新元古代雪球地球——全球极端环境变化状态

史晓颖

全球变化与环境问题是当前地球科学领域的前缘性重大研究课题，与人类社会和经济发展具有密切的关系，已经引起了科学界和政府的高度重视。 人类活动和社会工业化对自然环境造成的破坏和影响是巨大的，但从相对长期的历史发展和演化过程看，地质过程对全球变化的重大影响和控制作用更为深远。

新元古代末是地球表层环境发生剧烈变动的历史时期，由于地球各圈层的相互作用，发生了一系列重大地质事件，构成了地球演化史上一个重大的转折期。 伴随着岩石圈、水圈、生物圈与大气圈的重大变化，地球系统演化完成了由隐生宙向显生宙的转折，进入了一个新的历史阶段。 伴随着新元古代RODINIA超大陆的形成与裂解（Hoffman，1999；Powell，2001，2003），地球表层环境系统发生了重大变化，出现了由极端冰室状态的“雪球地球”（Snowball Earth，Hoffman等，1998a，b，2000，2002）向极端温室状态（Shrag等，2002；Halverson等，2002）的转化，与此同时出现了大幅度的碳、氧、锶同位素波动以及全球性海进、缺氧沉积和富稀土元素的暗色页岩形成。 在冰期后迅速相继出现以瓮安动物群为代表的多细胞生物、Ediacara为代表的宏体后生动物和澄江动物群为代表的两侧对称具壳生物群，构成了地质历史上生物圈演化最重大的爆发与辐射事件。

新元古代“雪球地球”最早由Kirshcinke（1992）提出，但没有引起重视与反响。 Hoffman等（1998a，Sci.281：1342）根据新的研究成果，并在Kirshcinke（1992）的基础上形成了较系统的新元古代雪球地球的假说与理论（Hoffman等，1998b，1999，2000，2002）。 雪球地球假说认为在新元古代晚期750～590Ma期间，地球至少出现了两次极端的冰冻状态：包括海洋在内的地球表层覆以厚达500～1000m的冰层，每次冰期延续时间长达数百万年。 导致全球表层温度下降到-50℃、海洋极度缺氧，大陆上的风化作用终止，海洋内生态系统崩溃，致使除很小的简单细菌与个别低等藻类生物外，几乎所有的生物遭到灭绝。 雪球地球状态的消失是由于RODINIA超大陆的持续裂解过程中火山活动排放的CO2在大气中积聚达到现代350倍浓度，导致温室气候所致。 随着大气高浓度CO2向海洋的传输，碳酸钙快速沉淀于热带海洋中，产生了全球性广布的盖帽碳酸盐岩。 地球极端的冰室与温室状态，对生物圈演化产生了重大影响，同时也促进了生物基因的变异。 在极端冰室与温室气候结束之后，生物圈出现了重大的变革，导致一系列的生物爆发与辐射。

“雪球地球”假说最重要的地质依据包括：①新元古代晚期出现至少两期近于同时的全球性广布的冰碛岩，特别是低纬度赤道地区近海平面高度的大陆冰川沉积；②与冰碛岩共生交互的条带状红色铁岩沉积（BIF）；③恰在冰碛岩之上出现了全球性广布的标志性盖帽碳酸盐岩，这种碳酸盐岩具有特殊的沉积结构与快速沉积的特征；④在冰碛岩上、下的碳酸盐岩中碳同位素成分出现了很大的异常变化，其下的碳酸盐岩中具有高的碳同位素值，δ13C为5‰～9‰，而其上的碳酸盐岩中C13极度亏损，δ13C变为-5‰～-95‰。 这种特殊的碳同位素配置在全球各地均有一致的变化特征，是地质历史上最显著的碳同位素波动期之一。

关于雪球地球的成因目前仍在积极的探索之中。 Hoffman等（2000，2002）、Shrag等（2002）、Halverson等（2002）倾向于认为，新元古代特殊的大陆配置是性冰川启动的根本性边界条件；冰反射反馈（Ice-albedo feedback）的启动是全球性冰川形成的重要机制；而火山排放CO2在大气圈的高浓度积聚是导致雪球状态消失、进入短暂极温室气候的根本原因。 显然地质过程对全球变化极端状态的形成具有重要控制作用。

