冰期旋回中碳酸盐岩δ¹³C规律变化的证据

 

由于关系到人类的生存和可持续性发展，全球变化，已成为当今最热门的话题和研究领域。将古论今，为了更好地了解和研究当今的全球变化，科学家对古冰川进行了大量的研究。在古冰川的研究中，研究者发现，冰川形成过程中，随着δ¹⁸O正漂移，碳酸盐岩中δ¹³C逐渐正漂移，最大值可达+11；当冰川形成到一定程度时，δ¹³C强烈负漂移，最负值可达-7。紧接着冰碛岩有碳酸盐岩帽形成。随着δ¹⁸O出现强烈的负漂移，碳酸盐岩帽里的δ¹³C从强负值出现强烈正漂移。碳酸盐岩中δ¹³C的这种规律性漂移，幅度如此之大，是一种十分异常的现象，对此有很多争论（Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992; Hoffman, et. al., 1998; Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000; Bains, et. al., 1999; Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994）。到目前为止，这种冰川旋回中碳酸盐岩δ¹³C规律变化，还没有一种能得到学术界公认的详细解释，一直是地学界的不解之谜（杨瑞东等，2003；钱迈平等，2000）。冰川期的旋回，是全球变化的一种重要表征（张兰生等，2000）。同时，冰川期旋回，也基本和造山旋回、成矿旋回、海平面变化旋回、CO₂旋回、Er旋回相一致（龚一鸣，1997；汪品先，2002；翟裕生，2001）。这个谜底的揭开，将直接面对以上问题的解决。所以，弄清冰期碳酸盐岩δ¹³C漂移的原因，是一个既复杂，又重要的问题。我们对现有地质、地球物理学、地球化学、冰川学、气象学等资料进行综合分析后，就这个谜提出了新的理论。

1  δ¹³C和δ¹⁸O的地质学特征

当海洋中的水蒸发时，含δ¹⁶O的水较易蒸发，含δ¹⁸O的水较不易蒸发。这样，就造成δ¹⁸O的分馏。由蒸发的水蒸汽凝聚而成的江河湖里的淡水，δ¹⁶O较高，δ¹⁸O较低。由蒸发的水蒸汽凝聚而成的极地冰川及山地冰川，δ¹⁶O也较高，δ¹⁸O较低。而海洋，则由于δ¹⁶O的蒸发减少而造成δ¹⁸O值升高。江河湖里的水，最终又会流入海洋。库存在江河湖里的淡水量相对较少，且量变化不大。而极地冰川和山地冰川，当冰川形成时，会造成大量淡水的滞留；而冰川消融时，原来滞留在极地和高山的冰川水，又会流入海洋。这样，就造成冰川形成时，海洋δ¹⁸O值正漂移，而冰川消融时，δ¹⁸O负漂移（Shackbeton, 1973）。

自然界中的碳，主要由两种稳定同位素组成，即¹²C和¹³C，其丰度分别为 98 89%和1.ll% （Hoefs, 1982; Garrels and Lerman, 1984；胡修棉等，2001）。绿色植物进行光合作用时，优先吸收δ¹²C，造成碳同位素分馏。植物、动物和微生物，都是直接或间接以植物为食的。所以，组成生物的有机碳，相对来说，含δ¹²C较多，而含δ¹³C较少。而留在大气或海洋中的CO₂，则相对富积δ¹³C。由生物衍生而来的矿物有机物及天然气水合物等，也和生物相似，具有强烈的δ¹³C负值，如天然气水合物里的甲烷，δ¹³C值为-60~-65（杨瑞东等，2003；Kvenvolden, 1995）。从全球角度未说，碳主要分布在几个主要的碳库中，相应的碳同位素值有所不同。碳酸盐岩中的碳同位素相对富¹³C，δ¹³C值平均为0‰（相对于PDB标淮，下同）。沉积有机质中的碳δ¹³C值约为-25‰；大气δ¹³C值为7‰；大洋水的δ¹³C值为0‰；由地球去气作用形成的碳，δ¹³C约为-7‰（Hoefs, 1982; Garrels and Lerman, 1984; 胡修棉等，2001）。

 

2  冰期旋回中的δ¹³C和δ¹⁸O变化规律

2.1 冰期后碳酸盐岩帽中的δ¹³C和δ¹⁸O变化规律

每一次冰川消融后，紧接着冰碛岩的上面，会形成一层厚厚的碳酸盐岩。这种碳酸盐岩像帽子一样盖在冰碛岩上，俗称碳酸盐岩帽。这种碳酸盐岩帽的厚度，与冰川期冰川的规模有关。冰川期形成的冰川规模越大，这种碳酸盐岩帽的厚度越大（有时达400m）；冰川规模越小，这种碳酸盐岩帽的厚度越小。组成这种碳酸盐帽的物质，主要为碳酸钙、碳酸镁组成的白云岩或灰岩；有时，也有碳酸锰等其它碳酸盐参与岩帽的形成（杨瑞东等，2002）。

