美国地质学证据称:地球曾是一个“雪球

来源:南方周末作者:未知发布时间:2015-05-20

褐红色冰川时期沉积物表明,这片加拿大火山岩曾在7亿年前被冰川覆盖,而7亿年前它的位置在赤道附近。

     地球历史上曾多次出现过气候异常的时期,比如5500万年前,地球的平均气温迅速上升了9℃,成为了地球历史上最热的时期之一;2.1万年前,北美和欧洲的大部分地区被厚达2公里的冰层覆盖,并且导致海平面下降了120米之多……而地球历史上最极端的气候时期,很可能属于6亿或7亿年前的“雪球地球”(Snowbal Earth)。

     3月5日的《科学》杂志刊登了美国哈佛大学的地球学家麦克唐纳(Macdonald)与其合作者的一项研究。在这项研究中,他们对加拿大的一些夹在冰川沉积物之间的火山灰进行了精确的同位素定年,认定这些冰川沉积物是在大约7.16亿年前沉积的。通过进一步的对比,他们还确定在7亿多年前这些沉积物并不像今天这样接近北极圈,而应该在赤道附近,也就是说当时的冰川来到了赤道附近。这无疑为“雪球地球”的假说提供了新的地质学方面的支持。

     冰川到达赤道地区

     1987年,加州理工学院的古地磁学家科什温克(Joseph L. Kirschvink)将一块石头交给他的研究生桑尼(Dawn Y. Sumner)进行学位论文的研究。这块略带红色、由非常细的沙粒组成的石头采自澳大利亚南部的弗林德山脉(Flinders Ranges),沉积学研究表明它是在浅海环境下沉积形成的。桑尼经过仔细地反复确认,最终获得的研究结果让科什温克很惊讶,古地磁研究表明这块岩石居然最早产生于赤道附近。这块石头是从一套距今6亿-8亿年前的杂砾岩中获得的,这些杂砾岩中夹有大小不等的砾石,砾石上还有被摩擦的痕迹,这被认为是经过了冰川搬运的结果。如果它最早位于赤道附近,岂不是说明当时的冰川到达了赤道地区的海平面?

     早在1964年,剑桥大学的地质学家哈兰德(Walter B. Harland)就对全球范围内6亿-8亿年前的新元古代的冰川沉积物进行了研究,他提出在全世界各个大洲都有这个时期的冰川沉积物,比如澳大利亚、阿曼、北美、非洲和中国南方等,说明这一时期的冰川可能是全球性的。哈兰德同时还通过简单的地磁学分析指出,这样的冰川可能推进到赤道附近。但是在当时,古地磁学的研究方法还不完善,板块运动学说也刚刚被接受,因此他的学说并没有获得广泛的支持。在我国南方,老一辈地质学家也注意到了这一时期的冰川沉积物,刘鸿允先生就曾建议将这一冰期事件称为“南华大冰期”。

     经过更多的细致研究和证据挖掘,科什温克于1992年首次提出了“雪球地球”假说,认为在大约6亿-8亿年前的新元古代,曾有全球性冰期作用一直推进到赤道附近的海平面,这意味着地球变成了一个名副其实的“冰雪之球”。1998年,哈佛大学的霍夫曼(Paul F. Hofman)教授和他的合作者们进一步发展了“雪球地球”假说,认为“雪球地球”时期的海洋都会被冰冻,冰盖一直推进到赤道附近,冰盖的平均厚度能达到1公里,全球气温下降到大约零下50摄氏度左右。这样的严酷气候能够持续数百甚至上千万年。

     在“雪球地球”假说中,冰期并不是只有一次,而是有多次。这就像“第四纪大冰期”那样,非常寒冷的气候并不是一直在持续,它可能包括好几个寒冷的冰河时期,而在这些冰河时期之间其实还存在着相对温暖的“间冰期”。地质学家们在全球范围内寻找能够代表新元古代冰期事件的沉积物,发现在新元古代最多可能出现了四次严寒的冰期,它们按照时间先后分别是凯噶斯(Kaigas)冰期、司图特(Sturtian)冰期、马林诺(Marinoan)冰期和噶斯奇厄斯(Gaskiers)冰期。在这些冰期中,目前只有司图特冰期和马林诺冰期被证实具有全球性的分布,而凯噶斯冰期和噶斯奇厄斯冰期只在世界上少数地区才有发现。因此,现在通常所说的“雪球地球”事件更多地指司图特和马林诺这两次冰期,在这两次冰期之间也存在着长达数千万年的相对温暖的“间冰期”。在我国的“南华大冰期”中,也能够看到前后两次冰期,时间上恰好与司图特冰期和马林诺冰期相对应。

