地球曾有一床雪被子

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦

親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦

ヾ(=・ω・=)o

在公眾號主頁點選右上角,將我們『設為星標』,篇篇文章,新鮮好看~

本文約3500字,預計閱讀需要十分鐘。

我們知道,現在的地球從外太空看是一顆藍色的水球。但你是否也想過這樣一些問題呢?它一直都是這樣藍汪汪的嗎?在冬天,有的地方經常會下雪,而有的地方卻很少看到雪。那麼有沒有可能在某個時期,地球上各個角落都被冰雪覆蓋呢?帶著這些問題,讓我們走進前寒武紀新元古代,一起來看看關於地球「雪被子」的故事。

」的故事

1

「雪被子」的發現

新元古代是地球演化過程中經歷的一個十分有趣的地質時代。這一時期的地球像一個十幾歲的青年,朝氣蓬勃,菌藻類繁盛,動物化石也開始出現;又像戀愛中的女子,氣候不斷髮生著變化,忽冷忽熱;還有著躁動不安的內心,板塊動盪,大陸分裂。大約在7.5億年前,原本一整塊的羅迪尼亞超大陸分裂成兩半(圖1),打開了古大洋;北美洲往南向冰雪覆蓋的南極移動。羅迪尼亞大陸北半部大多數地區以逆時針的方向旋轉,向北穿越嚴寒的北極。在此後的兩億年間(7.5億到5.5億年前),地球發生了間斷性大規模的冰川事件。「雪被子」就是這一時期的一種現象。

圖1 羅迪尼亞超大陸裂解示意圖(來自網路)

圖1 羅迪尼亞超大陸裂解示意圖(來自網路)

在對新元古代研究過程中,科學家們注意到了很多奇特的地質現象:

1

許多冰川沉積物中含有碳酸鹽碎屑或直接被碳酸鹽巖覆蓋,像蓋了一頂帽子,稱之為蓋帽碳酸鹽巖。在地球科學上,冰期沉積代表著寒冷氣候,而碳酸鹽巖則指示溫暖環境,這一現象令人匪夷所思;

2

某些冰川單元出現了條帶狀鐵建造(英文簡稱BIF,是一種特殊的海相富鐵沉積岩,幾乎只產出於前寒武紀,具有特徵性的富矽-富鐵交錯條帶,圖2)條帶狀鐵建造在18億年前已經結束,而在十億年之後,全球性的條帶狀鐵建造沉積事件又重新出現。

3

碳同位素發生了強烈的負漂移,與前12億年相比變化十分顯著。(碳同位素值即δ13C=(13C:12C)樣本/(13C:12C)參照標準)-1,可以粗略地當作是13C與12C的相對比值大小,大部分學者認為碳同位素負漂是碳同位素快速漂移到負值並逐漸回返的過程)這個問題我們在後面會有詳細介紹。

古地磁證據也表明,至少在新元古代的兩個冰川期,冰面幾乎蔓延到達赤道。這讓我們不禁猜想,如果赤道都結冰了,全球範圍內肯定都已經成為冰川。這時的地球無疑相當於蓋上了一層雪被子。那麼新的問題又出現了:「雪被子」是怎麼形成的呢?它又是如何消失的呢?為什麼現在看不到了呢?

圖2 條帶狀鐵建造(來自網路)

圖2 條帶狀鐵建造(來自網路)

2

「雪被子」的形成與消失

為了解釋這些問題,1992年,Kirschvinck提出了雪球地球假說,Hoffman後來發展了這一假說。他們認為新元古代冰期期間海洋全部結冰,地球變成一個巨大的雪球,也就是我們所說的「雪被子」。

「雪被子」的形成原因為一種冰雪的反照率反饋效應:冰雪將大量太陽光反射——全球溫度變低——冰雪覆蓋面積擴大——太陽光反射速度不斷加快——全球表面溫度急劇降低,科學家稱之為反照率反饋效應的失控;同時,羅迪尼亞超大陸裂解,大陸邊緣面積擴大,使得岩石風化作用加快,消耗了大量二氧化碳,而二氧化碳作為一種溫室效應氣體,它的減少也會促進全球冰雪覆蓋。當地球被冰封后,海洋與大氣缺少氣體交換,使得海洋處在一個缺氧環境,這便可以解釋這一時期在海洋中因缺氧而產生的條帶狀鐵建造。

