2019年12月15日 星期日
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7億年前的“雪球地球”

2019-10-23 9:29:57 來源:中國礦業報 作者:盧宜冠 孫凱

大家有沒有觀看過科幻電影《后天》呢?影片主要講述了北半球因溫室效應引起冰山融化,地球進入第二冰河期,龍卷風、海嘯、地震在全球肆虐的故事。實際上,像這樣的全球冰凍并非只出現在科幻故事中。有足夠的證據表明,現實世界的確發生過如此令人難以想象的宏大事件,這就是著名的“雪球地球”假說。“雪球”(snowball)正是我們的地球在7億年前的樣子——從極地到赤道,到處都是冰蓋,氣溫下降到零下50℃以下。哪怕站在熱帶,感受到的也是今日南極的溫度;腳跨赤道,看到的也不外乎是一片晶瑩的蒼白。

羅迪尼亞超大陸的裂解和板塊漂移

7億年前是地質歷史中的新元古代,當時的地球已經有將近40億歲,演化成了一個成熟的行星,有了板塊構造、穩定的大氣和遍布海洋的原始生命。一切看起來都是如此美好的地球,為什么會“突然”被全球范圍的冰川凍住?又是什么力量讓地球死灰復燃,演化成生機勃勃的今天?下面,我們從地質學的角度探索雪球地球的奧秘。

形成∶二氧化碳消耗加劇

新元古代時期,位于赤道附近的羅迪尼亞超大陸裂解。正是該過程拉近了陸地與海洋的距離,風化作用突然加速,消耗了空氣中的保溫因子——二氧化碳。

地球的氣溫主要由溫室氣體特別是二氧化碳來調節的,隨著二氧化碳的增加而升高,反之則降低。然而,新元古代成冰期期間有罕見的巨大陸塊分布在赤道及熱帶地區。眾所周知,風化速率對氣候是很敏感的,越濕熱,風化速率越快,干冷氣候則慢。因此,處于赤道附近的大陸風化速率相對較快,導致大氣中二氧化碳含量急劇下降。另外,目前加拿大極地地區形成于730~710Ma的大量玄武巖(Franklin-LIP)當時也位于赤道地區。該巖石屬于基性火山巖,更容易產生風化,這也使得二氧化碳消耗進一步增加。

但這還不是全部,那個時候的羅迪尼亞超大陸在830Ma開始裂解,持續時間大約為200Ma。一般而言,如果只有一塊超級大陸,其化學風化速率一般較小,因為大部分大陸遠離海洋,氣候干燥。但是當超級大陸解體成小陸塊后,氣候由干燥轉為潮濕,風化速率也相應提高,導致消耗更多的二氧化碳。

當時的兩極并沒有陸地,從兩極開始發展的冰川無法減緩這一過程。相反,由于冰川的反射作用,地球接收太陽輻射的能量越來越少。日積月累,當風化過程慢慢消耗完溫室氣體后,冰川開始肆無忌憚地蔓延開來,直至整個地球表面全部被冰川覆蓋,成為一個大雪球。

存在的證據

那么,有哪些證據能夠證明地質歷史時期存在這么一個“雪球地球”呢?

(1)碳同位素:海相碳酸鹽巖和盆地埋藏的有機碳的碳同位素組成記錄了地質歷史時期碳生物地球化學循環過程。假如海洋里存在光合作用參與者,那么它們死亡后形成的有機質沉積里δ13C值就會比較低,而從海水析出的碳酸鹽沉積物里δ13C值就會相對較高。

新元古代晚期,海相碳酸鹽巖的δ13C值出現較大的同位素變化,明顯高于其它地質時期的變化幅度。具體表現為冰期前具正值,而直接覆蓋在冰川沉積之上的冰后蓋帽碳酸鹽巖則為強負值,最低可達-7‰,冰期前后出現了10‰~15‰的δ13C差值。新元古代冰期事件的碳同位素記錄在各大陸都可以見到,其顯著的碳同位素變化不僅可以作為全球地層對比的基礎,也表明冰川時間的同時性。

(2)蓋帽碳酸鹽巖:蓋帽碳酸鹽巖是一種獨特的石灰巖和白云石沉積物,形成于“雪球”因大氣中二氧化碳含量過高而消失期間。它與下伏的冰成沉積巖在巖性上差別非常大,看起來是連續沉積的,幾乎沒有再造作用和顯著沉積間斷的證據。蓋帽碳酸鹽巖是海侵的產物,它的廣泛存在意味著新元古代冰期前后氣候發生了突變,而且在全球同時發生。

(3)條帶狀鐵礦層(BIF鐵礦):新元古代冰川地層中廣泛出現鐵礦層,類似于古元古代(約2400Ma前)的條帶狀磁鐵礦層。然而1800Ma以后的大約10億年間,地球上BIF鐵礦銷聲匿跡,科學家認為這與地球上第一次大氣氧增加有關。在新元古代冰期,加拿大、巴西、納米比亞、南非、澳大利亞和中國揚子地區又出現了BIF鐵礦。這是因為全球范圍海洋冰蓋阻礙了大氣圈中的氧進入海洋,來自洋中脊和洋底沉積物淋濾出的Fe2+在底部海水中富集,一旦冰期結束,上升洋流把Fe2+帶到淺部氧化,遂形成又一次全球性的BIF鐵礦。由于氧化亞鐵礦只存在于與雪球地球對應的地質年代里,這就進一步支持了雪球地球理論。

生命的復蘇

那么,地球為什么沒有在冰雪中死去,而是又恢復了生機呢?

地球內部的板塊運動并不會因為地表冰川的覆蓋而停止,冰川只是“封印”了地表的風化作用,使得空氣中的二氧化碳不再減少,而板塊運動造成的火山噴發,把地球內部的二氧化碳帶入到大氣中,導致強烈的“溫室效應”。最終,冰雪消融,氣溫急劇升高,溫暖和潮濕又重新成為地球的主題,生物開始大爆發。

羅迪尼亞超大陸的裂解和板塊漂移

生命的存在離不開氧氣和適宜的溫度。“雪球地球”是一個重要的節點,歷經極寒和極熱之后,自然界有了充足的氧氣和適宜生命的氣候條件。其中,硫酸鹽還原細菌和藍細菌是最大的功臣,前者沉積埋藏黃鐵礦提高氧氣濃度,后者能夠吸收二氧化碳并緩解風化作用給地球降溫。雪球地球消融時活躍的微生物活動,使得全球氧氣和二氧化碳濃度久而久之達到適宜程度,為生物出現創造了有利條件。

有證據表明,最早的多細胞動物正是在這個時候起源的,在雪球地球上,生態系統更加相互隔離,可能有助于進化出新的生命物種。可以想象,如果沒有“雪球地球”事件,也許我們的地球還處于原核生物時代。就好比如果恐龍沒有絕滅,也許哺乳動物,包括我們人類也不可能有今天的繁榮發展。因此,從客觀上來看,這一極端的寒冷事件促使了地球早期簡單生命向復雜生命的快速演化,它是地球生命進化史中不可或缺的重要環節。

雪球事件如鬼魅般來去匆匆,在元古代末期留下印記后,便馬上消失在一如既往的溫暖中。在此后數億年的時光里,它再也未曾重現,以至于人們直接用此次事件來命名地球歷史上這段非同尋常的時期。滄海桑田,往事不復,只有巖石的殘片是唯一能夠穿越時空,將塵封的往事保留至今的星球遺跡。□

(作者單位:中國地質調查局天津地質調查中心)

網站編輯:宮莉

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