第四紀大冰期：人類起源的序幕

一、第四紀大冰期概述

一般認為第四紀大冰期始于距今200-300萬年以前，以大陸冰蓋和中、高緯度山岳冰川為主要特征。在第四紀內，依據冰川覆蓋面積的變化，可劃分出幾次冰期和間冰期。

面積巨大的冰蓋使地球反照率(太陽的輻射能從地球上反射的程度)提高，進一步冷卻了氣候。包括赤道附近地區的山岳冰川和山麓冰川，都曾經向下延伸到較低的位置。

約1萬多年前開始,全球氣溫逐漸上升，冰川覆蓋的面積相應縮小，海平面隨之上升，地球氣候又進入較為溫暖的時期。

到目前為止，第四紀大冰期僅存的主要冰蓋為南極和格陵蘭冰蓋，其他大部分冰蓋，形成于冰期，在間冰期已完全消失。現今地球的冰凍圈由全球冰川（大陸冰蓋、山岳冰川）組成。全球冰川覆蓋約10%陸地面積,其中，南極冰蓋占約85%的總面積，占全球冰川總體積的90%，其次為格陵蘭島冰蓋，約占全球冰川7%以上的總體積。剩余的2-3%體積的冰川見于其他高緯度地區，如加拿大北部、美國阿拉斯加州以及高山區（喜馬拉雅、安第斯、阿爾卑斯山脈等）。與南極冷冰蓋不同，多數北極冰川屬于溫冰川，北極冰川對全球增暖的響應比南極冰蓋要快速。北極冰帽和冰川數量可占全球小型冰川三分之二，如果它們全部融化，可使全球海平面上升0.5m。

上新世-第四紀北半球冰川分布范圍略圖(來自互聯網)

冰川對全球淡水存儲方式的調節和全球海平面變化具有的重要影響。如果南極冰川全部融化，全球海平面將升高60m以上。本世紀以來全球顯著增暖，加速了全球范圍冰川退縮與融化的主導趨勢，在2000年初北極冰蓋，包括北極大陸或北極諸島，北極圈內的加拿大、大西洋和俄羅斯，其前進冰川的數目大幅度下降，多數冰川退縮或保持穩定，只有60年代曾出現短暫的冰進階段，成為百年來單一冰退趨勢中唯一的“插曲”，反映這一時期全球降溫。目前北極地區冰川整體處于退縮狀態，其中阿拉斯加的冰川末端一直處于退縮狀態。

上新世-第四紀南半球冰川分布范圍略圖（來自互聯網）

40Ma前北極地區氣候顯著變冷，與南極洲第一次出現冰川同時發生，此前南極洲從南美及澳大利亞分離，且沿著橫貫南極的裂谷抬升(Eyles，2008)。

二、冰蓋的發育和消融

第四紀大冰期的冰蓋規模很大。北半球有三個主要大陸冰川中心，即斯堪的那維亞冰川中心：在歐洲冰蓋南緣可達北緯50°附近；北美冰川中心：在北美冰蓋前緣延伸到北緯40°以南；西伯利亞冰川中心：冰層分布于北極圈附近60°—70°N之間，有時可能伸展到50°N的貝加爾湖附近。南極洲的冰蓋也遠比現在大得多。

第四紀末次冰期（里斯冰期），是距離人類最近的一次冰期，地球表面在冰期很大部分的水，在陸地上形成巨量冰蓋，海平面大幅度降低。整個地球有24%—32%的面積，為冰所覆蓋（現今約為十分之一），冰川面積達4700萬—5200萬平方公里。還有20%的面積為永久凍土層，許多地區冰層厚達千米。在末次冰期僅數萬年的時間里，由于陸地降水在兩極成冰，全球海面下降了130多米(Lambeck et al., 2014)。

北半球第四紀冰期的冰川作用示意圖（來自互聯網）

北半球極地地區形成3-4公里厚冰層，全球海平面下降約120-130米

根據地震反射剖面數據發現，末次冰盛期海平面下降，墨西哥灣大陸架上發育許多規模較大的深切河谷。海平面變化對密西西比河下切與堆積具有很大的影響，侵蝕基準面變化控制河流下切只局限在該河流域下游250km范圍內（丁瑩瑩等，2017）。

