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最近，中國科學院南京地質古生物研究所的研究人員研究發現，「雪球地球」時期全球並未完全冰凍，而是存在開闊海域，且這個過程中的氣候變化是動態的。這一研究成果發表在最新一期的《前寒武紀研究》上。
那麼，什麼的「雪球地球」？南古所的研究人員又是怎樣得出成果的呢？
研究剖面的野外照片，圖/中科院南京地質古生物研究所
何謂「雪球地球」？
我們的家園地球，從外太空俯瞰就像一個藍色的星球，因為地球表面71%被湛藍的海水覆蓋。可曾想過，我們的地球也曾被白皚皚的冰川嚴嚴實實包裹過，以至於從外太空看就像一個白色的「雪球」。
那麼何謂「雪球」呢？所謂「雪球」就是地球出現的極端冷氣候事件，氣溫低到零下40~50℃，冰川從極地一直擴延到低緯度甚至赤道，冰川厚度可達1公裡。
在地球46億年的歷史中，極端冷氣候事件曾在三個時期出現過，即前寒武紀新元古代大冰期、石炭-二疊紀大冰期和第四紀大冰期。其中，地球在前寒武紀距今7.5億到5.8億年前，曾經歷了一次極其嚴重而漫長的冰河時代，全球先後出現了4次冰期。這四次冰期分別是：凱噶斯冰期(7.57億~7.41億年前)、斯圖特冰期(7.18億~6.6億年前)，馬裡諾冰期(6.51億~6.35億年前)和噶斯奇厄斯冰期(5.83億~5.82億年前)。斯圖特冰期和馬裡諾冰期屬於大洋型冰川，且馬裡諾冰期的全球化程度最高，對應於通常所說的「雪球地球事件」。斯圖特冰期可能屬於濱海相-大陸邊緣相沉積，其沉積物主要在海洋到大陸邊緣的過渡地區發育。而斯圖特冰期之前的凱噶斯冰期和馬裡諾冰期之後的噶斯奇厄斯冰期為局部的大陸/山嶽型冰川。當時不僅陸地全部被冰川覆蓋，海洋表面也幾近被完全凍結，液態水靠來自地球核心的熱量支持，存在於1公裡厚的冰層下。如果從太空看，地球完全是一個巨大的「雪球」。科學家將此冰河時代形象地稱之為「雪球地球」。
冰川
「硬雪球」理論存在爭議
上世紀九十年代，美國學者提出「雪球」概念，引起了科學界廣泛關注，因為雪球事件對於後生生物的起源與演化產生了深刻影響。雖然雪球時期，嚴酷的環境嚴重阻礙了生物的演化，但大冰川一旦消融，大洋洋流發生重大變化，重新組合，在世界各地產生了廣泛的上升流，為淺海生物帶來了大量微量元素，極大地豐富了生物營養來源，促使後生生物的繁盛。因此，有學者提出，雪球事件對後生生物的起源與演化，乃至繁盛與大發展起到了誘導效果，其影響甚至波及到寒武紀生命大爆發的來臨。
科學界有一個假說——「雪球地球」假說，「雪球地球」假說有兩個依據，第一，地球在距今6億到8億年間廣泛發育了一層或多層稱為「冰積巖」的冰川沉積，它代表了全球性的寒冷氣候；第二，那個時期的冰積巖大多沉積在中、低緯度附近，即赤道和赤道附近，也是陸地主要分布的區域。
「雪球地球」假說認為，新元古代晚期聚集在赤道附近的羅迪尼亞超大陸的裂解使大陸邊緣海面積迅速增加，邊緣海生物初級產率和有機碳埋藏量也隨之大大增加，造成大氣中CO2含量迅速減少，進而驅動了失控的冰反射災變，形成了「雪球地球」。當時的海洋都被冰凍，冰蓋擴展到赤道，平均厚約1 km，全球溫度驟降至大約-50°C。但是，海底火山釋放出的CO2積累在冰蓋之下，隨著CO2不斷的積累，最終冰蓋破裂，CO2進入大氣，產生極端的「溫室效應」，使冰川迅速消融、退卻，全球溫度急劇上升至大約50°C。
