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7亿年前的“雪球地球”

2019-10-23 9:29:57 来源:中国矿业报 作者:卢宜冠 孙凯

大家有没有观看过科幻电影《后天》呢?影片主要讲述了北半球因温室效应引起冰山融化,地球进入第二冰河期,龙卷风、海啸、地震在全球肆虐的故事。实际上,像这样的全球冰冻并非只出现在科幻故事中。有足够的证据表明,?#36136;?#19990;界的确发生过如?#32902;?#20154;难以想象的宏大事件,这就是著名的“雪球地球”假说。“雪球”(snowball)正是我们的地球在7亿年前的样子——从极地到赤道,到处都是冰盖,气温下降到零下50℃以下。哪怕站在热带,感受到的也是今日南极的温度;脚跨赤道,?#21561;?#30340;也不外乎是一片晶莹的苍白。

罗迪尼亚超大陆的裂解和板块漂移

7亿年前是地质历史中的新元古代,当时的地球已经有将近40亿岁,演化成了一个成熟的行星,有了板块构造、稳定的大气和遍布海洋的原始生命。一切看起来都是如此美好的地球,为什么会“突然”被全球范围的冰川冻住?又是什么力量让地球死灰复燃,演化成生机勃勃的今天?下面,我们从地质学的角度探索雪球地球的奥秘。

形成∶二氧化碳消耗加剧

新元古代时期,位于赤道附近的罗迪尼亚超大陆裂解。正是该过程拉近了陆地与海洋的距离,风化作用突然加速,消耗了空气中的保温因子——二氧化碳。

地球的气温主要由温室气体特别是二氧化碳来调节的,随着二氧化碳的增加而升高,反之则降低。然而,新元古代成冰期期间有罕见的巨大陆块分布在赤道及热带地区。众所周知,风化速率?#20113;?#20505;是很敏感的,越湿热,风化速率越快,干冷气候则慢。因此,处于赤道附近的大陆风化速率相对较快,导致大气中二氧化碳含量?#26412;?#19979;降。另外,目前加拿大极地地区形成于730~710Ma的大量玄武岩(Franklin-LIP)当时也位于赤道地区。该岩石属于基性火山岩,更容易产生风化,这也使得二氧化碳消耗进一步增加。

但这还不是全部,那个时候的罗迪尼亚超大陆在830Ma开始裂解,?#20013;?#26102;间大约为200Ma。一般而言,如果只有一块超级大陆,其化学风化速?#23460;?#33324;较小,因为大部分大陆远离海洋,气候干燥。但是当超级大陆解体成小陆块后,气候由干燥转为潮湿,风化速?#23460;?#30456;应提高,导致消耗更多的二氧化碳。

当时的两极并没?#26032;?#22320;,从两极开始发展的冰川无法减缓这一过程。相反,由于冰川的反射作用,地球?#37038;?#22826;阳辐射的能量越来越少。日积月累,当风化过程慢慢消耗完温室气体后,冰川开始肆无忌惮地蔓延开来,直至整个地球表面全?#21208;?#20912;川覆盖,成为一个大雪球。

存在的证据

那么,有哪些证据能够证明地质历史时期存在这么一个“雪球地球”呢?

(1)碳同位素:海相碳酸盐岩和盆地埋藏的有机碳的碳同位素组成记录了地质历史时期碳生物地球化学循环过程。假如海洋里存在光合作用参与者,那?#27492;?#20204;死亡后形成的有机质沉积里δ13C值就会比较低,而从海水析出的碳酸盐沉积物里δ13C值就会相对较高。

新元古代晚期,海相碳酸盐岩的δ13C值出现较大的同位素变化,明显高于其它地质时期的变化幅度。具体表现为冰期前具正值,而直接覆盖在冰川沉积之上的冰后盖帽碳酸盐?#20197;?#20026;强负值,最低可达-7‰,冰期前后出现了10‰~15‰的δ13C差值。新元古代冰期事件的碳同位素记录在各大陆都可以见到,其显著的碳同位素变化不仅可以作为全球地层对比的基础,也表明冰川时间的同时性。

(2)盖帽碳酸盐岩:盖帽碳酸盐岩是一种独特的石?#24050;?#21644;白云石沉积物,形成于“雪球”因大气中二氧化碳含量过高而消失期间。它与下伏的冰成沉积岩在岩性上差别非常大,看起来是连续沉积的,几乎没有再造作用和显著沉积间断的证据。盖帽碳酸盐岩是海侵的产物,它的广泛存在意味着新元古代冰期前后气候发生了突变,而且在全球同时发生。

(3)条带状铁矿层(BIF铁矿):新元古代冰川地层中广泛出现铁矿层,类似于古元古代(约2400Ma前)的条带状磁铁矿层。然而1800Ma以后的大约10亿年间,地球上BIF铁矿销声匿迹,科学家认为这与地球上第一次大气氧增加有关。在新元古代冰期,加拿大、巴西、纳米比亚、南非、澳大利亚和中国扬子地区又出现了BIF铁矿。这是因为全球范围海洋冰盖阻碍了大气圈中的氧进入海洋,来自洋中脊和洋底沉积物淋滤出的Fe2+在底部海水中富集,一旦冰期结束,上升洋流把Fe2+带到浅部氧化,遂形成又一次全球性的BIF铁矿。由于氧化亚铁矿只存在于与雪球地球对应的地质年代里,这就进一步支持了雪球地球理论。

生命的?#27492;?/strong>

那么,地球为什么没有在冰雪中死去,而是?#21482;?#22797;了生机呢?

地球内部的板块运动并不会因为地表冰川的覆盖而停止,冰川只是“封印”了地表的风化作用,使得空气中的二氧化碳不再减少,而板块运动造成的火山喷发,把地球内部的二氧化碳带入到大气中,导致强烈的“温室效应”。最终,冰雪消融,气温?#26412;?#21319;高,温暖和潮湿又重新成为地球的主题,生物开始大爆发。

罗迪尼亚超大陆的裂解和板块漂移

生命的存在离不开氧气和适宜的温度。“雪球地球”是一个重要的节点,历经极寒?#22270;?#28909;之后,自然界有了充足的氧气和适宜生命的气候条件。其中,硫酸?#20301;?#21407;细菌和?#26029;?#33740;是最大的功?#36857;?#21069;者沉积埋藏黄铁矿提高氧气浓度,后者能够吸收二氧化碳并缓解风化作用给地球降温。雪球地球消融时活跃的微生物活动,使得全球氧气?#25237;?#27687;化碳浓度久而久之达到适宜程度,为生物出现创造了有利条件。

有证据表明,最早的多细胞动物正是在这个时候起源的,在雪球地球上,生态?#20302;?#26356;加相互隔离,可能有助于进化出新的生命物种。可以想象,如果没有“雪球地球”事件,也许我们的地球还处于原核生物时代。就好比如果恐龙没有绝灭,也许哺乳动物,包括我们人类也不可能有今天的?#27604;?#21457;展。因此,从客观上来看,这一极端的寒冷事件促使了地球早期简单生命向复?#30001;?#21629;的快速演化,它是地球生命进化史中不可或缺的重要?#26041;凇?/p>

雪球事件如鬼魅般来去匆匆,在元古代末期留下印记后,便马上消失在一如既往的温暖中。在此后数亿年的时光里,它再也未曾重现,以至于人们直接用此次事件来命名地球历史上这段非同寻常的时期。沧海桑田,往事不复,只有岩石的残片是唯一能够穿越时空,将尘封的往事保留至今的星球遗迹。□

(作者单位:中国地质调查局天津地质调查中心)

网站编辑:宫莉

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