古地理學:發展簡史,研究內容和分科,基本理論和方法,岩石和地層依據,生物和生態依據

古地理學，是研究地質時期自然環境的形成和發展演變的學科。主要研究內容有：重建古代地理環境面貌，包括古海洋、古陸地、古氣候、古生物環境以及古自然地理帶的分布與格局；古地理環境的演變，包括各要素的演變過程和綜合環境的演變機理，如海陸變遷、氣候變化、生物演替、自然區域和自然地帶的變化與位移；現代環境如何繼承古環境的機制等。按研究領域，古地理學可劃分為構造古地理學、岩相古地理學、古生物地理學、古氣候地理學、古地貌學、古水文地理學和古土壤地理學等。

基本介紹

中文名：古地理學
外文名：Palaeogeography
歸屬：自然地理學
性質：學科
研究內容：自然地理研究
研究時段：全新世之前
基本理論：將今論古

發展簡史,研究內容和分科,基本理論和方法,岩石和地層依據,生物和生態依據,地球化學依據,地球物理依據,年代測定方法,

發展簡史

中國古代學者很早就對自然地理環境的變遷有所認識。東晉葛洪在《神仙傳》中寫道:“東海三為桑田”。唐顏真卿﹑宋沈括等都以山頂﹑山崖中所見的螺蚌殼為證據﹐闡述了海陸變遷的觀念。科學古地理學的產生和發展﹐是與地質學和自然地理學的發展過程一致的。17世紀﹐歐洲一些學者根據岩層中的化石﹐對古地理環境作了一些推測﹐並試圖對環境演變的原因作出解釋。18世紀後期﹐英國J.赫頓在《地球的理論》一書中提出了均變論的思想。其後﹐英國C.賴爾在《地質學原理》中﹐發展為均變論學說﹐成為古地理學的研究原則﹔賴爾在重建歐洲第三紀古地理環境方面作出了傑出的貢獻﹐並探索自然環境演變的原因。

19世紀上半葉﹐冰期學說得到承認之後，人們對第四紀古地理的演變有了比較深刻的認識﹐自然地理學範疇的古地理研究得到了比較全面的發展。德國彭克，A.和E.布呂克納對阿爾卑斯山冰川沉積的研究和對第四紀冰期的劃分(1909)；奧地利A.L.韋格納匯集大量古地理材料提出大陸漂移學說(1912)；南斯拉夫M.米蘭科維奇提出對冰期-間冰期變化天文成因的理論(1920)等，對古地理學研究都有深遠影響。20世紀50年代以來，古地磁測量、放射性同位素測定﹑氧同位素分析﹑深海岩心的採樣和分析等新技術﹑新手段的採用﹐美國H.H.赫斯﹑R.S.迪茨在1960～1962年間提出的海底擴張說﹐以及美國W.J.摩根﹑D.P.麥肯齊﹑R.L.帕克和法國X.勒皮雄於1967～1968年提出的板塊構造說﹐都使古地理學以全新的面貌出現。1968～1983年完成的深海鑽探計畫等成果﹐已能勾畫出近2億年以來古海洋演變的基本輪廓。多方面的研究成果表明﹕自堊紀以來氣候有變冷的趨勢。深海岩心的氧同位素(18O/16O)測定指出﹕90萬年以來可劃分出23個18O階段和10個完整的冰川周期。G.J.庫克拉對中歐黃土的研究表明﹐黃土層序中的古氣候旋迴與海洋18O的23個階段有對應關係﹔中國學者劉東生等對陝西洛川剖面的研究也得到了相同的結論。

研究內容和分科

研究內容比較廣泛﹐研究古地貌﹑古氣候﹑古水文﹑古土壤﹑古生物﹑古海洋等﹐分別形成相應的古地貌學﹑古氣候學﹑古土壤學﹑古生物地理學﹑古海洋學等。

基本理論和方法

古地理學的基本理論是將今論古原則。它假定現代所存在的自然地理過程﹐在過去時期里都同樣地存在﹑同樣地進行﹐因而可以利用現代的自然地理過程和自然地理原理﹐推論和復原過去的自然地理環境。但是事實上﹐在40多億年歷史進化中﹐地球表面的自然地理過程是不可能不變化的。如當生物圈還處在原始階段的時候﹐大氣的組分﹐特別是氧和二氧化碳的含量大異於今天﹐生物過程﹑風化過程和土壤形成過程等也是不同於現代的。因而﹐在復原環境運用將今論古的原則時﹐又要對此原則有一定的限制。一般說﹐對於機械的和物理的過程﹐該原則適用的時間範圍大一些﹔對於化學的﹑特別是生物的過程﹐適用的時間範圍不能過於擴展。自然地理學範疇的古地理學﹐其研究範圍主要屬於新生代時期(距今6700萬年以來)﹐現代自然地理過程大體上適用於這個時期。