雪球地球假说的提出以及对这个时期地质特征的多视角研究极大地促进了多学科的相互结合，也引起了人们对全球变化极端状态的重新认识和思考。 虽然目前有关“雪球地球”的起因（Jenkins等，1998，1999；Williams等，1999，2002）、某些地质现象的解释（Condon等，2002；Farquhar等，2002）以及是否存在热带开放海域（Prave等，1999，2001；Hyde等，2000；Runneagar等，2000；Lubrick，2002）等重要问题还存在明显的分歧，但对于这个突变期出现过极端全球变化并对地球表层系统演化产生了重大影响是肯定的

尽管雪球地球假说的提出比较合理地解释了长期以来一直使人迷惑不解的众多新元古代晚期的地质现象，但有关雪球地球理论中的若干重要科学问题仍然存在着激烈的争论。 这些争论的问题内容广泛，其中相当一部分已经超出了地质学本身的范围；但同时也促进了地球科学更加广泛的研究内容和多学科的相互结合。

一个重要的争论问题是：广布的冰川是否就一定意味着雪球地球？相当一部分研究者认为新元古代晚期大冰期是存在的，但不一定是一种全球性的极端冰冻状态，可能至少热带低纬度地区存在着开放的海洋-SLUSH BALL模式。 这样的状态可能从生物进化的角度来看更加能够合理地解释在冰后期出现的生物演化大爆发与辐射。 另一个重要的争论问题是雪球地球的起因。 一部分学者认为低纬度冰川可由地球轨道变化的高斜率所引起，不必求助于雪球地球的理论。 也有学者提出冰碛岩之上的盖帽碳酸盐岩的同位素异常可能由于冰后期巨量甲烷的释放所造成，不一定代表火山排放CO2在大气中的高度积聚所导致的雪球状态快速解脱。 其他争论的问题涉及面甚广，包括地球化学、地球物理、生物学、沉积学、地层学以及冰川学与气候学等多个学科的各个方面的问题以及对多种地质证据的认识和解释。

从近几年有关地质时期几个重大的急剧全球变化研究来看，其主要原因似乎均与全球碳循环，特别是CO2、CH4等温室气体的作用有直接关系。 但引发碳循环与大气变化的重要原因则明显地在与不同圈层的相互作用过程与某些突发性地质事件相关联。 估计在今后一段时间内，有关古全球变化的研究重点可能在于对地质转折期极端变化的诱发因素以及这种极端变化与地球表层系统环境的相互作用研究方面。 这方面的研究必将会对当代全球变化的研究产生重要的影响，并促进不同学科的相互结合，也必将会推动以地球系统科学的观点来重新审视地质突变期在地球演化过程中的重要作用。

参考文献

Evans D A D.2000.Stratigraphic，geochronological and paleomagnetic constrains upon the Neoproterozoic climatic paradox.American Journal of Science，300：347～433

Halverson G P，Hoffman P F，Schrag D P，Kaufman A J.2002.A major perturbation of the carbon cycle before the Ghaub glaciation（Neoproterozoic）in Namibia：Prelude to snowball earth？Geochem Geophys Geosyst，3（6）：10.1029/2001GC000244

Hoffman P F，Kaufman A J，Halverson G P，Schrag D P.1998a.A Neoproterozoic snowball earth.Science，281：1342～1346

Hoffman P F，Schrag D P.2002.The snowball earth hypothesis：testing the limits of global change.Terra Nova.14（3）：129～155

Hyde W T，Crowley T J，Baum S K et al..2000.Neoproterozoic“snowball earth”simulation with a coupled climate/ice-sheet model.Nature，405：425～429

Kennedy M.J.，Nicholas Christie-Blick，and Linda E.Sohl.2001.Are Proterozoic cap carbonates and isotopic excursions a record of gas hydrate destabilization following Earth's coldest intervals？.Geology，29（5）：443～446

Paplov A A，Kasting J F，Brown LL，et al..2000.Greenhouse warmong by CH in the atmosphere of Early Earth.Jour Geophys Research，105：11981～11990

Schrag D P，Berner R A，Hoffman PE，Halverson G P.2002.On the initiation of a snowball earth.Geochem.Geophys Geosyst，3（6）：10.1029/2001GC000219

关于kirsh的内容到此结束，希望对大家有所帮助。

下一篇：山楂子的功效作用 山楂子的功效作用及食用方法介绍
上一篇：立案决定书需要被害人签字吗？不签字可以吗？