研究证实德干地盾火山活动触发物种大灭绝 

谁是恐龙“终结者”？研究证实德干地盾火山活动触发物种大灭绝

中国科学报12小时前

作者 | 唐凤

谁杀死了恐龙？

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。”

再见，恐龙先生

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。

寻找火山活动时间

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。

他们使用氩—氩年代测定法，测定了玄武岩的形成年代，从而直接判断火山喷发的时间。

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。

第二项研究使用了一种不同的方法确定火山喷发的时间。Schoene领导的一个研究小组，研究了夹在玄武岩层之间的锆石晶体。

锆石通常是在冷却的岩浆内形成的矿物，其所含的铀的放射性同位素会在该矿物结晶后立刻衰变，并缓慢但稳定地以已知的速率转变成为铅的同位素。

因此，这两种同位素目前在某个锆石内的比例可被用来决定其年代，且年代的不确定性可低至±4万年。

于是，研究人员用铀—铅测年法，检测了锆石个体结晶内的铀—铅同位素比。

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。

然而锆石十分罕见，Schoene表示，从岩石中筛选出锆石是一项耗时数年的工作。

求同存异

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。”

堪萨斯大学劳伦斯分校地球化学家Noah McLean说，这场比赛代表着一场胜利。

几十年来，许多地质年代学技术计算出来的年代无法一一对应。但McLean说，改进的技术和校准，“帮助我们走出百万年的不确定性，得到精密的年表”。

解开恐龙灭亡之谜不仅仅是一个学术问题。

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。

但Burgess表示，为了确定哪一组的解释更准确，人们需要更好的年代。

“这两项研究非常令人兴奋，因为它们提示的生物灭绝知识比我们以前所知道的要多，也告诉我们还有很多东西要学，并产生了新的问题。”他说。

Burgess告诉《中国科学报》：“新问题是广泛的，但我认为其中最令人兴奋的几个问题是：如果行星撞击和火山喷发共同触发了大规模灭绝，我们能确定哪个触发对地球系统的特定部分更致命吗？它们的一致行动是否会让其变得更加致命？是否是一个对生物圈施加压力，另一个把生物圈推向临界点？为了回答这些问题，我们需要更准确的化石灭绝记录、撞击者到达记录以及德干地盾岩浆活动的时间。”

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

恐龙之死：小行星撞击和德干火山作用

     杨学祥，杨冬红

越来越多的科学家在白垩纪第三纪灭绝事件上支持“组合拳”的提法，即德干火山作用让很多物种失去活动能力甚至灭绝，随后希克苏鲁伯火流星到来，给了这些生物最后一击。

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2015/1/310562.shtm

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（见附件）。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-614565.html

普遍观点认为，一颗小行星6500万年前撞击地球，终结了“恐龙时代”，致使哺乳动物出现。但一项最新研究描绘了另一幅画面。美国华盛顿大学研究人员认为，恐龙灭绝前，地球就已发生过一次由火山爆发造成的物种灭绝事件。这些火山令地球变暖，杀死海底生物。

http://tech.sina.com.cn/d/2012-10-06/09197677462.shtml

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-611991.html

这场争论已持续很长时间，我们的相关论文已沉睡了4年之久（见附件）。

相关报道：

恐龙之死：小行星或非全责

新证据指向印度德干高原火山作用假说

作者：闫洁 来源：中国科学报 发布时间：2015/1/1 9:50:00

Gerta Keller 的最新发现将她从研究的边缘拉回到前沿。图片来源：PETER MURPHY

越来越多的科学家在白垩纪第三纪灭绝事件上支持“组合拳”的提法，即德干火山作用让很多物种失去活动能力甚至灭绝，随后希克苏鲁伯火流星到来，给了这些生物最后一击。

在印度西南部，一处名为Sinhagad堡垒的废墟矗立在德干高原的断崖上。放眼望去，赭石色调的火山山脊一览无余。假若将时钟倒回至约6600万年前，这个可登高望远的地方正是人间地狱。当时，印度还是一个半岛，并且跨越留尼汪岛的潜在危险地区：一处岩浆喷泉从地下深处喷涌而出；在地球历史上最大规模的一次火山活动中，在75万年的时间里，岩浆淹没了一处和蒙古国面积相当的地方。

