那些年,有个“雪球地球”

栏目:家居 来源:长城网 时间:2019-07-09

那些年,有个“雪球地球”

北国风光,千里冰封,万里雪飘。

地球展示着银装素裹之美。

树叶正红,冬日将至,棉裤备好。

地球却不曾畏惧这般严寒。

俱往矣,数风流宇宙,还看5.4亿年前的“雪球地球”。

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在近10亿年前,地球的气温一直是稳定的,没有明显的冰川沉积。但是在新元古代(10-5.41亿年),地球演化历史上曾出现重要奇观,那就是在全球范围内出现了几期冰期事件, 称之为“雪球地球” 事件 。

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冰川事件之后,整个地球系统发生了巨大变化,如气候和海洋的极端变化、大气含氧量的增加、海洋深部水体赋存状态的变化、碳硫锶同位素组成的大幅度振荡和强烈分馏。伴随着这些变化,地球上生命的演化出现了一次大的飞跃,实现了从真核生物到后生生物的转变。新元古代第一次出现了多细胞动物,而且随后多细胞后生生物开始广泛辐射,并最终发展成为早寒武纪的“生物大爆发”。

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新元古代前后生物演化列表

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什么是“雪球地球”呢?Kirschvink根据古地磁资料提出了“雪球地球”假说,即新元古代冰期期间海洋全部结冰,地球变成一个巨大的雪球。古地磁资料显示当时的Marinoan冰期的冰川前缘甚至到达了赤道附近,整个地球表面变成了一个冰冻雪封的雪球,由此称之为“雪球地球”事件。

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这种冰期事件在新元古代(10-5.41亿年)发生过几次呢?新元古代沉积岩的地层学、同位素年代学和地球化学研究指示,新元古代时期至少发育四次成规模的冰川事件,由老到新分别称为:1.Kaigas冰期(凯噶斯冰期);2.Sturtian冰期(司图特冰期);3.Marinoan冰期(马林诺冰期);4.Gaskiers冰期(噶斯奇厄斯冰期)。

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Kaigas 冰期沉积物的全球分布图

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Gaskiers冰期沉积物的全球分布图

冰期的名字由来?这四次冰期的名字是根据主要地层所在地命名的,其中Kaigas冰期是根据Kalahari克拉通地区Sturtian冰期之下的冰期沉积地层命名的,而Sturtian和Marinoan冰期是根据澳大利亚地区的冰期沉积地层命名的,Gaskiers冰期则主要发育于纽芬兰地区。

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其中Marinoan冰期的全球化程度最高,对应于通常所说的“雪球地球”事件。Sturtian冰期可能属于滨海相-大陆边缘相沉积,其沉积物主要在海洋到大陆边缘的过渡地区发育。Knoll倾向认为新元古代有两次主要的全球性冰期,即 Sturtian 和 Marinoan 冰期。

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Sturtian 冰期沉积物的全球分布图

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Marinoan 冰期沉积物的全球分布图

这些冰川事件是怎么识别和判断的呢?冰期沉积物的成分、结构和构造是认识古冰川活动遗迹的重要地质证据。冰川在流动时会产生巨大的压力,对冰川底部和两侧起着“挖掘”和“拔蚀”的作用,从而形成较大的冰川砾石、漂砾和岩块。

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冰碛岩

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(A)富含砾石的南沱组冰碛岩

(B)1层为陡山沱组底部的盖帽碳酸盐岩;2层为南沱组顶部的粘土层;3层为南沱组冰碛岩砾岩。

同时,冰川携带着这些岩石碎屑对其下和两侧的岩层起着削刮、锉磨、研磨等磨蚀作用,结果形成了粉砂级、甚至黏土级的细粒物质,称为“冰川粉”。并在冰川所处的山谷谷底和两侧谷壁以及冰川携带的岩石碎屑上遗留下磨蚀痕迹,即冰川擦痕和刻槽。由于冰川常常几乎无分选地携带和搬运走巨大的冰川砾石、漂砾和极细的冰川粉,所以在冰川的不同部位常形成没有分选或分选性很差、成层性差、杂乱分布、岩性复杂的冰期沉积物。

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冰蚀谷野外宏观照片

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冰川刻槽

化学沉积地层的碳同位素漂移是识别冰期的常用地球化学代理指标。新元古代冰期前后的碳酸盐岩地层层序的碳同位素组成具有一定的变化规律:冰期前碳同位素组成普遍为正值,冰期发生前夕直到冰期结束后发生大的负漂移,并且有碳酸盐岩(称为帽碳酸盐岩,即cap carbonate)直接覆盖在冰成杂砾岩之上。全球范围内几乎所有的新元古代冰期均与沉积岩中碳同位素负异常存在某种联系,但并不是所有碳同位素负异常都与冰期相关联。

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不同地区与Gaskiers冰期有关的碳同位素负漂移的地层和有关年龄分布图

岩石和矿物氧同位素的极端值已经成为古大陆冰川活动的新兴地球化学代理指标。岩石氧同位素负异常往往与古寒冷气候或大陆冰川融水有关,可能是古大陆冰川活动的新兴地球化学代理指标。众所周知,大陆冰川水的δ18O值与气候条件有关。陆地淡水异常低的δ18O值是大气降水或局部陆地冰雪融水的结果。地表岩石中如果出异常低δ18O值的矿物,则记录了曾经存在寒冷气候下的大气降水或大陆冰雪融水。

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在盖帽白云岩喀斯特溶蚀面上直接沉淀的重晶石晶扇

新元古代雪球地球事件的启动机制是什么呢?这仍然是一个谜。但是,在研究的过程中发现,其与Rodinian超大陆裂解广泛同步,因此有学者认为与构造运动有关。也有学者认为与地球轨道有关。也有学者从当时特殊的环境出发,认为与当时的古生物(细菌)有关。

当然,不同学者提出了各自合理的假说,而你是怎样认为的呢?

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参考文献:

Huang Jing, Chu Xuelei , Zhang Qirui, et al . Constraints on the age of Neoproterozoic global glaciations . EarthScience Frontiers , 2007, 14(2): 249- 256

Zhao YY and Zheng YF.2010.Record and time of Neoproterozoic glaciations on Earth. Acta Petrologica Sinica, 27(2): 545-565

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