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【地學論壇】雪球地球是通往宜居星球的必經之路
來源:沉積地質研究院 作者:祝圣賢 郎咸國 發布時間:2020-12-17 12:12 瀏覽次數:

地球46億年的浩瀚演化史勝似一部跌宕起伏而又引人入勝的歷史巨著。在漫長的地史長河中,板塊經歷了數次分合,生命的五次絕滅與重生,最終造就了繽紛多彩的藍色宜居地球。

人類的出現和演化是在末次冰室氣候時期(Last glacial period)。雖然工業革命以來,人類活動,如化石燃料的消耗,使得大氣中的溫室氣體CO2濃度激增,導致全球平均氣溫顯著升高,海洋酸化加劇,全球森林火災頻發,極地冰川消融等一系列災難事件,但當今時期仍是以高緯度地區發育冰川為特征的相對寒冷的冰室氣候。在浩瀚的地球演化過程中,冰室氣候災難卻并非科幻。像今天這種“西風壓倒東風”的情況并不常見,距今7億年前的成冰紀雪球地球事件無疑是其中最深刻也最引人注目的奇觀。


7億年前的“雪球”地球

雪球地球指的是成冰紀時期(7.2億至6.35億年前)地球的極端寒冷氣候事件。當時的全球平均氣溫降至零下50℃,就連赤道的熱浪也被冰封,使得地球呈現出完全或者近乎完全冰凍的現象。成冰紀的極端寒冷的冰室氣候事件已經被各大板塊均發育有冰川沉積的證據所證實。高精度的地質測年發現,全球冰凍的寒冷氣候持續了數千萬年之久,冰蓋厚度可達到1000米。全球的冰凍阻隔了水-氣交換,帶來的嚴重低溫也滯緩了地表水文循環,整個地球表面像被按下了暫停鍵,被迫“冬眠”。

如我們所觀察和想象到的一樣,全球冰凍時期,地球生命也面臨了最嚴峻的挑戰。當時的生態系統簡單且低等,生命形式主要是原核生物,僅有少量的真核生物存在。這些原本應該是“生命種子”的真核生物卻難逃冰川的洗禮,其數量和多樣性急劇降低,僅在地球零星分布的避難場所殘存下來,極大地延緩了生命的演化和動物的出現。

中國華南板塊的成冰系冰川紋泥沉積

其實,全球冰凍的來襲并非偶然。7億年前,橫亙于中低緯度地區的羅迪尼亞超級聯合大陸發生了裂解,在低緯度地區,形成并聚集了一些小的陸塊。這些熱帶和亞熱帶地區的陸塊形成了一些新鮮的巖石,比如玄武巖,在濕熱的條件下,極易被風化,消耗了大量的CO2。另外,新鮮的大陸邊緣也強化了光合作用的效率,提高了固碳進程,進一步加劇了大氣CO2降低。全球碳循環的天平,逐漸向CO2消耗端傾斜,形成了類似如現今的冰川分布格局。隨著氣溫逐漸降低,兩極冰蓋向赤道地區擴張。由于冰川雪地的反照率比海水和陸地高很多,當冰蓋到達南北緯30°左右時,大部分的太陽輻射能都會被反射會太空中去,整個地球接受的太陽輻射能會呈非線性的急劇下降。因此,30°緯度也是極端氣候變化的臨界點,羅迪尼亞超級大陸的裂解引起的一系列氣候變化突破了該臨界值,地表能量平衡發生崩潰,最終導致了全球海洋和大陸迅速“變白”,凜冬已至。

話雖如此,但年輕的地球內部仍存在永不停息的構造、火山活動,試圖努力地自我拯救。在數千萬年的酷寒氣候中,地球深部的CO2通過火山噴發被釋放到大氣,并逐步積累??岷臍夂螂S著溫室氣體的聚集,逐漸變得緩和起來,溫度也時而恢復到冰點之上,但這些變化在高的冰面反照率面前,顯得微不足道,并不足以結束全球冰凍,讓大地蘇醒。地質學家研究認為,真正的破局需要CO2的濃度高達10ppm以上,即相當于現在的300倍以上,劇烈的溫室效應使地表加速升溫至50℃,“雪球地球”瞬間崩解。6.35億年前,持續了數千萬之久的全球冰凍,終于結束,地球上的生命也因“春天”的降臨而再次繁盛,并且以埃迪卡拉紀動物群為代表,從而實現了從真核生物到后生動物的飛躍,迎來了高等生命的時代。

雪球地球結束后埃迪卡拉動物群假想圖

近年來,成都理工大學沉積地質研究院古海洋古氣候古生物研究團隊依托國家自然科學基金項目“湘黔桂地區江口冰期沉積學與地球化學研究(項目批準號:41802024)”和“桂北地區丹洲群硫同位素地球化學研究”(項目批準號:42072334),以及成都理工大學珠峰科學研究計劃“青藏高原及周緣區極端氣候事件與地球系統演化”對中國成冰紀雪球地球冰期事件的古海洋及古氣候演化開始了研究,并發表了一系列相關論文,揭示了雪球地球事件與生命演化的關系,研究成果被評選為“2018年中國古生物學十大進展”。

如今,隨著該團隊研究的深入,發現地球的徹底冰凍可能是謬誤,蓬勃生命與苦寒也并非勢如水火。這些證據主要來自團隊成員近期發現了冰川沉積序列內發育的生物成因碳酸鹽巖、風暴成因丘狀層理、具有較高有機碳含量的頁巖以及生物成因的黃鐵礦等。

因此,雪球地球假說也將不斷地被修正與完善,我們也因此比以往任何時候都臨近真相的懷抱。但世之奇偉、瑰怪、非常之觀,常在于險遠,而人之所罕至焉,故非有志者不能至也。我們需要更進一步貼近自然,走近古老的冰川沉積巖;我們更需要懷著古來“冥昭瞢闇,誰能極之?馮翼惟象,何以識之?”的天問精神,在地球科學的漫漫路途中上下求索。

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