[圖文]最新地質學證據表明:地球曾經是個『雪球』













褐紅色的冰川時期沈積物表明,這片加拿大火山岩曾經在7億年前被冰川覆蓋,而7億年前它的位置在赤道附近。


地球歷史上曾多次出現過氣候異常的時期,比如5500萬年前,地球的平均氣溫迅速上昇了9℃,成為了地球歷史上最熱的時期之一;2.1萬年前,北美和歐洲的大部分地區被厚達2公裡的冰層覆蓋,並且導致海平面下降了120米之多……而地球歷史上最極端的氣候時期,很可能屬於6億或7億年前的『雪球地球』。


3月5日的《科學》雜志刊登了美國哈佛大學的地球學家麥克唐納與其合作者的一項研究。在這項研究中,他們對加拿大的一些夾在冰川沈積物之間的火山灰進行了精確的同位素定年,認定這些冰川沈積物是在大約7.16億年前沈積的。通過進一步的對比,他們還確定在7億多年前這些沈積物並不像今天這樣接近北極圈,而應該在赤道附近,也就是說當時的冰川來到了赤道附近。這無疑為『雪球地球』的假說提供了新的地質學方面的支持。


冰川到達赤道地區


1987年,加州理工學院的古地磁學家科什溫克將一塊石頭交給他的研究生桑尼進行學位論文的研究。這塊略帶紅色、由非常細的沙粒組成的石頭采自澳大利亞南部的弗林德山脈,沈積學研究表明它是在淺海環境下沈積形成的。桑尼經過仔細地反復確認,最終獲得的研究結果讓科什溫克很驚訝,古地磁研究表明這塊岩石居然最早產生於赤道附近。這塊石頭是從一套距今6億-8億年前的雜礫岩中獲得的,這些雜礫岩中夾有大小不等的礫石,礫石上還有被摩擦的痕跡,這被認為是經過了冰川搬運的結果。如果它最早位於赤道附近,豈不是說明當時的冰川到達了赤道地區的海平面?


早在1964年,劍橋大學的地質學家哈蘭德就對全球范圍內6億-8億年前的新元古代的冰川沈積物進行了研究,他提出在全世界各個大洲都有這個時期的冰川沈積物,比如澳大利亞、阿曼、北美、非洲和中國南方等,說明這一時期的冰川可能是全球性的。哈蘭德同時還通過簡單的地磁學分析指出,這樣的冰川可能推進到赤道附近。但是在當時,古地磁學的研究方法還不完善,板塊運動學說也剛剛被接受,因此他的學說並沒有獲得廣泛的支持。在我國南方,老一輩地質學家也注意到了這一時期的冰川沈積物,劉鴻允先生就曾建議將這一冰期事件稱為『南華大冰期』。


經過更多的細致研究和證據挖掘,科什溫克於1992年首次提出了『雪球地球』假說,認為在大約6億-8億年前的新元古代,曾有全球性冰期作用一直推進到赤道附近的海平面,這意味著地球變成了一個名副其實的『冰雪之球』。1998年,哈佛大學的霍夫曼教授和他的合作者們進一步發展了『雪球地球』假說,認為『雪球地球』時期的海洋都會被冰凍,冰蓋一直推進到赤道附近,冰蓋的平均厚度能達到1公裡,全球氣溫下降到大約零下50攝氏度左右。這樣的嚴酷氣候能夠持續數百甚至上千萬年。


在『雪球地球』假說中,冰期並不是只有一次,而是有多次。這就像『第四紀大冰期』那樣,非常寒冷的氣候並不是一直在持續,它可能包括好幾個寒冷的冰河時期,而在這些冰河時期之間其實還存在著相對溫暖的『間冰期』。地質學家們在全球范圍內尋找能夠代表新元古代冰期事件的沈積物,發現在新元古代最多可能出現了四次嚴寒的冰期,它們按照時間先後分別是凱噶斯冰期、司圖特冰期、馬林諾冰期和噶斯奇厄斯冰期。在這些冰期中,目前只有司圖特冰期和馬林諾冰期被證實具有全球性的分布,而凱噶斯冰期和噶斯奇厄斯冰期只在世界上少數地區纔有發現。因此,現在通常所說的『雪球地球』事件更多地指司圖特和馬林諾這兩次冰期,在這兩次冰期之間也存在著長達數千萬年的相對溫暖的『間冰期』。在我國的『南華大冰期』中,也能夠看到前後兩次冰期,時間上恰好與司圖特冰期和馬林諾冰期相對應。


