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“雪球地球”气候一直是寒冷的吗?还真不一定

来源:中央气象台发布时间: 2018-06-19 17:46
在距今6-7亿年前的成冰纪,地球经历了两次全球性的冰川事件,分别为斯图特(Sturtian)冰期和马里诺(Marinoan)冰期。在这两次冰川事件过程中,地表系统遭受极端寒冷气候的洗礼,全球海洋完全冰冻,地表冰盖厚度达到上千米,这种全球性的冰川事件被称之为“雪球地球”。
“雪球地球”状态持续时间长达数千万年之久,代表了地质历史上最严重的冰室气候事件。
然而,在“雪球地球”期间,气候一直是寒冷的吗?中国科学院南京地质古生物研究所等的最新研究却发现,这还真不一定!
故事需要从头说起。
成冰纪冰期事件研究始于19世纪。1871年,英国地质学家 James Thomson 发现了冰川沉积记录,首次认识到成冰纪存在冰川事件。随后,成冰纪冰川记录在多地相继被发现报道。但是,由于当时“大陆漂移学说”并不被地质学家们所接受,因此成冰纪冰川事件并不被认为是一次全球性冰期
一个世纪以后,1992年,加州理工学院 Joseph Kirschvink 发表短文,认为成冰纪冰川作用波及到赤道地区,并提出了“雪球地球”的概念。
随后,哈佛大学 Paul F.Hoffman 对“雪球地球”假说进行了修订,认为距今6-7亿年前的成冰纪冰期过程中,全球海洋被完全冰封。
 
“雪球地球”假说认为,在成冰纪极端冰期过程中,全球气温低至-50℃,整个海洋被完全冰封,地表水-气交换受到严重阻碍,地表风化作用与海洋生物固碳作用停滞,导致火山喷发出的大量CO2在大气中聚集。当大气CO2浓度达到当前浓度约350倍时,强烈的温室效应,便会引起全球冰盖瞬间解体。
“雪球地球”假说得到了岩石学证据支持,包括冰期地层内条带状铁矿层的出现和全球性盖帽碳酸盐岩沉积。
然而,2000年,德克萨斯A&M大学Hyde,W。T。等对“雪球地球”进行了气候模拟研究,结果发现“雪球地球”过程中的海洋并非完全封闭,在低纬度赤道地区存在开阔海环境。
随后,2007年,多伦多大学 W.Richard Peltier 通过对“雪球地球”进一步的研究发现,成冰纪全球冰期启动后,全球平均气温的降低会大大提高海洋的通风效率,加剧海洋深部水体存在的溶解有机碳库的再矿化,缓冲大气CO2浓度,从而阻止全球冰封海洋的出现,因此那时海洋应存在或者季节性存在开阔海环境。
此外,气候模拟显示地表平衡状态下,大气CO2浓度很难达到10万ppm以上,“雪球地球”的解体所需要的大气CO2浓度很难实现,也使得“雪球地球”假说受到广泛质疑。
2018年,中国科学院南京地质古生物研究所郎咸国博士与北京大学沈冰研究员等人对我国华南成冰纪马里诺冰期沉积记录—南沱组地层进行了系统的沉积学研究,恢复了“雪球地球”的冰川动力学过程。
研究发现“雪球地球”过程中的全球海洋,并非处于完全冰冻,而是存在开阔水域,并提出雪球地球过程中的气候存在明显的冷暖波动。研究成果已于近期发表在国际地学期刊《前寒武纪研究》(Precambrian Research)上。
该研究对华南地区马里诺冰期沉积地层进行研究,覆盖浅水环境、斜坡相以及深水盆地环境的多个野外地质剖面,通过详细的沉积相分析,总结出3个不同的沉积类型:冰川近缘沉积、冰川远缘沉积以及非冰川沉积。
该研究根据沉积变化特征恢复了“雪球地球”的冰川动力学演化过程,发现马里诺冰期存在多次冰进-冰退旋回,表明“雪球地球”过程中的气候变化是动态的。在冰川动力学研究基础上,识别出两次冰川发育鼎盛期。南沱组中部存在的细粒碎屑岩及碳酸盐岩夹层,代表了两次冰盛阶段之间的冰川消融期。南沱组顶部的含砾粉砂岩或粉砂岩沉积则表明Marinoan冰期的消融要早于盖帽碳酸盐岩的沉积。
该项研究工作表明,成冰纪马里诺冰期过程中的海洋并非处于完全冰封的状态,而是存在开阔海域,冰期过程中的气候也存在冷暖波动。
该研究为正确认识成冰纪马里诺极端冰期事件提供了重要科学依据。同时该研究成果对于正确认识“雪球地球”冰期,具有重要的科学意义。