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地学演绎 莫如波 2005.1.28 地球已有45.6亿年的历史,大约在36亿年前的太古宙已经出现了藻类生命,并在元古宙达到全盛,藻类制造游离氧,使海洋水体从原始的还原环境向富氧环境转变,约在10亿年前蓝藻趋于衰落。然而,原始动物、尤其是钙质介壳无脊椎动物大约晚至5.8亿年前的寒武纪才在海洋中出现。钙壳动物的出现究竟与什么样的地球环境有关呢?本文认为,可能是新元代大气及海水CO2含量降低、海水钙离子含量增高、海水腐蚀性减弱等为钙壳动物的出现提供了前提条件。 一、是早期地球的快速旋转致使大气CO2浓度及气温比现今高很多 相关的研究认为,早期太阳的热量输出要比现在弱,如有研究者认为14亿年前太阳发光度要比现在低20%~30%(田学文),又有数据认为,45亿年前太阳的热量输出只有现在的85%强、30亿年前只有目前的92%。 然而,早期地球的气温则比现在高得多,Knaut和Epstein(1976)估计地表年平均气温在太古宙约为70℃,元古宙约为52℃,古生代末约为20℃,中生代约为35℃,现在为15℃,早期地球大气的主要成分为CO2,大气压是现在的几十倍,水的沸点达到200多摄氏度(-见中国地质大学《地球科学概论》)。有研究者从中国华北地区14亿年前的页岩中提取出多个微型化石,并做离子探针碳同位素分析,估计出当时大气中的CO2浓度是今天的10倍到200倍(田学文)。 早期太阳的热量输出比现在弱,而地球的气温又比现在高、大气CO2浓度比现在高出许多倍。因无法获证早期地球离太阳更近,早期地球自转比现在快得多以及更加强烈的熔浆作用则成为产生这种结果的根本原因。是更加快速的地幔对流及其相当强烈的板块运动、火山活动等使更多的幔源气体进入到大气层,引起了早期地球的温室效应比现在强许多。地球的旋转速度是影响漫长周期的大气CO2浓度及气温变化的重要因素。 据有关数据,45亿年前每天只有5个小时,40亿年前每天约为8个小时;天津市朱士兴等研究员及中国地质大学屈原皋等通过对叠层石的分析认为,13亿年前每天为14.91~16.05小时、10亿年前每天为16.99±0.66个小时,可见近10亿年来每天延长了大约7个小时,而地球的前35亿年平均每10亿年每天只延长了3.4个小时,最近10亿年来地球自转减速是明显地加快了。徐道一等主张,地球自转变慢与太阳系的银河年变短有关,太阳系绕银河系运转的速度加快了,地球为了追赶上太阳,以降低自转的角速度来增加前进的动能,结果造成地球自转速度越来越慢。从下图可以看出,近10亿年太阳系的银河年变短得很快,由此也可推测,近10亿年来地球自转减速在明显地加快。
约10亿年来地球自转的大减速,导致了地幔对流及地壳运动的减弱,引起火山喷发等地球内部气体释放能力减弱,使大气层及海水中的CO2浓度逐渐降低。海水腐蚀性的减弱为钙壳动物的出现提供了先决条件。 二、早期海洋碳酸钙的饱和程度较低,海水的侵蚀性较强 早期地球的高速自转,有利于快速的造海成陆作用。由于地球内部质量分布的不均匀,地球自转过程或自转变速过程必会引起地幔对流,早期地球较快的旋转速度,使地壳或陆块具有更高的迁移速度,地球内部重力分异作用更加强烈,造就轻密度硅镁、硅铝质地壳的速度要比后期快得多。重力分异作用及板块间的俯冲碰撞,逐渐把较小的陆壳碎块拼贴、堆隆成规模较大的大陆壳。