地质学家与气象学家之间的战争：全球气候变化源于构造活动（2）

Engel and Engel给出了北美火山喷发曲线^[5-6]，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^[7]，与图1-3的变化趋势基本一致。

图4  北美火山活动曲线（据Engel and Engel, 1964）^[44]

Fig. 4  The cure of volcanic activity in North America（after Engel and Engel, 1964）^[44]

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）^[8]

Fig. 5 The change in number of days in synodic month in recent 5 hundred million years（after Ren, 1990）^[8]

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^[9]。

表1  地球自转周期与地质旋回

Table 1  Earth’s rotation periods and geological cycles

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。

对比图4和图5 ，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^[2]。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^[10]。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^[11]。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2  地球自转周期、地质旋回和地磁极性倒转^[12-15]

Table 2 Earth’s rotation periods, geological cycles and geomagnetic polarity reverse ^[12-15]

巨大火成区来自核幔边界热幔柱的猛烈喷发（见图3）。核幔边界热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^[13-15]。圈层角动量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热幔柱喷发的原因^[13-20]。

Steiner认为，太阳经过远心点后，万有引力常数G迅速减少，使地球膨胀率加大；当太阳位于近银心点时，G值减少使膨胀率减少。若考虑到狄拉克-约旦影响，则G值又有个长期趋势变小的变化^[12，13]。万有引力常数G的银河年周期较好地解决了地质旋回与天文周期的对应关系。但是，近年的研究和测量表明，万有引力常数G在20亿年范围内的变化可以忽略不计^[21]，因此，地质旋回与天文周期的对应性必须另辟蹊径，寻找其他合理的原因。

在过去数年当中，研究人员已经发现一些证据表明，某些地质和生物大事件似乎具有相似时间尺度的规律性周期。这些大约60Ma和140Ma时间尺度的规律性周期，表明在大尺度地球运动过程中存在深层次的成因。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^{[22, 23]}。这表明地表周期与地球深部周期的一致性。地幔柱在海平面、气候和生物多样性变化中起着关键作用。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。

外空间、地表和地球深部周期的一致性，在表1-2 中有显著的表现。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、路海变动周期、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。

巨大火成岩省来自核幔边界热幔柱的猛烈喷发（图6）^[15-20]。核幔边界热幔柱喷发的能量又来自何处？理论模型的研究表明，重力分异不仅把一个均匀密度的地球变为密度分层的地球，而且把一个整体自转的地球变为分层差异旋转的地球。在重物质向地心集中的同时，自转动能也向地核集中，使地核自转变快，使地壳和地幔自转变慢，形成地球内外圈层的差异旋转，核幔边界成为圈层角动量交换的边界^[15-20]。本来重物质向地心集中，地球的转动惯量变小，自转速度应该加快，圈层差异旋转掩盖了这一真相。当圈层角动量交换将部分动能变为热能积累在核幔边界，使外核成为液态物质的同时，地壳、地幔和地核以统一的速度自转，地壳和地幔自转速度变快，地核自转速度变慢，整个地球的自转速度要大于重力分异前的自转速度。这是核幔边界的热幔柱大规模喷发与地球自转加速相对应的原因。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，对核幔边界的热幔柱活动有控制作用（图6）。

两极临近结冰的海水因为密度最大而沉入两极海底，自转离心力将较重的海水推向赤道海底，形成全球巨厚的海底冷水层。由于太阳辐射不能进入这个领域，“冷”被安全地封存在海底。赤道海水表层热水在上、冷水在下，垂直方向只有热传导、没有热对流，这个过程被称为“海底藏冷效应”^[24]。由于内核相对地壳地幔的差异旋转，核幔角动量交换使部分旋转动能转变为热能积累在核幔边界（赤道处的核幔速度差最大，积累的热能最多，图1和图6中的巨大火成岩省主要集中在赤道附近）。超级热幔柱在海底赤道区喷发，加热了底层海水，并引发赤道和两极之间的海洋整体热循环，降低了赤道和两极大气的温差，使两极的海温和气温逐渐上升到冰点以上，形成中生代全球无冰温暖气候，这一过程称之为海洋锅炉效应^[2，24]。核幔角动量交换增强的另一个直接结果是地壳和地幔自转加快，这是大规模火山喷发与地球自转加快对应的原因（见表1-2）。

