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。

    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)

关于古元古代大冰期的成因

    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。
    地球上的CO2是如何循环的？地球形成时原始的碳来源于星际尘埃，如碳质球粒陨石就含有碳。地壳中碳元素约占各元素总和的4‰，地幔中碳的丰度只有地壳的1/30，地核中碳的丰度是地壳的1/4。地壳中含碳的岩石矿床有石灰岩、白云岩、大理岩、含碳泥质岩类、煤层、石油等，还有少量火成碳酸岩。岩浆岩通常不含碳元素，如分布极广的陆壳花岗岩类及洋壳玄武岩等。如果承认陆地风化作用导致大气CO2浓度降低气候变冷形成大冰期，就必须承认到了气候温暖期CO2会从另一个渠道跑出来，不然的话一旦变冷，冰封的地球就不能再次解冻。履带式的洋壳俯冲对海洋沉积层进行碾压“过火”,可让沉积层中的水分及再生气体通过火山喷发重新回到地表与大气层。由于地幔碳丰度低，只有地壳的1/30，火山喷出的CO2气体应主要来源于地壳沉积物在俯冲带的脱水脱气。追溯最终的源头，应是地球早期大气层中的CO2。由于CO2参与碳酸盐岩的形成，能从洋壳俯冲返回的只是其中的一部分，地球气候总的趋势是在不断变冷的。从另方面，推测大洋中脊扩张也会释放幔源CO2，地幔中碳的丰度虽然比地壳小得多，但地幔的体积要比地壳大得多，形成的洋中脊体积也相当恐怖。地球自转加速期，对应地幔对流加强期，期间洋壳板块向陆壳板块强烈俯冲以及大洋中脊强烈扩张，大量幔源CO2释放导致大气CO2浓度升高，气候变暖。尽管CO2释放增强多少难以估计，地幔是如何对流的也不清楚，但如果能确定气候暖期与地幔对流加强期、地球自转加速期相对应，也是很不错的。
    CO2的分子量是44，O2是32，H2O是18，大气的CO2应不会往太空逃逸，但H2O分子量小，很可能会通过电离层逃往太空，并导致地球水体积减少，这点似乎在支持远古时海洋规模更大。CH4的温室效应是CO2的21倍，而现今大气CO2浓度几百个ppm是CH4几百个ppb的1000倍。

来源：张文治,李怀坤等.中国东部晚元古冰成岩的古地磁及地质意义.前寒武纪研究进展.第24卷第1期第.2001年3月