近年來,地質學家們對新元古代冰期沈積物中的火山灰進行了大量研究,利用火山灰中鋯石的鈾和鉛同位素的比值進行年齡測定。通過對非洲、澳大利亞、北美、中國、阿曼等多個地方的研究對比,馬林諾冰期結束於6.35億年前。加上最近麥克唐納的研究成果,基本限定了『雪球地球』的時間就在7.16億年到6.35億年前之間。


『雪球』是如何產生的


地球是如何變成被冰雪覆蓋的『雪球』的,一直以來眾說紛紜。有人提出,當地球繞太陽公轉的時候,遇到一個特別厚重的雲層,裡面的塵埃粒子大量進入地球的大氣層,阻擋了陽光的熱輻射,於是地球溫度就會下降,並最終形成『雪球地球』;也有人認為是小行星或者彗星的撞擊激起大量塵土遮天蔽日,最後導致『雪球地球』的形成。還有人認為,地球是否寒冷,取決於地表接受太陽輻射的強度。現代冰川作用主要局限於高緯地區,就是因為那裡太陽輻射弱。如果在新元古代時地球的地軸發生傾斜,赤道面和黃道面的夾角變化到54°到126°之間,那麼氣候的分帶特征將和今天的地球相反,即冰川作用將局限於中低緯度,而極區則不出現冰蓋,這就能解釋為什麼當時在赤道附近有冰川出現。這些假設都極具想象力,但長期以來並沒有更多確鑿的證據支持,於是更多的科學家們願意在地球系統內部來尋找『雪球地球』的成因。


列寧格勒地球物理天文臺的地球物理學家布迪科在上世紀60年代提出的『冰川災變』模型首先吸引了科什溫克的注意。太陽光能是地球能量的主要來源,而地球上的冰雪覆蓋會像鏡子那樣把太陽光反射出去。『鏡子』越大,反射的太陽光越多,地球的溫度就會越低。現代地球的冰雪覆蓋主要在極地附近,范圍比較有限,所以這種效應並不明顯。如果兩極的冰雪覆蓋增加到一定程度的話,導致地球溫度明顯下降,就會使冰雪覆蓋隨之增加;這樣使反射的太陽光進一步增加,溫度進一步下降……最終形成一個溫度持續下降的『惡性循環』。布迪科認為,如果冰雪覆蓋到南北緯30°左右的時候,地球的氣候系統就會失去控制,冰雪就會一直覆蓋到赤道附近,形成『雪球地球』。


新的問題出現了,因為類似的大災難在其他星球曾經發生過,而且不可逆轉。為什麼地球最終沒有像其他星球那樣造成無法逆轉的悲劇呢,即地球最終是怎麼從『雪球』中解脫出來的呢?又是什麼最早觸發了地球兩極冰蓋的擴張,導致『冰川災變』最初開始的呢?科什溫克以及後來的霍夫曼等人找到了解決這些問題的一個關鍵,即大氣中的溫室氣體二氧化碳的變化。


地球的板塊在不斷地運動,各大陸在地球歷史中也經歷了多次的分分合合。大概在9億年前,地球上的各個大陸在赤道附近結合成一個新的大陸,我們稱為『羅迪尼亞』超大陸;而到了8.2億年前左右的時候,被稱為『超級地幔柱』的一次巨大的火山事件使『羅迪尼亞』超大陸再次發生裂解。如果我們把一個圓分成好多塊,它的總周長一定會增加;按照霍夫曼等人的理論,超大陸的裂解也會使各個大陸的海岸線大大增加,更長的海岸線使海洋能夠接受到更多來自大陸的營養物質,海洋中的微生物和藻類會更加繁盛。通過光合作用,微生物和藻類會將更多的二氧化碳轉化為有機體並埋藏在地下。這樣的轉移使大氣中的二氧化碳含量迅速減少,導致地球產生『冰室效應』。地球溫度下降就有可能進一步驅動『冰川災變』,使氣候失去控制並最終形成了『雪球地球』。


在『雪球地球』時期,因為被冰雪覆蓋,地球上生物的光合作用和岩石風化作用都幾乎完全被終止;只有火山活動仍保持著活躍的狀態,持續向外釋放大量的二氧化碳。經過長達數百萬年的積累,當大氣中的二氧化碳足夠強大——其濃度大概達到現代大氣的350倍的時候,地球上就會出現『超級溫室效應』,使『雪球地球』迅速融化。據估計,在『雪球地球』融化的時候海洋溫度能夠達到50℃以上。


