冰川地壳均衡运动中两极冰盖压裂地球：雪球地球是如何解冻的?

                            杨学祥，杨冬红（吉林大学）

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。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。

“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。

海底火山是如何形成的呢？我们的研究表明，它源于地球的冰川地壳均衡运动：在雪球地球或大冰期形成时期，大约100-200米厚的海水层变成两极地区1-2公里厚的冰盖，赤道海洋地壳由于卸载而上升33-66米（这相当于赤道圈海洋地壳张裂200-400米裂谷，导致剧烈的海底火山活动），两极地壳由于加载而下降330-700米。

赤道海洋地壳均衡张裂和海底火山喷发，不仅给出了雪球地球解冻的具体可靠途径，而且支持“软雪球”或“半溶雪球”理论。

在间冰期情况正好相反，根据地质学的地壳均衡理论（单位均衡面上的物质柱体质量相等），大陆冰盖融化，负载减少，大陆地壳要均衡上升；海平面上升，负载增大，海洋地壳要均衡下降。

斯堪的纳维亚半岛在1万年前有2000米厚的冰盖融化，已经均衡上升了500米，并将继续上升200米。同样，全球平均海平面上升了130米，洋壳均衡下降了43米（地壳与水的密度比大约为3：1）。所以，斯堪的纳维亚半岛并没有因为海平面上升而被淹没。对于没有冰盖的大陆，海平面的实际上升仅87米，减少了三分之一。洋壳下降挤压下方岩浆流向大陆地壳底部，使沿海大陆均衡上升。由于地球表面是球面，洋壳下降，球面半径缩小，洋壳将插入到大陆地壳之下，使大陆边缘受到挤压和抬升。

大自然实验室证实了冰川地壳均衡理论。

气候变化导致的冰川期与温暖期交替，形成地表巨量海水在两极冰盖、大陆冰川和大洋海盆之间往返转移，相应的地壳均衡运动迫使地下软流层发生反向流动，推动地壳运动，达到地壳重力均衡。在地球的球面上，地壳均衡不仅能产生地壳的垂直运动，而且能产生地壳水平运动。

图1  两极冰盖压裂地球地壳

由图1中可以看到，两极生成的巨厚冰盖可以压裂地壳，形成两极地壳下沉和赤道地区的最大张裂；冰盖消失后，形成两极地壳的上升和赤道地区的挤压。

强震与全球气候变化关系的地球物理解释是：全球变暖导致的海平面上升，破坏了地壳的重力均衡，引起加载的海洋地壳均衡下沉，由此而引发的深海强震和海啸又将迫使深海冷水上翻到海洋表面，从而将会引发全球变冷。这就是大自然的自调节作用^[13，28-29]。

              a 大洋海水减少                            b 大洋海水增加

1-新洋壳，计算时因忽略了与陆壳连接部分，因而计算值比实际值小；

2-旧洋壳，插入大陆壳下或推动大陆分离部分。

图 2  海平面变化造成的垂直运动和水平运动^[13]

Fig. 2  vertical and horizontal movement by the changes of sea level ^[13]

由图4中可以看到，相同的圆心角在不同半径的球面所对应的弧长是不同的，由于海水增加，海洋地壳A’B’弧下降到AB弧时，圆心角变大，只能发生两种结果（见图b）^[13]：

其一、大洋地壳AB弧的多余部分插入大陆地壳之下，形成俯冲消减带，是地震频发的地区，其类型为环太平洋俯冲消减带和地震火山带。

其二、大洋地壳AB弧的多余部分象楔子一样劈开大陆，推动大陆向两边分离，对应的圆心角增大，其类型为大西洋两岸的快速扩张。

其三、反之，当海洋地壳AB弧上升到A’B’弧时（见图a），由于弧长增大，其增大部分就是海底扩张产生的新洋壳。

当全球变暖使海平面上升积累到一定高度时，地壳均衡使洋壳下降收缩，强烈的挤压导致环太平洋地震带Ms 8.5级以上强震频发，形成拉马德雷冷位相；当全球变冷两极冰盖增大使海平面下降到一定高度时，地壳均衡使洋壳上升在大洋中脊处扩张，这是强震在PDO暖位相较少，甚至不发生的原因。圆心角越大，新洋壳就越大，这是地震带集中在环太平洋沿海地区的原因。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-894292.html

参考文献

1. 杨冬红，杨学祥。全球变暖减速与郭增建的“海震调温假说”。地球物理学进展。2008，23 (6): 1813～1818。YANG Dong-hong, YANGXue-xiang. The hypothesis of the ocesnic earthquakes adjusting climate slowdownof global warming. Progress in Geophysics. 2008, 23 (6): 1813～1818.

2. 杨冬红, 杨学祥. 北半球冰盖融化与北半球低温暴雪的相关性[J]. 地球物理学进展, 2014, 29(2):610-615. YANG Dong-hong, YANG Xue-xiang. Studyon the relation between ice sheets melting and low temperature in NorthernHemisphere. Progress in Geophysics. 2014, 29 (1): 610～615.