紧接在冰碛岩上的碳酸盐岩的δ¹³C，呈现强负值，最负值可达-7。而δ¹⁸O呈现强正值。在冰碛岩上面，离冰碛岩越来越远，δ¹⁸O值逐渐负漂移，然后至正常为止。但冰碛岩上的碳酸盐岩帽里的δ¹³C，随着离冰碛岩的越来越远，δ¹³C呈现强烈的正漂移，直至正常为止（杨瑞东等，2003；张启锐等，2002）。

这种现象，每一次冰期都会再现（Hoffman, et. al., 1998; Kennett, et. al., 2000; 李玉成和周忠泽，2002），但以新元古大冰期最为显著，漂移幅度最大（Hoffman, et. al., 1998）。冰期后碳酸盐岩帽形成和δ¹³C、δ¹⁸O的规律性变化，具有全球普遍性和等时性（Prave, 1999; Walter, et. al., 2000; Knoll, 2000）。

2.2 冰期旋回中的δ¹³C和δ¹⁸O变化的一般规律

δ¹⁸O值的变化，与冰川的形成和消融密切相关，现已作为古冰川形成和消融的一种重要表征（Shackbeton, 1973）。

在地球演化的过程中，每一次的冰期的形成和消融，都伴随着δ¹⁸O的周期性变化（杨瑞东等，2003；Shackbeton, 1973; 李玉成和周忠泽，2002）。冰川形成过程中，δ¹⁸O值逐渐升高，冰川最大时，δ¹⁸O值最高。冰川持续期，只要冰川规模不变，总质量不变，δ¹⁸O的值也不会有太大的波动。冰川消融期，随着冰川的逐渐消融，δ¹⁸O值逐渐降低，至冰川完全消融时，δ¹⁸O值降至最低。在间冰期，δ¹⁸O值波动不大。冰期旋回中，δ¹⁸O正漂移的最大值，与冰川的规模密切相关。冰川规模越大（如新元古大冰期），δ¹⁸O的正漂移越强烈；冰川规模越小（如奥陶纪或比它更小的次一级冰期），则δ¹⁸O正漂移越弱。只要是没有冰川形成的间冰期，δ¹⁸O的值波动不大。

δ¹³C的值，也和冰川的形成和消融强相关（Prave, 1999; Veizer, et. al., 1999）。在冰川的形成过程中，δ¹³C值逐渐正漂移。但至冰川形成到一定规模时（不是冰川的最大期），δ¹³C达最大值（有时可达+11以上），开始急剧负漂移。这种负漂移很少一次性到位，至少要经两次或两次以上的阶梯（Bains, 1999）。其中最明显的一次负漂移在冰川形成期，另一次在冰川开始消融时的消融期。整个冰川期，δ¹³C都处于这种强负值期；或处于不断负漂移的过程中。冰川消融后，δ¹³C值急剧正漂移。整个间冰期，δ¹³C虽会有一些微量波动，但总的趋势是处于正漂移过程中。这种正漂移直至下一次冰川形成至一定规模为止（不一定是冰川的最大期）。

δ¹³C的这种漂移所达正、负漂移的最大绝对值的大小，也与冰川的规模强相关。冰川期形成的冰川规模越大，δ¹³C正漂移时所至的最大值也最大；紧接着的负漂移，负漂移至最负值时，最负值的绝对值也最大。冰川期形成的冰川规模越小，δ¹³C正漂移时所至的最大值较小，紧接着的下降，下降至最负值时，最负值的绝对值也较小。

 

3  目前学术界对δ¹³C和δ¹⁸O规律变化的解释

目前为止，学术界对冰期后直接盖在冰碛岩上的碳酸盐岩帽里的δ¹³C从强负值开始强烈正漂，及整个冰期旋回中δ¹³C的规律变化，有很多种解释（Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992; Hoffman, et. al., 1998; Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000; Bains, et. al., 1999; Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994）。归纳起来，主要有以下三种：

生物量变化说（Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992）；甲烷渗漏说（Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000）；火山脱气说（Hoffman, et. al., 1998; Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994）。

坚持第一种观点的学者认为，冰期后形成的碳酸盐岩帽中的δ¹³C负异常，是由于冰期形成，温度变低，进行光合作用的植物受温度的影响，生物量下降，光合作用减弱。通过生物分馏δ¹²C的能力下降。但生物体的分解并没有太多地减少，或甚至因大量生物的死亡而有所增加。这样，由于δ¹²C分馏能力减弱和生物体分解释放δ¹²C能力加强的共同作用，将造成δ¹²C相对地在大气和海洋里增加，从而造成δ¹³C的负漂移（Kimura, et. al., 1997; Kaufman, et. al., 1991; Derry, et. al., 1992; 胡修棉， 2001）。

