「雪球地球」一定冷嗎？還真不一定

在距今6-7億年前的成冰紀，地球經歷了兩次全球性的冰川事件，分別為斯圖特（Sturtian）冰期和馬里諾（Marinoan）冰期。在這兩次冰川事件過程中，地表系統遭受極端寒冷氣候的洗禮，全球海洋完全冰凍，地表冰蓋厚度達到上千米，這種全球性的冰川事件被稱之為「雪球地球」。

「雪球地球」狀態持續時間長達數千萬年之久，代表了地質歷史上最嚴重的冰室氣候事件。

地質歷史時期冰川發育事件及冰蓋波及範圍（Hoffman2009），圖中橫坐標為地質年代（百萬年），縱坐標為冰川到達的古緯度。

然而，在「雪球地球」期間，氣候一直是寒冷的嗎？中國科學院南京地質古生物研究所等的最新研究卻發現，這還真不一定！

故事需要從頭說起。

成冰紀冰期事件研究始於19世紀。1871年，英國地質學家 James Thomson 發現了冰川沉積記錄，首次認識到成冰紀存在冰川事件。隨後，成冰紀冰川記錄在多地相繼被發現報道。但是，由於當時「大陸漂移學說」並不被地質學家們所接受，因此成冰紀冰川事件並不被認為是一次全球性冰期。

挪威成冰紀雜礫岩之下的冰川擦痕（左為1891年 Hans Reusch 素描圖，右為後人拍攝照片）

一個世紀以後，1992年，加州理工學院 Joseph Kirschvink 發表短文，認為成冰紀冰川作用波及到赤道地區，並提出了「雪球地球」的概念。

隨後，哈佛大學 Paul F.Hoffman 對「雪球地球」假說進行了修訂，認為距今6-7億年前的成冰紀冰期過程中，全球海洋被完全冰封。

成冰紀的「雪球地球」事件（圖片來自 PaulF. Hoffman）

「雪球地球」假說認為，在成冰紀極端冰期過程中，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，導致火山噴發出的大量CO2在大氣中聚集。當大氣CO2濃度達到當前濃度約350倍時，強烈的溫室效應，便會引起全球冰蓋瞬間解體。

「雪球地球」過程中火山爆發釋放的CO2在大氣中積累（圖片來自網路）

「雪球地球」假說得到了岩石學證據支持，包括冰期地層內條帶狀鐵礦層的出現和全球性蓋帽碳酸鹽岩沉積。

成冰紀冰期地層中的條帶狀鐵礦層（左）和蓋帽碳酸鹽岩（右）（圖片來自PaulF. Hoffman）

然而， 2000年，德克薩斯 A&M 大學 Hyde,W. T. 等對「雪球地球」進行了氣候模擬研究，結果發現「雪球地球」過程中的海洋並非完全封閉，在低緯度赤道地區存在開闊海環境。

隨後，2007年，多倫多大學 W.Richard Peltier 通過對「雪球地球」進一步的研究發現，成冰紀全球冰期啟動後，全球平均氣溫的降低會大大提高海洋的通風效率，加劇海洋深部水體存在的溶解有機碳庫的再礦化，緩衝大氣CO2濃度，從而阻止全球冰封海洋的出現，因此那時海洋應存在或者季節性存在開闊海環境。

此外，氣候模擬顯示地表平衡狀態下，大氣CO2濃度很難達到10萬ppm以上， 「雪球地球」的解體所需要的大氣CO2濃度很難實現，也使得「雪球地球」假說受到廣泛質疑。

氣候模擬顯示冰期過程中低緯度地區平均溫度>0℃（Hyde,et al. 2000）

2018年，中國科學院南京地質古生物研究所郎咸國博士與北京大學沈冰研究員等人對我國華南成冰紀馬里諾冰期沉積記錄—南沱組地層進行了系統的沉積學研究，恢復了「雪球地球」的冰川動力學過程。

研究剖面的野外照片

研究發現「雪球地球」過程中的全球海洋，並非處於完全冰凍，而是存在開闊水域，並提出雪球地球過程中的氣候存在明顯的冷暖波動。研究成果已於近期發表在國際地學期刊《前寒武紀研究》（Precambrian Research）上。

該研究對華南地區馬里諾冰期沉積地層進行研究，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。

華南南沱組沉積序列柱狀圖

該研究根據沉積變化特徵恢復了「雪球地球」的冰川動力學演化過程，發現馬里諾冰期存在多次冰進-冰退旋迴，表明「雪球地球」過程中的氣候變化是動態的。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岩及碳酸鹽岩夾層，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岩或粉砂岩沉積則表明 Marinoan 冰期的消融要早於蓋帽碳酸鹽岩的沉積。

Marinoan 冰期過程中的氣候波動及演化模式圖

該項研究工作表明，成冰紀馬里諾冰期過程中的海洋並非處於完全冰封的狀態，而是存在開闊海域，冰期過程中的氣候也存在冷暖波動。

該研究為正確認識成冰紀馬里諾極端冰期事件提供了重要科學依據。同時該研究成果對於正確認識「雪球地球」冰期，具有重要的科學意義。

來源：中國科學院南京地質古生物研究所

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