火山双重作用新证据：大灭绝事件后为何数百万年内无法恢复？

                            杨学祥，杨冬红

大灭绝事件后为何数百万年内无法恢复？或因海洋温度过高

2016年09月03日 09:07 新浪科技微博

   距今大约2.5亿年前的“二叠纪-三叠纪灭绝事件”，该事件发生之后长达数百万年时间内生命都未能恢复元气，远远超出了其他灭绝事件，因而被称作“大死亡”。其成因或与西伯利亚的火山大规模喷发有关。

在“二叠纪-三叠纪灭绝事件”之后，生命的复苏过程大约花费了500~900万年之久。在此次严重的灭绝事件中，地球上海洋生命的96%以及陆地生命的大约70%都消失了.

　　新浪科技讯北京时间9月3日消息，我们每天过着平静的生活，似乎生活一直都是如此安稳的。地球是生命的家园，但地球对于生命而言并非一直如此。在漫长的地质历史时期曾经发生过多次严重的生物大灭绝事件，这是地球历史上最具灾难性的时刻，它们几乎将陆地和海洋中的生命彻底抹去。而其中最严重的一次大灭绝事件便是发生在古生代二叠纪末期，距今大约2.5亿年前的“二叠纪-三叠纪灭绝事件”，该事件发生之后长达数百万年时间内生命都未能恢复元气，远远超出了其他灭绝事件，因而被称作大死亡(The Great Dying)，或是“大灭绝之母”(Mother of all mass extinctions)。

　　对于为何在此次大灭绝事件之后在如此漫长的时间内生命都无法恢复这一问题上，科学家们最近取得了一些新的认识。

　　研究人员对加拿大北部高纬度地区进行了考察，该地区当初曾经是超级大陆“泛大陆”(Pangaea)的边缘地带。科学家们发现在“二叠纪-三叠纪灭绝事件”发生之后，环境中出现了一段显著的营养物质空白时期。

　　这样的情况可能是由于当时海洋温度的急剧上升导致的结果，这种情况可能会阻碍环境食物链底部生物的生产能力并延缓海洋生命的复苏进程。

　　在“二叠纪-三叠纪灭绝事件”之后，生命的复苏过程大约花费了500~900万年之久。在此次严重的灭绝事件中，地球上海洋生命的96%以及陆地生命的大约70%都消失了。

　　约瑟·柯尼斯(Jochen Knies)是北极天然气水合物、气候与环境中心(CAGE)的研究人员，他表示：“这场严重的大灭绝事件起因可能是位于今天西伯利亚地区的大规模火山喷发。”他说：“当时的这场火山喷发持续了数百万年时间并释放出巨量的挥发物成分，如二氧化碳和甲烷，这些都是温室气体，从而造成地球严重升温。”

　　在这项已经发表在《地质学》杂志上的论文中，研究人员对北极地区的地质学记录进行了考察和分析并从中找出了为何当时海洋生物的恢复需要花费如此漫长时间的原因。分析显示，由于当时持续的高温环境，海洋中营养物质严重缺乏，这阻止了藻类繁衍。由于藻类等属于海洋生态中食物链的底层供应者，整个海洋生态系统便迟迟无法重建。

　　柯尼斯表示：“当时属于泛大陆最西北边缘地带的区域如今是加拿大北极高纬度地区。正是在该区域，我们在地质记录中发现了当时存在的明显的营养物质断层。这就意味着当时的海洋中严重匮乏营养物质成分，比如氮。高温环境导致海洋中温跃层和营养跃层的深度变深，于是来自海洋底部的营养物质上涌通道终止了。在这样的环境下，海洋藻类的生长便受到了极大的抑制。”

　　根据研究人员的说法，海洋温度在该次大灭绝事件之后又经过了漫长的600~700万年时间时间才逐渐恢复冷却，在那之后海洋中的营养物质成分水平也随之逐渐恢复正常。

　　柯尼斯表示：“阻碍海底营养物质上涌的界限开始逐渐式微，海水再次恢复上涌。这一过程带来了营养物质，海洋开始复苏，最终带来的新一轮的生命大爆发。”

　　他说：“由于这场史无前例的超级大灭绝事件所留下的生态空白最终被填补上了。”

