Определение основания плейстоцена имеет долгую и противоречивую историю. Поскольку эпоха лучше всего распознается по оледенению и климатическим изменениям, многие предполагают, что ее нижняя граница должна основываться на климатических критериях — например, старейших ледниковых отложениях или первом появлении ископаемого представителя формы жизни холодного климата в осадочной летописи.
Другие критерии, которые использовались для определения плиоцена–плейстоцена, включают появление людей, появление некоторых ископаемых позвоночных в Европе и появление или исчезновение некоторых микроископаемых в глубоководных отложениях. Эти критерии продолжают рассматриваться локально, и некоторые исследователи выступают за климатическую границу около 2,4 миллионов лет.
Доплейстоценовые интервалы времени определяются на основе хроностратиграфических и геохронологических принципов, связанных с морской последовательностью слоев.
После исследований, проведенных рядом международных рабочих групп, корреляционных программ и стратиграфических комиссий, в 1985 году было достигнуто соглашение о размещении нижней границы плейстоценовой серии в основании морских аргиллитов, которые согласно залегают на определенном маркирующем пласте в разрезе Врика в Калабрии.
Граница проходит вблизи уровня нескольких важных морских биостратиграфических событий и, что еще более важно, находится чуть выше положения магнитной инверсии, которая отмечает верхнюю часть подзоны нормальной полярности Олдувай, что позволяет проводить корреляцию во всем мире.
Поскольку доказательства кайнозойского оледенения были обнаружены в породах, отложившихся раньше, чем в разрезе Врики, некоторые геологи предложили перенести основание плейстоцена на более раннее время. Для многих геологов наиболее разумное время совпало с типовым разрезом для гелазийского яруса, слоем горных пород, отложившимся в гелазийский век, найденным в Монте-Сан-Никола около Джелы, Сицилия. Базовый маркер для гелазийского яруса — то есть глобальный стратотипический разрез и точка (GSSP) — был помещен в породу, датированную 2 588 000 лет назад (примечательная точка, поскольку она находится в пределах 20 000 лет от геомагнитной инверсии Гаусса-Матуямы). Кроме того, дата породы тесно коррелирует со временем существенного изменения размера гранул, обнаруженных в китайских лессовых отложениях.
(Изменения в размере зерен лесса указывают на региональные изменения климата.) После многих лет обсуждений Международный союз геологических наук (МСГН) и Международная комиссия по стратиграфии (МКС) определили гелазий как самую нижнюю стадию плейстоценовой эпохи.
Плейстоцен подразделяется на четыре эпохи и соответствующие им горные единицы: гелазийский (2,6 млн.–1,8 млн. лет назад), калабрийский (1,8 млн.–780 000 лет назад), ионийский (780 000–126 000 лет назад) и тарантийский (126 000–11 700 лет назад). Из них только гелазийский и калабрийский являются формальными интервалами, тогда как другие ожидают ратификации ICS.
Калабрийский, который ранее был известен как ранний плейстоцен, простирается до палеомагнитной границы Брюнес-Матуяма 780 000 лет назад. Ионийский, также известный как средний плейстоцен, простирается до конца предпоследнего оледенения около 130 000 лет назад. Тарантийский, также известный как поздний плейстоцен, включает последний межледниково-ледниковый цикл, заканчивающийся на границе голоцена около 11 700 лет назад.
Хронология плейстоцена изначально разрабатывалась путем наблюдения и изучения ледниковой последовательности, которая как в Европе, так и в Соединенных Штатах содержала либо почвы, которые развивались в теплых климатических условиях, либо морские отложения, заключенные между ледниковыми отложениями. На основе этих исследований, а также исследований речных террас в Альпах была разработана хронология, которая предполагала, что плейстоцен состоял из четырех или пяти основных ледниковых стадий, которые были разделены межледниковыми стадиями с климатом, в целом похожим на современный.
Начиная с исследований 1950-х годов, благодаря анализу глубоководных отложений, в частности, изотопного состава кислорода в раковинах микроорганизмов, живших в океанах, удалось получить гораздо более точную хронологию и данные о климатических событиях плейстоцена.
Изотопная запись основана на соотношении двух изотопов кислорода, кислорода-16 (16O) и кислорода-18 (18O), которое определяется по карбонату кальция из раковин микроископаемых, которые накапливались год за годом на морском дне. Соотношение зависит от двух факторов: температуры и изотопного состава морской воды, из которой организм выделил свою раковину.
Раковины, выделяемые из более холодной воды, содержат больше кислорода-18 относительно кислорода-16, чем ракушки, выделяемые из более теплой воды. Изотопный состав океанов, как оказалось, связан с хранением воды в больших ледяных щитах на суше. Поскольку молекулы кислорода-18 испаряются медленнее и конденсируются легче, воздушная масса с парами океанической воды обедняется более тяжелым изотопом (кислородом-18), поскольку воздушная масса охлаждается и теряет воду в результате выпадения осадков.