古地理的重建﹐不論是單一的或是綜合性的自然地理要素﹐都需要考慮時間的尺度問題﹐即一幅古地理復原圖所表現的自然地理現象覆蓋的時間長度。各個自然地理要素髮展和變化的時間尺度有很大差別：大陸漂移、海底擴張引起的海陸分布變化，和造山運動引起的地形起伏變化，在時間尺度小於105年的古地理圖上是難以顯現的；大陸冰蓋的伸展和退縮﹐海岸線的進和退﹐卻在103年的時間尺度的古地理圖上就能明顯表現；水系﹑植被等要素﹐甚至在102年的時間尺度的古地理圖上就能顯現。即使是同一個自然地理要素﹐本身也存在著多種時間尺度的變化﹐如氣候要素可區分出從10年至109年多種時間尺度的變化。因而﹐復原不同的自然地理現象﹐必須根據要求選擇恰當的時間間距﹐選擇的時間間距小於該特定現象的變化率﹐其成果才有意義。如重建更新世時期“洲”級空間尺度的古環境，時間間距應不超過104年；重建全新世間冰期期間的古地理變化﹐時間間距應不超過103年。重建古地理的具體依據和方法有。

岩石和地層依據

不同類型岩石的生成和分布﹐都代表各自不同的地理環境。分析某一地質時期變質岩和岩漿岩的分布﹐有助於識別古造山帶﹑火山島弧帶和地震帶的分布等。根據沉積岩的顏色﹑礦物成分﹑粒度﹑磨圓度﹑分選程度﹐結合所含的化石﹐可復原當時當地的沉積環境。判斷海洋環境最可靠的標誌是沉積物中只含有海生生物化石。根據沉積物及化石的性質﹐還可進一步區別海洋環境中的超深海帶﹑深海帶﹑半深海帶和淺海帶﹐以及當時海水的溫度﹑含鹽度﹑清澈度﹑氧的含量等條件。深海冷水不利於碳酸鈣的沉澱﹐因而厚層石灰岩的形成代表著淺\海暖水環境﹔石灰岩中的鮞狀構造是在淺暖水帶的波浪作用下形成的﹐也是淺\海環境的標誌。分選極差的濁積岩是大陸坡半深海帶的標誌﹔缺少碳酸鈣的沉積物表示水深已在碳酸鹽補償帶以下﹐一般水深已超過3000米。深海沉積物以含有放射蟲等矽質軟泥為標誌。在潮間帶淺灘﹑潟湖﹑河灣等不同自然地理環境﹐可從不同的沉積物質和沉積構造特徵加以識別。

在陸相沉積物中﹐冰磧物及相應的冰蝕痕跡﹑第四紀黃土堆積﹑紅層﹑古沙丘和蒸發岩﹐對往復古地理環境具有特殊的重要意義。冰川是寒冷氣候環境的產物。通過對冰磧物﹑冰川紋泥﹑羊背石﹑冰擦痕等研究﹐可往復古冰川的分布範圍及其消長過程。更新世氣候最寒冷時期﹐冰川的覆蓋面積約為現代冰川面積的3倍﹔最溫暖時期﹐覆蓋面積略小於現代。更新世時期冰川的多次擴展和退縮﹐冰期和間冰期的多次交替﹐標誌著中﹑高緯度地區氣候和古地理環境的反覆遞變。第四紀黃土在歐洲﹑北美主要分布在冰川外緣﹐表明當地當時屬於寒冷苔原環境。中國的黃土主要分布在乾旱荒漠區的外緣﹐表明當地當時屬於乾寒草原環境。隨著冰期﹑間冰期的交替﹐黃土的沉積率有明顯變化。間冰期時氣候轉暖﹐黃土沉積率低﹐在有利的生物-氣候條件下﹐黃土表面發育土壤層。歐﹑美﹑亞洲的黃土沉積剖面中都夾有多層古土壤﹐它是冰期氣候多次為較溫暖的間冰期氣候所中斷的明證。