当然，这项研究所针对的还不仅仅是这一发生在远古时期的大灭绝事件，研究人员还希望借此为如今全球变暖大背景下海洋环境将会如何发生变化提供思考的线索。(晨风)

http://tech.sina.com.cn/d/n/2016-09-03/doc-ifxvqcts9352877.shtml

这项研究为我们在1999年提出的观点提供了证据：现代火山活动有明显致冷的记录。短周期的对应关系是：小冰期对应强火山活动，小气候最适期对应弱火山活动。但是，火山长周期的对应关系却是：火山活动峰值与全球无冰期对应，而谷值与大冰期对应^[1]。

火山双重作用的新证据

1 引言

1816年，全球性的低温袭击了从欧洲、美洲甚至中国，据保守估计1816年北半球平均气温下降了0.4-0.7℃，被称为无夏之年。一般认为原因是处于道尔顿极小期。在此之前的蒙德极小期造成了北半球持续70年的连续低温。但是造成1816年寒冷现象的更直接原因是1815年坦博拉火山喷发，1809年也发生了火山喷发^[1-3]。在此期间还有两次火山爆发，分别发生在1812年的加勒比海地区和1814年的菲律宾。

最新研究认为，地球小冰期始于13世纪后期，这比当前地质学界普遍接受的小冰期起始时间提前了100多年。小冰期可能从1275年至1300年间就开始了，而且是突然开始降温的。当时在大约50年时间里，热带地区相继发生了4次大规模火山爆发。由于喷出的火山灰中含有大量悬浮颗粒，阻碍了太阳辐射抵达地球表面，北半球在相对很短的时期内不断遭遇“降温”，这种累积效应使北半球一下子“跌”入冰期。1430年到1450年，也发生了一轮大规模火山喷发，其中包括瓦努阿图的火山。虽然火山喷发导致的气温骤降的时间并不长，但是足以使北冰洋的冰川夏季也扩张。太阳辐射反射减少了墨西哥湾暖流，气温持续下降。火山喷发造成的短暂气温下降会导致几个世纪的寒冷时期“小冰期”的到来^{[4, 5]}。

2010年冰岛火山喷发后，火山活动对气候的影响重新引起人们的关注，伴随火山资料的增多，研究火山活动对气候的影响不仅成为可能，而且有重大的现实意义。

2 火山喷发在冰期和小冰期中的致冷作用

从15至17世纪的200余年内，世界上强震很多，其它自然灾害（如瘟疫流行）也很集中，这正是太阳黑子的蒙德极小值期。与之对应的中国华北第六地震活动期，延续了200多年，其间发生了4次8级地震，7次7级地震，其后的平静期延续了85年，未发生任何大于6级的地震^[6]。人们往往把它当作小冰期气候产生的原因。

进一步的研究表明，火山活动对小冰期有重要影响。小冰期对应强火山活动，小气候最适期对应弱火山活动。因为火山灰和二氧化硫等火山喷发物到达平流层后，较小的气溶胶可在数月内传播到全球，并可在平流层内持续漂浮1-3年，使太阳直接辐射减弱，造成大气降温^[7-10]。

一般研究认为1450-1890年是小冰期的时限，在此期间有三次冷期和两次暖期。中国的冷期发生在1450-1510年、1560-1690年和1790-1890年（国外资料为1450-1550年、1640-1720年和1790-1830年）。其中第二次冷期表现最甚；暖期发生在1510-1560年和1690-1790年。太阳活动和火山活动是小冰期气候变化的主要因素，下一个太阳黑子延长极小期可能到来^[7-13]。

曲维政等人根据六百多年全球VEI 5级以上火山活动资料分析和谱分析以及与北半球地面气温、西太平洋高压SLP、北大西洋高压SLP和北大西洋西风漂流区SSTA对比分析得知：全球强火山活动存在显著的88年左右和100年左右世纪尺度周期循环，还存在33年左右年代际尺度周期循环以及与太阳活动相联系的准11年周期；夏季七月西太平洋副热带高压SLP存在与火山活动基本一致的准33年周期波动，这可能是对于火山活动准33年周期的响应；在北大西洋,火山活动激发了夏季北大西洋副高88年周期波动、冬季1月北大西洋西风漂流区SSTA 100年周期振荡和夏季7月SSTA 88年周期振荡；北半球地面温度88年周期波动可能是对火山活动88年周期的响应^[15]。研究表明，火山活动是地球气候异常变化十分重要的影响因子，特别是WEI5级以上的强火山活动，其影响是全球性的^[15-18]。