     近年来,地质学家们对新元古代冰期沉积物中的火山灰进行了大量研究,利用火山灰中锆石的铀和铅同位素的比值进行年龄测定。通过对非洲、澳大利亚、北美、中国、阿曼等多个地方的研究对比,马林诺冰期结束于6.35亿年前。加上最近麦克唐纳的研究成果,基本限定了“雪球地球”的时间就在7.16亿年到6.35亿年前之间。

     “雪球”是如何产生的

     地球是如何变成被冰雪覆盖的“雪球”的,一直以来众说纷纭。有人提出,当地球绕太阳公转的时候,遇到一个特别厚重的云层,里面的尘埃粒子大量进入地球的大气层,阻挡了阳光的热辐射,于是地球温度就会下降,并最终形成“雪球地球”;也有人认为是小行星或者彗星的撞击激起大量尘土遮天蔽日,最后导致“雪球地球”的形成。还有人认为,地球是否寒冷,取决于地表接受太阳辐射的强度。现代冰川作用主要局限于高纬地区,就是因为那里太阳辐射弱。如果在新元古代时地球的地轴发生倾斜,赤道面和黄道面的夹角变化到54°到126°之间,那么气候的分带特征将和今天的地球相反,即冰川作用将局限于中低纬度,而极区则不出现冰盖,这就能解释为什么当时在赤道附近有冰川出现。这些假设都极具想象力,但长期以来并没有更多确凿的证据支持,于是更多的科学家们愿意在地球系统内部来寻找“雪球地球”的成因。

     列宁格勒地球物理天文台的地球物理学家布迪科(Mikhail I. Budyko)在上世纪60年代提出的“冰川灾变”模型首先吸引了科什温克的注意。太阳光能是地球能量的主要来源,而地球上的冰雪覆盖会像镜子那样把太阳光反射出去。“镜子”越大,反射的太阳光越多,地球的温度就会越低。现代地球的冰雪覆盖主要在极地附近,范围比较有限,所以这种效应并不明显。如果两极的冰雪覆盖增加到一定程度的话,导致地球温度明显下降,就会使冰雪覆盖随之增加;这样使反射的太阳光进一步增加,温度进一步下降……最终形成一个温度持续下降的“恶性循环”。布迪科认为,如果冰雪覆盖到南北纬30°左右的时候,地球的气候系统就会失去控制,冰雪就会一直覆盖到赤道附近,形成“雪球地球”。

     新的问题出现了,因为类似的大灾难在其他星球曾经发生过,而且不可逆转。为什么地球最终没有像其他星球那样造成无法逆转的悲剧呢,即地球最终是怎么从“雪球”中解脱出来的呢?又是什么最早触发了地球两极冰盖的扩张,导致“冰川灾变”最初开始的呢?科什温克以及后来的霍夫曼等人找到了解决这些问题的一个关键,即大气中的温室气体二氧化碳的变化。

     地球的板块在不断地运动,各大陆在地球历史中也经历了多次的分分合合。大概在9亿年前,地球上的各个大陆在赤道附近结合成一个新的大陆,我们称为“罗迪尼亚”超大陆(Rodinia Supercontinent);而到了8.2亿年前左右的时候,被称为“超级地幔柱”的一次巨大的火山事件使“罗迪尼亚”超大陆再次发生裂解。如果我们把一个圆分成好多块,它的总周长一定会增加;按照霍夫曼等人的理论,超大陆的裂解也会使各个大陆的海岸线大大增加,更长的海岸线使海洋能够接受到更多来自大陆的营养物质,海洋中的微生物和藻类会更加繁盛。通过光合作用,微生物和藻类会将更多的二氧化碳转化为有机体并埋藏在地下。这样的转移使大气中的二氧化碳含量迅速减少,导致地球产生“冰室效应”。地球温度下降就有可能进一步驱动“冰川灾变”,使气候失去控制并最终形成了“雪球地球”。

     在“雪球地球”时期,因为被冰雪覆盖,地球上生物的光合作用和岩石风化作用都几乎完全被终止;只有火山活动仍保持着活跃的状态,持续向外释放大量的二氧化碳。经过长达数百万年的积累,当大气中的二氧化碳足够强大——其浓度大概达到现代大气的350倍的时候,地球上就会出现“超级温室效应”,使“雪球地球”迅速融化。据估计,在“雪球地球”融化的时候海洋温度能够达到50℃以上。