坚持第2种观点的学者认为，由于受某种高温作用（一般均未说明是那一种来源的高温），海底冰冻层的以甲烷为主的天然气水合物大量气化释放，进入海洋或大气。在海洋或大气中，甲烷被氧化为CO₂。这些CO₂溶于海洋中，进一步和海洋里的钙、镁等离子结合，形成碳酸盐岩帽。因为甲烷的δ¹³C强烈负偏，所以，这使海洋或大气中的CO₂δ¹³C也出现强烈负漂移（Dickens, et. al., 1995; Kennedy, et. al., 2001; Kennett, et. al., 2000; 杨瑞东等，2003）。

坚持第3种观点的学者，以新元古大冰期为例，认为新元古冰期形成雪球地球，海洋被雪球封闭，没有被雪球封闭的陆地上的火山喷发和地震，产生大量CO₂气体。这些CO₂等温室气体越积越多，温室效应越来越强，最后造成雪球的解体。大量的CO₂进入海洋或大气，使雨水呈酸性，加强了岩石的风化。陆地和海洋里的风化产生的大量金属离子结合，形成了碳酸盐岩帽[Hoffman, et. al., 1998]。这样，由于火山喷发和地震产生气体的相对负δ¹³C值（-7左右），造成碳酸盐岩帽的δ¹³C值负漂移（Hoffman, et. al., 1998）。其它冰川期，也有类似新元古大冰期的现象发生（Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994）。

4  对已提出解释的可行性分析

用生物光合作用的强弱变化和生物量的变化来解释δ¹³C值从强正值向负漂移，理论根据不足。随着冰川的形成，由于温度的影响，植物的量的确会减少，光合作用也会随之减弱。光合作用减弱，只是光合作用对CO₂中的δ¹²C的分馏作用减弱。分馏作用减弱，但并没有停止，仍在进行δ¹²C的分馏作用。这就是说，若大气和海洋里的CO₂的供应和消耗没有太大变化的话。尽管光合作用减弱，随着光合作用（减弱后的）的继续进行，照样会进行δ¹²C的分馏，大气和海洋中的δ¹²C会继续降低，δ¹³C会继续上升。所以，冰川形成后造成的光合作用减弱，并不会导致δ¹³C的负漂移，只会使正漂移减弱而已。

冰川形成后，随着温度降低，生物量的确会减少；即光合作用减弱，合成的有机物减少，而分解的有机物增多，导致总生物量减少。总生物量减少，也就是大量生物体被分解为水和CO₂。导致构成生物体的δ¹²C向大气和海洋释放，使大气和海洋中的δ¹²C浓度升高，δ¹³C浓度相对下降。冰川消融后，CO₂浓度升高，温室效应增强，光合作用增强，合成的生物量大于分解的生物量。分馏（降低）δ¹²C的能力加强，而产生δ¹²C的能力减弱，将使δ¹³C正漂移。这样看来，总生物量的减少，的确能造成冰川形成过程中δ¹³C的负漂移，和冰川消融过程中的正漂移。

但是，据测算，现今全球碳库储量见表1（Falkowski, et. al., 2000）。

表1 全球碳库碳储量（Falkowski, et. al., 2000）

库	数量/Gt	库	数量/Gt
大气	720	陆地生物圈	2000
海洋	38400	活生物量	600~1000
总无机碳	37400	死生物量	1200
表层水	670	水生物圈	1~2
深层水	36730	化石燃料	4130
总有机碳	1000	煤	3510
岩石圈		石油	230
沉积碳酸盐	>60000000	天然气	140
油母质	15000000	其它（泥炭）	250

从表1可见，陆地生物量总和为2000Gt，海洋生物量总和为1~2Gt，海洋有机碳为1000 Gt；大气CO₂为720Gt，海洋总无机碳（主要为溶解的CO₂和碳酸盐）为37400Gt （Falkowski, et. al., 2000; 王凯雄，2001）。以研究得较为清楚的新元古大冰期为例来说，因那时还没有陆地生物，只可能有海洋生物。假设那时的海洋生物量和现在相近，大气和海洋中的CO₂量也和现在差不太多。那时的总生物量最多也只会有2Gt，总有机碳也只有1000Gt，这与大气和海洋中的CO₂的和相差太多。就算光合作用一点有机物也不合成，所有的2Gt生物碳全部转化为CO₂，甚至包括1000Gt总有机碳也全部转化为CO₂，这也远不可能使δ¹³C值从+10负漂移至-7（张启锐等，2002）。更何况，并不是所有的生物量都全部分解了，只是部分生物量的减少；而溶解在海洋里的有机碳，也不会因为生物的减少而急剧减少。所以，冰川形成时，由于温度下降造成的光合作用减弱，生物量减少，可能会使δ¹³C产生一点点负漂移，但产生的效果极其有限，绝不可能是使大气和海洋中CO₂强烈负漂移的主要原因。

由于冰川的形成，引起海底火山喷发（见后述），的确有可能使海底冰冻层里天然气水合物，气化成甲烷等气体，进入海洋或大气中。由于甲烷的δ¹³C值相当低，大量的甲烷气体的渗入，将使局部海洋或大气中的δ¹³C值急剧下降，引起δ¹³C的强烈负漂移。