既然地球已經成為一個雪球,那麼地球又是如何將這頂雪球帽子摘掉的呢?這就是地球系統的調節作用了。此時,全球氣溫低至-50℃,整個海洋被完全冰封,地表水-氣交換受到嚴重阻礙,地表風化作用與海洋生物固碳作用停滯,導致火山噴發產生的大量CO₂在大氣中聚集。當大氣CO₂濃度達到當前濃度約350倍時,強烈的溫室效應便會引起全球冰蓋瞬間解體,最終導致冰川融化,「雪被子」就消失了。這樣的機制使得全球性的冰雪覆蓋和消融在較短時間內就可完成,可以想象如果當時站在外太空觀望地球,是怎樣一番神奇的景象!

圖3 地球逐漸被冰雪覆蓋(百度百科)

圖3 地球逐漸被冰雪覆蓋(百度百科)

3

「雪被子」的發現

在「雪被子」消失之後,一系列故事正悄然發生。我們的地球將「雪被子」褪去,蓋上了一頂「碳酸鹽」帽子,也就是之前所說的蓋帽碳酸鹽巖,且這層碳酸鹽中的碳同位素值明顯偏負。當然,隨之而來的還有生命的繁榮,要知道「雪被子」好看但卻不保暖,當時的生物就像冬眠一般沉沉睡去,靜等著機會來臨,「雪被子」的消失如同一把打開重生之門的鑰匙,一些動植物在雪被子消失之後迫不及待登上生命舞臺。關於這些故事背後的原因,讓我們跟著Hoffman去一探究竟。

3.1

「碳酸鹽巖」帽子

1998年,Hoffman對位於奈米比亞北部的剛果克拉通南部的Otavi組地層的一個碳酸鹽巖臺地做了研究,主要研究的地層包含Sturtian時代的兩個分離的冰期單元:Chuos和Ghaub組。(Sturtian:約760-700Ma,屬於成冰紀的一個時期,成冰紀共包括四次全球冰川事件:Sturtian、Varangian、Smalfjord、Mortesnes)兩個單元下為碳同位素值較高的厚碳酸鹽岩層,兩個單元之上被獨特的帽碳酸鹽巖覆蓋,上下之間的差異便記錄了碳同位素的負漂移。

圖4 Otavi組地層圖

圖4 Otavi組地層圖

碳酸鹽巖和有機碳是自然界碳的兩大儲庫,其餘為海水、大氣以及生物圈。海水和碳酸鹽巖中的 δ13C 一樣約為 0‰,大氣約為- 7‰,有機碳最低。而在快進入冰期時,碳同位素發生驟降,最小值達-6‰,直到蓋帽碳酸鹽巖之上 480 米處才回升至 0 ‰ 。整個負 δ13C 漂移佔據了臺地碳酸鹽巖剖面約 500 米。

Otavi組中的δ13C值的變化趨勢與雪球假說一致。Hoffman對碳同位素在冰期前後的碳同位素變化進行了解釋,認為碳同位素之所以會發生負漂,是因為有機碳埋藏通量的減少。因為生物優先利用輕碳,所以有機碳主要富12C,而碳酸鹽巖富13C,冰川沉積之前的有機碳佔總碳埋藏的比例約為0.5,冰川沉積之後約為0。這與雪球地球的假說也是一致的,按照「雪球地球」的假設,冰層會遮擋陽光,海洋光合作用將在數百萬年裡嚴重減少,有機碳埋藏量減少,引起δ13C負漂。

那麼,雪被子消失花了多長時間呢?

根據Caldeira 和 Kasting 估計,現代從火山輸入的二氧化碳需要約0.12bar(巴,一種常用氣壓單位,英文簡寫:bar)的大氣來克服雪球反照率並導致融化。這一估計意味著,在沒有大氣-海洋氣體交換的情況下,冰期將以陸上火山活動釋放二氧化碳的現代速率持續約4個百萬年。如果通過海冰之間的裂縫存在部分氣體交換,時間將會延長。在新元古代,由於太陽光度較低,以及碳酸鹽的遠洋沉積減少,雪球冰期的持續時間會更長,這也將降低匯聚板塊邊緣火山CO₂的釋放速率。最大持續時間為30個百萬年,那麼Hoffman估計的Otavi組同位素漂移的持續時間為9個百萬年,在此範圍內。

圖5 Otavi組δ

圖5 Otavi組δ13C負漂移

還有一個問題,這樣厚的蓋帽碳酸鹽巖又是怎麼形成呢?

