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(guò)的真實(shí)事件。
近日,由中國(guó)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(guò)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(guó)際地學(xué)著名期刊《地質(zhì)學(xué)》上。
被稱(chēng)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(guò)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(wèn)題走訪(fǎng)了中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所相關(guān)專(zhuān)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(guó)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(guò)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(wàn)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(chēng)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?！敝軅髅髡f(shuō)到。
根據(jù)“雪球地球”假說(shuō),在“雪球地球”事件過(guò)程中,雖然地表氣溫存在“冷—熱”的變化與波動(dòng),但是長(zhǎng)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(lái)。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(guó)內(nèi)外研究專(zhuān)家對(duì)“雪球地球”的結(jié)束開(kāi)展了大量的工作,但是一直以來(lái)高精度的數(shù)據(jù)還比較缺乏,尚不足以證實(shí)假說(shuō)。
此次,中美聯(lián)合研究組通過(guò)我國(guó)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(lèi)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(lái)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?！敝軅髅髡f(shuō)。
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(lái)”,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(guó)博士與北京大學(xué)沈冰研究員等人對(duì)我國(guó)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。”郎咸國(guó)說(shuō),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(kāi)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?guó)說(shuō)。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(zhuān)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(lái)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(wú)機(jī)營(yíng)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(guó)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(méi)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(méi)有絕滅,也許哺乳動(dòng)物,包括我們?nèi)祟?lèi)也不可能有今天的繁榮發(fā)展。
因此,從客觀上來(lái)看,這一極端的寒冷事件促使了地球早期簡(jiǎn)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(guò)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(lái)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(wèn)題有何借鑒意義呢?
“從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)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)?！编O咸國(guó)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(wèn)題仍舊是我們不容忽視的?！?/p>
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?大家都知道恐龍生活的白堊紀(jì),兩極甚至沒(méi)有冰?！?郞咸國(guó)說(shuō),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(shuō)明目前地球還處于相對(duì)較冷的時(shí)期。
但也有專(zhuān)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(guò)程不可阻擋的浪潮。劫難過(guò)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(zhǎng)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。