一项长期存在且愈发激烈的科学争论，关注的便是几乎在同一时间发生的灾难性灭绝。不过，时至今日，这个崎岖的地带对于该争论来说仍是一处“零地带”。一方认为，当时德干高原的火山活动喷出了足够的二氧化碳，致使全球温度骤升。同时，硫磺气体将海洋变酸，为四分之三的地球生命形态包括非鸟翼类恐龙带来致命性的后果。另一方阵营则在过去的几十年中占据支配地位，将当时的生物灭绝归因于单一的“杀手”—— 一颗小行星的影响。

拯救火山作用假说

近日，在《科学》杂志网络版上，支持火山作用的一方获得重大推进。对于该争论中最具争议性的人物之一、美国普林斯顿大学古生物学家Gerta Keller而言，情况亦是如此。

在该论文中，她和同事报道了德干高原火山活动各主要阶段的精确日期。与那些认为岩浆倾泻发生得过早，因此并未在生物灭绝过程中发挥作用的观点相反，他们提出当时的火山作用贯穿了白垩纪第三纪灭绝事件。

这些最新发现可以看作是拯救火山作用假说的最新举措。该观点在1991年淡出。当时，研究人员在尤卡坦半岛确认了来自300公里宽的希克苏鲁伯陨石坑的残留物。这是一颗10公里宽的小行星或彗星在白垩纪结束前的3.2万年间同地球相撞时留下的“伤疤”。从那以后，日益增加的证据暗示，小行星或许并不是当时生物灭绝的唯一杀手。

在地质编录记载的12次被称为玄武岩流的大规模岩浆流中，有4次直接早于大规模生物灭绝事件。很多古生物学家认为，在希克苏鲁伯撞击事件为白垩纪谢幕之前，很多物种已经灭绝，或者数量出现骤减。“钟摆似乎倒向了火山作用假说。”来自伯克利地质年代中心的Paul Renne表示。

如今，越来越多的科学家在白垩纪第三纪灭绝事件上支持“组合拳”的提法，即德干火山作用让很多物种失去活动能力甚至灭绝，随后希克苏鲁伯火流星到来，给了这些生物最后一击。“这篇新论文无意削弱希克苏鲁伯撞击事件所起的作用。”中科院南京地质古生物研究所古生物学家Shen Shuzhong表示，但就目前来看，“很难否认”德干火山作用和生物大灭绝之前的联系。

或许很难，但并非不可能。支持希克苏鲁伯撞击事件的核心人物否认火山活动起到过任何作用，并且不为新发现所动。“问题的关键在于德干高原真的是大灭绝中的一个影响因素吗？我认为不是。”加拿大卡尔加里大学地质学家Alan Hildebrand说，“我所看到的是人们在千方百计地寻找一些并不符合希克苏鲁伯撞击事件假说的证据。”

固执的古生物学家

让这场论战一直不停息的正是Keller。“我可能是有点固执。”Keller说，但很多沉默的人知道我是对的。

现年69岁的Keller在瑞士一家奶牛场长大，有11个兄弟姐妹。1964年，由于极度贫苦，同时感到自己待在家中没有未来，她开始了几个月的徒步旅行并在澳大利亚落脚。几年后，Keller前往美国，并在1978年获得斯坦福大学古生物与地质学博士学位。

当时，地球科学正处于一个令人兴奋的时刻。1980年，Luis和Walter Alvarez这对父子兵以及两位同事在《科学》杂志上发表了一篇具有标志性意义的论文，提出了行星原因导致白垩纪第三纪灭绝事件的观点。他们给出的确凿证据是高含量的铱出现在此次灭绝事件留下的沉积物中。因为一些元素已在地球地壳中消失但在陨石中含量丰富，他们据此认为这些元素来自一颗同地球相撞后将富含铱的碎片抛向地球的小行星。