關於蓋帽碳酸鹽巖的形成,需要考慮三個因素。碳和鈣的濃度以及鹼度。由於大洋中脊熱液活動和玄武岩低溫蝕變作用,海水的Ca/Mg比值增加;大氣CO₂壓力從0.12 bar減少到0.001bar(從終端雪球條件到正常新元古代值)將提供約2.5 *1020克碳,如此多的碳含量將產生8 * 105立方千米的碳酸鹽巖,它們如果平鋪到現在大陸地殼有五米之厚!

如果沒有河流的鹼度輸入,碳酸鹽巖在大洋中脊火山活動CO₂輸入的驅動下會溶解到深海中。但在冰雪融化的過程中,氣候溫暖、高含量的CO₂和強大的水文循環促使了強烈的大陸風化,這使得河流的鹼度升高,大量鹼質被輸入到海洋。另一方面,海洋表面與高濃度CO₂之間進行氣體交換。充足的鈣和CO₂所以形成了碳酸鹽岩層(碳酸鈣),過高的鹼度也抑制了碳酸鹽的溶解,這使得海底碳酸鹽過飽和。由此,形成巨厚的碳酸鹽岩層就不足為奇了!

3.2

打開重生之門——

埃迪卡拉紀生命大爆發

「雪被子」消失之後,在冰川封閉的海洋中倖存下來的生命開始「覺醒」,極端的溫室環境下,生物種類和數量都發生飛躍式增長。許多主導新元古代生物圈的原核生物蓬勃發展,真核生物門(包括紅藻、綠藻等)在新元古代晚期進化,疑源類微體化石群頻繁更替,一場期待已久的生命繁榮由此拉開序幕。

地球科學家如何從地球中發現生命大爆發的證據,這就需要我們另外展開講解了

有獎問答

我們在這裡準備了幾個與本文密切相關的問題,大家可以通過留言回答。前三位全部答對者可以獲得石頭科普工作室定製的帆布包一個哦~(文章發佈後24小時內作答有效;24小時後將在評論區精選所有作答的評論,並公示中獎者)

  1. 雪球地球假說是誰先提出的?

  2. 雪被子是怎麼形成的呢?

  3. 文中Hoffman關於碳同位素負漂移的研究區是在哪裡?

大家快來踴躍作答吧~

Reference

Reference

[1] Paul F. Hoffman,Alan J. Kaufman,Galen P. Halverson,Daniel P. Schrag. A Neoproterozoic Snowball Earth[J]. Science, 1998, 281(5381).

撰稿: 若魚

美編:怪伽cc

近期文章

全球變暖,地質學如何助力「雙碳」目標?

北半球熱浪大聯動,高溫紀錄看到麻木?

雷達回波上的圓環

——零度層亮帶

鹹吃蘿蔔鹽操心

——川蜀井鹽

石頭科普工作室出品

相關文章

什麼?火山底下的岩漿網是這樣的?

什麼?火山底下的岩漿網是這樣的?

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...

生靈有倒懸之急?地磁反轉的真相

生靈有倒懸之急?地磁反轉的真相

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...

聽說地震也有「密集恐懼症」?

聽說地震也有「密集恐懼症」?

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...

神奇分子在哪裡之——長鏈烯酮

神奇分子在哪裡之——長鏈烯酮

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...

「吃」銅的草你見過嗎?

「吃」銅的草你見過嗎?

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...

玩陀螺嗎?地球那麼大的哦

玩陀螺嗎?地球那麼大的哦

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...

兩位諾獎得主的悲慘人生

兩位諾獎得主的悲慘人生

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...

特提斯,神秘的語境

特提斯,神秘的語境

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...

吃鈣片嗎?能看見地球演化的那種

吃鈣片嗎?能看見地球演化的那種

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...

礦物顏料那些事——熠熠金輝

礦物顏料那些事——熠熠金輝

✦✦ 為我們點亮小星星吧 ✦✦ 親愛的觀眾朋友們,喜歡我們的文章的話,請為我們點亮小星星哦 ヾ(=・ω・=)o 在公眾號主頁點選右上角,將我...