紅層是沉積物中不穩定元素與易溶礦物大多淋失﹑而高價氧化鐵和氧化鋁得以殘存的產物﹐形成於化學風化強烈的暖熱氣候下。它是暖熱而又有明顯乾濕季節差別的環境標誌。廣泛的古沙丘和短暫片狀洪流形成的洪積扇群﹐通常反映當時屬於乾旱環境。根據沙丘的排列格局和交錯層的傾向﹐可推斷當時的盛行風向。蒸發岩由石鹽﹑石膏﹑鉀鹽等組成。大型的蒸發岩沉積主要形成於大型封閉盆地內﹐大多屬於淺水環境﹐且當地的蒸發量須大於降雨量和河流淡水注入量﹐因而也是乾旱環境的標誌。沉積剖面中多層蒸發岩的出現意味著乾﹑濕環境的多次交替。

生物和生態依據

生物化石是重建古地理環境最重要的依據。如現代造礁珊瑚生存在熱帶﹑亞熱帶淺海中﹐在年平均溫度低於18℃的海域只能生存﹐不能造礁﹐因而珊瑚礁的存在不僅表明屬於淺海環境﹐且是屬於熱帶﹑亞熱帶環境﹔棕櫚屬於熱帶﹑亞熱帶植物﹐現在北半球分布於北緯35°～36°以南﹐第三紀時它在北半球的分布範圍要比現在廣闊得多﹐表明當時熱帶﹑亞熱帶所跨緯度比現在寬廣﹔在不列顛群島﹐現代矮樺生存環境的最高溫度不超過22℃﹐八瓣仙女木不超過23℃﹐它們在第四紀冰期時在中歐平原的出現﹐表明當時該地曾經是寒冷苔原環境。生物化石的某些生態特徵對重建古地理環境有重要意義。如樹葉有滴雨尖是熱帶雨林的特徵﹐披毛犀的長毛意味著氣候寒冷。一般說來﹐同一種屬的哺乳動物的個體﹐有向兩極寒冷環境增大的趨勢﹔與此相反﹐冷血動物的個體有向赤道濕熱環境增大的趨勢﹐最大的甲蟲﹑蚱蜢﹑多足類動物等都出現在熱帶和亞熱帶。

動植物的繁茂程度也是探索古地理環境的依據。厚煤層的出現一般表明當時當地環境溫暖潤濕﹐有利於植被的生長。

生物化石的微細構造可用於追索古環境的細節。如根據植物化石中的年輪可推斷當時的溫度季節變化和降水季節變化﹔年輪木明顯﹐可能表明當時當地是全年高溫多雨的環境﹔特殊的年輪現象有可能標誌著異常氣候的出現。

利用微體古生物往復古地理環境的工作﹐近10多年來有很大的進展。與枝﹑葉﹑花果等植物機體相比較﹐植物的孢子和花粉具有數量大﹐耐酸﹑鹼﹐耐高溫(可達300℃)﹐耐高壓﹐容易保存等優點。因此﹐植物孢子花粉組合分析在重建古植被群和往復古氣候﹑古地理環境方面作出了可貴的貢獻。通用於全球的最後冰期以來氣候變遷期的劃分﹐是以不列顛群島及中歐﹑北歐孢粉分析為基礎而建立的；歐洲冰期﹑間冰期自然地帶的變化圖式也是建立在孢粉分析的基礎之上的。

依據有孔蟲﹑介形類等水生微體古生物對鹽度﹑溫度的適應情況﹐可以鑑定所生存的環境是海洋﹑鹽湖或淡水河湖﹐是冷水或溫水。底棲有孔蟲隨著水深的變化而具有不同的種屬組合﹐因而能藉以鑑定當時的水深。根據微體化石群鑑定沿海地區海﹑陸相層的交替規律﹐研究第四紀以來海侵和海退過程的工作取得很好的成績。運用古生物信息重建古地理環境時﹐要注意不能機械地按現代種屬對環境的要求來解釋過去的生物地理現象﹐因為生物在進化﹐生物有逐漸改變自己對環境適應程度的能力。因此﹐在重建距今久遠的古地理環境時﹐應選擇進化緩慢的生物為標誌。一般說來﹐根據動物群或植物群來推斷古氣候﹑古環境﹐要比以個別種為依據更為可靠。