對於溫室氣體的變化,也有人提出不同於霍夫曼等人的理論。法國國家科學研究中心的唐納狄歐與他的合作者認為,『超級地幔柱』會在赤道附近形成大規模的玄武岩。玄武岩是一種火山岩,比較容易和大氣中的二氧化碳反應發生風化。經過大量的數學模擬,他們認為如果『超級地幔柱』能夠在赤道附近產生800萬平方公裡的玄武岩,那麼僅僅這些玄武岩的風化作用就將大大消耗大氣中的二氧化碳,完全能夠在短期內將大氣的二氧化碳濃度降至0.025%左右。當時的太陽輻射比現在要弱,所以這就能夠觸發『冰室效應』,並最終導致『雪球地球』產生。


『雪球』,還是『半融雪球』?


『雪球地球』假說成功地解釋了很多地質現象。比如,在新元古代冰期沈積物中,廣泛地出現一種叫做『條帶狀磁鐵礦』的鐵礦層。這種鐵礦主要出現在20億-30億年前,是今天地球上最重要的鐵礦資源,澳大利亞和巴西采集的鐵礦石主要就是這類鐵礦。


雖然有一系列證據支持『雪球地球』假說,它也還受到了很多的挑戰。這其中最主要的是,當時整個地球真的完全被冰層所覆蓋嗎?如果是那樣的話,生命又是怎麼在這麼嚴酷的條件下幸存下來?有很多科學家認為所謂的『雪球地球』,不過是一次大的冰河事件。他們認為,當時在赤道地區的確有一些冰雪覆蓋,但是還有很多水域其實並沒有結冰,海洋還保持著與大氣的連通。他們稱這樣的地球為『半融雪球地球』。


倫敦帝國學院的地質學家艾倫在新元古代的冰期沈積岩中發現了一些波紋狀的痕跡,這被認為是反對『雪球地球』的有力證據。在沈積岩形成的初期,如果周圍的水體發生波動,就會在沈積岩中留下波痕的記錄。艾倫認為如果當時的海面完全被冰雪覆蓋,水體應該是非常安靜的,不會在海底的沈積岩中留下痕跡;只有海面是開闊的,受風力產生波紋,水下的沈積岩纔會留下這樣的波紋印記。


德國申根堡研究所的米切爾斯對當時的氣候變化進行了一個模擬實驗,結果也支持『半融雪球地球』。他們發現,如果當時是一個完全冰封的『雪球地球』,赤道附近的氣溫可能在零下45℃左右,而兩極的氣溫將低至零下70℃以下。正常情況下,二氧化碳在零下56.6℃就會變成液體,在零下78.48℃就會變成固體。可以想象,如果兩極的溫度達到零下70℃以下,二氧化碳將變成液體或者固體,那麼大氣很難保持高濃度的二氧化碳,無法形成有力的『溫室效應』,『雪球地球』將不再融化。另一方面,如果當時是一個『半融雪球地球』的話,兩極的氣溫可能達到零下50℃左右,而赤道附近的氣溫還保持在零度以上。這樣的結果不但滿足了赤道附近的水域不會完全結冰,同時也保證兩極大氣中二氧化碳不被液化或固化,確保這個『半融雪球地球』最終能夠因為『溫室效應』而融化。


『雪球』和『半融雪球』假說都有各自的優點和缺點,它們的爭議一時還難以分出高下。霍夫曼在2009年提出了『泛冰期』的概念。這個概念源自1926年英國氣象學家布魯克斯對地球的氣候狀態的劃分,他將地球的氣候狀態分為『無冰期』和『含冰期』:『無冰期』是指在地球兩極都沒有冰蓋的時期;『含冰期』是指在地球的高緯度地區具有一定范圍的冰蓋,就像今天的地球。霍夫曼提出,新元古代的冰期不同於這兩種氣候狀態,應該稱為第三種狀態『泛冰期』,即全球的高、中、低緯度都有冰蓋。


『泛冰期』並沒有從根本上解決『雪球』和『半融雪球』的爭議,但是卻向我們提供了一個重要的信息,即無論是『雪球』還是『半融雪球』,新元古代的這次全球性冰期事件是地球歷史上絕無僅有的一次嚴寒氣候。這樣極端的氣候變化,必然為地球系統帶來深刻的變革——也包括地球上的生命。
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