这个在当时具有挑衅性的想法吸引了公众的注意力，但那些支持逐渐灭绝成因论如长期火山作用的科学家对此反应冷淡。

很快，这场争论变成个人之间的论战。曾在1968年获得诺贝尔物理学奖的Luis Alvarez嘲笑古生物学家是“集邮者”。弗吉尼亚理工学院暨州立大学古生物学家Dewey McLean则支持火山爆发导致白垩纪第三纪灭绝事件的说法。而Renne认为，Luis并不是一个温和的人，“很多拥有不同观点的人都要受他摆布”。

1984年，在搬到普林斯顿大学后，Keller开始涉足这场纷争。她认为，海洋生物化石和一些其他指示生物同希克苏鲁伯撞击事件的理论并不相符。“数据显示，生物大灭绝并非瞬间发生。”

1988年，Keller同支持希克苏鲁伯撞击事件假说的阵营进行了首场论战。那是在犹他州举行的一场关于全球性灾难的研讨会上。当Keller开始发言时，“甚至连简介都没做完就被喊停”。她回忆说，任何敢轻易质疑希克苏鲁伯撞击事件假说的人，都会被告知“你根本不知道自己在做什么。所有的言论都是愚蠢和可笑的”。

当时，Keller正逐渐获得“顽固”的声誉。

从边缘回到前沿

作为上世纪80年代的研究生，受希克苏鲁伯撞击事件假说鼓舞的Hildebrand开始了寻找陨石坑的旅途。1990年，他听闻曾有地球物理学家为一家石油公司开展地质调查时，在尤卡坦半岛上的希克苏鲁伯村发现了一处埋于地下的巨大裂痕。

随后，Hildebrand同其中一位专家取得联系。他们从石油公司获得了岩芯样本，并发现了只有火流星撞击或原子弹爆炸才会形成的冲击石英和玻璃球体。于是，他们在尤卡坦半岛上分头出动，找到了地质灾害留下的地面岩层，包括位于铱含量丰富的地层之下的几米厚且分层规律的砂岩。一些研究人员提出，当火流星猛烈撞向海洋时，一场巨大的海啸将岩层推向此处。

当海啸证据看上去势不可挡时，Keller已作好了继续前行的准备。墨西哥研究人员帮她探明了该陨石坑中与白垩纪第三纪灭绝事件相关的岩层。在接下来的十年间，Keller多次前往尤卡坦半岛，并提出很多非凡的观点。她和同事找到了微小水生生物的化石及其洞穴，认为因海啸产生的沉积岩实际上是在几千年的时间里形成的。随后，Keller还提出，希克苏鲁伯撞击事件发生在白垩纪第三纪灭绝事件前的30万年间，而且其影响很短暂，不会触发生物灭绝。

此后，Keller、普林斯顿大学地质年代学家Blair Schoene和其他人加入对锆石的寻找队伍中。当锆石结晶时，会将铀原子困在其中，而这能把微小晶体变成持续几十亿年的精准“计时器”。放射性元素会衰变成处于半衰期的铅，因此这两种元素同位素的比率可反映晶体的形成时间。锆石在玄武岩中非常少见，但在爆发式火山喷发留下的富含硅的灰烬中很常见。Schoene团队发现这种被以往地质年代学家忽略的灰烬“镶嵌”在溢流玄武岩的岩层中。他们挑选的锆石使其得以作出结论：从白垩纪第三纪灭绝事件前推25万年，出现大规模火山爆发，并且持续了约75万年。

下一步将精确分析这些火山爆发如何导致物种灭绝。目前，Keller团队正在寻找白垩纪第三纪灭绝事件前的50万年间伴随德干火山爆发而来的海洋酸化证据。很多同行认为，此次最新发现将Keller从边缘拉回到前沿。她则笑着表示：“至少我不希望再遇到满怀敌意的对待。”（闫洁）

《中国科学报》 (2015-01-01 第3版 国际)

