气候过程无法人工选择：酷暑严寒、沧海桑田、风沙酸雨缺一不可

                            杨学祥，杨冬红（吉林大学）

化学反应决定了气候进程

地球曾经历过“雪球”地球阶段。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”。

“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。

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。

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。

火山喷发导致大气温室气体浓度上升全球变暖

根据现代火山喷溢而出的熔岩得知，硅酸盐是岩浆的主要成分。其中SiO₂的含量在80—30%之间；金属氧化物如Ai₂O₃、Fe₂O₃、FeO、MgO、CaO、Na₂O等占20—60%。其它如重金属、有色金属、稀有金属及放射性元素等，它们的总量不超过5%。此外，岩浆中还含有一些挥发性组分，其中主要是H₂O、CO₂、H₂S、F、Cl等。

在岩浆从上地幔或地壳深处沿着一定的通道上升到地壳形成侵入岩或喷出到地表形成喷出岩的过程中，由于温度、压力等物理化学条件的改变，岩浆的性质、化学成分、矿物成分也随之不断地变化，因此，在自然界中形成的岩浆岩是多种多样、千变万化的，如基性岩、中性岩、酸性岩，还有碱性岩、碳酸盐岩等岩类，也充分说明了岩浆成分的复杂多样性。

碳酸钙是白色固体状，无味、无臭。有无定型和结晶型两种形态。结晶型中又可分为斜方晶系和六方晶系，呈柱状或菱形。相对密度2.71。825～896.6℃分解，在约825℃时分解为氧化钙和二氧化碳。熔点1339℃，10.7MPa下熔点为1289℃。难溶于水和醇。与稀酸反应，同时放出二氧化碳，呈放热反应。也溶于氯化铵溶液。几乎不溶于水。

遇稀醋酸、稀盐酸、稀硝酸发生泡沸，并溶解。在101.325千帕下加热到900℃时分解为氧化钙和二氧化碳。

在一大气压下将碳酸钙加热到900℃会分解成生石灰和二氧化碳（工业制取CO₂）：

CaCO₃ ＝ CaO + CO₂   (反应条件是高温煅烧，是可逆反应)    （1）

火山岩浆的高温导致碳酸盐分解出CO₂，是（1）式的正向反应。所以，伴随火山喷发，大气中温室气体的浓度也会越来越高。

岩浆中大部分成分是硅酸钙。硅酸钙是白色粉末。无味。无毒。溶于强酸。不溶于水、醇及碱，多为针状结晶。在加热至680～700℃时脱出结晶水，结晶外形无变化。由硅酸和生石灰及水按一定比例混合后进行水热反应生成硅酸钙微晶料浆，经过滤，洗涤，干燥制得。

硅酸钙由碳酸钙和二氧化硅在高温下煅烧熔融而成。

生产方法：

1、由氧化钙（有碳酸钙分解而得）和二氧化硅在高温下煅烧熔融而成。

2、将纯石英与碳酸钙按CaO/SiO₂为1∶1（摩尔比）混合，放入铂坩埚中于1500℃以上充分熔融后，将铂坩埚在水中急冷。将制得的偏硅酸钙玻璃体放入铂坩埚中，加热至800～1000℃，即开始结晶而生成β-CaSiO₃。

3、利用α-CaSiO₃的冷却进行制备。在纯固态下α-CaSiO₃向β-CaSiO₃转移是困难的，即使相当慢的冷却，也很难使转化进行。因此，往α-CaSiO₃中加入其重量几分之一左右的偏钒酸钙，促进转化。

这一过程在火山喷发前的岩浆生成时可以发生。

CaO + SiO₂  ＝ CaSiO₃    （高温煅烧）         （2）

（1）式加（4）式的反应结果是，火山岩浆中含有大量的CaSiO₃和CO₂。合成式为：

CaCO₃ + SiO₂  ＝ CaSiO₃ + CO₂                 （3）

酸雨和海洋酸性增大启动温室气体减少的逆反应过程

伴随大气中CO₂浓度的增大，降水带给地面的是酸雨，流入大海的也是碳酸水溶液，增大了海洋的酸性。（1）的逆反应就是将CO₂转变为CaCO₃，形成巨厚的碳酸钙地层，这是温室气体减少，大冰期即将到来的前兆。

特别是，硅酸酸性小于碳酸，火山喷发出的硅酸钙CaSiO₃ 与碳酸反应，生成硅酸和碳酸钙，将CO₂储存在岩石中。大自然自有清除大气中温室气体的方法，是人工方法难以相比的。

CaSiO₃ + CO₂ + H₂O ＝ CaCO₃ + H₂SiO₃                     (4)

由此可见，酸雨和海洋酸化是大气中温室气体浓度减少的前兆，是气候变冷和大冰期到来的前兆，是气候逆转的必经过程。在这一过程中，温室气体不仅贮存在岩石中形成碳酸钙，而且流进海洋，储存大海中。海洋酸化也是必经过程。这是（5）式和（6）式化学反应的结果。

混有CaCO₃的水通入过量二氧化碳，会生成碳酸氢钙溶液。碳酸钙和碳酸溶液（雨水）反应，生成碳酸氢钙。往变浑浊的石灰水中通入CO2，沉淀消失。这些现象的原理是：

CaCO₃ + H₂CO₃ ＝ Ca(HCO₃)₂               （5）

或

CaCO₃ + CO₂ + H₂O ＝ Ca(HCO₃)₂            （6）

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。

风化剥蚀和沙漠化加速温室气体贮存在岩石中

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。

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”。可是，大块的硅酸钙与酸雨或酸海水的接触面太小，不利于化学反应。硅酸盐风化剥蚀，变为细沙被搬运到大海，有利于富含碳酸的酸雨和酸性海水与硅酸钙反应，将二氧化碳贮存在碳酸钙中。

综合分析

在气候冷暖变化过程中，化学反应决定了气候进程，人类无法改变自然规律，自行选择取舍某个自然片段。即使是对人类有害的雪球地球、火山喷发、酸雨风沙、海平面升降、海水酸化等等人类称之为灾害的过程，都是气候变化的不可或缺的必经环节。

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