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地球科学原理之25 影响岩石圈形成后去气作用的因素

已有 3848 次阅读 2009-4-11 19:38 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记| 地球科学, 地球演化, 影响因素, 去气作用, 岩石圈形成后

广东海洋大学

廖永岩

(电子信箱:rock6783@126.com

地球的去气作用重要,影响地球去气作用的因素,也肯定重要。前一回我们讨论了地球岩石圈形成后的去气作用,这里,我们来讨论影响地球岩石圈形成后去气作用的因素。

二氧化碳等地球去气气体,主要由火山喷发和地震产生。火山和地震越强,地球的去气作用也就越强,产生的二氧化碳等去气气体也就越多。火山和地震,是由于冰川的形成和消融引起的造海作用和造陆作用而形成的。所以,冰川与火山喷发和地震直接相关。冰川越大,形成和消融得越迅速,产生的二氧化碳等去气气体就越多。

那么,历史上的冰川,为什么会有大冰川和小冰川之分呢?或者说,为什么有的时期形成的冰川大,如新元古宙和石炭-二叠纪的冰川,有的时期形成的冰川较小,如奥陶纪的冰川。假设地球表面的陆地和海洋的分布,在任何时期都是均匀分布的,那么,随着二氧化碳等温室气体浓度的减少,温室效应的降低,冰川将形成。当冰川形成到一定的程度,引起造海作用的发生,导致火山喷发和地震。火山喷发和地震的去气作用,使大气中的二氧化碳等温室气体浓度增高,温室效应增强,使冰川消融。冰川消融的过程中,又会造成造陆运动,再一次通过火山喷发和地震,补充大量的二氧化碳等温室气体于大气中,使大气的温室效应更强,从而使地球进入一个间冰期。若真这样的话,只要使二氧化碳减少的绿色植物进行光合作用的能力不变,地球在演化的过程中,冰川期和间冰期的时间间隔将基本相等;每一次冰川期形成的冰川规模大小也应一致。

但是,在不同的地球演化时期,地球的陆地和海洋的分布是不一样的。虽然由于光合作用消耗二氧化碳,使温室效应降低,当两极降至冰点以下时,就会有冰川形成。但有时,两极全是海洋,有时两极全是陆地,有时一极是海洋,一极是陆地。

当两极是海洋时,冰川只能在海洋里形成。在海洋里形成的冰川,冰川形成于海洋的上部。这样,就造成和冰川接触或较近的冷海水,由于比重较大而下沉,下部相对温度较高的海水上升。就会造成海水的垂直循环,冰川和海水进行强烈的热量交换。若形成冰川时的极地海洋较大,或极地海洋能和附近海洋进行海水交流的话,就会在极地海洋和附近或甚至热带海洋之间形成暖流和寒流。极地冰川和地球其它地区,除能通过大气进行热量交换外,还能通过海洋进行大规模的热量交换。使极地海洋和地球其它地区的热量交换相当强烈。这样,在极地形成的冰川,就很容易消融,冰川体积不容易增大。再有,就算在极地海洋里已形成了较大体积的冰川,只要冰川底部尚没有和海洋底部接触的话,大质量的冰川重力就不可能作用于地壳岩石圈,就不会有重力异常出现,不会有均衡调整,也就不可能引起造海作用。所以,虽然已能在极地形成冰川,但冰川不能造成造海作用,也就不会引发火山喷发和地震。没有火山喷发和地震,地球的去气作用就不会加强,二氧化碳的浓度就不会增高。在绿色植物的光合作用影响下,二氧化碳的浓度将进一步降低,温度进一步降低。极地冰川的范围将进一步扩大。直至极地冰川体积增大,直接和海洋底部接触或扩大至极地周围的陆地上。这时,极地冰川将会造成造海作用,会引起火山喷发和地震,导致地球的去气作用增强。当地球去气作用产生二氧化碳的能力大于绿色植物光合作用等消耗二氧化碳能力时,大气中的二氧化碳浓度将增高。随着二氧化碳等温室气体浓度的增高,温室效应逐渐增强,冰川形成停止,并有可能开始消融。这就表示一次冰川形成的结束。综上所述,我们可以说,当极地是海洋时,一般很难形成冰川;但一旦冰川形成,往往形成的冰川规模较大,范围较广。

当冰川形成时,两极地区是陆地。这时,冰川不可能通过海洋进行热量交换,仅只能通过大气进行热量交换。这样,热量交换的强度大大降低,极地地区的冰川较容易形成,而不容易消融。因为极地冰川是在陆地上形成的,它一形成,就和岩石圈接触,就直接作用于地球的岩石圈,产生重力异常,引起均衡调整作用,产生造海作用,导致火山喷发和地震,引起强烈的地球去气作用,产生大量二氧化碳等温室气体。当地球的去气作用产生二氧化碳等温室气体的能力,大于光合作用等降二氧化碳等温室气体的能力时,二氧化碳等温室气体浓度增高,温室效应增强,冰川形成停止或开始消融。