由于早期地球的排气作用比岩石圈的分异作用容易得多,相对于成陆(壳)来说,释放水分的成海(洋)过程则要快得多,再加上早期地球表面积要比现今小,因此推测,早期地球表面绝大部分为海洋,陆地面积较小。由于早期陆地面积小,风化剥蚀作用与沉积作用较弱,沉积岩对硅铝质造壳贡献不大,陆壳的形成主要以分异作用与水平堆隆方式为主,直至陆地面积扩大到相当规模。 由于早期陆地面积尚小,海水的化学成分主要来源于原始内部的喷溢过程及海洋中脊的热液作用,海水的盐份在溶解与沉积过程中达到平衡。由于火山活动很强烈,大气中CO2浓度很高;由于缺乏足够规模的大陆风化作用,大气中CO2消耗得很少,地球表面气温比现在高很多,海面的蒸发作用十分强烈,雨量充沛,雨水与海水交替频繁,当时的海洋富含更多的CO2,海水的溶蚀能力更强;由于缺少更多陆源风化作用而成的钙离子,当时大洋中钙离子主要来源于洋中脊的热液作用,所以海洋相对缺钙,海水中碳酸钙的饱和程度较低,海水对钙质的侵蚀性较强。太古宙碳酸盐岩变质岩少有且多为镁质大理岩;美学者有测试表明,元古宙海水中钙含量最多只有早寒武世的1/3(王丹红)。 三、新元古代开始,陆地面积扩大,大气CO2再被逐渐消耗,海洋中钙离子积集 大约开始于13亿年前,由于地球自转减速变得更加明显,地幔对流减弱,由洋中脊扩张而引起的地壳撕裂作用大为减弱,经漫长分异作用而形成的诸多陆壳地块逐渐拼合在一起,在新元古代形成一个超级大陆(则罗迪尼亚超级大陆)。约10亿年前在近银心点附近运行期间,洋中脊扩张减弱,洋盆因地壳发生冷却沉降而容积增大,海平面下降,陆地面积进一步扩大。由于陆地的热容量比海洋小,反射率比海洋大,超级大陆的形成,致使地球表面的热容量减小、反射率增加,进一步促进了全球气候的变冷,有人认为大约在10亿年前,地球也曾形成过一次大冰期。陆地面积扩大同时会使更多的大气CO2消耗于对大陆岩石的风化分解,CO2与水对岩层的溶滤作用使得更多的钙、镁等离子汇流入海,陆源钙离子的汇集使海水中碳酸钙的饱和程度逐渐升高。当然,10亿年前增高还属初始的积集阶段,期间对气候的影响主要体现在陆地面积的增大上,其次为大陆风化作用对CO2的消耗。 大约到了7.5亿年前,太阳系在远银心点附近运行,由于受地球自转加快的影响,地幔对流加剧,超级大陆裂解,海陆的重新分布使得海洋的水蒸汽能够深入到大陆的内部,降雨对岩石的溶滤作用消耗了更多的CO2,导致大气CO2含量迅速降低,形成大冰期,出现了全球化的大洋型冰川。期间对大陆岩石的溶滤作用,使海水中钙离子得到了进一步的富集,碳酸钙的饱和程度得到进一步提高。 6.5~5.9亿年前,太阳系向近银心点运行,地球自转减慢迅速,幔源气体释放逾加减弱,大气中的CO2等温室气体含量降低,全球再一次形成大冰期,并一度达到冰封全球的程度,低海平面使陆地面积扩大,风化溶滤作用使更多的陆源钙离子溶入海中。那时,海水中的碳酸钙的浓度足以催促钙壳动物的诞生与成长,万事俱备,只待冰封解冻。 5.8亿年前,大冰期过后,海水温度上升,海洋中的碳酸钙溶解度降低而饱和程度上升,寒武纪生命大爆发,多种钙质介壳无脊椎动物短时内在全球海洋中突发性地涌现出来。 参 考 文 献: [1].毛磊.美学者称原始地球形成时间可能比原先认为的早.新华网.2003.6.9; 相 关 文 章 (莫如波): 地球运转、大陆漂移与中国陆块构造运动.1997.10; 议 论 据最新成果厘定的新元古界层序与地质事件之间的关系 (个人观点)
