超级火山喷发和人工排放温室气体的可比性：中生代温暖期可能回归？

                          杨学祥，杨冬红（吉林大学）

66百万年火山喷发和恐龙灭绝

谁杀死了恐龙？学者唐凤最近撰文揭示了谜底：

自从几十年前科学家在墨西哥湾发现一个巨大的陨石坑以来，答案似乎很简单：6600万年前，一颗巨大的小行星撞击地球，引发了巨大的海啸，同时尘埃遮住了太阳，导致全球气温骤降。

但这颗小行星并不是当时唯一“造访”地球的灾难。

在今天的印度，当时有数不清的火山裂缝在地下裂开，释放出大量岩浆。

在100万年里，这些火山喷发产生的温室气体可能会提高全球气温，破坏海洋，使生命在小行星撞击地球之前就已处于危险状态。

然而，这个被称为德干地盾的区域发生火山喷发的时间仍不确定。

科学家就其在地球上60%的动植物物种（包括大多数恐龙）灭绝过程中发挥了多大作用存在争议。

近日，在两个独立研究中，研究人员使用不同的高精度测年方法，试图找出是什么导致了生命大量消亡事件。

这两项研究都承认，德干地盾的火山活动（而非单由小行星的撞击）在物种大灭绝事件中发挥着作用，但两项研究在强调火山活动触发力上存在分歧。相关论文近日刊登于《科学》。

“这两项研究是在世界一流的地质年代学实验室进行的，虽然其使用不同的技术确定德干地盾岩浆活动的记录日期，但得到了非常相似的结果。这些研究表明，在引发白垩纪—古近纪灭绝的原因中，既包括小行星冲击，也包括大型火山喷发。”未参与这些研究的美国地质调查局的Seth Burgess告诉《中国科学报》，“总的来说，这两种方法都比先前所用的方法更精确且有其独特的价值。”

地球的生物史存在着5次物种大灭绝事件。其中最著名的便是发生在白垩纪末期的物种大灭绝，它导致了非鸟类恐龙在地球上长期统治的结束。

然而，是什么触发了白垩纪—古近纪物种大灭绝（究竟是一颗小行星的撞击或是德干地盾火山持续数千年的大规模爆发，或两者兼有）仍然存在争议。

更好地了解德干地盾火山爆发时间，尤其是与希克苏鲁伯小行星撞击进行比较，有助于解决这一争议。

理解这一重大的驱动气候变化的物种灭绝事件的研究也为了解当前人类驱动的气候变化提供信息。

“白垩纪—古近纪物种灭绝抓住了公众的想象力，因为它涉及迷人的巨型动物（恐龙）的灭绝，而且，它迫使人类思考自己的死亡。”其中一篇论文的通讯作者、美国普林斯顿大学地质年代学家Blair Schoene告诉《中国科学报》，“我们现在正面临着所谓的‘第六次大灭绝’，因此，了解过去的灭绝事件，对于我们理解当前灾难性的气候变化、生态系统破坏和潜在的大规模灭绝的可能性至关重要。”

之前的研究曾试图确定德干地盾火山爆发的时间和影响，特别是与希克苏鲁伯撞击时间相比照，但大多没有结果。

英国利物浦大学地质年表学家Courtney Sprain表示，以前的研究无法确定德干地盾内的白垩纪—古近纪界线。

部分原因是技术精度低，而且采样不完整。“好在地质年代学和相关技术也在不断改进，因此我们的工作受益于过去几十年的经验。”Sprain说。

目前，已有证据表明，在小行星来访之前，地球的气候一直在变化。在碰撞前约40万年，地球逐渐变暖约5摄氏度，只是在大灭绝前温度骤降。

一些人认为德干地盾可能是造成全球变暖的原因，这表明80%的熔岩是在希克苏鲁伯撞击之前喷发的。

但是新研究反驳了旧观点。其中Sprain及同事对冷却熔岩形成的玄武岩进行了取样。

Sprain团队的测年结果表明，火山喷发在撞击之前40万年就开始了，并在撞击之后开始加速，在小行星撞击后的60万年中释放了德干熔岩中的大多数（75%）。

如果德干地盾引发了全球变暖，那么它们的二氧化碳排放量必须在熔岩流真正形成之前就出现了。研究人员表示，这减少了岩浆活动作为物种灭绝主要触发因子的责任。

结果表明，德干地盾发生了4次高容量喷发事件，每一次持续时间约为10万年，并向环境释放了巨量的岩浆和改变气候的温室气体。

这些喷发事件开始的时间比希克苏鲁伯撞击的时间早几万年。

而德干喷发时释放到大气中的甲烷、二氧化碳和二氧化硫显著改变了地球的气候和环境，并在希克苏鲁伯到达很久之前就触发了大规模的物种灭绝。

Schoene说，尽管这两项研究存在不同，但在德干火山爆发的总体时间上基本一致。“如果对比两项研究的数据，会发现几乎完全一致。”