图6  太阳辐射变化、核幔角动量交换和气候变化的关系

          Fig.6 Relation among solar radiation, core-mantle angular momentum and climate change

4 火山作用和温室效应的比较

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。究竟哪种效应起作用，取决于其他因素的综合叠加。

火山灰遮蔽阳光，可在大气中漂浮1-3年，具有短期致冷效果，在冰期和间冰期、小冰期和气候适宜期的转换中有明显的表现，喷发规模相对较小，小于300 km³。冰期和小冰期与火山喷发有很好的对应关系。火山喷发出的二氧化碳增大了大气温室气体的浓度，气候变冷的事实与温室效应相矛盾，这表明温室气体不是控制气候变化的决定因素。

在人类出现之前，大气中的二氧化碳浓度主要通过火山喷发来增加，通过海洋温度变化溶解二氧化碳多少来控制。火山喷发的火山灰导致气候降低，海洋温度降低吸收更多大气中的二氧化碳，这是冰期和小冰期时大气中二氧化碳浓度变低的原因。也就是温室效应怀疑者通常所说的气温降低在前，温室气体减少在后，火山喷发出的二氧化碳被变冷的海洋吸收，温室效应并没有起到应有的作用。

火山喷发释放的温室气体（水汽和CO₂）定留在大气中时间较长，有长期的致热效果，在大冰期和大温暖期的变换中有明显的表现，喷发时间长，规模庞大，大于10⁶km³。

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）^[3]，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^[25]。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^[24]。

近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15℃，大气冷却了10-15℃^[26]，而第四纪冰期到来之时，海洋底层水温度为0℃^[27]，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^[24]。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，因此，这一重要作用值得深入研究。

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。

德雷克海峡通道的打通是在始新世和渐新世完成的^[28-30]。白垩纪的最强全球变暖与温室效应和德雷克通道封闭有关；中新世中期的较弱全球变暖与温室效应和德雷克通道打通有关。认真研究这一差别对温室效应影响目前全球变暖的程度非常重要。

海底火山喷发不仅喷出大量的温室气体，而且加热了底层海水，消除了使全球气候变冷的“冷源”，使海水中的CO₂大量释放，这是白垩纪发生最强的全球变暖的原因，也是人为释放温室气体所不能替代的。相反，伴随火山喷发的减弱，全球变暖规模逐渐减弱，德雷克海峡的打通使南极变冷，逐渐成为冰盖策源地。忽略陆海分布、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。

在短周期的气候变化中，德雷克海峡中的海冰进退控制气候变化的一个可能模式是：南极半岛海冰增多使西风漂流在德雷克海峡受阻，导致环南极大陆水流速度变慢和南太平洋环流速度变快，部分受阻水流北上，加强秘鲁寒流，使东太平洋表面海水变冷形成拉尼娜，加强沃克环流及增强赤道太平洋热流与南极环流的热交换，增温的南极环流使南极半岛的海水减少；南极半岛的海冰减少使德雷克海峡水流通量增加，导致环南极大陆水流速度变快和南太平洋环流速度变慢，使部分本应北上的水流转而进入德雷克海峡，造成秘鲁海流变弱和东太平洋表面海水变暖形成厄尔尼诺，减弱沃克环流；结果使堆积在太平洋西部的暖水东流，减弱赤道太平洋热流与南极环流的热交换，降温的南极环流使南极半岛海冰增加。这就是德雷克海峡的海冰变化调控全球气候变化的机制，称之为南极环大陆海冰的气候开关效应（图6）。