     对于温室气体的变化,也有人提出不同于霍夫曼等人的理论。法国国家科学研究中心的唐纳狄欧(Yannick Donnadieu)与他的合作者认为,“超级地幔柱”会在赤道附近形成大规模的玄武岩。玄武岩是一种火山岩,比较容易和大气中的二氧化碳反应发生风化。经过大量的数学模拟,他们认为如果“超级地幔柱”能够在赤道附近产生800万平方公里的玄武岩,那么仅仅这些玄武岩的风化作用就将大大消耗大气中的二氧化碳,完全能够在短期内将大气的二氧化碳浓度降至0.025%左右。当时的太阳辐射比现在要弱,所以这就能够触发“冰室效应”,并最终导致“雪球地球”产生。

     “雪球”,还是“半融雪球”?

     “雪球地球”假说成功地解释了很多地质现象。比如,在新元古代冰期沉积物中,广泛地出现一种叫做“条带状磁铁矿”(BIF)的铁矿层。这种铁矿主要出现在20亿-30亿年前,是今天地球上最重要的铁矿资源,澳大利亚和巴西采集的铁矿石主要就是这类铁矿。

     虽然有一系列证据支持“雪球地球”假说,它也还受到了很多的挑战。这其中最主要的是,当时整个地球真的完全被冰层所覆盖吗?如果是那样的话,生命又是怎么在这么严酷的条件下幸存下来?有很多科学家认为所谓的“雪球地球”,不过是一次大的冰河事件。他们认为,当时在赤道地区的确有一些冰雪覆盖,但是还有很多水域其实并没有结冰,海洋还保持着与大气的连通。他们称这样的地球为“半融雪球地球”(Slushbal Earth)。

     伦敦帝国学院的地质学家艾伦(Philip A. Alen)在新元古代的冰期沉积岩中发现了一些波纹状的痕迹,这被认为是反对“雪球地球”的有力证据。在沉积岩形成的初期,如果周围的水体发生波动,就会在沉积岩中留下波痕的记录。艾伦认为如果当时的海面完全被冰雪覆盖,水体应该是非常安静的,不会在海底的沉积岩中留下痕迹;只有海面是开阔的,受风力产生波纹,水下的沉积岩才会留下这样的波纹印记。

     德国申根堡研究所的米切尔斯(Arne Micheels)对当时的气候变化进行了一个模拟实验,结果也支持“半融雪球地球”。他们发现,如果当时是一个完全冰封的“雪球地球”,赤道附近的气温可能在零下45℃左右,而两极的气温将低至零下70℃以下。正常情况下,二氧化碳在零下56.6℃就会变成液体,在零下78.48℃就会变成固体。可以想象,如果两极的温度达到零下70℃以下,二氧化碳将变成液体或者固体,那么大气很难保持高浓度的二氧化碳,无法形成有力的“温室效应”,“雪球地球”将不再融化。另一方面,如果当时是一个“半融雪球地球”的话,两极的气温可能达到零下50℃左右,而赤道附近的气温还保持在零度以上。这样的结果不但满足了赤道附近的水域不会完全结冰,同时也保证两极大气中二氧化碳不被液化或固化,确保这个“半融雪球地球”最终能够因为“温室效应”而融化。

     “雪球”和“半融雪球”假说都有各自的优点和缺点,它们的争议一时还难以分出高下。霍夫曼在2009年提出了“泛冰期”(pan-glacial)的概念。这个概念源自1926年英国气象学家布鲁克斯(C. E. P. Brooks)对地球的气候状态的划分,他将地球的气候状态分为“无冰期”(non-glacial)和“含冰期”(glacial-interglacial):“无冰期”是指在地球两极都没有冰盖的时期;“含冰期”是指在地球的高纬度地区具有一定范围的冰盖,就像今天的地球。霍夫曼提出,新元古代的冰期不同于这两种气候状态,应该称为第三种状态“泛冰期”,即全球的高、中、低纬度都有冰盖。

     “泛冰期”并没有从根本上解决“雪球”和“半融雪球”的争议,但是却向我们提供了一个重要的信息,即无论是“雪球”还是“半融雪球”,新元古代的这次全球性冰期事件是地球历史上绝无仅有的一次严寒气候。这样极端的气候变化,必然为地球系统带来深刻的变革——也包括地球上的生命。

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