新元古代成冰紀地球上發(fā)生了兩次“雪球地球”事件（Sturtian和Marinoan），當(dāng)時地球表面從兩極到赤道地區(qū)全部被冰雪覆蓋，變成了一個大雪球（圖1）。這種極端壓抑的氣候條件不僅限制了多細胞生命的演化，也擾動了海洋生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)。冰川消融之后，海洋化學(xué)條件得到了改善，生態(tài)系統(tǒng)逐漸復(fù)雜化，形成了多個營養(yǎng)級別的生物鏈，在埃迪卡拉紀-寒武紀早期爆發(fā)了形態(tài)復(fù)雜、多個門類的多細胞生物。
無論是長期的Sturtian雪球事件（ca. 717-660 Ma），還是短期的Marinoan雪球事件（ca. 650-635 Ma），要讓冰川消融，必須要求當(dāng)時大氣中存在一定濃度的溫室氣體CO2。成冰紀時地球上生命活動以微生物為主，這些微生物呼吸作用釋放的CO2微乎其微。CO2的排放主要源自大陸巖石圈，大陸裂谷巖漿活動是大陸巖石圈釋放CO2的重要途徑（圖1），在地質(zhì)歷史時期曾多次引發(fā)大氣中CO2濃度的增加。需要多大規(guī)模、持續(xù)多久的火山噴發(fā)，噴發(fā)出多少CO2才能讓雪球地球融化是交叉學(xué)科領(lǐng)域爭論的焦點。
圖1 火山活動噴發(fā)溫室氣體促使雪球地球融化。冰川消融后，海洋化學(xué)組成發(fā)生了改變，促進了多細胞生物的爆發(fā)
針對這個科學(xué)問題，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室蘭中伍副研究員、Ross Mitchell研究員和李獻華院士聯(lián)合美國加利福尼亞大學(xué)、法國巴黎大學(xué)和成都理工大學(xué)科學(xué)家，對我國揚子板塊北緣和南秦嶺地區(qū)出露的大陸裂谷火山巖進行了詳細的地質(zhì)年代學(xué)和氣候模擬研究。對流紋巖中的鋯石進行高精度的CA-ID-IRMS U-Pb定年，得到的年齡為641-637 Ma（圖2），結(jié)合揚子北緣蓋帽碳酸鹽巖內(nèi)夾層火山灰鋯石的年齡（637-635 Ma），可知裂谷巖漿活動持續(xù)時間為 6 Myr。已有研究表明大陸裂谷體系內(nèi)CO2排放和裂谷大小及持續(xù)時間緊密相關(guān)。通過對比計算，南秦嶺裂谷體系內(nèi)6 Myr（641-635 Ma）將產(chǎn)生63,600-494,400 Gt CO2。
圖2 鋯石化學(xué)CA-ID-TIMS U-Pb年齡。（a-b）耀嶺河群火山巖底部鋯石U-Pb年齡及協(xié)和圖。剔除放射性成因Pb丟失和繼承鋯石，得到的加權(quán)平均年齡為ca. 641 Ma；（c-d）耀嶺河群火山巖頂部鋯石U-Pb年齡及協(xié)和圖。剔除放射性成因Pb丟失和繼承鋯石，得到的加權(quán)平均年齡為ca. 637 Ma
利用氣候-地球化學(xué)軟件（GEOCLIM）對冰期時CO2通量進行模擬，結(jié)果顯示，盡管雪球地球期間存在巨大的冰蓋（圖3a），冰川融水通量仍然非常有限，風(fēng)化效率比現(xiàn)代值低4到2個數(shù)量級（圖3b）。這是因為寒冷的地表條件不利于硅酸鹽的風(fēng)化，對大氣中CO2濃度變化影響不大。
圖3 （a）Marinoan冰期冰蓋融化的CO2閾值。在不同CO2濃度下（0.02, 0,05, 0.1 bar）由冰蓋模型模擬得到一個融化區(qū)域，然后在這個區(qū)域內(nèi)定義CO2閾值。當(dāng)CO2濃度為0.1 bar時，殘余冰蓋體積變?。?.3 108km3），冰蓋融化速率顯著降低，因此把CO2閾值固定在0.05 bar；（b）地球表面風(fēng)化及其和大陸冰蓋的相互作用。硅酸巖風(fēng)化速率變化范圍為3.3 108-0.22 1010molC/yr，碳酸鹽巖為0.08-0.18 1010molC/yr。由于和冰川融水接觸，碳酸鹽巖風(fēng)化速率相對較快