中科院兰中伍和李献华研究员等人通过对三峡地区及湘黔桂交界地区的地层进行了测年研究,得到华南江口冰期的年龄为7.15亿年,与阿拉伯-努比亚板块以及劳亚板块的Sturtian冰期发生时间在误差范围内一致,从渫水河组顶部获得的年龄为6.90亿年,和北美科迪勒拉造山带内的第二幕Sturtian冰期发生时间也一致,这说明Sturtian冰期两幕都具有全球同时性。(来源:地质地球所华南南华系冰期研究取得进展.2015.7.16)
震旦纪几个冰期的年代:Kaigas(凯噶斯)冰期 757~741 MaB.P;Sturtian(斯图特)冰期 718~660 MaB.P;Marinoan(马林诺)冰期 651~635 MaB.P;Gaskiers(噶斯喀)冰期 583.7~582.1 MaB.P。(来源:赵彦彦,郑永飞.全球新元古代冰期的记录和时限.岩石学报.2011年2期) 米兰科维奇轨道参数变化与气候变动 地表反射率,冰川>沙漠>一般陆地>海洋,日光照射地表,一部分被吸收,一部分被反射回太空。假如反射率高的陆地都分布于日光直射的赤道附近,将有更多的光照能量被反射回太空,地球气温下降,进入冰期;如果日光直射的赤道附近更多为海洋,将有更多的光照能量被吸收,气候变暖,进入间冰期。地史上,陆块的漂移速度是很慢的,对陆块日光入射角的影响主要体现在地球自转轴倾角等轨道参数上,地球轨道参数的变化则成为气候冷暖变化的主因,如图1、图2、图3(《古海洋学概论》)。(2006/4/5) 已经通过各个克拉通的对比把古元古代全球冰期的时间限制在2.32~2.22Ga,甚至2.29~2.25Ga >>>。(2018.地学前缘) “大氧化事件”发生先于古元古代“雪球地球”:古元古代氧化事件(GOE)出现在大冰期之前,GOE发生在2,501 Ma~2,434 Ma之间700万年的窗口期内,由于窗口期内包括了三个不整合,实际持续时间可能要短得多。北美Superior克拉通Huronian超群中S-MIF/S-MDF转变被限定在2,452.5±6.2 Ma~2,308 Ma之间,Ongeluk组火山物质的定年为2,425.5±2.6 Ma,也限定雪球地球事件发生在此之前。>>>(中科院地质地球所 2020-07-06) 美国学者:蓝藻造氧消耗甲烷,23亿年前曾冰封全球,海洋环境发生转折 23亿年前,太阳的亮度只有现在的85%,蓝藻的极大繁盛使海洋快速富氧,大气氧气含量的升高导致高效温室气体甲烷含量骤降(甲烷和氧不稳定结合,长期反应形成二氧化碳和水),在少至10万年的时间内,全球温度下降到零下50℃,持续数千万年地球曾变成了个"大雪球"。对加拿大冰成岩磁化强度的测量表明它们当时可能地处中纬度。从还原环境向氧化环境的转变使海洋进入了"成铁时期"(来源:中新网等. 2005/8/3)。不清楚早期地球大气为什么会有那么多的甲烷CH4(分子量16)?就算消耗了甲烷,控制温室效应更主要的气体是CO2,应该还有一种机制让大气CO2浓度降下来。 分析 甲烷分子量小,进入大气层后容易往太空逃逸,可以对比一下:甲烷的分子量是CO2的36.4%,而火星的引力是地球的38%,地球对甲烷的引力大致相当于火星对CO2的引力。火星能保持住CO2吗?另有分析认为,原始CO2的大部分在40亿年前火星冻冰时已经逃逸到太空,火星未发现碳酸盐岩类沉积物,极地干冰只是残留下来的少部分。除了重力因素,相对于火星,地球大气层的温度要高于火星,尤其太古宙的大气温度更高,气体分子更加活跃更容易往太空逃逸。