太阳黑子周期活动规律性影响地球气候。在太阳黑子非活跃时期，北美和欧洲部分地区常遭遇极端天气。在2008年至2010年，太阳黑子处于活动谷年。同一时期，美国与欧洲部分地区遭遇严冬。复杂计算机模型模拟到长期气候状况，证实在太阳黑子活动谷年，异常冷空气在赤道大气上空形成，造成大气热量重新分配和大气环流变化，令欧洲北部和美国遭遇异常低温和暴风雪，加拿大和地中海地区气候则变得更为温和。进入活动峰年，情况相反^[19]。

太阳黑子周期长度的变化与地球冷暖变化也具有相关性。用太阳黑子周期长度同地球温度做比较，地球的增温和降温与太阳黑子周期长度变化是相当吻合的，当黑子周期变短，地球增温，当黑子周期变长，地球降温，太阳黑子周期长度的变化与地球冷暖变化有很好的相关性。太阳黑子延长极小期会带来寒冷，常规的太阳黑子周期的长度变化也能带来地球气温变化^[20]。两种尺度划分的地球冷暖周期是一致的（见表1）。

值得注意的是，1890-1924年和1947-1976年拉马德雷冷位相时期与太阳黑子周期长度谷值相对应，1925-1946年和1977-1999年拉马德雷暖位相时期与太阳黑子周期长度峰值相对应。除潮汐变化外，太阳活动可能是拉马德雷现象的形成原因之一。潮汐增强、太阳黑子延长极小期、太阳黑子周期长度变长、拉马德雷冷位相和冷气候有很好的对应关系。

表1  太阳黑子延长极小期、冷气候和坏天时代的对应关系

事件     时间        时间      时间       时间      时间     时间（年）

变暖年   960-1000  1150-1250  1360-1480  1520-1600  1720-1790  1880-

好天时代 965-1010  1110-1165  1360-1420  1525-1600  1725-1790  1915-

变冷年  1000-1150  1250-1360  1480-1520  1600-1720  1790-1880  

坏天时代 1010-1110  1165-1360  1420-1525  1600-1725  1790-1915

极小期  1040-1080  1280-1350  1450-1550  1640-1720  1790-1830  

汤懋苍等人指出，依据太阳黑子周期长度(SCL)资料，将过去2500年分为"好天时代"(SCL＜11年)和"坏天时代"(SCL＞11年)，发现在"坏天时代"中国旱灾频率显著高于"好天时代"。"好(坏)天世纪"与气候暖(冷)期有好的对应；并提出了太阳活动影响气候的过程链。他们在1470-1975年划出100个“旱年”，其中74个出现在坏天时代，只有26个出现在好天时代，坏天时代的旱年频数比好天时代几乎要多2倍。太阳黑子延长极小期、冷气候和SCL 长(即坏天时代)的对应关系见表1^[21]。这表明，SCL长，太阳活动弱，全球气温降低，太阳黑子延长极小期和SCL长（坏天时代）一一对应。

好天时代已经结束，坏天时代正在到来。本次太阳活动周期从1997年到2008年末，历经12年，按照汤懋苍等人的定义，为“坏天时代”，与全球灾害频发相对应。汤懋苍等人的工作提供了太阳黑子周期的长度变化影响地球气温变化的新证据。

最近的研究表明，不仅太阳活动具有11年周期，潮汐具有11年和1800年的周期波动，气候变冷周期与潮汐变化周期相一致^{[22, 23]}。火山喷发11、33、88年周期是太阳活动和潮汐变化11年周期叠加的结果，潮汐激发地震火山活动得到越来越多研究的证明，而深海巨震也能导致气候变冷^[24-31]。

综合上述资料可以得到表2，这表明太阳黑子延长极小期、太阳活动周期超长时期（坏天时代）、火山喷发高潮期、强潮汐与低温期有很好的对应关系。衡量太阳活动强度有两个尺度，其一是太阳黑子数，其二是周期长度，与太阳黑子延长极小期相比较、太阳活动周期超长时期（坏天时代）与火山活动和气候变冷有更好的一致性（见图2和表2）。

表2  太阳活动、火山喷发、强潮汐和低温期的对应关系

注：数据来自文献[1-5，8-23]。

地球自转周期是太阳活动周期、潮汐变化周期、气候变化周期的综合反映，表3给出了其变换规律和对应效应，小冰期对应其中的179年周期。

表3  地球自转变化的长周期^{[7, 37]}

注：带*号者为作者计算得出。

根据罗时芳等人（1974）和任振球等人（1990）的研究，地球自转周期11.169年对应11.2年太阳黑子周期、12.15年对应12.01年木星相似会合周期、18.6年对应月亮赤纬角的变化周期、19.855年对应19.858年木星、土星会合周期、22.337年对应22.2年太阳磁周、29.783年对应29.46年土星公转恒星周期、59.555年周期对应59和60年木星、土星、水星相似会合周期，振幅分别为0.162、0.141、0.521、0.189、0.434、0.521、1.239毫秒，显示地球自转与行星潮汐的对应关系（见表3）^{[7, 20]}。

