综述：第四纪地层记录中间冰阶与冰阶的定义与识别方法

《Quaternary Science Reviews》：How interstadials and stadials have been defined and identified in the Quaternary stratigraphical record

　　

第四纪地层记录中间冰阶（interstadials）与冰阶（stadials）的定义与识别方法已被系统回顾。研究人员梳理了这些术语的概念发展历史，重点考察了来自陆地、海洋和冰芯记录的经典研究。间冰阶与冰阶的划分和定义同时依赖于气候地层学（climatostratigraphy）与年代地层学（chronostratigraphy），且二者常被交替使用。研究指出，间冰阶与冰阶最初源于阿尔卑斯山及欧洲其他山区的冰川序列划分，后逐渐扩展至海洋氧同位素地层（marine oxygen isotope stratigraphy）与格陵兰冰芯记录。冰芯记录中揭示的丹斯高-奥斯奇格（Dansgaard-Oeschger，D-O）循环以数十年尺度的快速气候转变为主要特征，其间的暖期被称为间冰阶（即D-O事件），冷期则为冰阶。研究强调，间冰阶通常指冰川消退期间出现的相对温暖但未达到间冰期（interglacial）程度的短暂气候波动，而冰阶则指冰川前进或气候显著变冷的短暂阶段。这两类气候事件在定义上存在本质差异：间冰阶的界定受限于其持续时间与气候幅度，而冰阶的界定则主要受限于其持续时间而非冷气候的强度。研究还指出，间冰阶与冰阶在不同记录中的表现与识别标准存在显著差异，海洋同位素记录主要反映全球冰量变化，而冰芯记录则更直接地反映区域温度与大气环流变化。在年代地层学框架下，一些经典冰阶（如新仙女木期，Younger Dryas）被定义为具有固定时间边界的年代带（chronozone），而气候地层学意义上的冰阶则具有穿时性（diachronous）特征。最终，研究人员认为格陵兰冰芯序列已成为末次冰期旋回中间冰阶与冰阶对比的全球标准参考尺度，但陆相与海相记录之间的精细对比仍面临显著挑战。

**1. 引言**

第四纪地层在总体框架上首先被划分为温暖的“间冰期”与寒冷的“冰期”。本文聚焦于冰期内部较短暂的气候波动，即间冰阶与冰阶。20世纪初，研究者首次在陆地记录中识别出冰期内的气候波动。间冰阶指相对温和的时期，冰阶则指较冷的时段。海洋氧同位素地层学逐步被引入后，其记录主要反映全球冰量变化，包含反映间冰期与冰期的峰谷，但也包含间冰阶与冰阶等次级波动。至20世纪80年代，冰芯记录以丹斯高-奥斯奇格（D-O）旋回的形式揭示了末次冰期期间约25次快速、千年尺度的气候波动。格陵兰间冰阶与冰阶代表了短时间尺度（百年至千年尺度）的气候变化记录，其分辨率低于主要海洋同位素阶段（Marine Isotope Stages，MIS）。

**2. 间冰期与间冰阶的经典大陆定义**

几乎所有分类方案都将间冰期定义为环境、海平面和气候大致与全新世温暖期相当或更暖的时期。冰期则包含多次较短持续时间和较低温度的次级波动，较暖的称为间冰阶，较冷的称为冰阶。“冰阶”一词源自德语和法语的“阶段”之意，早期文献中用于指冰川前进的时期。间冰阶与冰阶作为地质“事件”（geological events），属于非正式命名，无需固定边界或全球界线层型剖面和点（Global Boundary Stratotype Section and Point，GSSP），且具有穿时性特征。间冰阶与冰阶的界定也可依据植被反映的非冰川气候条件。Jessen和Milthers（1928）提出的标准以全新世气候最适宜期为基准，间冰阶的植被对热量的需求低于间冰期。例如，间冰阶发育北方森林（boreal forest），但持续时间过短或温度过低，不足以发育以落叶林为代表的间冰期温带植被。阿勒罗德间冰阶（Aller?d Interstadial）与新仙女木冰阶（Younger Dryas Stadial）由Hartz和Milthers于1901年首先识别，其气候幅度小于经典间冰阶。中纬度和热带地区的记录中也已识别出与格陵兰间冰阶/冰阶相对应的气候波动。

