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地球曾有一床雪被子

地球曾有一床雪被子
2022年07月26日 20:12 新浪网 作者 石头科普工作室

  本文约3500字,预计阅读需要十分钟。

  我们知道,现在的地球从外太空看是一颗蓝色的水球。但你是否也想过这样一些问题呢?它一直都是这样蓝汪汪的吗?在冬天,有的地方经常会下雪,而有的地方却很少看到雪。那么有没有可能在某个时期,地球上各个角落都被冰雪覆盖呢?带着这些问题,让我们走进前寒武纪新元古代,一起来看看关于地球“雪被子”的故事。

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  “雪被子”的发现

  新元古代是地球演化过程中经历的一个十分有趣的地质时代。这一时期的地球像一个十几岁的青年,朝气蓬勃,菌藻类繁盛,动物化石也开始出现;又像恋爱中的女子,气候不断发生着变化,忽冷忽热;还有着躁动不安的内心,板块动荡,大陆分裂。大约在7.5亿年前,原本一整块的罗迪尼亚超大陆分裂成两半(图1),打开了古大洋;北美洲往南向冰雪覆盖的南极移动。罗迪尼亚大陆北半部大多数地区以逆时针的方向旋转,向北穿越严寒的北极。在此后的两亿年间(7.5亿到5.5亿年前),地球发生了间断性大规模的冰川事件。“雪被子”就是这一时期的一种现象。

图1 罗迪尼亚超大陆裂解示意图(来自网络)

  在对新元古代研究过程中,科学家们注意到了很多奇特的地质现象:

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  许多冰川沉积物中含有碳酸盐碎屑或直接被碳酸盐岩覆盖,像盖了一顶帽子,称之为盖帽碳酸盐岩。在地球科学上,冰期沉积代表着寒冷气候,而碳酸盐岩则指示温暖环境,这一现象令人匪夷所思;

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  某些冰川单元出现了条带状铁建造英文简称BIF,是一种特殊的海相富铁沉积岩,几乎只产出于前寒武纪,具有特征性的富硅-富铁交错条带,图2)条带状铁建造在18亿年前已经结束,而在十亿年之后,全球性的条带状铁建造沉积事件又重新出现。

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  碳同位素发生了强烈的负漂移,与前12亿年相比变化十分显著。(碳同位素值即δ13C=(13C: 12C)样本/(13C: 12C)参照标准)-1,可以粗略地当作是13C与12C的相对比值大小,大部分学者认为碳同位素负漂是碳同位素快速漂移到负值并逐渐回返的过程)这个问题我们在后面会有详细介绍。

  古地磁证据也表明,至少在新元古代的两个冰川期,冰面几乎蔓延到达赤道。这让我们不禁猜想,如果赤道都结冰了,全球范围内肯定都已经成为冰川。这时的地球无疑相当于盖上了一层雪被子。那么新的问题又出现了:“雪被子”是怎么形成的呢?它又是如何消失的呢?为什么现在看不到了呢?

图2 条带状铁建造(来自网络)

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  “雪被子”的形成与消失

  为了解释这些问题,1992年,Kirschvinck提出了雪球地球假说,Hoffman后来发展了这一假说。他们认为新元古代冰期期间海洋全部结冰,地球变成一个巨大的雪球,也就是我们所说的“雪被子”。

  “雪被子”的形成原因为一种冰雪的反照率反馈效应:冰雪将大量太阳光反射——全球温度变低——冰雪覆盖面积扩大——太阳光反射速度不断加快——全球表面温度急剧降低,科学家称之为反照率反馈效应的失控;同时,罗迪尼亚超大陆裂解,大陆边缘面积扩大,使得岩石风化作用加快,消耗了大量二氧化碳,而二氧化碳作为一种温室效应气体,它的减少也会促进全球冰雪覆盖。当地球被冰封后,海洋与大气缺少气体交换,使得海洋处在一个缺氧环境,这便可以解释这一时期在海洋中因缺氧而产生的条带状铁建造。

  既然地球已经成为一个雪球,那么地球又是如何将这顶雪球帽子摘掉的呢?这就是地球系统的调节作用了。此时,全球气温低至-50℃,整个海洋被完全冰封,地表水-气交换受到严重阻碍,地表风化作用与海洋生物固碳作用停滞,导致火山喷发产生的大量CO₂在大气中聚集。当大气CO₂浓度达到当前浓度约350倍时,强烈的温室效应便会引起全球冰盖瞬间解体,最终导致冰川融化,“雪被子”就消失了。这样的机制使得全球性的冰雪覆盖和消融在较短时间内就可完成,可以想象如果当时站在外太空观望地球,是怎样一番神奇的景象!