图7. 全球气候的三个海冰启动开关示意图

                Fig.7 Sketch map of three sea-ices switches for global climate

5 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。前者表明火山灰遮蔽阳光导致气候变冷，后者表明火山喷发的水汽和CO₂是全球变暖的原因之一。火山的双重作用表明，温室气体不是决定气候变化的唯一因素。究竟哪种效应起作用，取决于其他因素的综合叠加。

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和水汽释放到大气，这是人为温室气体所不能替代的。近一亿年间海洋底层水冷却了15℃，大气冷却了10-15℃，而第四纪冰期到来之时，海洋底层水温度为0℃，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。

太阳辐射是地球气候变化的主要热源，温室效应仅仅是保存热能的一种手段，没有长期太阳热能的支持，温室作用的持续时间有限。

陆海分布是影响地球气候的头等重要因素，目前的陆海分布有利于南极冰盖的形成和保存，不会形成最热气候。封闭德雷克海峡才是地球最暖期将要发生的前兆。

参考文献

1.        杨学祥. 对冰期和小冰期气候变化因素的探讨. 自然杂志. 2000, 22（6）：358~362. Yang XX. On factors affecting climate changes during Ice Age and Little Ice Age. Ziran Zazhi. 2000, 22（6）：358~362.

2.        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. Yang X X, Chen D Y. The Volcanoes and the Astronomical Cycles. Geological Review (in Chinese), 1999, 45(supper): 33-42.

3.        Coffin M F, Eldholm O. Large igneous provinces . Scientific American, 1993, 269(4): 26-33.

4.        汪品先，翦知湣。寻求高分辨率的古环境记录。第四纪研究。1999，（1）：1~17 WANG P X, JIAN Z M. Searching high-resolution paleoenmental records: A review. Quaternary Sciences. 1999，（1）：1~17

5.        Sarah J. Feakins, Sophie Warny, Jung-Eun Lee. Hydrologic cycling over Antarctica during the middle Miocene warming. Nature Geoscience, 2012; DOI: 10.1038/ngeo1498

6.        Engel A E J, Engel C G. Continention accretion and the evolution of North  America. In: Advancing Frontiers in Geology and Geophysics. Indian Geophysical Union. 1984.

7.        Larson R L. Geological consequences of superplumes. Geology, 1991. 19: 963~966.

8.        任振球. 当代气候变暖若干问题商榷. 见: 丁一汇主编,中国的气候变化与气候影响研究. 北京: 气象出版社.1997.43-48. Ren Z Q. Discussing on global warming (in Chinese). In: Ding Y H, Study on climatic changes and climatic effect inChina. Beijing: Meteorological Press, 1997. 43-48.

9.        Whyte M A. Turning points in Phanerozoic history. Nature, 1977, 267: 679-682.

10.     Sarah J. Feakins, Sophie Warny, Jung-Eun Lee. Hydrologic cycling over Antarctica during the middle Miocene warming. Nature Geoscience, 2012; DOI: 10.1038/ngeo1498

11.     叶淑华. 人类对地球的新认识. 科学, 1999, 51(1): 25-29.

Ye S H. New understanding pf the earth in the 21^st century. Science, 1999, 51(1): 25-29.

12.     Steiner J. The sequence of geological events and the dynamics of the Milk Way galaxy. Jour. Geol. Soc. Australia. 1967, 14: 99-131

13.     徐道一，杨正宗，张勤文，等。天文地质学概论。北京：地质出版社，1983。51                        XU D Y, YANG Z Z, ZHANG Q W, et al. An introduction to astrogeology (in Chinese). Beijing: Geological Publishing House, 1983. 51.

14.     杨冬红, 杨学祥. 灾害频发和地磁减弱的关系. 世界地质, 2011, 30(3): 474-480.Yang D H, Yang X X. Relationship of frequent disasters with geomagnetic weakening. Global Geology (in Chinese), 2011, 30(3): 474-480.

