冰川末端一直处于退缩状态。

上新世-第四纪南半球冰川分布范围略图（来自互联网）

40Ma前北极地区气候显著变冷，与南极洲第一次出现冰川同时发生，此前南极洲从南美及澳大利亚分离，且沿着横贯南极的裂谷抬升(Eyles，2008)。

二、冰盖的发育和消融

第四纪大冰期的冰盖规模很大。北半球有三个主要大陆冰川中心，即斯堪的那维亚冰川中心：在欧洲冰盖南缘可达北纬50°附近；北美冰川中心：在北美冰盖前缘延伸到北纬40°以南；西伯利亚冰川中心：冰层分布于北极圈附近60°—70°N之间，有时可能伸展到50°N的贝加尔湖附近。南极洲的冰盖也远比现在大得多。

第四纪末次冰期（里斯冰期），是距离人类最近的一次冰期，地球表面在冰期很大部分的水，在陆地上形成巨量冰盖，海平面大幅度降低。整个地球有24%—32%的面积，为冰所覆盖（现今约为十分之一），冰川面积达4700万—5200万平方公里。还有20%的面积为永久冻土层，许多地区冰层厚达千米。在末次冰期仅数万年的时间里，由于陆地降水在两极成冰，全球海面下降了130多米(Lambeck et al., 2014)。

北半球第四纪冰期的冰川作用示意图（来自互联网）

北半球极地地区形成3-4公里厚冰层，全球海平面下降约120-130米

根据地震反射剖面数据发现，末次冰盛期海平面下降，墨西哥湾大陆架上发育许多规模较大的深切河谷。海平面变化对密西西比河下切与堆积具有很大的影响，侵蚀基准面变化控制河流下切只局限在该河流域下游250km范围内（丁莹莹等，2017）。

末次冰盛期墨西哥湾西北发育的河谷和三角洲分布图（丁莹莹等，2017）

末次冰期气候异常寒冷且存在高频高幅波动，末次冰期河流下切较为普遍。末次冰期河流下切行为响应气候变化的三种模式：(1)气候的高度不稳定性引发大规模的洪水事件驱动河流快速下切；(2)快速隆升区气候高频波动叠加构造抬升驱动河流下切；(3)沿海平原地区海平面大幅度下降驱动河流下切（丁莹莹等，2017）。

三、中国的第四纪冰期问题

1.中国第四纪冰期

中国第四纪冰期最早可能起源于早更新世希夏邦马冰期，最早冰期为0.7～0.5Ma的望昆冰期，到最近的小冰期，共经历６个主要的冰进阶段，分别为希夏邦马冰期、望昆冰期、中梁赣冰期、古乡冰期（倒数第二次冰期）、大理冰期（末次冰期）和全新世冰进（崔之久等，2011）。

中国第四纪冰期启动时间远晚于极地和高纬地区；冰期系列也与极地和高纬地区不同步，尤其是存在大量MIS3（深海氧同位素阶段3）阶段冰川前进的证据。中国第四纪冰川的发育，强烈地依赖于山地海拔高度，是构造抬升－冰期气候耦合作用的结果（崔之久等，2011）。 

中国第四纪冰期划分简表（崔之久等，2011）

东经105度以东的中国东部，只有贺兰山、太白山、长白山和台湾髙山存在确切的末次冰期冰川遗迹，台湾高山第四纪冰川遗迹保存最好的是在雪山以及南湖大山（施雅风，2011）。

末次冰期晚期亚洲东部雪线高度图(Ono and Naruse , 1997)

年代结果显示，中国东部及东亚沿海岛屿山地(包括中国台 湾岛，日本本州岛、北海道，朝鲜盖马高原，俄罗斯远东山地等)的冰期启动与消亡时间，存在显著差异，但均严格控制在末次冰期范围之内，相当于深海氧同位素阶段(MIS)4至2，冰川发育规模，在末次冰期早中期(MIS3/4)，大于末次冰盛期(MIS2)。影响东亚季风区冰川作用的主要控制性因素有：气候因素、构造因素、纬度因素和海陆位置等，它们控制着末次冰期冰川的发生、分布与期次（张威等，2015）。

东亚地区各山地第四纪冰期对比（张威等，2015）

2.海平面变化

末期冰期造成了渤海-黄海的海平面剧烈下降，加剧了侵蚀基准面下降，有利于黄河下游和中游的贯通。

在南黄海西部滨浅海区老黄河三角洲之下发现末次盛冰期形成的两大树枝状河道网，北部河道网的弯曲主干河道呈东北走向，与等深线斜交，南部河道网的主干河道大致呈东西走向。河道断面向海逐渐变宽，整体上河道较浅，横向迁移和摆动幅度较大（孔祥淮等，2016），考虑到当时海平面较低，黄河可能流向了韩国济州岛。