从以上可以看出,当冰川形成时,若极地地区是海洋(双极海洋冰川),这时形成的冰川规模较大,形成的时间较长。若极地地区是陆地时(双极陆地冰川),形成的冰川较小,形成所需的时间较短。若一极是陆地,一极是海洋的话(单极冰川),它的规模和形成时间,应介于双极海洋冰川和双极陆地冰川之间。

由于双极海洋冰川最终形成的冰川规模较大,当它消融时,形成的造陆作用也较强,产生的二氧化碳等温室气体也较多。所以,双极海洋冰川消融后的间冰期,二氧化碳等温室气体浓度较高,维持的时间也较长,即冰期后的间冰期时间较长。 双极陆地冰川最后形成的冰川规模相对较小,它消融时形成的造陆作用也相对较小,产生的二氧化碳等温室气体的量也较小。双极陆地冰川消融后的间冰期,二氧化碳等温室气体浓度也较低,维持的时间相对较短,即冰期后的间冰期时间较短。

同时,太阳光的强度和绿色植物进行光合作用的能力大小,也对冰川的规模和时间间隔有一定的影响。

太阳光的强度,影响植物的光合作用。太阳光越强,光合作用就越强。总的来说,太阳光强度,随着地球的演化,是越来越强。所以,假设植物的质量和数量不变的话,植物的光合作用强度,应是越来越强。

其实,植物的质量和数量,也并不是不变的。早期生命刚形成时,为原核单细胞生物,它们的光合作用能力相当弱。后来,地球上演化出了真核细胞、多细胞及有根、茎、叶分化的高等植物。植物的光合作用越来越强。若不考虑冰川和太阳因素,仅就植物的光合作用来说,早期的单细胞生物光合作用弱,进行光合作用消耗二氧化碳的能力也弱,通过光合作用降低二氧化碳等温室气体所需的时间较长。所以,那时形成冰川所需的时间,应比后期长。同时,由于低等的植物进行光合作用能力弱,只要不太大的冰川的形成,导致的造海作用引起的地球去气作用,产生的二氧化碳的量,就会大于植物的光合作用消耗的二氧化碳的量。所以,那时的冰川形成时间长,但冰川的规模却很少。

后来,随着氧气量的增加,臭氧层的增加,植物除生存在较深水域外,还能在海洋表层进行强烈的光合作用。这样,植物的生存空间大大增加,植物的量也大大增加。在地球不断演化的过程中,陆地面积和浅海面积的增加,使植物的生存空间进一步增加。

植物通过演化,产生了多种高效的光合色素。较高等植物还形成了叶绿体,使光合作用能力大大加强。高等植物为登陆生物,有根、茎、叶的分化,使植物体伸展在空中,进行旺盛的光合作用。在海、陆、空,全方位、大面积的分布条件下,植物的光合作用能力大大加强。消耗二氧化碳等温室气体的能力也大大加强。这样,假设大气中具有相同浓度的二氧化碳等温室气体的话,这时消耗这些温室气体所需的时间,大大缩短。所以,后期冰川形成的时间应比早期短得多。但冰川一旦形成,由冰川造成的地球去气作用,必须强到一定程度,才可能使地球的去气作用大于植物的光合作用。冰川的规模和冰川的去气作用应是成比例的。这样,就使冰川的规模必须足够大,产生足够大的去气作用,才可能使冰川的形成停止。所以,后期冰川形成时,形成的冰川规模应比早期大,但形成的时间却相应地比早期短。

总之,冰川规模的大小、冰川期和间冰期的长短,是受太阳光强度、绿色植物的演化程度、冰川形成时,极地地区是陆地或是海洋等因素综合影响的。当然,硅酸盐的风化作用影响海洋的pH值,影响碳酸盐的沉积。大气中氧气的含量的多少,影响地球上有机物的总量(包括一般有机物和矿物有机物),它们也会在一定程度上影响冰川的规模及冰川期和间冰期的长短。

冰川的规模决定地球去气作用的量,所以,以上这些因素,也会影响地球的去气作用。

前面几回,我们分析了本章第一节:地球去气作用。有了这些基础,我们就可以来分析地球演化过程中的各种至关重要的平衡作用。所以,我们现在来分析第二节 地球演化过程中的pH平衡。首先,我们来分析去气作用对地球的作用。那么,去气作用到底对地球及地球演化有什么作用?地球在演化过程中为什么没有变成冰球,且听下回分解。

未完,待续。

下回预告地球科学原理之26  去气作用对地球的作用

 

(注:本“地球科学原理”系列,是根据廖永岩著,海洋出版社(20075月)出版的《地球科学原理》一书改编而来,转载者请署明出处,请不要用于商业用途

 



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