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2015/1/310562.shtm

附件

                     火山喷发的双重作用

杨冬红^1,2, 杨学祥³

1 吉林大学古生物学与地层学研究中心, 长春  130026

2 吉林大学东北亚生物演化与环境教育部重点实验室, 长春  130026

3 吉林大学地球探测科学与技术学院, 长春  130026

摘  要  大多数学者认为，15-18世纪的小冰期是由太阳辐射减弱或火山喷发单一作用或共同作用引起，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。最近研究表明，小冰期从13世纪开始，源于公元1275年和1300年之间的4次火山喷发。在过去的450年，最近研究发现了火山喷发与大气和海洋低温的联系，短期的变冷时代从13世纪到18世纪，大气和海洋系统被火山喷发所控制。但是，发生在古老世纪白垩纪的长期变暖时代，发生了最强烈的海底火山喷发，喷发物中的火山灰被海水过滤，连同海洋增温所释放出的温室气体阻止热辐射返回太空，使地球气候变暖。火山喷发具有双重效应：致冷和致暖。温室效应不是气候变化的唯一因素，其他因素必须参与地球的热平衡。火山活动主要受地球内部能量间歇性释放所控制。对作差异旋转的内核而言，太阳辐射量影响核幔角动量交换和壳幔能量交换，造成热幔柱喷发和强烈岩浆活动，控制了核幔边界到地表的能量交换过程。这是天文周期与火山活动一一对应的原因。二氧化碳不是造成古气候峰值唯一原因。

关键词  火山，太阳辐射，温室效应，小冰期，地球自转

doi:                       中图分类号 P                收稿日期

A dual action of volcanic eruption

YANG Dong-Hong^{1, 2}, YANG Xue-Xiang³

1 Research Center of Palaeontology & Stratigrfaphy, Jilin University,Changchun 130026,China

2 Key-Lab for Evolution of Past Life and Enviroment in Northeast Asia, Ministry of Eduation China, Jilin University, Changchun 130061, China

3 College of Geo-exploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026,China

Abstract Most scientists think the Little Ice Age is from the 15th century to the 18th century and was caused either by decreased summer solar radiation, erupting volcanoes that cooled the planet by ejecting shiny aerosol particles that reflected sunlight back into space, or a combination of both. According to the new study, the Little Ice Age began abruptly between A.D. 1275 and 1300, triggered by repeated, explosive volcanism, the Little Ice Age range is from the 13th century to the 18th century. The new study suggests that the onset of the Little Ice Age was caused by an unusual, 50-year-long episode of four massive tropical volcanic eruptions. Over the past 450 years, new studies find an association between volcanic events and lower temperatures in the oceans and atmosphere. The shortest cold period in recent centuries occurred from the 13th century to the 18th century, following the eruption of volcano. The ocean–atmosphere system has been sensitive to changes in radiative forcing caused by volcanism over the past several centuries. But, the longest sustained warm period in ancient centuries occurred in the Gretaceousperiod, following the strongest eruption of volcano that warmed the planet by CO₂ and vapour that reflected thermal radiation back not into space. The eruption of volcano has a dual action and the greenhouse is not only one effect of global worming. Volcanism is controlled by the intermittent release of energy in the earth. The greatest solar radiation affects the exchange of core-mantle angular momentum, which leads to eruptions of super plumes and magma, and controls the energy exchange from core-mantle boundary to crust. They are the reason for the correspondence of the volcanic cycles one by one with the astronomical periods one by one. Carbon dioxide forcing alone is insufficient to explain Palaeocene–Eocene Thermal Maximum warming.

Keywords volcano, solar radiation, greenhouse effect, Little Ice Age, earth rotation

1 引言

1816年，全球性的低温袭击了从欧洲、美洲甚至中国，北半球平均气温下降了0.4-0.7℃，与道尔顿极小期有关，此前的蒙德极小期造成北半球持续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，可能从1275年至1300年间就开始了，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突然进入冰期。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，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 火山喷发在小冰期中的致冷作用

从15至17世纪的200余年小冰期时期，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^[6]。人们往往把太阳黑子延长极小期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]。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已经到来^[7-14]。

研究表明，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^[15]。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，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^[21]。最近的一次太阳黑子周期长度为12.4年，表明21世纪太阳黑子超长极小期的到来。

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，而且深海及其边缘的特大地震可以导致气候变冷^[24-31]。

表1  太阳活动、火山喷发、强潮汐和低温期的对应关系

Table 1 The relation of solar activity, volcanic eruption, tides and lower temprature