但是，从表1可见，就现今来说，所有天然气的总量也只有140Gt，而仅大气中的CO₂就是720Gt，海洋里溶解的CO₂和碳酸盐（条件适宜时，会转化为CO₂）则高达37400Gt；就算所有的天然气全是天然气水合物，就算所有的天然气水合物全部转气化成了甲烷，也远不可能使δ¹³C从+10的值负漂移至-7。更何况，天然气水合物只占所有天然气的很少一部分；因火山喷发被加热气化成甲烷而渗漏入海洋和大气的，又仅是天然气水合物中很少的一部分。所以，一部分天然气水合物气化成甲烷渗漏入大气和海洋，只可能使局部海洋或大气的δ¹³C适当负漂移，绝不可能是冰川形成后所有碳酸盐岩帽里δ¹³C强烈负漂移的主要原因。所有碳酸盐岩帽的最强负漂移值也仅-7，这也间接证明，甲烷渗漏使碳酸盐岩帽δ¹³C负漂移的作用相当小，仅是一种极弱的补充作用而已。若真是以甲烷渗漏为主造成的，因为甲烷渗漏不是均匀分布的，甲烷的δ¹³C值相当低，低于-60，在甲烷强渗漏的局部区域，负漂移值，应远比-7更负，至少会出现比-10更负的现象。

相比较来说，火山脱气说正确的成分更多。综上所述，碳酸盐岩帽里的δ¹³C负漂移既不是因为生物体分解补充δ¹²C造成的（生物量变化说），也不是因为与生物有关的有机物分解补充δ¹²C造成的（甲烷渗漏说）；那么，能给大气和海洋补充δ¹²C，使δ¹³C负漂移的，就仅只有地球的去气作用了。也即通过火山喷发和地震造成的地球去气作用，给大气和海洋补充了大量含δ¹²C的CO₂气体，使δ¹³C强烈负漂移。δ¹³C负漂移的最强负值，也只是-7左右，这也间接证明，δ¹³C的负漂移，就是因为地球去气气体而造成的。

从以上分析可见，造成冰期后碳酸盐岩帽δ¹³C强烈负漂，肯定是由冰川形成和消融，造成火山喷发和地震，使地球内部大量CO₂气体排出而造成的。那么，这种大规模的火山喷发和地震是如何发生的呢？它和冰川形成和消融关系如何？这是火山脱气说所面临和急需解决的问题。

5  冰川形成对火山喷发和地震的影响

在冰川形成和消融过程中,的确有相应的火山形成，这已为大量的地质资料所证明（Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994; Renne, et. al., 1995; Clark, et. al., 1986; Jin, et. al., 2000; Zhou and Kyte, 1988）。但是，冰川的形成和消融如何引起火山喷发和地震？或者说，冰川形成和消融引发大规模火山喷发和地震的原因如何？这却很少有资料报道。

绿色植物的光合作用，导致CO₂等温室气体的浓度降低，使大气温度下降。当两极及高山的温度下降至0℃以下时，极地及高山冰川形成（Berner, 1997; Berner, 1993）。

地球表面是由地壳和上地幔围成的固态岩石圈。岩石圈内，则为具有一定液态性质的软流层。所以，在一定程度上，可以把地球看成是一个由固态岩石圈围成的液体球。在第四纪冰川时期，欧洲斯堪的纳维亚地区和加拿大哈得逊湾地区都存在过北极冰川。最近15000年以来，哈得逊地区抬升了大约300m，这一地区至今还保持着每年上升2cm的速度。经过计算，该区地面要恢复到冰期以前的原有高度，并重建地壳均衡状态，还需要再上升80m。斯堪的纳维亚地区，近万年来，其上升幅度达250m，至今仍以每年1cm的速度上升（陶世龙，1999；Stacey, 1992）。这说明，地球这个由固态岩石圈圈闭而成的液体球，具有一定的塑性。冰川形成时，冰川下的地壳和冰川一道，在冰川巨大质量的重力作用下会下沉。冰川消融时，由于这个巨大重力的消失，会反弹性上升。

冰川和地壳的这种下降作用，会造成火山喷发和地震。下面，我们以现有的南极冰盖为例，来分析这种作用过程。

冰盖未形成时，岩石圈和地幔处于流体静力学平衡状态（见图1，a）。当南极冰盖形成时，2.64×10¹⁹kg的海洋水转移至南极，引起海退；海洋岩石圈上的重量将减少，南极大陆岩石圈上的重量将大大增加（见图1，b）。在冰川形成时产生的巨大重力缓慢作用下，地球表现出明显的塑性（刘本培和蔡运龙，2000）（见图1，c-f），南极冰盖下的地壳将大幅度下降（见图1，c-f）。

地球是一个密闭流体球体，岩石圈就是这个密闭流体的容器。根据流体力学原理，密闭流体在外力的作用下，流体不会或几乎不会被压缩；根据巴斯噶原理：“施加压强于密闭容器内的流体，此压强无变化地传到流体的各部分及容器的器壁”（赵景员和五淑贤，1981）。所以，当巨大质量的冰川引起南极岩石圈下陷时，将产生巨大的压强，流体地幔会把这个压强传至地幔的任何地方，并传至垂直于地壳的任何方向，且压强不变，方向向外（见图1，b）。这样，地球将在这个巨大作用力的作用下，向外膨胀（图1，c-f）。