3. 杨冬红，杨德彬，杨学祥。地震和潮汐对气候波动变化的影响。地球物理学报。2011，54（4）：926-934. Yang D H,Yang D B, Yang X X, The influence of tides and earthquakes in global climatechanges. Chinese Journal of geophysics(in Chinese), 2011, 54(4): 926-934

4. 杨冬红，杨学祥. 全球气候变化的成因初探. 地球物理学进展. 2013, 28(4): 1666-1677. Yang X X, Chen D Y. Study oncause of formation in Earth’s climatic changes. Progress in Geophysics (inChinese), 2013, 28(4): 1666-1677.

5. 杨冬红, 杨学祥, 刘 财. 2004年12月26日印尼地震海啸与全球低温. 地球物理学进展, 2006, 21(3): 1023~1027。Yang D H, Yang X X, Liu C. Global low temperature, earthquake and tsunami (Dec. 26, 2004) in Indonesia. Progress in Geophysics (in Chinese), 2006, 21(3): 1023~1027。

6. 杨学祥, 陈殿友. 地球差异旋转动力学. 长春: 吉林大学出版社, 1998, 2, 99~104, 196~198

Yang X X, Chen D Y. Geodynamics of the Earth’s differential rotation and revolution (in Chinese). Changchun: Jilin University Press, 1998, 2, 99~104, 196~198

相关资料

“雪球地球”是啥？雪球地球时期，地球真的有那么冷吗？

原创： 冯伟民  知识就是力量  2018-06-26

专家/冯伟民

中国科学院南京地质古生物研究所 研究员

本文由知识就是力量原创首发

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？

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”。

“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。

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。

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“雪球地球”藏在沙漠里

原创： 大科技  大科技  2018-09-09

地球是个大雪球

20世纪以来，地球温度不断攀升，预计到2100年为止，全球气温将上升大约1.4至5.8℃。全球变暖成为全人类面对的问题。但你知道吗?在迄今约7.5亿到5.8亿年前，地球曾经是个大雪球，从赤道到两极全是皑皑白雪。

那么，“雪球地球”是如何形成的呢?

“雪球地球”形成的最直接原因是8亿年前，地球上的二氧化碳突然减少。而二氧化碳为什么会突然减少，目前科学家还没有统一的定论。二氧化碳是地球的温室气体，能够吸收地面反射的太阳辐射，使地球表面变暖，好像地球的一块保温毯。二氧化碳急剧减少，热量无法保存在大气中，给地球带来的后果便是与如今的“温室效应”相反的“冰室效应”，即地球表面开始冷冻结冰。

冰川规模扩大，又加速了全球变冷，因为冰川的反射率极高，阳光照射在冰面上，冰川几乎毫无保留地将热量反射回去。大气中二氧化碳减少，地面上冰川增多，如此便形成了一个恶性循环，地球越来越冷，直到整个被冰封，变为一个“雪球”。

在这样极端寒冷的环境下，当时地球上的生物几乎无法生存，很多生物因此从地球上消失了。但是，有些生命熬过了这段长达2亿年的冰河世纪。科学家认为，它们可能生活在深海热液喷口附近，亦或是以休眠孢子的形式沉睡了几亿年。

后来，被冰封许久的地球终于爆发，一系列极端的火山喷发事件接踵而至，火山喷发将地球内部含有二氧化碳的熔岩喷射而出，给大气重新注入二氧化碳，地球渐渐回暖，长期占领地球表面的冰川也开始融化，生命逐渐恢复，开始了新的征途。

这就是“雪球地球”假说，是地球变为“雪球”，再变回地球的过程。该理论由美国加州理工学院的地质学教授约瑟夫·柯世韦因克在1992年首次提出。但这一假说，目前科学家还在逐渐完善，也没有人能够确定“雪球地球”一定存在。

不过，地质学家在地处热带的纳米布沙漠中发现了证明地球曾经是个大雪球的有利佐证。

干旱的纳米布

非洲纳米比亚的西南部，大西洋沿岸，盘踞着一片跨越了南回归线，绵延1600千米的热带沙漠——纳米布沙漠。在沙漠与海洋的交界处，一半是炙热的金色，一半是深邃的蓝色，从远处看，不知是沙子奔向了海洋，还是海水涌向了沙漠。

纳米布沙漠是公认的世界上最古老的的沙漠，它的名字在纳马语中的意思是“一无所有的地方”，似乎预示着这里寸草不生。但若说这里真的寸草不生是不大准确的，有一种植物能够在这大沙漠中顽强生存，它是千岁兰，一种裸子植物。千岁兰只有两片叶子，终其一生，也只有两片叶子彼此为伴，它们可以长到数米长。

科学家采用放射性碳定年法，确定千岁兰的平均寿命为500至600年，有部分甚至达到了2000年，它忠实地记录了这篇沙漠的气候变化。科学家通过这种植物，研究了纳米布沙漠上千年来的气候，发现尽管纳米布沙漠面朝大海，几千年却从未有过春暖花开的热闹景象，从来都是十分干旱的。据估计，它的干旱、半干旱气候已经持续了8万年之久，每年的降雨量少于10毫米。

