南京古生物所等揭示新元古代「雪球地球」冰蓋的動態變化特徵

成冰紀（~720-635 Ma）以全球性冰期事件為特徵，沉積學、古地磁學和地質年代學研究表明在該時期至少發生了兩次地球從兩極到赤道幾乎完全被冰封的「雪球地球」事件，即較早的斯圖特冰期（Sturtian Glaciation, ~720-660 Ma）和較晚的馬裡諾冰期（Marinoan Glaciation, <654-635 Ma），在中國分別以長安冰期和南沱冰期稱之。

　　「雪球地球」假說認為，當冰蓋從兩極擴張到一個關鍵緯度之後，由於冰反照率的緣故冰蓋將勢不可擋地急速侵入赤道區域，導致全球冰封。而由於全球冰封之後風化作用幾乎停滯，二氧化碳的消耗大大減少，來自火山等的二氧化碳不斷積累，最終超過一定閾值之後溫室效應會導致「雪球」的快速瓦解。

　　這一假說得到了地質年代學和地球化學等諸多研究的證實，但關於「雪球地球」中冰蓋的動態特徵長期以來仍存在爭議。爭議的焦點在於部分學者認為全球冰封會導致水循環的極大減弱，從而冰蓋應該是僵硬不動的。然而，大量的沉積記錄，比如垂向的沉積相變、波痕構造、冰下排水構造等，表明冰蓋是活躍而多變的，有人據此推斷當時可能存在開放水域，並非嚴格的「雪球地球」狀態。那麼，該時期的冰蓋是否具有動態屬性，而「雪球地球」的氣候模型下冰蓋是否可以活動多變呢？

近日，中國科學院南京地質古生物研究所博士研究生胡春林在導師、研究員朱茂炎的指導下，對貴州和湖南地區四條剖面中的鐵絲坳/東山峰組（斜坡相區的長安冰期沉積）進行了沉積巖相和相組合分析，並對下伏地層的變形構造進行了研究。巖相分析結果表明，研究區域的鐵絲坳/東山峰組由4種巖相組成，沉積於近端冰海環境（靠近冰蓋接地線）。其沉積過程可分為5個階段：第1階段記錄了冰蓋與下伏地層的相互作用，下文提到的冰川構造變形即發生在這一階段；第2-4階段代表了冰蓋的前進-後退-前進過程，第5階段為最終冰消期。亦即是說鐵絲坳/東山峰組沉積記錄了至少兩次冰川進退過程，說明該時期的冰蓋是不穩定的。鐵絲坳/東山峰組底部的變形構造可自上而下分為5個變形區（Z1-Z5），從Z1到Z5顯示出逐漸減弱的變形特徵，表明造成變形的應力來自上覆冰蓋的運動。其中Z2變形特徵在現代的冰川變形中未曾報導，研究人員將其解釋為極高應力下的產物，並推斷造成此種變形的冰蓋需有極大的質量（即厚度），比如「雪球地球」級別的冰蓋。但這種變形構造僅僅是一種地區性現象還是可以推廣到全球通用模型還有待更多地區的研究來論證。沉積巖相變化和冰川變形構造特徵均表明長安冰期的冰蓋是不穩定的、富於動態變化的。但冰蓋進退旋迴並不一定意味著開放水域的存在或幾次離散的冰期，更有可能是冰蓋有一定程度的減薄和退卻，但並未迎來最終消融。這種模式與連續變化的巖相特徵和高強度的冰下變形特徵更加吻合，也更符合數值模擬的預測。該研究成果已於近期發表在國際地學期刊《古地理，古氣候，古生態》（Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology）上。此項研究受到中科院戰略先導專項（B）的資助。

鐵絲坳-東山峰組的沉積過程模式圖

小寨（A）和五河（B）剖面的變形構造及圖解（C）

冰下變形模式：A.塑性變形; B.脆性變形; C.本研究

[ 責編：戰釗 ]