就新近人类史,相同浓度下CH4产生的温室效应是CO2的21倍,但CH4在大气中的浓度只有CO2的1‰左右,CH4大约增加50倍时才等同于CO2翻倍具有的温室效应,工业革命以来CH4浓度翻倍产生的温室效应只占总温室效应的1/30左右,所起作用并不大,不能证明甲烷在大气层可以不断地积集。(2020.8.16) 首先,甲烷CH4的分子量是16,沸点是-161℃,不像水H2O在常温下能以液态稳定下来,进入大气层的甲烷容易往太空逃逸,让它来维持温室效应似乎是不太可能,甲烷被封闭在沉积层或海底中才能保持;再说,就算氧化消耗了甲烷,但生成的CO2也是温室气体。更大的问题,控制温室效应最主要的气体是CO2,必须有一种机制能让大气CO2浓度降下来。古元古代大冰期的形成目前还看不到合理的解释。最新研究认为,古元古代“大氧化事件”(GOE)发生于“雪球地球”之前,GOE的年龄在2501~2434Ma之间,“雪球事件”的年龄在2452.5~2425.5Ma。早期地球自身演化有一个渐变过程,古元古代出现大冰期不合理,可能是由突发性地外撞击造成尘埃遮天所致,陨击同时击化海底的甲烷逃往太空,海洋向氧化环境转变。原先的海底由于蓝藻极其繁盛,封存有大量的可燃冰甲烷,海底处于较强的还原环境,蓝藻吸收海水中P、CO2、HCO3-,产生氧气,但在强还原环境下,产生的氧气还不够对冲甲烷。推测,大约在24亿年前,一颗超级陨星撞击了海洋,搅黄了可燃冰甲烷的封存环境,撞击影响范围的甲烷逃出海洋进入大气层最终逃往太空。之后蓝藻产生的氧气就不用去对冲甲烷CH4了。既然古元古代蓝藻光合作用产生的氧气能将海洋改变成氧化环境,并形成成铁期,说明蓝藻也能消耗掉海水里巨量的CO2,并通过雨水循环降低大气CO2的浓度,导致气温下降。海水温度越低,CO2溶解度越大,连锁反应导致数千万年气温跌到冰点。(2020.8.17) 关于甲烷,有文章认为,CH4停留在大气层1.5~7年后会氧化成CO2而被消耗掉。由于CH4的浓度只有CO2浓度的1‰,由CH4氧化产生的CO2也只少量,对温室效应几乎不起作用。CH4主要在平流层上层和对流层的下层,与臭氧层的中间物和产生物发生反应,CH4排放的增加更有利于臭氧层的恢复作用。>>>、>>> 牵涉到另种国外学者经常提到的观点是否成立?即:太古宙大气CH4浓度很高,早期大气缺氧,CH4无法在大气层上空被氧化消耗,大气CH4含量高,有更强的温室效应,还原环境,气温高无冰期。(2022.3.9) 古元古代初大冰期的产生可能与陨星撞击有关:据中科院紫金天文台论文,在火星与木星轨道之间分布有司理星族群,其拥有4700多个颗小行星,推测形成于25亿年前的一次碰撞事件。由于相邻地球轨道,这次碰撞有可能同时撞击了地球,导致大约25亿年前的大冰期的产生。(2021.8.16) 相关前沿问题 2020.8.7 火星早期大气CO2等温室气体的浓度必定很高,才让水体得以液态形式保持海洋的存在,但火星表面并没找到碳酸盐沉积岩,这意味着早期大气CO2消失的原因是逃逸到太空而不是像地球那样形成碳酸盐沉积岩。火星极地的CO2干冰可能只是残留下来的极少部分,改造火星指望通过炸它来满足宜居温室效应是不可能实现的。现今火星大气压只有地球的7‰,95%是CO2(分子量44),N2(分子量28)只有2~3%,抓住分子量更大的;而地球大气N2占78.1%、O2(分子量32)占21%、氩气(分子量40)占0.93%、CO2只占0.03%,可抓住分子量小的。