末次冰盛期墨西哥灣西北發育的河谷和三角洲分布圖（丁瑩瑩等，2017）

末次冰期氣候異常寒冷且存在高頻高幅波動，末次冰期河流下切較為普遍。末次冰期河流下切行為響應氣候變化的三種模式：(1)氣候的高度不穩定性引發大規模的洪水事件驅動河流快速下切；(2)快速隆升區氣候高頻波動疊加構造抬升驅動河流下切；(3)沿海平原地區海平面大幅度下降驅動河流下切（丁瑩瑩等，2017）。

三、中國的第四紀冰期問題

1.中國第四紀冰期

中國第四紀冰期最早可能起源于早更新世希夏邦馬冰期，最早冰期為0.7～0.5Ma的望昆冰期，到最近的小冰期，共經歷６個主要的冰進階段，分別為希夏邦馬冰期、望昆冰期、中梁贛冰期、古鄉冰期（倒數第二次冰期）、大理冰期（末次冰期）和全新世冰進（崔之久等，2011）。

中國第四紀冰期啟動時間遠晚于極地和高緯地區；冰期系列也與極地和高緯地區不同步，尤其是存在大量MIS3（深海氧同位素階段3）階段冰川前進的證據。中國第四紀冰川的發育，強烈地依賴于山地海拔高度，是構造抬升－冰期氣候耦合作用的結果（崔之久等，2011）。 

中國第四紀冰期劃分簡表（崔之久等，2011）

東經105度以東的中國東部，只有賀蘭山、太白山、長白山和臺灣髙山存在確切的末次冰期冰川遺跡，臺灣高山第四紀冰川遺跡保存最好的是在雪山以及南湖大山（施雅風，2011）。

末次冰期晚期亞洲東部雪線高度圖(Ono and Naruse , 1997)

年代結果顯示，中國東部及東亞沿海島嶼山地(包括中國臺 灣島，日本本州島、北海道，朝鮮蓋馬高原，俄羅斯遠東山地等)的冰期啟動與消亡時間，存在顯著差異，但均嚴格控制在末次冰期范圍之內，相當于深海氧同位素階段(MIS)4至2，冰川發育規模，在末次冰期早中期(MIS3/4)，大于末次冰盛期(MIS2)。影響東亞季風區冰川作用的主要控制性因素有：氣候因素、構造因素、緯度因素和海陸位置等，它們控制著末次冰期冰川的發生、分布與期次（張威等，2015）。

東亞地區各山地第四紀冰期對比（張威等，2015）

2.海平面變化

末期冰期造成了渤海-黃海的海平面劇烈下降，加劇了侵蝕基準面下降，有利于黃河下游和中游的貫通。

在南黃海西部濱淺海區老黃河三角洲之下發現末次盛冰期形成的兩大樹枝狀河道網，北部河道網的彎曲主干河道呈東北走向，與等深線斜交，南部河道網的主干河道大致呈東西走向。河道斷面向海逐漸變寬，整體上河道較淺，橫向遷移和擺動幅度較大（孔祥淮等，2016），考慮到當時海平面較低，黃河可能流向了韓國濟州島。

末次盛冰期黃海的古河道分布圖（孔祥淮等，2016）

北黃海陸架區也發現了黃河古河道（孔祥淮等，2016）。末次冰期以來黃河期曾在蘇北注入黃海盆地，蘇北岸外黃河埋藏古河道以曲流河為主，河道發育規模較小，河床下切較淺，很少見到多期連續發育的繼承型河道，反映出古黃河水系（晚更新世末期？？）在橫向上易變動的運動特點（宋召軍等，2015）。

距今18ka的末次盛冰期，海平面低于現今約120m。距今18～15ka期間，進入冰后期，海平面從最低處緩慢上升，平均上升速率為3mm/a。距今15～10.5Ka期間，海平面急劇抬升，平均上升速率為18.2mm/a。12ka以來，海平面從-30m緩慢抬升至現今海平面(楊懷仁等，1984)。

中國東部二萬年以來海平面絕對變化曲線(楊懷仁等，1984；張人權等,2013)

