7億年前“雪球地球”如何解凍？科學(xué)家找到證據(jù)
原標(biāo)題：7億年前，誰讓“雪球地球”解凍
千里冰封、寒氣逼人，蔚藍(lán)色的水球變成了雪白色的冰球……像這樣的全球冰凍并非只是《流浪地球》中的科幻場(chǎng)景，而是現(xiàn)實(shí)世界的確發(fā)生過的真實(shí)事件。
近日，由中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所周傳明研究員領(lǐng)導(dǎo)的新元古代研究團(tuán)隊(duì)，通過對(duì)華南成冰紀(jì)兩段地層的高精度年齡測(cè)定，精確限定了成冰紀(jì)斯圖特冰期和馬里諾冰期的結(jié)束時(shí)間，為新元古代冰川消融的瞬時(shí)性和全球等時(shí)性提供了直接證據(jù)。該研究發(fā)表于國際地學(xué)著名期刊《地質(zhì)學(xué)》上。
被稱為“雪球地球”這一地質(zhì)史最嚴(yán)重冰室氣候事件是如何發(fā)生的？歷史上地球還遭遇過哪些比較嚴(yán)重的冰室氣候事件？研究這些極端氣候事件，對(duì)現(xiàn)在面臨的溫室效應(yīng)有什么借鑒意義？科技日?qǐng)?bào)記者帶著問題走訪了中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所相關(guān)專家。
超級(jí)大陸裂解導(dǎo)致氣溫驟降
“雪球地球”即全球冰凍現(xiàn)象，是20世紀(jì)90年代初美國科學(xué)家約瑟夫·科什文克提出的概念，它在地球歷史中至少出現(xiàn)過3次。
科學(xué)界認(rèn)為，在距今6至7億年前的成冰紀(jì)，地球經(jīng)歷了斯圖特冰期和馬里諾冰期兩次雪球地球事件。
那時(shí)冰川作用波及到赤道，地表極度寒冷，地球平均氣溫降到零下50攝氏度。全球海洋遭到極端氣候影響，完全冰凍，冰蓋厚度可達(dá)上千米。這一狀態(tài)持續(xù)了數(shù)千萬年之久，是地質(zhì)歷史上最嚴(yán)重的冰室氣候事件，當(dāng)時(shí)的地球也因此被稱為“雪球地球”。
“關(guān)于斯圖特冰期成因，根據(jù)現(xiàn)有研究表明，是羅迪尼亞超大陸裂解時(shí)，強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用消耗了大量的二氧化碳，導(dǎo)致氣溫急劇下降。”周傳明說到。
根據(jù)“雪球地球”假說，在“雪球地球”事件過程中，雖然地表氣溫存在“冷—熱”的變化與波動(dòng)，但是長期嚴(yán)寒條件，致使海洋完全冰封，地表水-氣交換嚴(yán)重受阻，地表風(fēng)化作用與海洋生物固碳作用近乎停滯，火山噴發(fā)出的大量二氧化碳在大氣中聚集起來。當(dāng)二氧化碳濃度達(dá)到現(xiàn)代濃度的350倍左右時(shí)，面對(duì)強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)，全球冰蓋再也支撐不住，瞬間瓦解。
此前，國內(nèi)外研究專家對(duì)“雪球地球”的結(jié)束開展了大量的工作，但是一直以來高精度的數(shù)據(jù)還比較缺乏，尚不足以證實(shí)假說。
此次，中美聯(lián)合研究組通過我國華南地區(qū)兩個(gè)成冰紀(jì)地層中的高精度沉積物測(cè)年，為“雪球地球”的結(jié)束精確地測(cè)定“年齡”。研究人員對(duì)貴州東部地區(qū)一處斯圖特冰期之上的沉凝灰?guī)r樣品進(jìn)行測(cè)年，得到斯圖特冰期的結(jié)束時(shí)間為6.588億年前。另一處云南東部馬里諾冰期頂部沉凝灰?guī)r的沉積年齡為6.346億年前，這與此前在湖北宜昌進(jìn)行的類似測(cè)年結(jié)果基本一致，表明馬里諾冰期結(jié)束于距今6.35億年前。
“來自華南的年代地層學(xué)數(shù)據(jù)，與此前其他地區(qū)的測(cè)年研究吻合得很好。這進(jìn)一步證實(shí)了‘雪球地球’的結(jié)束是全球同步發(fā)生且進(jìn)展十分迅速的。”周傳明說。
冰室氣候事件推進(jìn)生物快速演化
既然地球遭遇了“瞬間速凍”，那么生物為何還能不斷演化呢？
正所謂“舊的不去，新的不來”，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)酷的冰川事件竟然成為地球生物演化的重要推手。