此种解释的矛盾是，与土星相比，木星质量大，距离地球近，产生的地球自转振幅却仅为土星的四分之一。如果加上潮汐的11.137、18.6、19.96、22.3、29.94、59.88年周期，就有很好的对应性和可比性。地球自转周期18.6、29.783、59.555年的振幅是最大的，月亮赤纬角在18.6年内由18.6度变为28.6度，完成一个周期循环。在月亮赤纬角为最大值28.6度时期，地球的平均扁率变小，地球自转加快；在月亮赤纬角为最小值18.6度时期，地球的平均扁率变大，地球自转变慢。潮汐的11.137、18.6、19.96、22.3、29.94、59.88年周期使潮汐影响地球自转的解释更加合理。

从2003年开始，天文学家就一再预测到太阳活动变弱的趋势，一个类似道尔顿极小期的太阳活动低值正在到来，长度可能更长^[9-12]。太阳活动周期变长是太阳活动减弱的一个明显的标志。2011年美国科研人员预测，太阳将进入不寻常且时间较长的“超级安静模式”，大约从2020年开始，太阳黑子活动或许会消失几年甚至几十年。这些科研人员在美国天文学会太阳物理学分会年会上发表3份研究报告说，人们熟悉的太阳黑子活动或许将进入“冬眠”，这种情况自17世纪以来从未出现^[38]。

根据潮汐变化1800年周期，小冰期时期对应潮汐强度高峰，而目前潮汐强度低谷对应全球变暖，并将持续到24世纪，直到3107年潮汐达到新的高峰，引发新一轮小冰期。潮汐还有200年和60年周期，对应太阳黑子超长极小期和太平洋十年涛动，目前200年周期和60年周期都处于变冷初期阶段（见表2），所以，此次变冷规模要小于道尔顿极小期^[23]。

3 火山喷发在大冰期和温暖期中的致暖作用

现代火山活动有明显致冷的记录。短周期的对应关系是：小冰期对应强火山活动，小气候最适期对应弱火山活动。但是，火山长周期的对应关系却是：火山活动峰值与全球无冰期对应，而谷值与大冰期对应^{[14, 40]}。

据Coffin和Eldholm（1993）海洋考察结果，巨大火成区所显示的大陆溢流玄武岩和大洋溢流玄武岩的喷发强度与全球高温和大气CO₂高浓度对应（见图1-5）^[41]。

图1 全球巨大火成区

图2  巨大火成区和全球变暖

图3  巨大火成区的规模比例

120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台，其释放的热量为6×10²⁶J，海洋的质量为1.45×10²⁴g，可使全球海水温度增高33℃，平均每万年海温升高0.1℃^[40]。有证据表明，在古新世末不到6000年的时间内大洋底层水增温4⁰C以上^[33]。海底火山活动引发的海温增高和CO₂排放在全球气候变化中的作用不容忽视，这是白垩纪强烈火山活动、大气中高浓度CO₂和异常高温一一对应的原因。最近发现在15~20Ma前南极的夏季温度要比现在高出大约11℃，最高可以达到大约7℃。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16.4~15.7Ma。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^[42]。15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩喷发是大气CO₂浓度增加的原因（见图2）。

1000km³熔岩要释放1.6×10¹³ kg的CO₂，3×10¹²kg的硫和3×10¹⁰kg的卤素。一个巨大火成区的累积过程要发生上千次这样的喷发，它使现代人类造成的污染物产生的影响相形见绌^[40]。120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台的体积为36×10⁶km³，15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩体积为1.3×10⁶km³，释放的CO₂分别为5.8×10¹⁷ kg和2.1×10¹⁶ kg。

Engel and Engel给出了北美火山喷发曲线^[43]，Larson给出了1.5亿年以来全球地磁、洋壳产量、古温度、古海平面、黑色页岩的异常变化^[44]，与图1-5的变化趋势基本一致。

图4 北美火山活动曲线（据Engel and Engel, 1964）^[43]