末次盛冰期黄海的古河道分布图（孔祥淮等，2016）

北黄海陆架区也发现了黄河古河道（孔祥淮等，2016）。末次冰期以来黄河期曾在苏北注入黄海盆地，苏北岸外黄河埋藏古河道以曲流河为主，河道发育规模较小，河床下切较浅，很少见到多期连续发育的继承型河道，反映出古黄河水系（晚更新世末期？？）在横向上易变动的运动特点（宋召军等，2015）。

距今18ka的末次盛冰期，海平面低于现今约120m。距今18～15ka期间，进入冰后期，海平面从最低处缓慢上升，平均上升速率为3mm/a。距今15～10.5Ka期间，海平面急剧抬升，平均上升速率为18.2mm/a。12ka以来，海平面从-30m缓慢抬升至现今海平面(杨怀仁等，1984)。

中国东部二万年以来海平面绝对变化曲线(杨怀仁等，1984；张人权等,2013)

黄海、东海大陆架调查中发现若干古海岸线，记录了五万年以来海平面的历史变化过程。50000-25000年前，海面位于负5m左右，比较稳定。25000年前以后,海面迅速下降，20000年前左右，海平面停顿, 形成古海岸线。然后继续下降，15000年前，海面下降到负156m。当时海岸线的位置比今天东移约500km。中国北部气候带也大规模东移，中国内陆地区比现今干旱得多。海面下降到最低位置后不久，便开始回升，距今12400年前，达到负110m，9000年前，海平面上升到负30m的位置。6000年前左右, 海面比现在高5m。此后,下降至现在的海岸线。一般认为，海平面如此巨大的变化，是由于全球气候波动引起的，即冰期间、冰期气候变化造成(袁宝印，1988)。

东海、黄海大陆架古海岸沙堤(袁宝印，1988)

华北平原腹地属洪积-冲积平原,末次冰盛期以来华北平原和边缘海沉积环境发生了巨大转变。吴忱等(2017)重建了华北平原北部末次冰盛期以来古地貌景观特征，末次冰盛期，区内发育河流泛滥沙带为主的洪积扇-洪泛平原。末次冰盛期边缘海海平面下降达130m，渤海湾和黄海大陆架出露（李曼玥等，2018)。中全新世随着暖期回归,又形成湖泊-沼泽-泛滥平原，间有扇间洼地群和扇缘洼地带。全新世暖期，边缘海海平面与现今相当，环渤海和沪宁杭地区被海水淹没。

华北平原北部末次冰盛期和全新世暖期古地理复原图

（吴忱等，2017；李曼玥等，2018)

四、第四纪冰期的成因：地球轨道变化周期

米兰科维奇理论认为,北半球高纬夏季太阳辐射变化，是驱动第四纪冰期旋回的主因。该理论主要考虑太阳、其他行星与地球间的相互关系。二十世纪初，塞尔维亚数学家米兰科维奇提出地球围绕太阳环行时，三个因素的周期性变化会影响地球冰期的始末兴衰，即米兰科维奇旋回（Milankovitch cycles）理论，主张激发气候波动的地球轨道周期。地球自转和绕太阳公转轨道周期性变化，包括与太阳之间距离、倾角、倾向的周期性变化（40万年、4.1万年、2.6万年等周期），造成地表太阳辐射分布的变化，并改变大气的受热方式，触发气候变化，如冰期和间冰期的出现。

1）地球环绕太阳公转轨道的离心率的变化（Eccentricity）。地球公转轨道在圆形与椭圆形之间变化，这个变化周期约为9.6万年。公转轨道形状的变化，会影响不同季节太阳辐射所抵达地球的能量。轨道离心率越小（越接近圆形）时，四季变化相对较不明显，也不易有冰期发生。反之，离心率越接近1（但不等于）的轨道，四季明显，也较易产生冰期。太阳轨道周期变化影响地球气候。

地球环绕太阳公转轨道的离心率的变化（Eccentricity）（来自互联网）

2）地球自转轴倾角的变化（Obliquity）。它会在22.1度至24.5度之间变化，周期约为4.1万年。黄赤交角，指黄道面与天赤道的交角，它的变化主要受行星摄动影响。当黄赤交角大时，冬夏差别增大，年平均日射率最小，使低纬地区处于寒冷时期，有利于冰川生成。地球黄赤交角的周期变化，导致气温变化。这个角度的变化，不会改变由太阳抵达地球的总能量，但会影响日照在不同纬度的分布。现今地球自转轴倾斜角度为23.44度，且有减少的迹象。