2018年，新元古代研究團(tuán)隊(duì)成員郎咸國博士與北京大學(xué)沈冰研究員等人對(duì)我國華南成冰紀(jì)馬里諾冰期沉積記錄—南沱組地層進(jìn)行了系統(tǒng)的沉積學(xué)研究。在廣西、貴州和湖南一帶，他們發(fā)現(xiàn)的黃鐵礦集合體成為有力證據(jù)。這種金黃色、圓球狀的結(jié)核形成于冰川消融時(shí)的海洋，記錄著重要的地質(zhì)信息。
“海洋中的硫酸根離子被硫酸鹽還原細(xì)菌還原，產(chǎn)生了硫化氫，并與鐵反應(yīng)便形成了黃鐵礦?！崩上虈f，這意味著，“雪球地球”之后存在著活躍的微生物活動(dòng)。
生命的存在離不開氧氣和適宜的溫度?！啊┣虻厍颉且粋€(gè)重要的節(jié)點(diǎn)，歷經(jīng)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?！崩上虈f。硫酸鹽還原細(xì)菌和藍(lán)細(xì)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與風(fēng)化作用一起給地球降溫。雪球地球消融時(shí)活躍的微生物活動(dòng)，使得全球氧氣和二氧化碳濃度久而久之就會(huì)達(dá)到適宜程度，為生物出現(xiàn)創(chuàng)造有利條件。
專家認(rèn)為，“雪球地球”事件之后的環(huán)境，為真核生物的大發(fā)展帶來了契機(jī)，例如溫暖的淺海、空出的多樣化的生態(tài)位、富含無機(jī)營養(yǎng)鹽的海水、含氧量的升高以及生物遺傳物質(zhì)的快速變異，都可能是真核生物快速演化的重要條件。在我國南方地區(qū)發(fā)現(xiàn)的以多細(xì)胞真核生物為主體的“藍(lán)田生物群”“甕安生物群”，就是出現(xiàn)在馬里諾冰期之后。
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(shí)代。就好比是恐龍沒有絕滅，也許哺乳動(dòng)物，包括我們?nèi)祟愐膊豢赡苡薪裉斓姆睒s發(fā)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(fù)雜生命的快速演化，它是地球生命進(jìn)化史中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。
極端氣候深刻影響地球生物圈
除了斯圖特冰期和馬里諾冰期等全球性冰川事件，地球還發(fā)生過多次小冰期，比如奧陶紀(jì)冰期、石炭紀(jì)冰期、第四紀(jì)冰期等。每一次冰期都是重要的轉(zhuǎn)折節(jié)點(diǎn)，對(duì)地球生物圈和生存環(huán)境帶來了深刻的影響。
那么，歷史上地球的冷暖交替，對(duì)當(dāng)今世界所關(guān)注的全球氣候變暖問題有何借鑒意義呢？
“從長遠(yuǎn)角度來看，整個(gè)海洋和陸地系統(tǒng)最終會(huì)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，因?yàn)槲覀円呀?jīng)在40億年的地質(zhì)演化歷史上找到了證據(jù)。”郞咸國告訴記者，“但是在短時(shí)間內(nèi)，溫室效應(yīng)、全球氣候變暖等問題仍舊是我們不容忽視的。”
科學(xué)家認(rèn)為，首先地球具有強(qiáng)大自我調(diào)控能力。從太空遠(yuǎn)看，地球被蔚藍(lán)的海洋占據(jù)，海洋約占地球表面積的71%。海洋不僅能有效調(diào)節(jié)水汽循環(huán)，對(duì)大家耳熟能詳?shù)臏厥覛怏w二氧化碳也具有緩沖調(diào)節(jié)作用。
其次，歷史上地球大部分時(shí)間是溫室氣候?！氨热纾蠹叶贾揽铸埳畹陌讏准o(jì)，兩極甚至沒有冰?！编O咸國說，目前地球大氣二氧化碳濃度為400ppm左右，而小冰期結(jié)束時(shí)，地球大氣二氧化碳濃度可以達(dá)到1000ppm左右，說明目前地球還處于相對(duì)較冷的時(shí)期。
但也有專家認(rèn)為，目前地球正處在第四紀(jì)大冰期之末的間冰期（所謂間冰期就是兩個(gè)冰期之間相對(duì)溫暖的時(shí)期），或許會(huì)很快進(jìn)入下一個(gè)寒冷的冰期。
周傳明表示，全球性的極端環(huán)境變化使冰川事件前后的生物面貌發(fā)生了明顯的演替，這是地質(zhì)歷史發(fā)展過程不可阻擋的浪潮。劫難過后，地球依靠強(qiáng)大的自我調(diào)節(jié)能力，比如她的海洋系統(tǒng)、陸地風(fēng)化系統(tǒng)，能夠緩沖溫室氣體的增長或者其他自然環(huán)境條件的波動(dòng)，從而再現(xiàn)生物大繁榮。
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