最近，中国科学院南京地质古生物研究所的研究人员研究发现，“雪球地球”时期全球并未完全冰冻，而是存在开阔海域，且这个过程中的气候变化是动态的。这一研究成果发表在最新一期的《前寒武纪研究》上。
那么，什么的“雪球地球”？南古所的研究人员又是怎样得出成果的呢？
研究剖面的野外照片，图/中科院南京地质古生物研究所
何谓“雪球地球”？
我们的家园地球，从外太空俯瞰就像一个蓝色的星球，因为地球表面71%被湛蓝的海水覆盖。可曾想过，我们的地球也曾被白皑皑的冰川严严实实包裹过，以至于从外太空看就像一个白色的“雪球”。
那么何谓“雪球”呢？所谓“雪球”就是地球出现的极端冷气候事件，气温低到零下40~50℃，冰川从极地一直扩延到低纬度甚至赤道，冰川厚度可达1公里。
在地球46亿年的历史中，极端冷气候事件曾在三个时期出现过，即前寒武纪新元古代大冰期、石炭-二叠纪大冰期和第四纪大冰期。其中，地球在前寒武纪距今7.5亿到5.8亿年前，曾经历了一次极其严重而漫长的冰河时代，全球先后出现了4次冰期。这四次冰期分别是：凯噶斯冰期(7.57亿~7.41亿年前)、斯图特冰期(7.18亿~6.6亿年前)，马里诺冰期(6.51亿~6.35亿年前)和噶斯奇厄斯冰期(5.83亿~5.82亿年前)。斯图特冰期和马里诺冰期属于大洋型冰川，且马里诺冰期的全球化程度最高，对应于通常所说的“雪球地球事件”。斯图特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。而斯图特冰期之前的凯噶斯冰期和马里诺冰期之后的噶斯奇厄斯冰期为局部的大陆/山岳型冰川。当时不仅陆地全部被冰川覆盖，海洋表面也几近被完全冻结，液态水靠来自地球核心的热量支持，存在于1公里厚的冰层下。如果从太空看，地球完全是一个巨大的“雪球”。科学家将此冰河时代形象地称之为“雪球地球”。
冰川
“硬雪球”理论存在争议
上世纪九十年代，美国学者提出“雪球”概念，引起了科学界广泛关注，因为雪球事件对于后生生物的起源与演化产生了深刻影响。虽然雪球时期，严酷的环境严重阻碍了生物的演化，但大冰川一旦消融，大洋洋流发生重大变化，重新组合，在世界各地产生了广泛的上升流，为浅海生物带来了大量微量元素，极大地丰富了生物营养来源，促使后生生物的繁盛。因此，有学者提出，雪球事件对后生生物的起源与演化，乃至繁盛与大发展起到了诱导效果，其影响甚至波及到寒武纪生命大爆发的来临。
科学界有一个假说——“雪球地球”假说，“雪球地球”假说有两个依据，第一，地球在距今6亿到8亿年间广泛发育了一层或多层称为“冰积岩”的冰川沉积，它代表了全球性的寒冷气候；第二，那个时期的冰积岩大多沉积在中、低纬度附近，即赤道和赤道附近，也是陆地主要分布的区域。
“雪球地球”假说认为，新元古代晚期聚集在赤道附近的罗迪尼亚超大陆的裂解使大陆边缘海面积迅速增加，边缘海生物初级产率和有机碳埋藏量也随之大大增加，造成大气中CO2含量迅速减少，进而驱动了失控的冰反射灾变，形成了“雪球地球”。当时的海洋都被冰冻，冰盖扩展到赤道，平均厚约1 km，全球温度骤降至大约-50°C。但是，海底火山释放出的CO2积累在冰盖之下，随着CO2不断的积累，最终冰盖破裂，CO2进入大气，产生极端的“温室效应”，使冰川迅速消融、退却，全球温度急剧上升至大约50°C。
“雪球地球”假说引起人们对新元古代冰川的兴趣，进而深入探索那个时期冰川作用产生的各种可能原因。而在这些冰期内，冰层覆盖的范围和程度在科学界存在很大的争议。
雪球模型提出的“硬雪球”理论认为，整个地球海洋表面覆盖着高达1千米厚的冰层。但在2006年夏天在瑞士进行的一个工作坊里，65名科学家——地质学家、生物学家、行星建模者以及其它领域的专家——齐聚一堂讨论这种情况的可能性以及面临的问题。结果大多数人都认为海洋并未完全冻结。
于是，有科学家提出了“软雪球”或“半溶雪球”理论，认为在冰期最盛的时候仍然保留着大面积的开放海域，不连续覆盖冰层为海洋生物提供了大量的避难所。这种观点得到了冰期前后不同真核生物谱系延续的支持。因为在7.5亿年前大冰期来临之前，就已经有明显复杂的藻类化石的存在，意味着在整个斯图特冰期，马里诺冰期和噶斯奇厄斯冰期期间，海洋光合作用仍在进行。对于这一问题，早期的“硬雪球”地球模型认为当时某些区域可能存在非常薄的覆冰，使得光合作用得以进行。但反对者认为，除非有开阔的水体避难所，冰封的地球无法支持光合作用。整个地球的海洋表面被密封起来，将会迅速导致全球海洋缺氧和酸化，使生物呼吸难以为继，即使生活在深海热泉口的海洋动物群落也无法生存。因此，尽管新元古代冰期很可能是地球上经历过得最严重的冰期，但很可能在冰期依然存在开放水域的“绿洲”，为海洋真核生物，包括早期的动物提供了避难所。
中国研究支持“软雪球”或“半溶雪球”理论
而最近中科院南京地质古生物研究所研究人员获得的研究成果支持“软雪球”或“半溶雪球”的理论。
中科院南京地质古生物研究所研究人员对我国华南地区成冰纪马里诺冰期沉积记录——南沱组地层进行了系统的沉积学研究，覆盖浅水环境、斜坡相以及深水盆地环境的多个野外地质剖面，通过详细的沉积相分析，总结出3个不同的沉积类型：冰川近缘沉积、冰川远缘沉积以及非冰川沉积。在冰川动力学研究基础上，识别出两次冰川发育鼎盛期。南沱组中部存在的细粒碎屑岩及碳酸盐岩夹层，代表了两次冰盛阶段之间的冰川消融期。南沱组顶部的含砾粉砂岩或粉砂岩沉积则表明 Marinoan 冰期的消融要早于盖帽碳酸盐岩的沉积。
Marinoan冰期过程中的气候波动及演化模式图，图/中科院南京地质古生物研究所
这些表明““雪球地球””过程中的气候是动态的，也就是说成冰纪马里诺冰期过程中的海洋并非处于完全冰封的状态。
这一研究成果对于我们正确认识成冰纪马里诺极端冰期事件和“雪球地球”冰期具有重要的科学意义。人类认识地球演变规律，可以更好地了解和顺应自然发展规律以及和按自然规律进行我们人类可持续的发展。通过对“雪球事件”的研究，我们认识到，地球历史上曾出现过比现在冷得多和热得多的气候，这些对于地球系统而言都是非常正常的，地球有着强大的自身调控系统，但这些对于人类非同小可。我们要高度重视当今地球出现的温室效应，采取科学合理的措施，应对极端气候可能的出现及危害。
专家/冯伟民
中国科学院南京地质古生物研究所 研究员
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