地球自转轴倾角的变化（Obliquity）（据互联网资料）

3）地球自转轴的进动（岁差）（Precession）。地球自转轴方向，相对于恒星位置的变化称为进动，周期大约是2.6万年。地球轴向进动，同样会影响日照在地球不同纬度的分布。在远日点时，若北半球倾向太阳，冬天温度将会相对较高；若因进动而导致南半球在远日点时倾向太阳，北半球的冬天将较为酷寒。又因北半球陆地多，比热小，温度容易下降，而较容易形成冰期。

地球自转轴的进动（岁差）（据互联网资料）

上述三种因素会集合影响地球的气温变化，例如，当地球在远日点且绕日运行的轨道离心率趋近于1，地球自转轴倾斜角度为最大的24.5度，且南半球倾向太阳，将可能发生极低温的情形。此三个因素交错影响着地球气温，每个因素不同的表现也让地球的气温更加不可预测。

地球运动周期性变化的三个主要影响因素（据互联网资料）

但是需要指出的是，米兰科维奇旋回并未完全解释气候的变化，特别是冰期的产生，因为冰期的发生显然小于十万年这个周期。无论是冰河时代或全球变暖，最主要的影响因素依旧是地球大气的组成。

地球构造活动诱发的地表风化强度和大洋环流变化,改变了大气CO2含量和地表热量传输过程,其与地球运动轨道变化调制的太阳辐射量变化周期,包括地球轨道偏心率,黄赤夹角和岁差等,共同驱动了第四纪大冰期降临及旋回变化（鹿化煜等，2016）。

其中,太阳辐射量变化起主导作用，在包括海陆配置,大气CO2,洋流变化,岩石风化等达到临界点的背景下,太阳辐射量变化驱动着第四纪冰期气候旋回变化。晚上新世，由于地表化学风化加强，深海沉积埋藏碳增多，大气中CO2含量减少,温室气体效应减弱；加上高纬地区接受太阳辐射量降到临界值,高纬地区冰川发育并形成强大的反馈机制,北半球冰期来临，并在之后发生中更新世冰期气候转型。上新世-更新世古气候变化,存在~400,100,41和23ka等周期,这是太阳辐射量变化驱动的结果；其中,大气CO2和冰冻圈反馈起重要的放大作用。近200年以来,人类急剧向大气中排放CO2气体,增强了温室气体效应，可能改变冰期气候的趋向（鹿化煜等，2016）。

五、人类的起源

第四纪开始，全球气候出现明显的冰期和间冰期交替的模式。第四纪生物界的面貌已很接近于现代。哺乳动物的进化在此阶段最为明显，而人类的出现与进化则更是第四纪最重要的事件之一。

大量的化石资料证明人类是由古猿进化而来的。从古猿开始向人的方向发展的时间，一般认为至少在1000万年以前。古猿与最早的人之间的根本区别在于人能制造工具，特别是制造石器，劳动创造了人类。另外，人类能直立行走。

第四纪冰期期间，北极被冰盖覆盖，裸露在海平面以上，现代智人能够顺利通过冰冻的白令海峡。古人类迁徙具有漫长的历史。普遍认为，我们智人种20万年前，起源于东非大裂谷地区。东非之外的现代人类的最古老的化石约10万年前。这些最早古人类先驱者后裔，持续向全球扩张，5-6万年前到达澳大利亚，4万年前到达欧洲和亚洲，2万-1万五千年前到达美洲。大约在1280CE（波利尼西亚迁移结束），才在最后的一块陆地上新西兰定居。

人类迁徙路线图（资料来源于互联网）

人类迁徙路线图（资料来源于互联网）

迁徙路线显示：直立人和智人离开非洲(智人出现在公元前10万年前)；澳大利亚-美拉尼西亚人迁移到东南亚和澳大利亚(公元前60,000-40,000年)；美洲土著穿越到美洲(公元前25000-15000年)；印欧人扩展到欧洲和南亚(公元前3000-1000年)；波利尼西亚航海(公元前3000年-公元1200年)；班图人在非洲的扩张(公元前1000年-公元500年)；马达加斯加人殖民马达加斯加(公元前300年-公元500年)；大西洋奴隶贸易(1400-1800年)；欧洲对美洲、南非及美洲以下地区的殖民(公元1500-1900年)；东亚移民到东南亚和美洲(公元1800-1950年)；拉丁美洲移民到北美(公元1900年至今)；非洲、中东和南亚移民到欧洲(公元1950年至今)。

本文据（李江海，2020，《世界地质学》<讲义>）修改补充