第四紀地質學

研究第四紀時期的地質過程、環境演化、生物界演化以及人類起源和發展的學科。地質學的一個分支。第四紀的時間範圍從上新世末（距今約248萬年）至今。第四紀冰川廣布、火山活動頻繁、地勢高差顯著，絕大部分沉積物沒有固結成岩，出現了人類。第四紀的新構造運動，沉積物的形成、環境氣候的變遷、動植物的演替與今天人類經濟活動密切相關。第四紀地質的研究對地質災害的預測和防治、國土整治、環境保護、工程建築選址、第四紀礦產資源勘查等有重要意義。

19世紀末、20世紀初，在歐洲建立的第四紀4次冰期學說，對冰川作用、氣候變化等方面的研究產生了廣泛影響。南斯拉夫數學家米蘭科維奇（M.Milanko-vich）1920年提出氣候變化的天文學說，地球軌道周期成為探討第四紀氣候變化及冰期形成的重要理論依據。

1899年奧地利地質學家休斯（E.Suess）建立海平面變化理論，經過不斷充實、發展，1934年美國學者戴利（R.Daly）提出冰川—海面控制論。1961年費爾布里奇（R.W.Fairbridge）將海面變化歸為3種類型：①構造—海面升降運動；②沉積—海面升降運動；③冰川—海面升降運動。20世紀50年代以來，放射性碳、鉀氬法、鈾系法、裂變徑跡法測年及氧同位素測溫等技術的應用，使第四紀地質研究達到新水平。1963年考克斯（A.Cox）建立古地磁年表，為第四紀地層的劃分與對比提供了依據。大陸與大洋沉積序列研究，更新了傳統的4次冰期概念，支持了米蘭科維奇的氣候變化天文學說。

1977年庫克拉（G.Kukla）等對捷克布爾諾黃土的研究證明，在奧爾杜韋古地磁事件以來的170萬年裡出現了17次間冰期，平均每10萬年有1次冰期—間冰期氣候旋迴。印度洋、赤道大西洋、加勒比海的海洋沉積研究，也得出相近的結論。中國第四紀黃土研究揭示出最近70萬年以來有13次氣候旋迴。

20世紀60年代以來實施的許多國際研究計劃，如DSDP（深海鑽探計劃）、CLIMAP（長期氣候研究、製圖與預測計劃）、IGCP（國際地質對比計劃）等，已在第四紀古氣候、冰期形成、冰期氣候特點、海洋環境變化等方面取得重要成果，從而推動了第四紀地質學的發展。

第四紀地質作為科學對象進行研究始於18世紀的歐洲。第四紀冰川沉積和古氣候變化始終是第四紀地質學研究的主體。其發展歷史可分為3個階段。

①初期階段。時間在18世紀至19世紀末。主要研究分佈於基岩之上的鬆散沉積物，當時稱為漂積物，認為是聖經上所說大洪水帶來的泥砂堆積而成的。19世紀初極地探險工作開展后，開始認識到它們可能是冰流搬運和堆積的物質。19世紀下半葉正式確定所謂漂積物是冰流堆積，並稱第四紀為“冰河期”。

②發展階段。指20世紀上半葉。在20世紀初，德國A.彭克和E.布呂克納研究阿爾卑斯山冰川沉積，提出第四紀經歷了4次冰期的概念。這一概念推動了第四紀地質學的發展，世界各地相繼建立了相應的4次冰期。中國地質學家李四光於30年代建立了中國的4次冰期系統。這個時期從世界各地的第四紀地層中發現了許多重要的哺乳動物化石群和古人類化石，對它們的研究不僅促進了進化論的發展，也成為劃分第四紀地層的重要依據。與此同時，許多學者對河流、湖泊、海濱、洞穴、火山、黃土和沙漠等開展了廣泛的研究，為第四紀地質學的建立奠定了基礎。

③成熟階段。第二次世界大戰以後，各種測定年輕地質年齡的方法不斷完善，古環境的指標得到確定，對以前很少涉及的地區，如深海、南極、北冰洋開展了大量的調查。1955年C.埃米利亞尼根據深海沉積氧同位素測定，提出近30萬年以來曾發生7次冰期旋迴，成為第四紀研究新的里程碑，從而建立了第四紀氣候變化的新模式。研究表明，240萬年以來，地球至少經歷了24個氣候旋迴。第四紀地質學已進入全球對比和全球變化研究的新階段。一方面要實現各大陸和海洋第四紀地層以及古氣候記錄的對比。另一方面要把地球作為一個整體，研究岩石圈、水圈、生物圈、大氣圈相互作用相互影響的全過程，預測未來環境和氣候變化的趨勢。這些都標誌著第四紀地質學已日漸成熟。

第四紀是地質史上時間極短的一個紀，至今尚未終止。第四紀從什麼時候開始，沒有一致的看法。過去一般認為它的年齡只有100萬年左右。近年來由於古人類學和舊石器時代考古學的新發現，以及年代測定技術的發展，人們普遍認為它的年齡要大得多，有的認為是180—200萬年，也有人認為是248萬年，還有人認為已經超過了300萬年。

長期以來，人們一直在努力尋求放之四海而皆準的第四系的標準地層，但是沒有能夠實現。因為第四紀的沉積物具有很強的區域性，同一時期在不同的自然環境里和不同的地貌單元上，可以形成各不相同的地層；不同時期，在相似的自然環境里和同樣的地貌單元上，可以形成彼此相似的地層。因此，不可能單純依據岩石本身的性質來劃分第四紀地層。

第四紀通常以氣候的更替劃分為冰期和間冰期，或雨期和間雨期。但是世界上有許多地方古氣候的變化證據是很缺乏的，因此很多地方一直應用脊椎動物和海洋軟體動物的古生物方法確定第四紀的分期和地層劃分。在古人類和古文化材料豐富的地區，應用人類學和考古學的方法效果是比較明顯的。

