地质时期的气候变化
地质时期的气候变化以冰期、间冰期交替出现为特点,时间尺度在10万年以上。气候变化幅度很大,温度振幅为10~15℃。各种时间尺度的冰期和间冰期相互交替,其中最近的三次大冰期为震旦纪大冰期、石炭纪—二叠纪大冰期和第四纪大冰期,在三次大冰期之间为温暖的大间冰期气候。气候变化相应地影响着生态系统、自然环境等的巨大变迁。地质时期的气候体现了大气、海洋、大陆、冰雪和生物圈等组成的自然气候系统的总体变化。
(一)震旦纪大冰期气候
距今约6亿年,也就是地质史上的元古代末期,地球上出现了前所未有的寒冷气候,这是地球史上的第一次大冰期,延续了1亿年之久。大冰期影响的范围有亚洲的中国、印度、俄罗斯亚洲部分、欧洲的西北部、北美洲的五大湖区、非洲的中部、南部、大洋洲的澳大利亚中南部等,几乎遍及世界五大洲。冰川影响所及,几乎是寸草不生,自然界呈现一派空寂冷漠的景象。但根据地质调查,在中国华北、东北地区发现了大量只有在气候温暖干燥的环境下才能形成的石膏层。这表明,在世界规模的震旦纪大冰期,也存在小范围的温暖地区,在持久的寒冷时期也有相对短暂的温暖时期。
图1-4 新疆乌鲁木齐一号冰川遗迹 (邓佳 摄)
(二)寒武纪—石炭纪大间冰期
距今大约5亿多年前,地球进入了一个新的历时3亿年以上的大间冰期。这次大间冰期的地球气候显著变暖,冰川向极地和高山退缩,范围广阔。而石炭纪则是这次大间冰期的极盛阶段。在石炭纪,地球上有一条明显的气候干燥带,这条干燥带从美国北部起,经英国和斯堪的纳维亚半岛到俄罗斯中部,再往东到格罗德草原。这条东西向干燥带的南北两侧,如北面的乌拉尔、北哈萨克斯坦、西伯利亚地区,南面的美国南部、西欧、乌克兰、北高加索、小亚细亚、中国北部和东北地区,当时都是属于温暖湿润气候带,为孕育大森林提供了适宜的环境。那时,在广阔的滨海平原上生长着树高三四十米、树干直径一二米的高大乔木,葱郁而茂密。今天世界上许多品质好、储量大的煤田(如欧洲的萨尔煤油、顿涅茨煤田和南极洲的南维多利亚大煤田等)都是那个时代森林的化身。现今在美国、西欧、乌克兰、俄罗斯以及中国北方地区所发现和正在开采的大煤田,也是昔日大森林存在的明证。据统计,石炭纪形成的煤炭资源占世界煤炭总储量的一半以上,故有“成煤纪”之称。
图1-5 寒武纪—石炭纪时期的主要生物
(三)石炭纪—二叠纪大冰期
从距今3亿年到距今2.3亿年为止,地球又发生了第二次大冰期。这次大冰期始于石炭纪末期,止于二叠纪中期,大约延续了1亿年。根据动植物化石和冰碛层的分析发现,这次大冰期主要影响了南半球,被称为“南半球的冰期”。而在北半球,当时的气候相对来说较为温暖,松、柏、杉、银杏等裸子植物开始得到发展。在这次大冰期的后期——二叠纪,中国南部地区非但不冷,反而相当炎热潮湿,比如已发现的大量二叠纪珊瑚礁就是明证。此外,在中南半岛、马来半岛以及欧洲南部等地区,同样是炎热而潮湿的气候,在这些地区还发现了二叠纪煤层。
(四)三叠纪—第三纪大间冰期