Sprain说，了解火山喷发向大气中注入的二氧化碳是如何改变地球的，不仅对揭开恐龙灭绝之谜至关重要，对研究也很重要。

“这是距离我们最近的一次大规模灭绝。”Sprain说，梳理行星撞击和德干地盾的作用，可能有助于人们弄清前进方向。

相关论文信息：

DOI:10.1126/science.aaw0473

DOI:10.1126/science.aau2422

DOI:10.1126/science.aav1446

《中国科学报》 (2019-02-28 第3版 国际)

http://www.yidianzixun.com/article/0LNzhxqe

    15百万年前高浓度温室气体将南极大陆变为绿洲

　　新浪科技讯 北京时间6月22日消息，据美国宇航局网站报道，最近一项由大学研究人员为首发起，并由美国宇航局科学家参与的有关古代南极洲环境的研究项目发现，这块大陆在远古时期的环境要远比原先设想的更加温暖潮湿。这样的气候环境足以支持较高大的植被，包括一些矮小的树木，在靠近这块大陆沿海的地带生长。

　　研究小组在本月17日将他们的研究结果发表在了在线版的《自然-地球科学》上。该项研究的第一作者为洛杉矶南加州大学的萨拉·费金斯(Sarah J. Feakins)，其余研究者还包括了宇航局喷气推进实验室和路易斯安那州立大学的科学家。

　　研究人员对采自罗斯冰架下方的沉积物冰芯样本中的植物叶片残骸进行检验，发现在1500~2000万年前这里的夏季温度要比现在高出大约11摄氏度，最高可以达到大约7摄氏度。降水量也比现在要高出数倍。

　　费金斯本人是美国南加州大学多塞夫文学，艺术与科学学院助理教授，他说：“这项研究的最终目的是更好的理解未来的气候变化将是何种模样。俗话说以史为镜，过去的历史可以启示我们的未来，过去的气候也是一样。这些记录向我们展示了，当温度上升时这一南极冰架区域可以变得多么温暖潮湿。而现在的这些就是我们获得的有关这一问题的第一批线索。”

　　这一南极地区的“绿化”过程最高峰大致出现在中新世中期，距今大约1640万~1570万年。这远比恐龙灭绝的年代要晚，后者在6400多万年前便已经灭绝。在中新世时期，地球上已经出现了很多和现代差别不大的动物，如三趾马，鹿，骆驼和不同种类的猩猩。而现代人类则直到大约20万年前才首次出现在地球生命的舞台上。

　　中新世中期的温暖环境被认为应当对应于400~600ppm的大气二氧化碳浓度。而在2012年，全球的大气二氧化碳浓度为393ppm，这一数据是过去数百万年中最高的。如果保持现在的增长速度，大气二氧化碳水平到本世纪末就会达到中新世中期时曾经出现过的水平。

　　中新世中期曾经出现过高的大气二氧化碳浓度水平，这一事实在其它研究中也得到印证，包括植物叶片表面气孔的数量，以及对土壤和海洋生物化石进行分析后给出的地球化学证据。尽管所有这些证据都没有冰芯中实实在在的保存着古代气体样本的气孔来的直观，它们已经是能够达到如此久远年代的最可靠手段之一。尽管到目前为止科学家们仍然不清楚究竟为何在中新世中期会出现二氧化碳的高浓度，但是很显然，二氧化碳的高浓度和在世界很多地点，包括此次纪录的南极地区所发现的升温现象之前存在显著的同步关系。此项研究由美国国家自然科学基金会(NSF)提供资助，并得到了美国宇航局的支持。(晨风)

http://tech.sina.com.cn/d/2012-06-22/09027300382.shtml

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-584924.html 

两次生物灭绝事件都来自超级火山喷发

我们的研究表明，超级热幔柱在海底赤道区喷发，加热了底层海水，并引发赤道和两极之间的海洋整体热循环，降低了赤道和两极大气的温差，使两极的海温和气温逐渐上升到冰点以上，形成中生代全球无冰温暖气候。有证据表明，随着热幔柱喷发强度的减弱，近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15℃，大气冷却了10~15℃。海底火山活动引发的深海热对流在全球气候变化中的作用不容忽视。表1给出了这种地质旋回与地球自转周期的相关关系，热幔柱强烈喷发导致大量生物灭绝。

15百万年哥伦比亚河溢流玄武岩喷发导致南极地区的“绿化”过程最高峰大致出现在中新世中期，距今大约1640万~1570万年。65百万年德干暗色岩喷发导致恐龙灭绝和全球变暖。