注：数据来自文献[1-5，8-23]。

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^[32]。

新的证据表明，全球变暖自上个世纪90年代末以来基本上已停止。Yu Kosaka 和Shang-Ping Xie发现，当将最近在东赤道太平洋观察到的变冷现象直接吸收到气候模型中时，全球变暖的上述停顿就可以得到解决。结果表明，来自热带太平洋的低温海水或是近年来抑制全球气候变暖的一个主要因素。美国斯克里普斯海洋研究所开展的最新研究认为，全球变暖的“暂停”与“太平洋十年涛动”有关^[33]。

这篇文章证实了我们在1996年以来提出“海底藏冷效应”、“海洋锅炉效应”、2000年美国科学家季林提出的“潮汐调温效应”和2002年中国学者郭增建提出的“深海巨震调温效应”。尽管1800年潮汐周期处于最弱时期使海底冷水上翻数量减少，全球气候处于变暖高峰，但是，目前也处于200年周期的太阳黑子超长极小期、55年周期的“太平洋涛动”冷位相时期，后两者有充分的历史数据表明是变冷时期。今后20年气候不再变暖，即变暖已经停止，变冷成为短周期的必然趋势，现有的气候模型忽视了这些自然因素^[34]。

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，变暖高峰在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，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增暖作用

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, 35]}。

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1-2）^[36]。

图1  巨大火成区和全球变暖

Fig 1  Large igneous provinces and global warming

图2  巨大火成区的规模比例

Fig 2  The proportion of the large igneous provinces

120Ma前海底地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℃^[35]。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4℃以上^[37]。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^[38]。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1-2）。

在过去的20年中，研究人员搜集了有关古新世—始新世（5500万年前）最热现象（PETM）的数据。在PETM期间，地球的表面温度在1万年的时间里上升了9℃，而这一事件的起始温度要高于地球目前的气温。地球的温度在这一较高水平上一直持续了近10万年。在PETM期间，大气中的气体浓度上升了约700 ppm（百万分之一），即从1000 ppm升至1700 ppm——这比现今的385 ppm高出了4倍之多。据估计，温室气体的大量灌入形成了这一气温峰值。然而一项新的分析结果似乎并不能完全支持这一假设。研究人员模拟了在PETM期间，大气的灵敏度增加到翻一番的二氧化碳水平——2000 ppm，地球温度会发生何种变化。最终的结果显示，这些二氧化碳最高可以使温度升高3.5℃。这就意味着还有一些其他的因素使地球的温度升高了5.5℃。这一无法解释的变暖现象使人们对究竟是什么导致了重大且快速的气候变化的认知存在着一个缺口：二氧化碳不是造成古气候峰值唯一原因^[39]。

事实上，5500万年前的温度峰值与北大西洋边缘的巨大火成区同时出现，后者喷出的熔岩为哥伦比亚溢流玄武岩体积的3倍多。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^[35]。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。图3中可以看到，巨大火成区大部分处于海洋及其边缘，喷发物被海水过滤，减少火山灰降温作用，增强温室气体增温作用。海洋被加热，释放大量温室气体，两种因素都导致气温升高。

图3 全球巨大火成区

Fig 3 Global large igneous provinces

Engel and Engel给出了6亿年以来北美火山喷发曲线（见图4 ）^[40]，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^[41]，与图1-2的变化趋势基本一致。

图4  北美火山活动曲线（据Engel and Engel, 1964）^[39]

Fig. 4 The cure of volcanic activity in North America（after Engel and Engel, 1964）^[39]

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^[42]。

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^[43]。在此期间，地球自转速度处于峰值。相反，437Ma的奥陶志留纪大冰期和437Ma的石炭二叠纪大冰期对应地球自转速度低谷。

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^{[35, 43-51]}。

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^{[52, 53]}。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）^{[5, 18-20]}。

图5  太阳辐射变化、核幔角动量交换和气候变化的关系

          Fig.5 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）^{[36, 41]}，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^[54]。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^[55]。

4 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℃^[56]，而第四纪冰期到来之时，海洋底层水温度为0℃^[58]，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^[23]。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^[57]。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^[58-60]。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^{[61, 62]}。

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^[62]。

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