黃海、東海大陸架調查中發現若干古海岸線，記錄了五萬年以來海平面的歷史變化過程。50000-25000年前，海面位于負5m左右，比較穩定。25000年前以后,海面迅速下降，20000年前左右，海平面停頓, 形成古海岸線。然后繼續下降，15000年前，海面下降到負156m。當時海岸線的位置比今天東移約500km。中國北部氣候帶也大規模東移，中國內陸地區比現今干旱得多。海面下降到最低位置后不久，便開始回升，距今12400年前，達到負110m，9000年前，海平面上升到負30m的位置。6000年前左右, 海面比現在高5m。此后,下降至現在的海岸線。一般認為，海平面如此巨大的變化，是由于全球氣候波動引起的，即冰期間、冰期氣候變化造成(袁寶印，1988)。

東海、黃海大陸架古海岸沙堤(袁寶印，1988)

華北平原腹地屬洪積-沖積平原,末次冰盛期以來華北平原和邊緣海沉積環境發生了巨大轉變。吳忱等(2017)重建了華北平原北部末次冰盛期以來古地貌景觀特征，末次冰盛期，區內發育河流泛濫沙帶為主的洪積扇-洪泛平原。末次冰盛期邊緣海海平面下降達130m，渤海灣和黃海大陸架出露（李曼玥等，2018)。中全新世隨著暖期回歸,又形成湖泊-沼澤-泛濫平原，間有扇間洼地群和扇緣洼地帶。全新世暖期，邊緣海海平面與現今相當，環渤海和滬寧杭地區被海水淹沒。

華北平原北部末次冰盛期和全新世暖期古地理復原圖

（吳忱等，2017；李曼玥等，2018)

四、第四紀冰期的成因：地球軌道變化周期

米蘭科維奇理論認為,北半球高緯夏季太陽輻射變化，是驅動第四紀冰期旋回的主因。該理論主要考慮太陽、其他行星與地球間的相互關系。二十世紀初，塞爾維亞數學家米蘭科維奇提出地球圍繞太陽環行時，三個因素的周期性變化會影響地球冰期的始末興衰，即米蘭科維奇旋回（Milankovitch cycles）理論，主張激發氣候波動的地球軌道周期。地球自轉和繞太陽公轉軌道周期性變化，包括與太陽之間距離、傾角、傾向的周期性變化（40萬年、4.1萬年、2.6萬年等周期），造成地表太陽輻射分布的變化，并改變大氣的受熱方式，觸發氣候變化，如冰期和間冰期的出現。

1）地球環繞太陽公轉軌道的離心率的變化（Eccentricity）。地球公轉軌道在圓形與橢圓形之間變化，這個變化周期約為9.6萬年。公轉軌道形狀的變化，會影響不同季節太陽輻射所抵達地球的能量。軌道離心率越?。ㄔ浇咏鼒A形）時，四季變化相對較不明顯，也不易有冰期發生。反之，離心率越接近1（但不等于）的軌道，四季明顯，也較易產生冰期。太陽軌道周期變化影響地球氣候。

地球環繞太陽公轉軌道的離心率的變化（Eccentricity）（來自互聯網）

2）地球自轉軸傾角的變化（Obliquity）。它會在22.1度至24.5度之間變化，周期約為4.1萬年。黃赤交角，指黃道面與天赤道的交角，它的變化主要受行星攝動影響。當黃赤交角大時，冬夏差別增大，年平均日射率最小，使低緯地區處于寒冷時期，有利于冰川生成。地球黃赤交角的周期變化，導致氣溫變化。這個角度的變化，不會改變由太陽抵達地球的總能量，但會影響日照在不同緯度的分布。現今地球自轉軸傾斜角度為23.44度，且有減少的跡象。

地球自轉軸傾角的變化（Obliquity）（據互聯網資料）

3）地球自轉軸的進動（歲差）（Precession）。地球自轉軸方向，相對于恒星位置的變化稱為進動，周期大約是2.6萬年。地球軸向進動，同樣會影響日照在地球不同緯度的分布。在遠日點時，若北半球傾向太陽，冬天溫度將會相對較高；若因進動而導致南半球在遠日點時傾向太陽，北半球的冬天將較為酷寒。又因北半球陸地多，比熱小，溫度容易下降，而較容易形成冰期。