地球化學依據

沉積物和化石的化學性質記錄了當時當地的環境特點﹐因而地球化學與化學地理資料是重建古地理的信息。許多元素有顯示古環境的意義。為高價氧化鐵所染紅的砂﹑頁岩﹐具有指示高溫﹑低緯的古地理意義。含鎵較多的頁岩屬於淡水環境沉積物﹔銣﹑硼的相對含量較高的岩層屬於海水沉積環境﹐因為它們隨水體中含鹽量的增加而增大。海洋介殼類外殼中鎂和鍶的含量隨水溫而變化﹐根據海底富含無脊椎動物介殼的鈣質沉積物中鎂和鍶的含量可推斷古水溫﹕含量較高﹐一般為低緯暖水環境﹔含量低﹐一般為高緯冷水環境。黏土礦物的性質能標示不同的古環境。伊利石的含量在赤道地帶最低﹐隨緯度升高而增高﹐高嶺土相反﹐在赤道強烈化學淋溶地區含量最高。南美亞馬孫河口不同時期沉積物的分析表明﹐全新世時期的沉積物中高嶺土含量較高﹔最後冰期時期的沉積物中高嶺土含量較少﹐且含有占相當比重的未分解的方解石。這說明該地現代為熱帶雨林植被﹐在一﹑二萬年以前則是稀樹草原植被。

由於後來的環境變化可能使先前埋藏的沉積物和生物體的化學性質發生改變﹐因而某些地球化學與化學地理資料在單獨使用時需要慎重對待。

地球物理依據

火成岩和沉積岩中都含有細粒的磁性礦物﹐這些磁性礦物在冷卻沉積過程中﹐都受當時地球磁場的作用。成岩以後﹐這些古磁場特徵﹐包括磁極方向及對緯度高低起指示意義的磁傾角大小﹐便保存在岩石中。對不同年代的岩石作古地磁測定﹐可確定當時磁極的位置和採樣地點的古緯度。各大陸不同年代岩石樣品的古地磁測定表明﹐地球的磁極位置是在不斷移動的﹐而且從不同大陸上的岩石中所測到古磁性磁極的移動路徑不一﹐說明各大陸的相對位置隨著時間的推移在變化﹐這是大陸漂移說和板塊構造說的重要依據。古地磁測定表明﹐如今位於熱帶地區的印度次大陸﹐在石炭紀時曾有過大規模冰川﹐原因是當時它與現代的非洲﹑南美洲﹑澳大利亞都處在南半球接近南極圈的高緯度處。同位素分析依據的氧同位素有3種﹕16O﹑17O﹑18O。其中17O含量極小﹐可忽略不計。不同環境中的水﹐其18O與16O含量之比(18O/16O)是有差異的﹐陸上水體中18O/16O的值均小於大洋水體中 18O/16O的標準平均值。離海洋蒸發源愈遠﹐水體中的此值愈小。以大洋水中的18O/16O﹐標準平均值為準﹐各種水體中的18O/16O值與大洋水中的18O/16O標準平均值之差可以18O表示﹐18O值受溫度的影響。現代南﹑北極地的冰蓋是由各個不同時期的降雪積累﹑壓實而成的﹐測得不同時期冰層中的18O值﹐即可往復各時期冰原的古氣溫。對格陵蘭西部世紀營 100年的冰層作逐年的氧同位素分析﹐推得百年來的氣溫變化﹐與鄰近氣象站的實測記錄相符。13000年來的冰層18O含量變化表明﹕約在距今10000年前﹐18O值急劇增高﹐標誌著冰期的結束﹔冰後期的“暖期”即“大西洋期”(見表)﹐18O值高於現代﹔距今4000年左右以來﹐伴隨著短期振動﹐18O值稍呈減低的趨勢﹐與全球氣溫的緩慢轉冷相符。對深海沉積物中構成有孔蟲殘骸的CaCO3作氧同位素測量﹐為往復第四紀以來古海水溫度和大陸冰蓋的變化提供了可靠的證據。18O進入到 CO中的比重受溫度的影響﹐水溫增高﹐碳酸鹽溶解量降低﹐濃集效應降低﹔水溫降低﹐濃集效應增高﹐因而測得不同時期沉積層中有孔蟲殘骸18O值﹐即可以計算出有孔蟲生存時期的海水溫度。冰期來臨﹐大陸冰蓋擴展﹐18O含量低的淡水大量滯留在冰蓋中不再回歸大洋﹐大洋水中的18O含量顯著增高﹐有孔蟲介殼中的18O含量也隨之增大。這兩類效應是同向的﹑疊加的﹐使各大洋深海有孔蟲沉積物的18O變化曲線對第四紀以來全球性的冷暖變化能有比較確切的反映。對極地冰蓋和洋底有孔蟲殘骸的 18O的測定﹐為往復第四紀古溫度提供了至今最為完整的全球性定量數據。