表1  地球自转周期与地质旋回

Table 1  Earth’s rotation periods and geological cycles

巨大火成区来自核幔边界地幔柱的猛烈喷发，核幔边界地幔柱喷发的能量又来自何处？

理论模型研究和实际测量表明，地球内核自转较快，地壳和地幔自转较慢，形成地球内外圈层的差异旋转，核幔边界不仅是热交换边界，而且是圈层角动量交换的边界。最强的太阳辐射加强圈层角动量交换，使地壳和地幔自转变快，内核自转变慢，部分动能转化为热能积累在核幔边界。这是地球自转加速对应大规模地幔柱喷发的原因。

化石种类数据的小波分析显示存在大约62Ma和140Ma两个明显周期。这表明地表周期与地球深部周期的一致性。这些新的结果指出，各种地质过程的一致性可能是与深部地幔的活动变化相关的。银河年280Ma周期在地球大冰期和温暖期转换周期、地球自转长期变化周期、火山喷发长周期、陆海变动周期、造山作用周期、地磁极性变化长周期都有明显的表现。280Ma周期是140Ma周期的倍数周期，是140Ma周期受控于银河年周期的证据，最可能的因素是太阳辐射强度的变化。太阳风和太阳辐射量的变化可以压缩地球磁场，增强或减弱核幔角动量交换，对核幔边界的地幔柱活动有控制作用（图4）。

图1  太阳辐射变化、核幔角动量交换和气候变化的关系

          Fig.1 Relation among solar radiation, core-mantle angular momentum and climate change

巨大火成岩省形成时释放的CO₂是导致全球变暖的重要原因，但是，导致全球变暖的巨大火成岩省有多种作用，温室效应只是其中的一种。使海洋底层水增温，这是巨大火成岩省无可替代的致暖作用。巨大火成岩省的海台和洋壳产量在白垩纪是最高的，洋壳产量的最高速度为37×10⁶ km³/Ma（目前的洋壳产量为17×10⁶ km³/Ma），对海洋温度的提高贡献最大。存储在海洋中的碳只要释放2 %，就将使大气中的CO₂含量增加一倍。海洋是CO₂的储库。在1 个大气压下，海水温度从0℃ 升高为25℃，每克海水可释放约1 cm³体积的CO₂，释放量与残留量的比值约为1：1。目前全球海洋溶解的CO₂是大气中CO₂的13倍，以此比例，海水升温25℃，大气中CO₂的含量应该增加到现在的6.5倍，这表明白垩纪海洋增温释放的CO₂是大气CO₂浓度增高的主要来源。

讨论和结论

火山喷发出的火山灰能够遮蔽阳光，具有致冷作用；火山喷出的温室气体——CO₂和水汽具有致热作用。特别值得指出的是，海底火山喷发经过海水过滤，不仅能释放出海洋中的温室气体，而且能使大气和海洋同时增温。温室效应只有增温效应，模拟计算表明，二氧化碳不是造成古气候峰值唯一原因。

近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15℃，大气冷却了10-15℃，而第四纪冰期到来之时，海洋底层水温度为0℃，目前为2℃。这表明全球温暖期对应海洋底层水的高温期，全球大冰期对应海洋底层水低温期，海洋底层水是地球储存“冷能”的仓库。新洋壳生成和海底火山活动引发的海温升高和海水中CO₂释放在全球气候变化中的作用不容忽视，这是人为温室效应所不能达到的。

大陆分散在赤道产生极热气候，大陆集中在两极会形成极冷气候。石炭二叠纪大冰期时大陆集中在南极，第四纪大冰期时大陆向北极附近集中。陆海分布影响全球气候。德雷克海峡通道的打通是在始新世和渐新世完成的，是气候变冷的主要原因。忽略陆海分布、构造运动、地核能量积累、海底火山活动和洋壳产量对海温变化的影响，简单地以大气温室气体浓度来判定全球气温变化将产生巨大的误差。

温室效应仅仅是导致全球变暖的一种因素，海洋底层温度变化是大气温度变化的可靠前兆。研究表明，全球温暖期对应海洋底层水的高温期，全球大冰期对应海洋底层水低温期，海洋底层水是地球储存“冷能”的仓库，如果海洋底层水温度没有提高到一亿年前的水平，全球就不会重现中生代白垩纪的高温期，强潮汐和强震会不断用海底冷水来冷却大气，使气候变冷。海洋底层温度变化是全球气候变化的晴雨表，地球内部能量释放、海水温度和全球气候的相关性，使我们有可能通过海底温度的变化预测全球气候长期变化。

第四纪大冰期并未结束，变冷仍是主要趋势。目前，大陆分布条件，海底温度条件，南极冰盖条件，离中生代温暖期相去甚远，仅仅凭人工排放的温室气体，很难使中生代短期回归。

关键的问题是：海洋底层水温度能否恢复到中生代的水平，它才是全球气候变化的风向标和晴雨表。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1166409.html

相关文献

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