图1. 南极冰川形成引起的造海过程.  A，岩浆从洋中脊涌出；B，南极冰川；C，老岩石圈；D，软流层；E，由洋中脊处涌出岩浆形成的新海洋岩石圈.“→”示火山喷发

因为地球可看成一个密闭流体容器，若岩石圈的某处不破裂，冰川及冰川下地壳就不会下陷。北极冰川地区现在反弹性上升的事实告诉我们，北极冰川形成时，的确曾下陷过。这说明，北极冰川形成时，曾使地球膨胀而至地壳撕裂过。或者说，冰川形成时产生的重力，足够使地壳破裂。

地球向外膨胀时，地球表面积将增加；也就是说，冰川形成的巨大作用力，在岩石圈的某处（最易破裂处，一般为洋中脊），将其撕裂，这就是地震。为了释放压力，岩浆将会从破裂处喷出，这就是火山喷发。大量岩浆从洋中脊排出，也会使海底扩张，产生造海运动（图1，d-f）。

因冰川的形成，是由于长期的光合作用，使大气中的CO₂浓度过低，温室效应过弱而造成的（Berner, 1997; Berner, 1993）。所以，火山喷发喷时，大气或海洋中的CO₂浓度，应是最低时。由于火山喷发和地震，将大量的CO₂补充至大气或海洋中。当火山喷发和地震释放入海洋和大气中的CO₂大于植物光合作用消耗的量时，海洋和大气中的CO₂浓度停止下降，并开始升高。这时，冰川形成停止，地球进入冰期。

因这时大气或海洋中的CO₂，主要以火山喷发和地震等地球去气作用产生的气体为主；而地球去气气体的δ¹³C值相当低，为-7左右。大量的去气气体进入大气和海洋，会造成δ¹³C负漂移。最负值接近或等于-7，说明这种CO₂气体，几乎是由去气气体组成。在局部区域，若火山喷发时，造成了甲烷等天然气水合物的气化释放的话，有可能加速δ¹³C值负漂移。但是，和火山喷发及地震释放入大气和海洋中的CO₂相比，天然气水合物释放出的甲烷量毕竟有限，不会造成δ¹³C值负漂移过强。

6  冰川消融对火山喷发和地震的影响

冰川的消融作用，也一样会造成火山喷发和地震。下面以北极冰川的消融为例，来分析这种作用。

当北极冰川消融时，情况刚好和冰川形成时相反。北极冰盖消失，大量的水注入海洋，海洋水面将升高，海水重量增加。极地冰盖消失，极地岩石圈将从原来的下降状态升起，地球的内部压力减少。地球将在以上两种力的共同作用下收缩，造成岩石圈皱缩，最终形成地槽。海洋岩石圈比大陆壳薄，这种皱缩形成地槽的作用，主要发生在海洋。

图2. 地槽形成和造陆过程. A，岩石壳；B，早期沉积物；C，负压腔；D，后期沉积物；E，火山堆；F，类花岗岩岩浆层；G，类玄武岩岩浆层；H，玄武岩；“→”示火山喷发.

具体演变过程如下：

地球收缩，对岩石圈产生水平挤压，一旦岩石圈宽度超过其刚性范围，海洋岩石圈将发生形变，要么隆起，要么下降（见图2，a-b）。若隆起，就成为地背斜（海山）。若下降，就成为海盆（地向斜）（见图2，b）。由于海洋岩石圈的密度比较大，再加上冰川消融后形成的海水增加，地球内压下降，海洋岩石圈下降的面积将远大于抬升的面积，也就是说，海盆的面积远大于地背斜的面积（见图2，b）。

海盆一旦形成，将有沉积物在海盆里沉积（见图2，b）。随着冰川不断地消融，岩石圈严重收缩。海盆边缘受到严重挤压，因为海洋岩石圈刚性作用，海盆底部将不断下陷（见图2，b-c）。同时，海盆里沉积的上km的沉积物，也进一步加剧了海盆的下陷（见图2，b-c）。下降的海盆，将又会有大量的沉积物沉积（见图2，c）。

海盆下降深度越来越深，盆口面积越来越小。海盆下陷到一定程度，就转变为地槽（见图2，c）。

地槽下降越深，槽底洋壳的弯曲度就越大，当弯曲度越过海洋岩石圈的承受力时，槽底断裂产生地震（见图2，d）。由于负压的作用，将造成大量玄武岩火山喷出（见图2，d-e）。

随着地槽的下陷，地背斜将被抬升。通过地背斜的抬升，来达到地槽和地背斜共同构成的浮力和重力平衡（见图2，b-c）。

随着地背斜的抬生和地槽进一步下陷，将加剧地槽底部岩石圈和地背斜岩石圈的弯曲。当其弯曲程度超过连接它们海洋岩石圈的承受度时，将发生断裂。这就引起地震，引起地槽和地背斜的分离（见图2，g）。