同位素分析方法在研究洞穴沉積物﹑樹木年輪等方面也取得了較好成果。所採用的同位素還有 1H與2H﹑12C與13C等。

年代測定方法

古地理學研究古地理環境的演變過程﹐因而確定每一幕古環境的年代是極其重要的工作。缺乏年代﹐難以建立演變過程的順序﹔對各種不同來源的資料﹐也只有在定出確切年代後﹐才能相互對比和綜合。20世紀中期以來古地理學取得許多重大突破﹐是與多種有效的絕對年代測定方法的出現分不開的。

現代常用的年代測定方法有﹕

放射性元素年代測定法。利用放射性元素的衰變規律測定絕對年齡﹐如鉀－氬法﹐放射性鉀(40K)衰變為惰性氣體氬(40Ar)的半衰期約為1.3×109年﹐適用於測定年齡超過5萬年的樣品。碳-14法﹐放射性碳(14C)半衰期為5730年﹐故適用於測定年齡小於5萬年的樣品。另外還有鈾(U)-鉛(Pb)﹑釷(Th)-鏷(Pa)﹑銣(Rb)- 鍶(Sr)法等。

古地磁年代測定法。在地球發展過程中﹐磁極有過多次“逆轉”。如近69萬年以來形成的岩石中﹐岩石磁軸的北極基本上都指向現代磁北極方向﹐在距今243～69萬年之間﹐岩石磁軸的北極基本上都指向現代磁南極方向。前者稱為正極性時期﹐後者稱為逆極性時期。在正極性時期內﹐還有若干短時期出現逆極性﹔在逆極性時期內﹐也有若干短時期出現正極性。此短時期稱為該時期內的“事件”或“亞期”。利用鉀-氬法﹐標定每一次磁場逆轉的絕對年代﹐編製成地磁年代表。將待測定年齡沉積物層的磁性逆轉圖像﹐與地磁年代表相對比﹐便可以確定待測沉積物層的年代。這一方法對測定海洋沉積物年齡和基本上連續沉積的黃土層年齡﹐效果很好﹐在研究第四紀環境演變中已廣泛利用。

胺基酸年代測定法。活體內的胺基酸均呈左旋光性質﹐死亡後左旋光向右旋光轉化﹐稱為外消旋作用。因而根據胺基酸的外消旋轉化率﹐可以推算出樣品死亡的年代。

年輪年代測定法。利用氣候季節變化留下的樹木年輪以一年為周期的痕跡﹐來確定年代。適用於數十至數千年的範圍﹐目前推算的最長年代達8000年。地貌- 沉積年代測定法。根據沉積率或侵蝕率推斷年代﹐這一古老的方法所得的結論比較粗略﹐需用其他方法驗證﹐但在某些缺少採用其他測年條件的場合﹐仍不失是作出初步判斷的手段。標準化石測定法。具有簡便易行的優點﹐但在確定短尺度環境演變事件的時代方面有局限性。

地貌- 沉積年代測定法。根據沉積率或侵蝕率推斷年代，這一古老的方法所得的結論比較粗略，需用其他方法驗證，但在某些缺少採用其他測年條件的場合，仍不失是作出初步判斷的手段。

標準化石測定法。具有簡便易行的優點，但在確定短尺度環境演變事件的時代方面有局限性。其他還有裂變逕跡年代測定法、熱發光年代測定法等。

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