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【地学论坛】雪球地球是通往宜居星球的必经之路
来源:沉积地质研究院 作者:祝圣贤 郎咸国 发布时间:2020-12-17 12:12 浏览次数:

地球46亿年的浩瀚演化史胜似一部跌宕起伏而又引人入胜的历史巨著。在漫长的地史长河中,板块经历了数次分合,生命的五次绝灭与重生,最终造就了缤纷多彩的蓝色宜居地球。

人类的出现和演化是在末次冰室气候时期(Last glacial period)。虽然工业革命以来,人类活动,如化石燃料的消耗,使得大气中的温室气体CO2浓度激增,导致全球平均气温显著升高,海洋酸化加剧,全球森林火灾频发,极地冰川消融等一系列灾难事件,但当今时期仍是以高纬度地区发育冰川为特征的相对寒冷的冰室气候。在浩瀚的地球演化过程中,冰室气候灾难却并非科幻。像今天这种“西风压倒东风”的情况并不常见,距今7亿年前的成冰纪雪球地球事件无疑是其中最深刻也最引人注目的奇观。


7亿年前的“雪球”地球

雪球地球指的是成冰纪时期(7.2亿至6.35亿年前)地球的极端寒冷气候事件。当时的全球平均气温降至零下50℃,就连赤道的热浪也被冰封,使得地球呈现出完全或者近乎完全冰冻的现象。成冰纪的极端寒冷的冰室气候事件已经被各大板块均发育有冰川沉积的证据所证实。高精度的地质测年发现,全球冰冻的寒冷气候持续了数千万年之久,冰盖厚度可达到1000米。全球的冰冻阻隔了水-气交换,带来的严重低温也滞缓了地表水文循环,整个地球表面像被按下了暂停键,被迫“冬眠”。

如我们所观察和想象到的一样,全球冰冻时期,地球生命也面临了最严峻的挑战。当时的生态系统简单且低等,生命形式主要是原核生物,仅有少量的真核生物存在。这些原本应该是“生命种子”的真核生物却难逃冰川的洗礼,其数量和多样性急剧降低,仅在地球零星分布的避难场所残存下来,极大地延缓了生命的演化和动物的出现。

中国华南板块的成冰系冰川纹泥沉积

其实,全球冰冻的来袭并非偶然。7亿年前,横亘于中低纬度地区的罗迪尼亚超级联合大陆发生了裂解,在低纬度地区,形成并聚集了一些小的陆块。这些热带和亚热带地区的陆块形成了一些新鲜的岩石,比如玄武岩,在湿热的条件下,极易被风化,消耗了大量的CO2。另外,新鲜的大陆边缘也强化了光合作用的效率,提高了固碳进程,进一步加剧了大气CO2降低。全球碳循环的天平,逐渐向CO2消耗端倾斜,形成了类似如现今的冰川分布格局。随着气温逐渐降低,两极冰盖向赤道地区扩张。由于冰川雪地的反照率比海水和陆地高很多,当冰盖到达南北纬30°左右时,大部分的太阳辐射能都会被反射会太空中去,整个地球接受的太阳辐射能会呈非线性的急剧下降。因此,30°纬度也是极端气候变化的临界点,罗迪尼亚超级大陆的裂解引起的一系列气候变化突破了该临界值,地表能量平衡发生崩溃,最终导致了全球海洋和大陆迅速“变白”,凛冬已至。

话虽如此,但年轻的地球内部仍存在永不停息的构造、火山活动,试图努力地自我拯救。在数千万年的酷寒气候中,地球深部的CO2通过火山喷发被释放到大气,并逐步积累。酷寒的气候随着温室气体的聚集,逐渐变得缓和起来,温度也时而恢复到冰点之上,但这些变化在高的冰面反照率面前,显得微不足道,并不足以结束全球冰冻,让大地苏醒。地质学家研究认为,真正的破局需要CO2的浓度高达10ppm以上,即相当于现在的300倍以上,剧烈的温室效应使地表加速升温至50℃,“雪球地球”瞬间崩解。6.35亿年前,持续了数千万之久的全球冰冻,终于结束,地球上的生命也因“春天”的降临而再次繁盛,并且以埃迪卡拉纪动物群为代表,从而实现了从真核生物到后生动物的飞跃,迎来了高等生命的时代。

雪球地球结束后埃迪卡拉动物群假想图

近年来,成都理工大学沉积地质研究院古海洋古气候古生物研究团队依托国家自然科学基金项目“湘黔桂地区江口冰期沉积学与地球化学研究(项目批准号:41802024)”和“桂北地区丹洲群硫同位素地球化学研究”(项目批准号:42072334),以及成都理工大学珠峰科学研究计划“青藏高原及周缘区极端气候事件与地球系统演化”对中国成冰纪雪球地球冰期事件的古海洋及古气候演化开始了研究,并发表了一系列相关论文,揭示了雪球地球事件与生命演化的关系,研究成果被评选为“2018年中国古生物学十大进展”。

如今,随着该团队研究的深入,发现地球的彻底冰冻可能是谬误,蓬勃生命与苦寒也并非势如水火。这些证据主要来自团队成员近期发现了冰川沉积序列内发育的生物成因碳酸盐岩、风暴成因丘状层理、具有较高有机碳含量的页岩以及生物成因的黄铁矿等。

因此,雪球地球假说也将不断地被修正与完善,我们也因此比以往任何时候都临近真相的怀抱。但世之奇伟、瑰怪、非常之观,常在于险远,而人之所罕至焉,故非有志者不能至也。我们需要更进一步贴近自然,走近古老的冰川沉积岩;我们更需要怀着古来“冥昭瞢闇,谁能极之?冯翼惟象,何以识之?”的天问精神,在地球科学的漫漫路途中上下求索。