**3. 海洋同位素间冰期与间冰阶**

深海氧同位素曲线主要反映全球冰量与海平面变化，已成为第四纪全球标准地层尺度。Emiliani（1955）最初将暖期标为奇数号海洋同位素阶段（MIS），冷期标为偶数号。Shackleton（1969）将MIS 5划分为5e、5d、5c、5b和5a亚阶段，并提议仅将MIS 5e与末次间冰期（伊姆间冰期，Eemian）对比。Railsback等（2015）对过去100万年的海洋同位素亚阶段进行了系统划分。间冰阶与冰阶的识别标准可采用多种不同原则，其中PAGES（2016）提出以海平面接近现今水平作为完整间冰期的判别标准。然而，冰阶与冰期之间的区分仍存在问题。冰芯记录中揭示的短时间尺度气候变化（D-O旋回）在深海记录中往往表现不佳，部分原因是时间分辨率较粗，部分原因是MIS地层主要反映北半球冰盖的波动。高沉积速率的陆架边缘序列（如伊比利亚边缘）能够较好地捕捉D-O旋回的气候变化信号，花粉记录与浮游有孔虫氧同位素的变化在MIS 3期间表现出紧密耦合关系。

**4. 格陵兰冰芯中的冰阶与间冰阶**

格陵兰冰芯中的冰阶与间冰阶通过末次冰期期间 abrupt 的千年尺度气候转变来界定，主要依据δ¹⁸O和氘（deuterium）等稳定同位素的波动。δ¹⁸O主要用作冰盖上降雪时的温度指标，但Buizert等（2024）警告其与地表温度的关系是变化的，不应作简单线性解释。氘则用于指示水汽源区条件。积雪速率、陆源粉尘和海盐浓度等参数在格陵兰间冰阶与冰阶之间也表现出强烈对比。格陵兰冰芯地层在国际对比中具有重大影响力。Johnsen等（1992）和Dansgaard等（1993）建立了原始间冰阶编号体系。INTIMATE项目基于格陵兰冰芯年代学2005（Greenland Ice Core Chronology 2005，GICC05）建立了高分辨率地层框架。格陵兰冰芯中识别的间冰阶数量远超陆地记录，这给陆相间冰阶的对比带来了显著困难。MIS 3以冰量/海平面为主导的海洋同位素记录定义，无法有意义地细分为基于冰芯同位素比值的间冰阶和冰阶。格陵兰冰芯记录与远至中国东南部和巴西的石笋记录之间存在密切关联，反映了大气遥相关（atmospheric teleconnection）机制。

**5. 气候地层学与年代地层学**

美国地层命名规范曾提出“地质-气候单元”（geologic-climate units）概念，即基于第四纪岩石解释推断的广泛气候期。Mangerud等（1974）提出气候地层学单元层级体系，但正式的时间划分仍采用年代地层学原则。后续地层规范因认为气候推断具有主观性而中止了气候地层学方法，但第四纪研究者普遍认为难以设想不承认气候变化作用的第四纪地层划分方案。气候驱动的第四纪地层边界在时间和空间上均非均一。新仙女木冰阶的实例表明，火山灰和纹层年代学揭示了该冰阶起始时气候转变的穿时性。Mangerud等（1974）和Mangerud（2021）提出将最近的冰阶和间冰阶（从老仙女木期至新仙女木期）视为年代带（chronozone）和时（chron），并以斯堪的纳维亚南部为层型区。气候地层学的另一个显著问题是气候变化的区域环境响应差异，例如地中海山区冰川在北大西洋海因里希冰阶（Heinrich Stadials）期间因干旱而退缩。南北半球气候变化的“双极跷跷板”（bipolar seesaw）现象由大西洋经向翻转环流（Atlantic Meridional Overturning Circulation，AMOC）驱动，南极同位素极大值（Antarctic Isotope Maxima，AIM）的增温阶段与格陵兰冰阶对应，冷却阶段则与格陵兰间冰阶对应。格陵兰冰芯序列已成为末次冰期旋回间冰阶和冰阶的全球标准参考尺度，但严格的时间对比仍存在困难。老仙女木冰阶（Oldest Dryas Stadial）在格陵兰氧同位素记录中缺失，反映了海相与冰芯记录之间的直接对比并非总是直接可行。

**6. 结论**

间冰阶和冰阶最初在陆相地层中引入，以气候变化的幅度较小和持续时间较短为特征，其边界常具穿时性。海洋同位素地层学已成为第四纪全球标准地层尺度，但哪些阶段和亚阶段应被视为冰阶/间冰阶尚未完全达成共识。格陵兰冰芯记录中定义的冰阶和间冰阶序列已成为末次冰期旋回（约115,000-11,700年前）对比的全球标准，通过气候替代指标识别并经年层计数和模型定年。少数冰阶/间冰阶（如新仙女木期）被部分学者定义为年代地层和地质年代单元，但年代地层单元（具固定时间边界）与气候单元（具内在穿时性边界）常被交替使用。气候地层学是第四纪地层划分的基础，尽管命名仍沿用标准年代地层层级体系。