第四紀海洋動物群變化較慢，尤其是在大洋里，幾乎沒有什麼改變，只有某些高緯度的內海區域，如地中海、裏海等地，存在群組的遷移，當冰期來臨時，北方寒冷生活條件下的種類向南遷移而間冰期到來時，它們則又回到了北方。但脊椎動物特別是陸生哺乳動物，進化速度卻較快，而且在某一階段的一定自然地理區域里動物群具有相對的一致性。在第四紀脊椎動物化石中，搜集得最多的是第四紀哺乳動物，其研究也比較詳細。因此，第四紀哺乳動物不僅對陸相地層的劃分和對比具有重要的意義，而且對恢復當時的古氣候和古地理環境對探討古人類的生存時代和生活條件等都起著特別重要的作用。

關於第四紀地層的劃分世界上沒有取得一致意見。中國第四紀地層的劃分，按照1959年全國地層會議討論的草案，第四系包括下更新統、中更新統、上更新統和全新統，其時代分別與第四紀的早更新世、中更新世、晚更新世和全新世各階段相對應。

第四紀地質學主要包括下列研究內容：

①新構造運動。研究第四紀地殼運動類型、運動方式和速度、地震活動規律性，以及它們與工程建設的關係。

②沉積物形成與地層劃分。確定第四紀沉積物的分佈和成因、物質成分與特性、沉積環境等，根據沉積物的時代、沉積相和物質特徵等進行地層劃分和對比。

③礦產與其他資源。勘查第四紀時期形成的貴重與稀有金屬、非金屬砂礦，如金剛石、砂金、獨居石、鋯石等砂礦，以及岩鹽、石膏、泥炭等。調查水利、草場、荒地、旅遊風景區等各種資源。

④環境與氣候變遷。研究第四紀時期氣候變化、環境變遷、海面升降等，探索它們變化的原因並預測未來發展趨勢。

⑤動植物演替。研究第四紀沉積物中保存的各種生物化石，尤其是哺乳動物、軟體動物、有孔蟲、介形蟲、孢粉等。劃分第四紀動物區系、動物群組合，鑒別新生種屬與某些種屬的絕滅，了解植被發育與演變過程，從而確定古環境歷史，為第四紀地層劃分提供依據。

⑥人類起源與演化。通過研究古人類化石的解剖特徵，追溯人類起源及演化歷史。研究古人類使用的生產工具和其他活動遺跡，探討勞動的起源與人類文明的發展過程，為進化論和辯證唯物主義提供科學依據。

第四紀地質學除採用地質學的一般研究方法外，還應用同位素地質年代學方法，如放射性碳測定、熱釋光法、裂變經跡法、鉀－氬法等，精確測定第四紀地層和地質事件的年齡。通過哺乳動物化石、孢粉化石、軟體及微體動物化石鑒定，確定不同時代、不同地區動物群組合特徵。使用孢粉分析、氧同位素測定、古土壤類型劃分等方法，重建第四紀古環境及古氣候變化歷史。利用古人類化石比較解剖學方法，結合舊石器考古、新石器和歷史考古學方法，探索人類起源、演化和遷徙過程。應用大地測量及定點觀測方法研究新構造運動，使用遙感遙測手段進行資源調查及環境監測。

第四紀是哺乳動物和被子植物高度發展的時代，人類的出現是這個時代最突出的事件。因此，有人也把第四紀稱之為人生紀或靈生紀，甚至還有人把它從新生代中獨立出來並列為人生代或靈生代。第四紀的哺乳動物具有明顯現代化的特徵。

早更新世時期，第三紀三趾馬動物群中的許多科，如鼬鬣狗(Ictitheriidae)、無角犀（Aceratheriinae）、長頸鹿（Giraffidae）等都絕滅了。

有的第三紀的殘留種類如劍齒虎(Machairodontinae)、蹄兔(Hyracoidea)、乳齒象(Mastodontidae)、劍齒象 (Stegod ontinae)、三趾馬(Hipparion)、爪獸（Chalicotheriidae）、鼠（Mimomys）等幾乎都處於絕滅的過程中。標準的第四紀種屬大量出現，如貓熊(Ailuropoda)、真象（Elephantinae）、真馬(Equus)、腔齒犀（Coelodonta）、板齒犀(Elasmotherium)、牛(Bos)、野牛(Bison)、水牛(Bubalus)、麗牛(Leptobos)、四不象鹿(Elaphurus)等。

第四紀地質學與許多相鄰學科有密切關係。例如第四紀新構造運動和沉積相分析以地質學、沉積學、地貌學為基礎，第四紀地層劃分需要應用地層學、古脊椎動物學、地質年代學的理論和方法。重建第四紀環境歷史和古氣候變化過程時，需要運用氣候學、氣象學、天文學、孢粉學、土壤學、動植物學的有關知識。探索人類起源與演化時，人類學、舊石器考古學、歷史考古學方面的研究是不可缺少的。資源和礦產普查普遍應用礦物學、礦床學、地理學的理論和遙感遙測技術。

舊石器時代考古的野外調查、需要應用第四紀地質知識，如恢復更新世古地理環境，確定在適合於古人類生存的條件下形成的第四紀地層等。發掘工作只有在充分認識第四紀地層的基礎上才能順利進行，特別是對於埋藏在河湖相沉積層里的古人類文化地點，只有採取第四紀地質的工作方法才是有意義的。對古人類文化遺物時代的確定，第四紀地層的劃分對比和對哺乳動物的分析判斷在目前仍然是主要的方法。當然，古人類文化遺物也是第四紀地層劃分的一項重要依據。