沙漠也曾冰天雪地

然而，就在如此干旱的沙漠里，地质学家却发现了“冰川遗迹”。

保罗∙霍夫曼，美国哈佛大学地质学教授，曾醉心于北极地质研究。后来，他前往纳米布沙漠，偶然发现纳米布地区的一些岩石与北极地区由于冰川活动而形成的岩石有极大的相似性。经过进一步的研究，他确认这些岩石是“冰积岩”，即冰川融化后，冰川内原本含有的石块沉积下来形成的。这说明，就在属于热带地区的纳米布沙漠里曾经有冰川存在过。

另外，霍夫曼和他的同事研究了部分冰积岩——碳酸盐岩中碳同位素比例。碳在自然界中，有两种相对稳定的同位素，碳-12和碳-13，且含量相当。这两种碳的同位素，生物都能够加以利用，不过相比碳-13，生物更亲睐较轻的碳-12，因此，在有生物的地方，环境中所剩余的碳12就相对较少，根据这个特点，地质学家可以从环境中碳-12和碳-13的含量及比例判断出该环境下生命是否存在。出乎意料，纳米布沙漠的碳酸盐岩中，碳-12几乎没有被消耗，比例与碳-13相当。这意味着，在这些冰积岩形成的时候，这里几乎没有生命的存在。

热带地区有冰川活动，无生命，这两点联系在一起，契合了“雪球地球”假说。霍夫曼尤为激动，热带沙漠里找到了“冰川遗迹”，还有什么能比这更能证明“雪球地球”曾经存在过?之后，地质学家在许多大陆上都发现了与纳米布沙漠中相似且年代相近的冰川沉积物，“雪球地球”假说开始被更多人接受。

https://mp.weixin.qq.com/s?src=11&timestamp=1550209670&ver=1429&signature=Amk0OQKT8x*-N-o17eQUseDy0Xoq3dHI2zjX0ZAZF9WNrW2UZUzGguxhg6FWUsraaXACxCkNeRsdxXsvbzx3YRZYNyoRoup4sHlOBVH*PGDOzjM*PHDCr3-CcPjPAuHd&new=1

解冻研究

在随后的二三十年里面，通过科学家在海洋生物学、地球化学等领域的进一步努力，获得了不少新的进展。1987年，加州理工学院的J.L. Kirschvink等研究了澳大利亚的一块新元古代的粉沙岩之后，证实了它是属于当时沉积在赤道附近的浅海环境，确凿地说明了冰川曾经到达了赤道附近，而且这个研究成果也被后来的研究反复检测所证实。其中就包括随着古地磁学的发展，D.A.D. Evans等人在2000年研究了这个时期（8亿—5.5亿年前）各个大陆的冰川沉积地层学、地质年代学、古地磁学后指出，许多冰期沉积的杂砾岩出现在南北纬10°以内，甚至没有超过60°的。

1992年，J.L. Kirschvink首先提出在新元古代（8亿—5.5亿年前）曾经出现过几次（注意，不是一次，而是多次）“雪球地球”事件。可以想象，赤道附近都结冰了，那么整个地球还不冻的严严实实，成为一个“雪球”？J.L. Kirschvink认为，当时在中高纬度的反照率是很高的，形成大量冰川，然后海平面下降，导致了陆地面积增加，陆地增加进一步增加了地球的反照率；同时，热带地区大陆增加有利于硅酸岩风化，有利于大气中的CO2埋藏，加强了“冰室效应”。这两个因素的不断影响，导致了地球不断变冷，从而形成一个“雪球”。在形成“雪球”之后，因为地球的火山作用，不断释放出CO2等温室气体，经过长期积累，这些气体终于足够强大，产生了巨大的“温室效应”，地球温度升高，所以又融化了。

假说研究

在J.L. Kirschvink工作的基础上，哈佛大学的P.F. Hoffman等人，进一步发展了“雪球地球”假说。首先注意，8亿年前地球上的大陆并不是分离的，而是在赤道附近连在一起在，我们称为”Rodinia“超大陆；”Rodinia“超大陆因为一次著名的”超级地幔柱“的火山活动分裂了，形成几个小的陆地，这个就使得陆地的海岸线增加了很多；海岸线的增加带来两个后果：一个是生物在岸边的活动增加，光合作用的加强导致大量CO2被吸收，二个是同样增加了大陆的硅酸岩风化，而吸收了不少CO2，这两个结果导致大气的CO2迅速减少，“温室”变“冰室”，产生巨大的冰雪覆盖，进而产生了失控的反照率事件，而最终形成了“雪球”。经过计算，当时冰盖有1公里厚，推进到赤道附近，地球温度下降到零下50°C左右。因为被冰雪埋藏，光合作用和大陆的硅酸岩风化作用都被终止，但是地球的火山活动还在继续，向外释放了大量的CO2。经过长达1000万年的积累，这些CO2终于足够强大，形成“温室效应”，从而迅速融化了“雪球地球”，在融化的时候整个海洋温度能够达到50°C以上。

https://baike.sogou.com/v79394.htm?fromTitle=%E9%9B%AA%E7%90%83%E5%9C%B0%E7%90%83