15.     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。 (Yang D H, Yang X X. Study and model on variation of Earth’s Rotation speed. Progress in Geophysics (in Chinese), 2013, 28（1）：58-70.)

16.     Song X D, Richards P G. Seismological evidence for differential rotation of the Earth’s inner core[J]. Nature, 1966, 382: 221-224.

17.     杨学祥，陈殿友. 地核的动力作用[J]. 地球物理学进展，1996， 11（1）： 68-74.  Yang X X, Chen D Y. Action of the earth core[J]. Progress in Geophysics, 1996, 11(1): 68-74.

18.     杨学祥，张玺云. 热幔柱的启动动力[J]. 世界地质，1996，15（2）：68-74.  Yang X X, Zhang X Y. Staring power of plumes[J]. Global Geology, 1996, 15(2): 68-74.

19.     杨学祥, 陈震, 刘淑琴等. 地球内核快速旋转的发现与全球变化的轨道效应. 地学前缘, 1997, 4(1): 187-193.Yang X X, Chen Z, Liu S Q, et al. The discovery of fast rotation of the earth’s inner core and orbital effect of global changes. Earth Science Frontiers (in Chinese), 1997, 4(1): 187-193.

20.     杨学祥, 陈殿友. 地球差异旋转动力学. 长春: 吉林大学出版社, 1998, 2, 27-33,79,120-122, 196-198.

Yang X X, Chen D Y. Geodynamics of the Earth’s differential rotation and revolution. Changchun: Jilin University Press (in Chinese), 1998, 2, 27-33, 120-122, 196-198.

21.     王家骥. 用类星体光谱检验物理常数是否随时间变化. 科学(上海), 2004, 56(5): 10-13.

Wang J J. Testing the Variation of Physical Constants Based on QSO Spectra. Science (in Chinese), 2004, 56(5): 10-13.

22.     Andreas Prokoph, Hafida El Bilali, Richard Ernstb. Periodicities in the emplacement of large igneous provinces through the Phanerozoic: Relations to ocean chemistry and marine biodiversity evolution. Geoscience Frontiers. Available online 24 August 2012.In Press.

23.     Michael R. Rampino, Andreas Prokoph. Are Mantle Plumes Periodic? Eos, Transactions American Geophysical Union. 2013, 94(12): 113–114.

24.     杨冬红，杨德彬，杨学祥。地震和潮汐对气候波动变化的影响。地球物理学报。2011，54（4）：926-934. Yang D H, Yang D B, Yang X X, The influence of tides and earthquakes in global climate changes. Chinese Journal of geophysics (in Chinese), 2011, 54(4): 926-934

25.     J. Houghton. 全球变暖. 北京: 气象出版社,1998. 30. J. Houghton. Global warming. Beijing: Meteorological Press,1998. 30.

26.     Claude J A, Stephen H S. The evolution of the earth. Scientific American, 1994, 271(4): 44-51.

27.     李四光. 天文、地质、古生物资料摘要. 北京: 科学出版社. 1972. 66.Li S G. Abstract of datum in astronomical, geological and primitive organism (in Chinese). Beijing: Science Press. 1972, 66.

28.     Frakes L A, Climates throughout geologic time. Elsevier Scientific Publishing Company. Amsterdam—Oxford—New York, 1979. 182, 192, 200, 223, 315.

29.     Van Andel T H, Heath G R, Moore T C. Cenozoic history and paleooceanography of the central equatorial Pacific Ocean. Geol. Soc. Am., Mem., 1975, 143: 134.

30.     杨冬红, 杨学祥. 澳大利亚夏季大雪与南极海冰三个气候开关. 地球物理学进展, 2007, 22(5): 1680-1685.

Yang D H, Yang X X. Australia snow in summer and three ice regulators for El Nino events. Progress in Geophysics (in Chinese), 2007, 22(5): 1680-1685.

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1198626.html 

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1198668.html