地球自轉軸的進動（歲差）（據互聯網資料）

上述三種因素會集合影響地球的氣溫變化，例如，當地球在遠日點且繞日運行的軌道離心率趨近于1，地球自轉軸傾斜角度為最大的24.5度，且南半球傾向太陽，將可能發生極低溫的情形。此三個因素交錯影響著地球氣溫，每個因素不同的表現也讓地球的氣溫更加不可預測。

地球運動周期性變化的三個主要影響因素（據互聯網資料）

但是需要指出的是，米蘭科維奇旋回并未完全解釋氣候的變化，特別是冰期的產生，因為冰期的發生顯然小于十萬年這個周期。無論是冰河時代或全球變暖，最主要的影響因素依舊是地球大氣的組成。

地球構造活動誘發的地表風化強度和大洋環流變化,改變了大氣CO2含量和地表熱量傳輸過程,其與地球運動軌道變化調制的太陽輻射量變化周期,包括地球軌道偏心率,黃赤夾角和歲差等,共同驅動了第四紀大冰期降臨及旋回變化（鹿化煜等，2016）。

其中,太陽輻射量變化起主導作用，在包括海陸配置,大氣CO2,洋流變化,巖石風化等達到臨界點的背景下,太陽輻射量變化驅動著第四紀冰期氣候旋回變化。晚上新世，由于地表化學風化加強，深海沉積埋藏碳增多，大氣中CO2含量減少,溫室氣體效應減弱；加上高緯地區接受太陽輻射量降到臨界值,高緯地區冰川發育并形成強大的反饋機制,北半球冰期來臨，并在之后發生中更新世冰期氣候轉型。上新世-更新世古氣候變化,存在~400,100,41和23ka等周期,這是太陽輻射量變化驅動的結果；其中,大氣CO2和冰凍圈反饋起重要的放大作用。近200年以來,人類急劇向大氣中排放CO2氣體,增強了溫室氣體效應，可能改變冰期氣候的趨向（鹿化煜等，2016）。

五、人類的起源

第四紀開始，全球氣候出現明顯的冰期和間冰期交替的模式。第四紀生物界的面貌已很接近于現代。哺乳動物的進化在此階段最為明顯，而人類的出現與進化則更是第四紀最重要的事件之一。

大量的化石資料證明人類是由古猿進化而來的。從古猿開始向人的方向發展的時間，一般認為至少在1000萬年以前。古猿與最早的人之間的根本區別在于人能制造工具，特別是制造石器，勞動創造了人類。另外，人類能直立行走。

第四紀冰期期間，北極被冰蓋覆蓋，裸露在海平面以上，現代智人能夠順利通過冰凍的白令海峽。古人類遷徙具有漫長的歷史。普遍認為，我們智人種20萬年前，起源于東非大裂谷地區。東非之外的現代人類的最古老的化石約10萬年前。這些最早古人類先驅者后裔，持續向全球擴張，5-6萬年前到達澳大利亞，4萬年前到達歐洲和亞洲，2萬-1萬五千年前到達美洲。大約在1280CE（波利尼西亞遷移結束），才在最后的一塊陸地上新西蘭定居。

人類遷徙路線圖（資料來源于互聯網）

人類遷徙路線圖（資料來源于互聯網）

遷徙路線顯示：直立人和智人離開非洲(智人出現在公元前10萬年前)；澳大利亞-美拉尼西亞人遷移到東南亞和澳大利亞(公元前60,000-40,000年)；美洲土著穿越到美洲(公元前25000-15000年)；印歐人擴展到歐洲和南亞(公元前3000-1000年)；波利尼西亞航海(公元前3000年-公元1200年)；班圖人在非洲的擴張(公元前1000年-公元500年)；馬達加斯加人殖民馬達加斯加(公元前300年-公元500年)；大西洋奴隸貿易(1400-1800年)；歐洲對美洲、南非及美洲以下地區的殖民(公元1500-1900年)；東亞移民到東南亞和美洲(公元1800-1950年)；拉丁美洲移民到北美(公元1900年至今)；非洲、中東和南亞移民到歐洲(公元1950年至今)。

本文據（李江海，2020，《世界地質學》<講義>）修改補充