我們知道，現(xiàn)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(jīng)常會下雪，而有的地方卻很少看到雪。那么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(guān)于地球“雪被子”的故事。
1、“雪被子”的發(fā)現(xiàn)
新元古代是地球演化過程中經(jīng)歷的一個十分有趣的地質(zhì)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(xiàn)；又像戀愛中的女子，氣候不斷發(fā)生著變化，忽冷忽熱；還有著躁動不安的內(nèi)心，板塊動蕩，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(shù)地區(qū)以逆時針的方向旋轉(zhuǎn)，向北穿越嚴寒的北極。在此后的兩億年間（7.5 億到 5.5 億年前），地球發(fā)生了間斷性大規(guī)模的冰川事件?！把┍蛔印本褪沁@一時期的一種現(xiàn)象。
在對新元古代研究過程中，科學(xué)家們注意到了很多奇特的地質(zhì)現(xiàn)象：
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(xué)上，冰期沉積代表著寒冷氣候，而碳酸鹽巖則指示溫暖環(huán)境，這一現(xiàn)象令人匪夷所思；
某些冰川單元出現(xiàn)了條帶狀鐵建造（英文簡稱 BIF，是一種特殊的海相富鐵沉積巖，幾乎只產(chǎn)出于前寒武紀，具有特征性的富硅-富鐵交錯條帶，圖 2）條帶狀鐵建造在 18 億年前已經(jīng)結(jié)束，而在十億年之后，全球性的條帶狀鐵建造沉積事件又重新出現(xiàn)。
碳同位素發(fā)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(xué)者認為碳同位素負漂是碳同位素快速漂移到負值并逐漸回返的過程）這個問題我們在后面會有詳細介紹。
古地磁證據(jù)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(jié)冰了，全球范圍內(nèi)肯定都已經(jīng)成為冰川。這時的地球無疑相當于蓋上了一層雪被子。那么新的問題又出現(xiàn)了：“雪被子”是怎么形成的呢？它又是如何消失的呢？為什么現(xiàn)在看不到了呢？
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 后來發(fā)展了這一假說。他們認為新元古代冰期期間海洋全部結(jié)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(yīng)：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(xué)家稱之為反照率反饋效應(yīng)的失控；同時，羅迪尼亞超大陸裂解，大陸邊緣面積擴大，使得巖石風化作用加快，消耗了大量二氧化碳，而二氧化碳作為一種溫室效應(yīng)氣體，它的減少也會促進全球冰雪覆蓋。當?shù)厍虮槐夂?，海洋與大氣缺少氣體交換，使得海洋處在一個缺氧環(huán)境，這便可以解釋這一時期在海洋中因缺氧而產(chǎn)生的條帶狀鐵建造。
既然地球已經(jīng)成為一個雪球，那么地球又是如何將這頂雪球帽子摘掉的呢？這就是地球系統(tǒng)的調(diào)節(jié)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(dǎo)致火山噴發(fā)產(chǎn)生的大量 CO?在大氣中聚集。當大氣 CO?濃度達到當前濃度約 350 倍時，強烈的溫室效應(yīng)便會引起全球冰蓋瞬間解體，最終導(dǎo)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(nèi)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！
3、“雪被子”的發(fā)現(xiàn)
在“雪被子”消失之后，一系列故事正悄然發(fā)生。我們的地球?qū)ⅰ把┍蛔印蓖嗜?，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后迫不及待登上生命舞臺。關(guān)于這些故事背后的原因，讓我們跟著 Hoffman 去一探究竟。
3.1“碳酸鹽巖”帽子
1998 年，Hoffman 對位于納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，屬于成冰紀的一個時期，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巖層，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。
碳酸鹽巖和有機碳是自然界碳的兩大儲庫，其余為海水、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(fā)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 漂移占據(jù)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后的碳同位素變化進行了解釋，認為碳同位素之所以會發(fā)生負漂，是因為有機碳埋藏通量的減少。因為生物優(yōu)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占總碳埋藏的比例約為 0.5，冰川沉積之后約為 0。這與雪球地球的假說也是一致的，按照“雪球地球”的假設(shè)，冰層會遮擋陽光，海洋光合作用將在數(shù)百萬年里嚴重減少，有機碳埋藏量減少，引起 δ13C 負漂。
那么，雪被子消失花了多長時間呢？
根據(jù) Caldeira 和 Kasting 估計，現(xiàn)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并導(dǎo)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(xiàn)代速率持續(xù)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，由于太陽光度較低，以及碳酸鹽的遠洋沉積減少，雪球冰期的持續(xù)時間會更長，這也將降低匯聚板塊邊緣火山 CO?的釋放速率。最大持續(xù)時間為 30 個百萬年，那么 Hoffman 估計的 Otavi 組同位素漂移的持續(xù)時間為 9 個百萬年，在此范圍內(nèi)。
還有一個問題，這樣厚的蓋帽碳酸鹽巖又是怎么形成呢？
關(guān)于蓋帽碳酸鹽巖的形成，需要考慮三個因素。碳和鈣的濃度以及堿度。由于大洋中脊熱液活動和玄武巖低溫蝕變作用，海水的 Ca / Mg 比值增加；大氣 CO?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(chǎn)生 8 * 105 立方千米的碳酸鹽巖，它們?nèi)绻戒伒浆F(xiàn)在大陸地殼有五米之厚！
如果沒有河流的堿度輸入，碳酸鹽巖在大洋中脊火山活動 CO?輸入的驅(qū)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 CO?和強大的水文循環(huán)促使了強烈的大陸風化，這使得河流的堿度升高，大量堿質(zhì)被輸入到海洋。另一方面，海洋表面與高濃度 CO?之間進行氣體交換。充足的鈣和 CO?所以形成了碳酸鹽巖層 (碳酸鈣)，過高的堿度也抑制了碳酸鹽的溶解，這使得海底碳酸鹽過飽和。由此，形成巨厚的碳酸鹽巖層就不足為奇了!
3.2 打開重生之門 —— 埃迪卡拉紀生命大爆發(fā)
“雪被子”消失之后，在冰川封閉的海洋中幸存下來的生命開始“覺醒”，極端的溫室環(huán)境下，生物種類和數(shù)量都發(fā)生飛躍式增長。許多主導(dǎo)新元古代生物圈的原核生物蓬勃發(fā)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(xué)家如何從地球中發(fā)現(xiàn)生命大爆發(fā)的證據(jù)，這就需要我們另外展開講解了！
Reference：
[1] Paul F. Hoffman,Alan J. Kaufman,Galen P. Halverson,Daniel P. Schrag. A Neoproterozoic Snowball Earth[J]. Science, 1998, 281(5381).
本文來自微信公眾號：石頭科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：若魚，美編：怪伽 cc
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