7億年前“雪球地球”如何解凍？科學家找到證據(jù)

1989年2月建站的中國南極中山站，位于南緯69度22分、東經(jīng)76度22分，地處南大洋普里茲灣東南沿岸、東南極大陸拉斯曼丘陵，與俄羅斯進步站毗鄰。新華社記者 劉詩平 攝

千里冰封、寒氣逼人，蔚藍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》中的科幻場景，而是現(xiàn)實世界的確發(fā)生過的真實事件。

近日，由中國科學院南京地質古生物研究所周傳明研究員領導的新元古代研究團隊，通過對華南成冰紀兩段地層的高精度年齡測定，精確限定了成冰紀斯圖特冰期和馬里諾冰期的結束時間，為新元古代冰川消融的瞬時性和全球等時性提供了直接證據(jù)。該研究發(fā)表于國際地學著名期刊《地質學》上。

被稱為“雪球地球”這一地質史最嚴重冰室氣候事件是如何發(fā)生的？歷史上地球還遭遇過哪些比較嚴重的冰室氣候事件？研究這些極端氣候事件，對現(xiàn)在面臨的溫室效應有什么借鑒意義？科技日報記者帶著問題走訪了中國科學院南京地質古生物研究所相關專家。

超級大陸裂解導致氣溫驟降

“雪球地球”即全球冰凍現(xiàn)象，是20世紀90年代初美國科學家約瑟夫·科什文克提出的概念，它在地球歷史中至少出現(xiàn)過3次。

科學界認為，在距今6至7億年前的成冰紀，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，冰蓋厚度可達上千米。這一狀態(tài)持續(xù)了數(shù)千萬年之久，是地質歷史上最嚴重的冰室氣候事件，當時的地球也因此被稱為“雪球地球”。

“關于斯圖特冰期成因，根據(jù)現(xiàn)有研究表明，是羅迪尼亞超大陸裂解時，強烈的化學風化作用消耗了大量的二氧化碳，導致氣溫急劇下降。”周傳明說到。

根據(jù)“雪球地球”假說，在“雪球地球”事件過程中，雖然地表氣溫存在“冷—熱”的變化與波動，但是長期嚴寒條件，致使海洋完全冰封，地表水-氣交換嚴重受阻，地表風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。當二氧化碳濃度達到現(xiàn)代濃度的350倍左右時，面對強烈的溫室效應，全球冰蓋再也支撐不住，瞬間瓦解。

此前，國內(nèi)外研究專家對“雪球地球”的結束開展了大量的工作，但是一直以來高精度的數(shù)據(jù)還比較缺乏，尚不足以證實假說。

此次，中美聯(lián)合研究組通過我國華南地區(qū)兩個成冰紀地層中的高精度沉積物測年，為“雪球地球”的結束精確地測定“年齡”。研究人員對貴州東部地區(qū)一處斯圖特冰期之上的沉凝灰?guī)r樣品進行測年，得到斯圖特冰期的結束時間為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行的類似測年結果基本一致，表明馬里諾冰期結束于距今6.35億年前。

“來自華南的年代地層學數(shù)據(jù)，與此前其他地區(qū)的測年研究吻合得很好。這進一步證實了‘雪球地球’的結束是全球同步發(fā)生且進展十分迅速的。”周傳明說。

冰室氣候事件推進生物快速演化

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”，科學家研究發(fā)現(xiàn)，嚴酷的冰川事件竟然成為地球生物演化的重要推手。

2018年，新元古代研究團隊成員郎咸國博士與北京大學沈冰研究員等人對我國華南成冰紀馬里諾冰期沉積記錄—南沱組地層進行了系統(tǒng)的沉積學研究。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、圓球狀的結核形成于冰川消融時的海洋，記錄著重要的地質信息。

“海洋中的硫酸根離子被硫酸鹽還原細菌還原，產(chǎn)生了硫化氫，并與鐵反應便形成了黃鐵礦。”郎咸國說，這意味著，“雪球地球”之后存在著活躍的微生物活動。

生命的存在離不開氧氣和適宜的溫度。“‘雪球地球’是一個重要的節(jié)點，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。”郎咸國說。硫酸鹽還原細菌和藍細菌是最大的功臣。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化作用一起給地球降溫。雪球地球消融時活躍的微生物活動，使得全球氧氣和二氧化碳濃度久而久之就會達到適宜程度，為生物出現(xiàn)創(chuàng)造有利條件。

專家認為，“雪球地球”事件之后的環(huán)境，為真核生物的大發(fā)展帶來了契機，例如溫暖的淺海、空出的多樣化的生態(tài)位、富含無機營養(yǎng)鹽的海水、含氧量的升高以及生物遺傳物質的快速變異，都可能是真核生物快速演化的重要條件。在我國南方地區(qū)發(fā)現(xiàn)的以多細胞真核生物為主體的“藍田生物群”“甕安生物群”，就是出現(xiàn)在馬里諾冰期之后。

可以想象，如果沒有“雪球地球”事件，也許，我們的地球還處于原核生物時代。就好比是恐龍沒有絕滅，也許哺乳動物，包括我們?nèi)祟愐膊豢赡苡薪裉斓姆睒s發(fā)展。

因此，從客觀上來看，這一極端的寒冷事件促使了地球早期簡單生命向復雜生命的快速演化，它是地球生命進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)生過多次小冰期，比如奧陶紀冰期、石炭紀冰期、第四紀冰期等。每一次冰期都是重要的轉折節(jié)點，對地球生物圈和生存環(huán)境帶來了深刻的影響。

那么，歷史上地球的冷暖交替，對當今世界所關注的全球氣候變暖問題有何借鑒意義呢？

“從長遠角度來看，整個海洋和陸地系統(tǒng)最終會恢復穩(wěn)定狀態(tài)，因為我們已經(jīng)在40億年的地質演化歷史上找到了證據(jù)。”郞咸國告訴記者，“但是在短時間內(nèi)，溫室效應、全球氣候變暖等問題仍舊是我們不容忽視的。”

科學家認為，首先地球具有強大自我調控能力。從太空遠看，地球被蔚藍的海洋占據(jù)，海洋約占地球表面積的71%。海洋不僅能有效調節(jié)水汽循環(huán)，對大家耳熟能詳?shù)臏厥覛怏w二氧化碳也具有緩沖調節(jié)作用。

其次，歷史上地球大部分時間是溫室氣候。“比如，大家都知道恐龍生活的白堊紀，兩極甚至沒有冰。” 郞咸國說，目前地球大氣二氧化碳濃度為400ppm左右，而小冰期結束時，地球大氣二氧化碳濃度可以達到1000ppm左右，說明目前地球還處于相對較冷的時期。

但也有專家認為，目前地球正處在第四紀大冰期之末的間冰期（所謂間冰期就是兩個冰期之間相對溫暖的時期），或許會很快進入下一個寒冷的冰期。

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，這是地質歷史發(fā)展過程不可阻擋的浪潮。劫難過后，地球依靠強大的自我調節(jié)能力，比如她的海洋系統(tǒng)、陸地風化系統(tǒng)，能夠緩沖溫室氣體的增長或者其他自然環(huán)境條件的波動，從而再現(xiàn)生物大繁榮。