Когда влага конденсируется и выпадает в виде снега, ее изотопный состав также зависит от температуры воздуха. Снег, падающий на большой ледяной покров, становится изотопно легче (т. е. содержит меньше кислорода-18) по мере того, как человек поднимается выше по поверхности ледника, где он и холоднее, и дальше от источника влаги.
В результате крупные ледяные щиты хранят относительно легкую воду (с большим содержанием кислорода-16), и поэтому во время крупного оледенения океанские воды становятся относительно тяжелее (содержат больше кислорода-18), чем в межледниковые периоды, когда в мире меньше льда. Соответственно, раковины морских организмов, образовавшиеся во время оледенения, содержат больше кислорода-18, чем те, что образовались во время межледниковья.
Хотя точная связь неизвестна, около 70 процентов изотопных изменений в карбонате раковин являются результатом изменений в изотопном составе морской воды. Поскольку последний напрямую связан с объемом льда на суше, запись изотопов кислорода в морской воде в первую очередь является записью прошлых оледенений на континентах.
Длинные образцы керна, взятые в тех частях океана, где скорость осадконакопления была высокой и, как правило, непрерывной, а изменения температуры воды были относительно небольшими, выявили длительную историю изменений изотопов кислорода, которая указывает на повторяющиеся оледенения и межледниковья, восходящие к плиоцену.
Запись относительно последовательна от одного образца керна к другому и может быть сопоставлена по всем океанам. Более теплые периоды (межледниковья) имеют нечетные номера, при этом текущий теплый интервал, голоцен, имеет номер 1, в то время как более холодные ледниковые периоды имеют четные номера.
Подразделения внутри изотопных стадий обозначены буквами. Возраст границ стадий не может быть измерен напрямую, но его можно оценить по имеющимся радиометрическим возрастам кернов и по положению относительно как палеомагнитных границ, так и биостратиграфических маркеров, а также используя скорости осадконакопления относительно этих данных.
Записи за последние 730 000 лет показывают, что восемь крупных ледниковых и межледниковых событий или климатических циклов продолжительностью около 100 000 лет произошли в течение этого интервала. Изотопные записи из Северной Атлантики показывают, что первое крупное оледенение в этом регионе произошло около 2 400 000 лет назад. Они также показывают, что первое оледенение, вероятно, охватившее обширные территории Северной Америки и Евразии, произошло около 850 000 лет назад во время изотопно-кислородной стадии 22. Самые крупные оледенения, по-видимому, имели место во время стадий 2, 6, 12 и 16; межледниковья с наименьшим глобальным льдом и, следовательно, возможно, самые теплые, по-видимому, происходят во время стадий 1, 5, 9 и 11. Последнее межледниковье произошло во время всей стадии 5 или только подстадии 5e, в зависимости от местоположения; последнее оледенение произошло во время стадий 4, 3 и 2; и нынешнее межледниковье приходится на стадию 1.
Морская изотопная летопись является непрерывной, в отличие от большинства наземных записей, которые содержат пробелы из-за эрозии или отсутствия осадконакопления и почвообразования или комбинации этих факторов.
Из-за своей непрерывности и превосходной записи климатических событий на суше (оледенения) морская запись изотопов кислорода является стандартом, с которым коррелируются наземные и другие стратиграфические записи. Корреляции с ней основаны на доступных хронометрических возрастах, на палеомагнитных данных, где они доступны, и на попытках сопоставить наземную запись и ее интерпретацию с конкретными характеристиками изотопной кривой.
К сожалению, большинство земных записей содержат мало радиометрических возрастов и являются неполными, а конкретные корреляции, за исключением самой последней части записи, сложны и неопределенны. Несколько земных записей, однако, являются исключительными и могут быть сопоставлены с уверенностью.
Центральный Китай покрыт отложениями переносимой ветром пыли и ила, называемыми лессом. Местами лесс имеет толщину более 100 метров, покрывая склоны холмов и образуя лессовые плато и плоскогорья. Лесс накапливался в основном в более холодные и сухие времена, чем сейчас, и большая его часть была получена из пустынных районов на западе. Лессовая последовательность содержит много красочных погребенных почв или палеосолей, которые образовались в периоды, которые были и теплее, и влажнее, чем сегодня.
Таким образом, на стабильных плоскогорьях с минимальной эрозией последовательность обеспечивает исключительную климатическую и хронологическую запись, которая простирается на 2,4 миллиона лет назад до позднего плиоцена. Всего было выделено до 44 климатических циклов, причем более частые циклы происходили в раннем плейстоцене. Хотя это напрямую не связано с оледенением, корреляция с данными по изотопам кислорода в морской воде отличная, и многие из конкретных единиц лёсса и почвы имеют схожие климатические выводы, как и их коррелятивные стадии кислорода-18.