二叠纪大冰期过后,全球气温不断升高,最后形成了地球有史以来最为炎热的地质时代。这个时代从距今2.3亿年到距今7000万年为止,经历了大约1.6亿年的历史。即使在地球南、北极地区的气候也是相当温暖湿润,呈现着森林密布的亚热带景象。在这次大间冰期的早期,大陆性气候显著,干燥带迅速扩大,北美、欧洲和中国的红土沉积范围广阔,说明当时气候炎热、氧化剧烈。三叠纪以后的侏罗纪和白垩纪,正处于海洋范围扩大、海平面上升的“海进时期”,因而使大陆性气候减弱,海洋性气候增强,陆地气候向温暖、湿润转变。当时,暖海生物珊瑚生长旺盛、分布很广、曾达到很高的纬度。侏罗纪和白垩纪的陆生动物以爬行动物为主,爬行类的恐龙和它的同类以地球“主人”的姿态占据了陆、海、空,称王称霸。因此该时代又称为“恐龙时代”。
白垩纪末期地球气候趋向干燥,干燥气候带不断扩展,沙漠开始出现。著名的帕米尔高原和昆仑山地区的沙漠和半沙漠就是在这个时期形成的,性喜气候温和湿润的恐龙也是在这个时期逐渐灭绝的,只有鳄、龟、蛇、蜥蜴等体型较小的爬行动物繁衍至今。白垩纪之后的第三纪气候又开始变得温暖湿润,暖温带的北界扩展到了北极圈。如现今布满冰雪的格陵兰岛当时生长着松树、云杉、白杨、樟树、榛树和葡萄等温带树种和水果;伏尔加河流域曾生长过棕榈和其他常绿阔叶乔木;乌克兰一带的气候则与现在的泰国、老挝的热带气候相似。地球呈现出一幅百花盛开、百鸟争鸣的艳丽景象。第三纪末期,世界气温普遍下降,整个北半球喜热植物逐渐南退。
(五)第四纪大冰期
从距今7000万年前开始,地球又进入了一个崭新的时代,发生了震撼全球的喜马拉雅造山运动,汪洋变成了陆地,从而使全球地形大为改观。喜马拉雅古海已变成了世界上最雄伟的山脉,青藏高原从低平的准平原变为世界最高的大高原。各大山系的重新隆起,塔里木、准噶尔等盆地的出现,黄土高原、内蒙古草原和西部荒漠、东部平原的产生,以及季风的形成等,都与这次构造运动息息相关。如今,喜马拉雅造山运动并未完结,它的势头依然十分强劲。到距今300万年的第四纪,终于出现了一直持续至今的大冰川期——第四纪大冰期,也是地球史上已知的第三次大冰期。第四纪大冰期的全球性冰川活动约从距今200万年前开始直到现在,是地质史上距今最近的一次大冰期。现在,我们的地球仍处于第四纪大冰期中的亚冰期与间冰期之间。
亚冰期气温比现代气温平均约低8~12℃,高纬度地区为冰川覆盖,如最大的一次亚冰期(里斯冰期),世界大陆有2/10~3/10的面积为冰川所覆盖。当时北半球有三个主要大陆冰川中心:斯堪的纳维亚冰川中心,其冰流曾南伸到北纬51°左右;格陵兰冰川中心,其冰流也曾南伸到北纬38°左右;西伯利亚冰川中心,冰层分布于北纬60°~70°之间,有时可达北纬50°附近的贝加尔湖。冰川扩张,气候带南迁,生物群落也随之南移。里斯冰期北方动物南迁,在克里木的旧石器时代(距今25万年以前)地层中曾发现过北极狐和北极鹿的化石。
两个亚冰期之间的亚间冰期,气候比现代温暖。原覆盖在中纬度的冰盖消失了,退缩到极地区域,甚至极地的冰盖也消失了;气候带北移,生物群落也随之北移,如北冰洋沿岸也有虎、麝香牛等喜热动物群活动,喜暖植物可一直分布到北极圈。大约在1万年以前大理(武木)亚冰期消退,北半球各大陆的气候带分布和气候条件,基本上形成了现代气候的特点。
图1-6 四川海螺沟冰川遗迹 (邓佳 摄)