米兰科维奇理论

科技信息2012年第33期

SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION

第四纪的特点之一就是冰期旋回，对于冰期旋回的原因，到目前为止，大部分学者认为基本上可以用米兰科维奇理论来解释。在地球地质变化的过程中，不同时间尺度的地球古气候变化特征和驱动力是不同的。一般来说，古气候变化可分为三个时间尺度：构造尺度、轨道尺度和亚轨道尺度。在人类出现并发展的第四纪中，太阳辐射能几乎成为驱动地—气系统的唯一能源，使得轨道尺度的气候变化具有明显的驱动力，所以，学者们将天文学和地球气候变化特征联系起来，于是出现了米兰科维奇理论，该理论的出现将地球历史科学推向了定量发展研究的新阶段，成为20世纪世界古环境理论研究最辉煌的成就。

1米兰科维奇理论的概述

20世纪40年代，米兰科维奇根据Imbrie J和Imbrie K[1]的研究结果提出了第四纪冰期成因的天文假说。他认为地球自转和公转的三个重要的轨道参数：偏心率、黄赤交角或地轴倾斜度和岁差受其他天文因素的影响发生周期性变化，这三个参数的变化是形成第四纪亚冰期和间冰期更替的主要原因。任意纬度日照量的大小用W来表示，它与太阳常数S0、偏心率e、黄赤交角ε和岁差ρ成函数关系，即：W=f（S0，e，ε，ρ），其中，S0变化很小可视为常数；偏心率是地球绕太阳公转椭圆轨道的赤道半径与极半径之差与赤道半径之比，第四纪偏心率的短周期约为100ka、长周期约为400ka（图1）；倾斜度或黄赤交角是地球绕太阳公转的黄道平面与地球自转的赤道平面的夹角，变化于22°02′～24°30′第四纪时变化周期为41ka～54ka（图2）；岁差是指地球自转轴的进动，岁差值为20′23″，第四纪时岁差周期为19ka～23ka（图3）；并计算了100万年以来北纬65度线上日照量的变化，地球轨道的变化引起地球大气圈接收太阳辐射能的变化，即太阳辐射能纬度配置和季节配置发生周期性的变化，从而引起全球的气候的变化。当地轴倾斜度减小，将导致北半球高纬度夏季太阳辐射量的减少，北半球夏季地球处在远日点时有利于冰期气候的出现[2]。

图1日-地-月系统偏心率示意图

图2日-地-月系统倾斜度示意图图3日-地-月系统岁差示意图

米兰科维奇理论在提出时并没有在学术界产生巨大轰动直到它一次又一次的被地质证据所证实，其中最经典的当数深海岩芯氧同位素的研究。1947年，Haroid Urey提出，在深海有孔虫化石壳中含有氧同位素，而它的变化可以反映古气候的变化[3]。此后，随着研究技术的发展和探测手段的深入，科学家们发现δ18O直接与气候变化相关。所以，δ18O的分析就直接成为了研究过去全球变化的重要指标之一，各国科学家们对太平洋、大西洋的氧同位素组成进行了分析，建立了最近6000ka、2600ka、800ka、150ka和15ka以来的全球变化曲线。目前，对深海氧同位素研究具有代表性、权威性的是大洋钻探138航次846孔有孔虫氧同位素的变化曲线（图4）[3]。

图4大洋钻探138航次846孔有孔虫氧同位素的变化曲线图

从图中可以看出，氧同位素含量的变化具有明显的100ka周期，进一步分析表明，这种周期变化具有准100ka、40ka和20ka的规律，与太阳轨道的参数变化具有惊人的一致性，而且，轨道参数的变化造成了65°N夏季太阳辐射的负偏差区域刚好对应于氧同位素高值所反映的冰期[4]。不仅如此，包括珊瑚礁、花粉、树木年轮、冰芯和我国黄土沉积等一系列的地质资料也表明地球气候变化的某些周期类型与地球轨道变化有关[4，5]。

2对地学界的主要贡献

上世纪80年代，以米兰科维奇天文轨道旋回理论为基础，创立了一门独立的地层分支学科——

—旋回地层学。实际上该学科是天文学和地质学的交叉，是以露头剖面、岩心等为研究对象，应用光谱分析、地球化学和时间序列等分析方法，研究天文轨道参数周期性变化在地质记录中的沉积相应[6]。第四纪中的米兰科维奇旋回已被地学家所证实，可能的米兰科维奇旋回已追溯到前第四纪、前中生代，甚至前寒武纪[7]；由于米兰科维奇旋回是天文力，因此它在空间分布上必然具有全球性，涉及到的研究范围及沉积相类型包括深海沉积、湖相沉积、浅海碳酸盐沉积、风成沉积、洞穴沉积和冲积扇等，具有良好的研究前景。因其固有的天文成因机制，在顶底界线年龄确定研究方面表现出明显的优越性，可用于高精度的地层划分和对比；根据地层记录中米兰科维奇旋回的个数，能估算出地层堆积作用的绝对年限，有利于开展陆相地层研究，而且，旋回地层学在油气勘探中也有广泛应用[8]。近年来，根据轨道变化所产生的气候周期正在成为探讨地层形成、古环境演化的重要手段[9]，亚米兰科维奇旋回的提出更是将地层分辨率推至千年级，标明了大气和海洋系统在新生代的显著影响[10]。米兰科维奇旋回也广泛应用于煤层定年手段中，首先甄别出煤层中的米兰科维奇旋回信息，然后利用这些参数在煤层剖面中度量出形成煤层的泥炭地的存活时限，在应用轨道周期定年的同时，可以利用研究程度较高的全新世泥炭地的生态学特征来进行类比，推算出地质历史时期泥炭地的生态学参数，从而确定泥炭地的生产力[11]。

旋回地层学正因其较高的理论性和实际操作性而不断向前发展，也为地层划分对比、古环境解释和古地理恢复等地层研究方面提供了一个基本的地层单位。在特定的条件下，旋回地层学研究可改善生物地层定年和放射性定年的精度，有助于更好的理解地质历史时期天文系统、气候系统和沉积圈演化的规律。

3米兰科维奇理论的困扰

长期以来，大部分学者将米兰科维奇理论奉为经典，承认第四纪冰期旋回是由天文因素引起的地球轨道参数变化导致，汪品先推该理论为20世纪世界古气候理论研究最辉煌的成就[12]。但是，近些年随着

浅谈米兰科维奇理论

赵明月

（辽宁师范大学辽宁大连116029）

【摘要】米兰科维奇理论认为，地球轨道偏心率、黄赤交角（地球倾斜度）及岁差等三个要素变化引起的到达北半球中高纬度夏季日射量变化是造成冰期—间冰期旋回的根本原因。本研究回顾了该理论的基本原理和对地学界的重要贡献，讨论了在研究技术越来越发达，定年水平越来越准确的今天，该理论面临的关于冰消期，10万年周期和传输机制等主要问题。

【关键词】米兰科维奇理论；冰期旋回；旋回地

层学

○科教前沿○

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