地球早期大气中的CO2因参与地表风化作用,绝大部分随沉积物沉入海底,形成碳酸盐类岩石。从地球上广泛分布碳酸盐岩可反推地球早期大气CO2浓度很高。同时,可从太古宙少有碳酸盐沉积岩,判断太古宙地球缺乏陆地绝大部分为海洋,当时大气CO2消耗得很少,太古宙的气温要比现今高很多。大气CO2快速消耗与碳酸盐岩出现相应,是从元古宙开始的。 2020.8.8 太古宙陆地面积小、洋面更大不难理解:陆壳成山是由地壳均衡调节所引起,由于重力分异作用,硅铝质陆壳密度更小,必定隆起犹如冰浮在水面上。但陆壳的拼合、堆积、增厚是个极其漫长的地质过程。早期太古宙陆壳较薄,地球表面海底与陆地的高差小,海洋淹没范围更大,陆地面积小。后来经过更深度的重力分异及板块推移,陆壳叠覆增厚隆升得更高,地球表面的高差要比太古宙大得多,结果造成洋盆容积更大,海平面下降,陆地面积增大。早期的地球更浑圆,现今的地球表面更为凹凸不平。现今海洋平均水深约3800米,假如地球表面变成平的,全部覆盖水深亦达2700米,可见只要太古宙的地球表面稍为平整一点,绝大部分被海洋覆盖是完全有可能的。 《自然-地球科学》:过去很多研究者都认为,早期地球上陆地曾经和海洋并存,然而,在哈佛大学前段时间的一项研究中,研究者们却发现,直至32亿年前,地球上一块陆地都没有,整个星球都被海水淹没,而且这种情况从大约45.4亿年前已陆续开始,从储水量来看,大约是现代海洋的4.4倍。>>> 2020.8.15 从10亿年来气候曲线上看,新元古代的冰期-间冰期线段像花岗岩风化残丘上形成的烂头山,产生原因难以解释,天文因素也对不到,怀疑冰碛年代,其测年来源又没问题。但有一点可以肯定,与大气CO2消耗有关!可以这么看,大气及海洋中的CO2因参与大陆岩石的风化作用与沉积作用,沉于海底变成石灰岩等碳酸盐岩,同时导致大气CO2浓度降低气候变冷,这个变岩过程是不可逆的。但另一个问题即出现,大冰期过后寒武纪-泥盆纪及三叠纪-古近纪的大部分时间属气候温暖期,这意味着CO2必须得到补充,大冰期过后大气中的CO2从哪里补充过来?很难想象!是溶解于海水中的CO2又跑回大气层?但相当一部分已参与成岩。所以再有的可能就是来源于岩浆喷发,包括陆地火山喷发及海底岩浆喷发。这种现象或能证明地史上银河周期的气候变化与地幔岩浆活动有关,与地球旋转速率变化有关。碳酸盐类岩石随洋壳板块俯冲进入地幔后会因热力分解而释放CO2,即俯冲过程的脱碳作用让部分碳酸盐岩转化为CO2随着岛弧火山喷发重新返回大气层。
张文治等测得华北地块南缘罗圈组纹泥岩和扬子地块东南缘南沱组冰碛岩的古纬度,得出华北地块620~600 MaB.P(年代根据上伏东坡组及下伏董家组测年估计)处于13.9°S,扬子地块730~700 MaB.P处于19.2°N,并指另有更多学者测得扬子、华北冰成岩的古纬度多低于30°。据关保德1983年,罗圈组之上东坡组海绿石Rb-Sr等时线年龄503Ma,炭质页岩Rb-Sr等时线年龄523±23Ma,下伏董家组海绿石砂岩K-Ar年龄669±4Ma,Rb-Sr表面年龄727Ma。 前寒武纪,形成于11亿年前的罗迪尼亚超大陆这时开始分裂,大约在7.5亿年前分裂成两半,形成古大洋。巨神海在劳伦大陆(北美)、波罗地(北欧)和西伯利亚这几个古大陆之间扩张。海洋深入超大陆腹地引起降雨增加、风化作用增强,消耗掉更多的CO2导致全球气候变冷并形成大冰期,在715~700 MaB.P、650~635 MaB.P发生了两次冰封全球事件。 |