一旦地背斜和地槽分离，地槽因为失去两侧地背斜的牵扯，由于地幔的浮力而上升（见图2，g-h）；地背斜将因为没有地槽的支撑而下降，冲击下面的岩浆而引起火山喷发（主要为中性或酸性岩浆的喷发）（见图2，g-h）。同时，地背斜岩石圈较重，地槽岩石圈较轻（地槽里沉积岩的比重小于火成岩性质的海洋岩石圈），地背斜和地槽岩石圈断裂时，地背斜岩石圈将向地槽下插入，这样，更进一步造成地槽抬升，形成中央隆起（见图2，g-h）。从而形成地背斜和地槽之间的重新组合，产生造山作用，形成山脉，地槽作用完成（见图2，h）。

综上所述（见图2），在冰川消融引起的地槽的形成和演化过程中，会形成大量的火山喷发和地震。这样，大气中由地球去气作用产生的CO₂浓度，会因冰川的消融而进一步升高，δ¹³C值进一步负漂移。

受冰川形成和消融的共同作用，当去气作用造成的δ¹³C负漂移作用，大于光合作用的分馏作用造成的正漂移作用时，就造成大气或海洋中δ¹³C的负漂移，最终导致δ¹³C在冰期呈强负值。

随着大气中CO₂浓度的不断升高，温室效应越来越强，导致冰川快速消融。冰川的消融，大量的冰碛岩沉积。

由于pH=1/2(pK₁+pK₂-logCco₂(T)/Cco₃^2-(T))（郭锦宝，1997），当大气中的CO₂浓度升至最大值时，pH最低。低pH值造成大量硅酸盐风化，产生大量的钙、镁等金属离子。

CO₂浓度升高，温室效应增强，温度上升，绿色植物大量繁殖，生长繁茂，光合作用越来越强。硅酸盐风化时，使硅酸盐最终变成二氧化硅沉淀，吸收大量氢离子使海洋pH值上升；光合作用吸收大量CO₂，形成大量的矿物有机物，使pH值上升。由于pH = 1/2(pK₁ + pK₂ - logCco₂(T)/Cco₃^2-(T))（郭锦宝，1997），随着pH值上升，Co₃^2-浓度上升。

由于Ksp=αCa²⁺( Mg²⁺)(T)×αCO₃^2-(T)（郭锦宝，1997），碳酸盐岩的Ksp主要由金属离子的浓度和Co₃^2-的浓度决定。当海洋中这两种离子的浓度都上升时，Ksp<αCa²⁺( Mg²⁺)(T)×αCO₃^2-(T) ，将造成碳酸盐岩沉淀。 这就是造成紧接冰碛岩上碳酸盐岩大量沉积的原因。

 

7  火山喷发和地震造成δ¹³C和δ¹⁸O的规律性变化的证据

7.1黄铁矿形成的证据

黄铁矿，是硫和铁在还原环境下形成的化合物。在碳酸盐岩帽及其附近，有时会有这种矿物大量出现，冰川期形成的冰川规模越大，这种矿物越多（杨瑞东等，2003；张启锐等，2002；Wright, et. al., 1997）。这说明，在冰川形成过程中，曾有过强还原环境存在。从地球演化早期至今，强还原环境，都是由地球去气气体造成的。地球去气时，大量的氢、硫化氢等强还原性气体的排出，是造成这种强还原环境的主要因素。随火山喷发形成的热液为强酸性液体，溶有大量铁等矿物元素。当这些矿物元素和去气作用产生的硫化氢化合，就形成黄铁矿等硫化物矿床。这说明，冰川形成过程中，地球曾有过强排气作用。这也说明，碳酸盐岩帽中的δ¹³C强烈负漂移，是由于火山喷发引起的地球去气作用造成的。

7.2微量稀土元素的证据

δCe通常作为古海洋氧化-还原条件的示踪剂（Wright, et. al., 1997）。对上扬子区新元古宙南沱冰期后碳酸盐岩帽（贵州铜仁和湖南大庸）的δ¹³C和δCe进行测定发现，碳酸盐岩帽下部δ¹³C值低，往上δ¹³C值逐渐向正迁移。碳酸岩盐帽的下部（和冰碛直接接触）含黄铁矿泥灰岩、薄层白云岩的δ¹³C为-7.06~-3.27‰，δCe为-0.04~0.069，表示它们为弱还原-弱氧化环境下形成的产物。上部的中-厚层纹层白云岩的δ¹³C为-3.58~-0.13‰，δCe为-0.22~-0.105，说明形成于氧化环境（杨瑞东等，2003）。这就证明，碳酸盐岩帽里的δ¹³C强负值（-7.06~-3.27‰），是在还原条件下形成的。δ¹³C由负值向正值漂移的过程，就是由还原性环境向氧化性环境转化的过程。这说明，δ¹³C的强负漂移，的确是火山去气作用形成的。