「雪球地球」假說引起人們對新元古代冰川的興趣，進而深入探索那個時期冰川作用產生的各種可能原因。而在這些冰期內，冰層覆蓋的範圍和程度在科學界存在很大的爭議。
雪球模型提出的「硬雪球」理論認為，整個地球海洋表面覆蓋著高達1千米厚的冰層。但在2006年夏天在瑞士進行的一個工作坊裡，65名科學家——地質學家、生物學家、行星建模者以及其它領域的專家——齊聚一堂討論這種情況的可能性以及面臨的問題。結果大多數人都認為海洋並未完全凍結。
於是，有科學家提出了「軟雪球」或「半溶雪球」理論，認為在冰期最盛的時候仍然保留著大面積的開放海域，不連續覆蓋冰層為海洋生物提供了大量的避難所。這種觀點得到了冰期前後不同真核生物譜系延續的支持。因為在7.5億年前大冰期來臨之前，就已經有明顯複雜的藻類化石的存在，意味著在整個斯圖特冰期，馬裡諾冰期和噶斯奇厄斯冰期期間，海洋光合作用仍在進行。對於這一問題，早期的「硬雪球」地球模型認為當時某些區域可能存在非常薄的覆冰，使得光合作用得以進行。但反對者認為，除非有開闊的水體避難所，冰封的地球無法支持光合作用。整個地球的海洋表面被密封起來，將會迅速導致全球海洋缺氧和酸化，使生物呼吸難以為繼，即使生活在深海熱泉口的海洋動物群落也無法生存。因此，儘管新元古代冰期很可能是地球上經歷過得最嚴重的冰期，但很可能在冰期依然存在開放水域的「綠洲」，為海洋真核生物，包括早期的動物提供了避難所。
中國研究支持「軟雪球」或「半溶雪球」理論
而最近中科院南京地質古生物研究所研究人員獲得的研究成果支持「軟雪球」或「半溶雪球」的理論。
中科院南京地質古生物研究所研究人員對我國華南地區成冰紀馬裡諾冰期沉積記錄——南沱組地層進行了系統的沉積學研究，覆蓋淺水環境、斜坡相以及深水盆地環境的多個野外地質剖面，通過詳細的沉積相分析，總結出3個不同的沉積類型：冰川近緣沉積、冰川遠緣沉積以及非冰川沉積。在冰川動力學研究基礎上，識別出兩次冰川發育鼎盛期。南沱組中部存在的細粒碎屑巖及碳酸鹽巖夾層，代表了兩次冰盛階段之間的冰川消融期。南沱組頂部的含礫粉砂巖或粉砂巖沉積則表明 Marinoan 冰期的消融要早於蓋帽碳酸鹽巖的沉積。
Marinoan冰期過程中的氣候波動及演化模式圖，圖/中科院南京地質古生物研究所
這些表明「「雪球地球」」過程中的氣候是動態的，也就是說成冰紀馬裡諾冰期過程中的海洋並非處於完全冰封的狀態。
這一研究成果對於我們正確認識成冰紀馬裡諾極端冰期事件和「雪球地球」冰期具有重要的科學意義。人類認識地球演變規律，可以更好地了解和順應自然發展規律以及和按自然規律進行我們人類可持續的發展。通過對「雪球事件」的研究，我們認識到，地球歷史上曾出現過比現在冷得多和熱得多的氣候，這些對於地球系統而言都是非常正常的，地球有著強大的自身調控系統，但這些對於人類非同小可。我們要高度重視當今地球出現的溫室效應，採取科學合理的措施，應對極端氣候可能的出現及危害。
專家/馮偉民
中國科學院南京地質古生物研究所 研究員
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