图3 地球逐渐被冰雪覆盖(百度百科)

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  “雪被子”的发现

  在“雪被子”消失之后,一系列故事正悄然发生。我们的地球将“雪被子”褪去,盖上了一顶“碳酸盐”帽子,也就是之前所说的盖帽碳酸盐岩,且这层碳酸盐中的碳同位素值明显偏负。当然,随之而来的还有生命的繁荣,要知道“雪被子”好看但却不保暖,当时的生物就像冬眠一般沉沉睡去,静等着机会来临,“雪被子”的消失如同一把打开重生之门的钥匙,一些动植物在雪被子消失之后迫不及待登上生命舞台。关于这些故事背后的原因,让我们跟着Hoffman去一探究竟。

  3.1

  “碳酸盐岩”帽子

  1998年,Hoffman对位于纳米比亚北部的刚果克拉通南部的Otavi组地层的一个碳酸盐岩台地做了研究,主要研究的地层包含Sturtian时代的两个分离的冰期单元:Chuos和Ghaub组。(Sturtian:约760-700Ma,属于成冰纪的一个时期,成冰纪共包括四次全球冰川事件:Sturtian、Varangian、Smalfjord、Mortesnes)两个单元下为碳同位素值较高的厚碳酸盐岩层,两个单元之上被独特的帽碳酸盐岩覆盖,上下之间的差异便记录了碳同位素的负漂移。

图4 Otavi组地层图

  碳酸盐岩和有机碳是自然界碳的两大储库,其余为海水、大气以及生物圈。海水和碳酸盐岩中的 δ13C 一样约为 0‰,大气约为- 7‰,有机碳最低。而在快进入冰期时,碳同位素发生骤降,最小值达-6‰,直到盖帽碳酸盐岩之上 480 米处才回升至 0 ‰ 。整个负 δ13C 漂移占据了台地碳酸盐岩剖面约 500 米。

  Otavi组中的δ13C值的变化趋势与雪球假说一致。Hoffman对碳同位素在冰期前后的碳同位素变化进行了解释,认为碳同位素之所以会发生负漂,是因为有机碳埋藏通量的减少。因为生物优先利用轻碳,所以有机碳主要富12C,而碳酸盐岩富13C,冰川沉积之前的有机碳占总碳埋藏的比例约为0.5,冰川沉积之后约为0。这与雪球地球的假说也是一致的,按照“雪球地球”的假设,冰层会遮挡阳光,海洋光合作用将在数百万年里严重减少,有机碳埋藏量减少,引起δ13C负漂。

  那么,雪被子消失花了多长时间呢?

  根据Caldeira 和 Kasting 估计,现代从火山输入的二氧化碳需要约0.12bar(巴,一种常用气压单位,英文简写:bar)的大气来克服雪球反照率并导致融化。这一估计意味着,在没有大气-海洋气体交换的情况下,冰期将以陆上火山活动释放二氧化碳的现代速率持续约4个百万年。如果通过海冰之间的裂缝存在部分气体交换,时间将会延长。在新元古代,由于太阳光度较低,以及碳酸盐的远洋沉积减少,雪球冰期的持续时间会更长,这也将降低汇聚板块边缘火山CO₂的释放速率。最大持续时间为30个百万年,那么Hoffman估计的Otavi组同位素漂移的持续时间为9个百万年,在此范围内。

图5 Otavi组δ13C负漂移

  还有一个问题,这样厚的盖帽碳酸盐岩又是怎么形成呢?

  关于盖帽碳酸盐岩的形成,需要考虑三个因素。碳和钙的浓度以及碱度。由于大洋中脊热液活动和玄武岩低温蚀变作用,海水的Ca/Mg比值增加;大气CO₂压力从0.12 bar减少到0.001bar(从终端雪球条件到正常新元古代值)将提供约2.5 *1020克碳,如此多的碳含量将产生8 * 105立方千米的碳酸盐岩,它们如果平铺到现在大陆地壳有五米之厚!

  如果没有河流的碱度输入,碳酸盐岩在大洋中脊火山活动CO₂输入的驱动下会溶解到深海中。但在冰雪融化的过程中,气候温暖、高含量的CO₂和强大的水文循环促使了强烈的大陆风化,这使得河流的碱度升高,大量碱质被输入到海洋。另一方面,海洋表面与高浓度CO₂之间进行气体交换。充足的钙和CO₂所以形成了碳酸盐岩层(碳酸钙),过高的碱度也抑制了碳酸盐的溶解,这使得海底碳酸盐过饱和。由此,形成巨厚的碳酸盐岩层就不足为奇了!

  3.2

  打开重生之门——

  埃迪卡拉纪生命大爆发 

  “雪被子”消失之后,在冰川封闭的海洋中幸存下来的生命开始“觉醒”,极端的温室环境下,生物种类和数量都发生飞跃式增长。许多主导新元古代生物圈的原核生物蓬勃发展,真核生物门(包括红藻、绿藻等)在新元古代晚期进化,疑源类微体化石群频繁更替,一场期待已久的生命繁荣由此拉开序幕。

  地球科学家如何从地球中发现生命大爆发的证据,这就需要我们另外展开讲解了

  有奖问答

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  雪球地球假说是谁先提出的?

  雪被子是怎么形成的呢?

  文中Hoffman关于碳同位素负漂移的研究区是在哪里?

  大家快来踊跃作答吧~

  Reference

  [1] Paul F. Hoffman,Alan J. Kaufman,Galen P. Halverson,Daniel P. Schrag. A Neoproterozoic Snowball Earth[J]. Science, 1998, 281(5381).

  撰稿: 若鱼

  美编:怪伽cc

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