 

7.3造山作用的证据

每一次冰川的形成和消融，都会引起相应的造海和造山作用，冰期旋回，总是和造山旋回一致（龚一鸣，1997；汪品先，2002）。通过以上的分析（见图1和图2），我们知道，在冰川形成时，会引起造海作用；在冰川消融时，会引起造山运动。所以，和冰川旋回一致的造海和造山运动，都是由于冰川的形成和消融引起的。这间接证明，我们以上的推论是正确的。也证明，碳酸盐岩帽中的δ¹³C的负漂移，是由于火山喷发引起的。

7.4碳系统演化的证据

从表1可见，地球上，现已沉积了6×10⁷Gt碳酸盐岩、1.5×10⁷Gt矿物有机物(干酪根Kerogen,占80-90%)。地球形成的早期，没有碳酸盐岩沉积。太古宙晚期，开始有少量碳酸盐岩沉积。大量碳酸盐岩的沉积，是从元古代以后开始的。所以，这巨量的碳酸盐岩和矿物有机物，都是由CO₂逐渐转化来的。若构成这巨量的碳酸盐岩和矿物有机物的碳，在地球演化早期（碳酸盐岩形成前），就存在于地球的原始大气中。由于温室效应，地球的温度肯定远高于现在的金星，会在500℃以上。地球上根本就不会有生命演化和存在。既然现在地球上有生命演化，这说明，形成巨量碳酸盐岩和矿物有机碳的CO₂，肯定是后来逐渐从地球内部排出的。即地内系统，不断地将地内含δ¹²C较多的CO₂补充在地表系统里。火山喷发和地震，是地球排气的主要方式。所以，现在地球上巨量的碳酸盐岩和矿物有机物，是由火山喷发和地震逐渐排出的CO₂形成的。而甲烷渗漏和生物量变化，只会造成地表碳再循环，不会造成地表系统里的碳的绝对量逐渐增加。甲烷渗漏和生物量变化造成冰期旋回中碳δ¹³C的规律性变化，与地史资料不符。所以，冰期旋回中碳δ¹³C的规律性变化，肯定是由火山喷发和地震等地球去气作用造成的。

 

参考文献：

胡修棉,王成善,李祥辉. 大洋缺氧事件的碳稳定同位素响应. 成都理工学院学报, 2001, 28(1):1-6

龚一鸣. 重大地史事件、节律及圈层耦合. 地学前缘, 1997, 4(3-4): 75-84

郭锦宝. 化学海洋学.厦门：厦门大学出版社. 1997，80-398

李玉成, 周忠泽. 华南二叠纪末缺氧海水中的有毒气体与生物集群绝灭. 地质地球化学, 2002, 30(1): 57-63

刘本培，蔡运龙. 地球科学导论. 北京：高等教育出版社. 2000. 8-303

钱迈平,袁训来,肖书海，厉建华,汪迎平. 新元古代大冰期及其诱发因素. 江苏地质, 2000, 24(3): 135-139

陶世龙. 地球科学概论. 北京: 地质出版社, 1999, 12-100

杨瑞东，王世杰，董丽敏，姜立君，张卫华，高慧. 上扬子区震旦纪南沱冰期后碳酸盐岩帽沉积地球化学特征. 高校地质学报,2003, 9(1): 72-80

汪品先. 气候演变中的冰和碳. 地学前缘, 2002, 9(1): 85-93

王凯雄. 水化学. 北京：化学工业出版社. 2001. 257-323 

杨瑞东,欧阳自远,朱立军,王世杰,姜立君,张位华,高慧. 早震旦世大塘坡期锰矿成因新认识. 矿物学报, 2002, 22(4): 329-334

张兰生，方修琦，任国玉. 全球变化. 北京：高等教育出版社. 2000. 1-271

张启锐，储雪蕾，张同钢，冯连君. 从“全球冰”到“雪球假说”—关于新元古代冰川事件的最新研究. 高校地质学报， 2002，8（4）：474-481

赵景员，五淑贤. 力学. 北京：人民教育出版社. 1981. 342-428

翟裕生. 矿床学的百年回顾与发展趋势. 地球科学进展，2001，16（5）：719-725

Bains S, Corfield R M, Norris R D. Mechanisms of climate warming at the end of the Paleocene. Science, 1999, 285: 724-727

Berner R A. Paleozoic atmospheric CO₂: Importance of solar radiation and plant evolution. Science, 1993, 261: 68-70

Berner R A. The rise of plants and their effect on weathering and atmospheric CO₂. Science 1997, 276: 544-546

Clark D L, Wang C Y, Orth C J, et al. Conodont survival and low iridium abundance across the Permian-Triassic boundary in South China. Science， 1986, 233: 984-986

Derry L A, Kaufman A J, Jacobsen S B. Sedimentary cycling and environmental change in the Late Proterozoic, Evidence from stable and radiogenic isotopes. Geochim. Cosmochim. Acta.， 1992, 56: 1317-1329