古地球自转可能存在间隔2亿多年的准周期，图5给出了朔望月天数变化所表示的地球自转速度变化曲线^[7]。从图5中可以看出，1.4亿年中生代，地球自转速度处于高峰；2.3亿年前二叠纪，地球自转速度处于低谷。在15~25Ma期间，地球自转处于增速阶段，目前处于低谷。

图5  近5亿年来朔望月天数的变化（据任振球, 1990）^[7]

在过去4.5亿年中地球旋转速率、地磁轴视极移、洋脊的活动、海平面和气候变化有伴随出现的现象。地球旋转加速时期主要对应了正极性时期，而旋转减慢时期主要对应了负极性时期，前者如志留纪至早泥盆纪和中生代，这阶段由于地球旋转速度加快，使地磁极具正极性、洋脊活动增强、全球性海侵和古气候变暖。自晚泥盆纪至二叠纪和新生代，是地球旋转速度减慢时期，表现为负极性为主、洋脊活动减弱、全球性海退、气候剧烈变化和出现大冰期。这些资料表明，在几亿年时间尺度上，各种地质旋回有一定程度的相关性存在，与地球自转速度变化相对应^[45]。

火山活动高峰对应全球气候变暖和地球自转加快，火山活动低谷对应全球气候变冷和对应地球自转减慢。火山喷发出大量的温室气体，与全球温暖期相对应（见表4和表5）。在全球温暖期，海洋吸收温室气体的能力伴随海温增减而消失，火山喷发出的温室气体大量积累在大气中，增强了温室效应。

最新的证据是，距今大约2.5亿年前的“二叠纪-三叠纪灭绝事件”，该事件发生之后长达数百万年时间内生命都未能恢复元气，远远超出了其他灭绝事件，因而被称作“大死亡”。其成因或与西伯利亚的火山大规模喷发有关。

在“二叠纪-三叠纪灭绝事件”之后，生命的复苏过程大约花费了500~900万年之久。在此次严重的灭绝事件中，地球上海洋生命的96%以及陆地生命的大约70%都消失了。

表4  地球自转周期与地质旋回

对比图5和图6 ，两种曲线有相同的变化趋势：火山活动高峰对应全球气候变暖和地球自转加快，火山活动低谷对应全球气候变冷和对应地球自转减慢。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^[40]。在15~20Ma前南极的夏季温度要比现在高出大约11℃，最高可以达到大约7℃。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16.4~15.7Ma。可以对比的是，在15~25Ma期间，地球自转处于增速阶段，火山活动强烈^[46]。这种对应并不是个例，叶淑华院士指出，在距今0.65-1.4亿年前的白垩纪，地磁场突然倒转，岩浆活动非常剧烈；大气温度比现在高18℃左右；海平面比现在约高150米；地球的自转变快；古生物大量灭绝；大气中CO₂的含量十倍于现在；陨石增多^[47]。在此期间，地球自转速度处于峰值。与此相反，437Ma的奥陶志留纪大冰期对应地球自转速度低谷。

表5  地球自转周期、地质旋回和地磁极性倒转^[48-50]

4  讨论和结论

现代火山活动有明显致冷的记录。短周期的对应关系是小冰期对应强火山活动，小气候最适期对应弱火山活动。但是，火山长周期的对应关系却是火山活动峰值与全球无冰期对应，而谷值与大冰期对应。后者表明火山喷发的CO₂是全球变暖的原因之一。

温室效应仅仅是导致全球变暖的一种因素，在白垩纪时，巨大火成岩省和大洋地壳产量是最多的，其释放的热量加热海水使海水中的CO₂释放到大气，这是人为温室气体所不能替代的。

在距今5亿年以来的地球历史中，火山活动高峰对应全球气候变暖和地球自转加快，火山活动低谷对应全球气候变冷和对应地球自转减慢。在距今0.65-1.4亿年前的白垩纪表现最为明显，在距今大约16.4~15.7 Ma的中新世中期也很突出。地球各圈层差异旋转和角动量交换使热能和动能集中在核幔边界是其一一对应的原因。

近一亿年间海洋底层水冷却了15℃，大气冷却了10-15℃^[6]，而第四纪冰期到来之时，海洋底层水温度为0℃^[22]，目前为2℃。海洋底层温度变化是大气温度变化的可靠前兆。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，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。

主要参考文献

杨学祥, 陈殿友. 火山活动与天文周期. 地质论评, 1999, 45(增刊): 33-42.

杨冬红, 杨学祥. 地球自转速度变化规律的研究和计算模型. 地球物理学进展, 2013，28（1）：58-70。