模擬計算表明巖漿排氣閾值在排氣率為38%和80%時分別為0.09 bar和0.26 bar，并且和排氣率呈非線性函數(shù)關(guān)系（圖4a）。這種非線性函數(shù)關(guān)系是由于巖漿作用在排放CO2的同時，海底風(fēng)化作用會消耗掉一部分CO2。如果大氣和海洋沒有氣體交換，那么海底風(fēng)化作用完全可以忽略不計。這種情況下，所有排放的二氧化碳（對于80%的排氣率，CO2排放量約為0.24 Gt/yr）都會儲存在大氣中，雪球地球的持續(xù)時間將明顯縮短。Sturtian和Marinoan CO2閾值的差值隨著排氣率的增強而增大，在排氣率為60%和70%時最明顯，分別為 0.07 bar和 0.13 bar。
圖4 由氣候-冰蓋-生物地球化學(xué)模型限定的CO2濃度變化。（a）地球表面全部被冰雪覆蓋時不同背景排氣率下CO2 濃度變化。垂直虛線表示Marinoan和Sturtian雪球地球的持續(xù)時間，分別為ca. 16 Myr和ca. 57 Myr。這兩條垂直虛線之間的虛線表示不同背景排氣率下，Marinoan和Sturtian雪球地球融化所需要的CO2閾值的差值。不管在哪種背景排氣率下，Marinoan和Sturtian雪球地球融化所需要的CO2 閾值都在0.05-0.29 bar范圍內(nèi)。當(dāng)?shù)厍虺嗟罌]有冰雪覆蓋時，Marinoan和Sturtian雪球地球融化所需要的CO2 閾值會更低，約為0.1 bar。（b）當(dāng)火山排氣率為現(xiàn)在的38%時，在 641-635 Ma這段時間內(nèi)CO2排氣速率的增加會讓Marinoan雪球地球提前2-5 Myr終結(jié)
Marinoan冰期末期經(jīng)歷了大規(guī)?；鹕交顒又率筂arinoan冰期提前結(jié)束，火山作用排放的CO2使Marinoan冰期縮短了2-5 Myr（圖4b）。Sturtian冰期末期沒有經(jīng)歷大規(guī)?；鹕交顒?，所以經(jīng)歷了很長一段時間（57 Myr）才積累了足夠多的CO2來融化Sturtian冰蓋。也就是說，Sturtian冰期末期缺少大型火山活動是其持續(xù)時間長的主要原因。
研究成果近期發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Geophysical Research Letters（蘭中伍*, Magdalena H. Huyskens, Guillaume Le Hir, Ross N. Mitchell, 尹慶柱*, 張剛陽, 李獻華. Massive volcanism may have foreshortened the Marinoan snowball Earth[J]. Geophysical Research Letters, 2022, 49, e2021GL097156. DOI: 10.1029/2021GL097156. 研究受中科院先導(dǎo)項目（XDB18030300）、國家重點研發(fā)項目（2017YFC0601505）、基金委面上基金項目（41673016, 41630211, 41888101，41302066）、中科院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室開放課題（SKL-Z202001）、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室開放課題（GPMR201902）、中科院南京地質(zhì)古生物研究所古生物學(xué)和地層學(xué)國家重點實驗室開放課題（193112）以及中科院地質(zhì)與地球物理研究所重點部署項目（IGGCAS-201905）共同資助。
美編：陳菲菲
校對：趙娜