Dickens G R, O’ Neil J R, Rea D K, et al. Dissociation of oceanic methane hydrate as a cause of the carbon isotope excursion at the end of the Paleocene. Paleoceanography, 1995, 10: 965-971

Eldholm O, Thomas E. Environmental impact of volcanic margin formation. Earth Planet.  Sci. Lett., 1993, 117: 319-329

Falkowski P et al. The global carbon cycle: A test of our knowledge of earth as a system. Science. 2000, 290: 291-296

Garrels R M, Lerman A. Coupling of the sedimentary sulfur and carbon cycles-an improved model. American Journal of Science， 1984, 284: 989-1007

Hoefs J. Isotope geochemistry of carbon. Schmidt H L， Forstel H， Heinzinger K. Stable Isotopes. Elsevier Press， 1982, 103-113

Hoffman P F, Kaufman A J, Halverson G P. et al. Neoproterozoic snowball earth  Science, 1998, 281: 1342-1346

Jin Y G, Wang Y, Wang W, et al. Pattern of marine mass extinction near the Permian-Triassic boundary in South China. Science, 2000, 289: 432-436

Kaufman A J, Hayes J M, Knoll A H, et al. Isotopic compositions of carbonates and organic carbon from upper Proterozoic successions in Namibia：stratigraphic variation and the effects of diagenesis and metamorphism. Precambrian Research, 1991, 49: 301-327

Kennedy M J, Christie-Blick N, Sohl L E. Are Proterozoic cap carbonates and isotopic excursions a record of gas hydrate destabilization following Earth’s coldest intervals？Geology, 2001, 29: 443－446

Kennet J O, Stott L D. Abrupt deep-sea warming, paleoceanographic changes, and benthic extinctions at the end of the Paleocene. Nature, 1991, 353: 225-229

Kennett J P, Cannariato K G, Hendy I L, et al. Carbon isotopic evidence for methane hydrate instability during Quaternary interstadials. Science, 2000, 288: 128-133

Kimura H, Matsumoto R, Kakuwa Y, et al. The Vendian-Cambrian ^{13C record. North Iran: evidence for overturning of the ocean before the Cambrian explosion. Earth and Planetary Science Letters, 1997, E1-E7}

Knoll A  H. Learning to tell Neoproterozoic time. Precambrian Research, 2000, l00: 3-20

Kvenvolden K A.  A review of the geochemistry of methane in natural gas hydrate. Org. Geochem., 1995, 23: 997-1008

Prave A R. Two diamictites, two cap carbonates, two δ¹³C excursions, two rifts: the Neoproterozoic Kingston Peak Formation, Death Valley, California. Geology, 1999, 27(4)：339-342

Renne P R, Zhang Z, Richards M A, et al. Synchrony and causal relations between Permian-Triassic boundary crises and Siberian flood volcanism. Science, 1995, 269: 1413-1416

Shackbeton O. Oxygen isotope and paleomagnetic stratigraphy of equatorial pacific core V28-238: Oxygen isotope temperature and ice volumes on a 10⁵ and 10⁶ years scale. Quaternary Research, 1973, 3: 39-55

Stacey F D. Physics of the Earth. Third Edition. Brisbane: Brookfiel Press, 1992.

Veizer J,  Ala D, Azmy K, et al. ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr,¹³C and ¹⁸O evolution of Phanerozoic seawater. Chemical Geology, 1999, 161: 58-88

Walter M R. Veevers J J. Calver C R. et al. Dating the 840-544 Ma Neoproterozoic interval by isotopes of strontium, Carbon, and sulfur in seawater and some interpretative modes. Precambrian Research， 2000, l00: 371-433

Wright J, Schrader H, Holser W T. Paleoredox variations in ancient oceans recorded by rare earth elements in fossil apatite. Geochim. Cosmochim. Acta., 1987, 51: 637-644

Zachos J C, Lohmann K C, Walker J C G, et al. Abrupt climate change and transient climates during the Paleogene: a marine perspective. J. Geol., 1993, 101: 191-213

Zachos J C, Stott L D, Lohmann K C. Evolution of early Cenozoic temperatures. Paleoceanography, 1994, 9: 353-387

Zhou L, Kyte F T. The Permian-Triassic boundary event: A geochemical study of three Chinese sections. Earth Planet Sci. Lett., 1988, 90: 411-421

 

各位若想了解这方面有关的详细情况，请各位参见廖永岩著，海洋出版社2007年5月版的《地球科学原理》（28.00元）一书。也可以在以下网址找到这本书的详细目录：http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=7010

也可以在以下网址找到有关这本书的部分相关内容:http://www.sciencenet.cn/blog/user_index.aspx?userid=3534

注：本文摘于廖永岩著《地球科学原理》一书。

广东海洋大学

廖永岩著
电子信箱：rock6783@126.com

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自廖永岩科学网博客。
链接地址：https://blog.sciencenet.cn/blog-3534-7289.html

上一篇：自然(Nature)最新报道:大气二氧化碳浓度与地球温度的确始终关联
下一篇：地球为什么是梨形的?