全球变暖成因的地质学证据

                           吉林大学：杨学祥，杨冬红

一、3亿年的周期变化

      地质时期的气候冷暖变化（大冰期和温暖期的交替）具有约3亿年的周期变化规律，与陆海变迁、造山运动（大褶皱）、地球自转、地磁变化、海侵海退、陆海分布、生物灭绝、超级火山活动等一一对应（见表1），其规律性引人注目。

表1  火山活动峰值与全球无冰期对应，而谷值与大冰期对应^[1-3]

二、五次生物大灭绝源于极端气候

据科学家探索发现，其实我们所居住和生活的地球已经经历过五次生物大灭绝。

第一次物种大灭绝发生在4亿4千万年前的奥陶纪末期，由于当时地球气候变冷和海平面下降，生活在水体的各种不同的无脊椎动物便荡然无存。

在距今4.4亿年前的奥陶纪末期，发生地球史上第一次物种灭绝事件，约85%的物种灭亡。古生物学家认为这次物种灭绝是由全球气候变冷造成的。在大约4.4亿年前，撒哈拉所在的陆地曾经位于南极，当陆地汇集在极点附近时，容易造成厚的积冰——奥陶纪正是如此。大片的冰川使洋流和大气环流变冷，整个地球的温度下降，冰川锁住水，海平面降低，原先丰富的沿海生态系统被破坏，导致85%的物种灭绝。

第二次大灭绝发生在3.75亿年前，也就是过了不到1亿年，这次灭绝了一半的海洋生物。海洋生物诡异般地大规模消失了，相比之下，陆地生物却几乎毫发无损。

第二次物种大灭绝发生在泥盆纪晚期，其原因也是地球气候变冷和海洋退却。在公元前约3.65亿年的泥盆纪后期，历经两个高峰，中间间隔100万年，发生地球史上第二次物种灭绝事件，海洋生物遭到重创。

第三次大灭绝发生在2.51亿年前，相对于前一次大灭绝，这次也是又过了1亿年，也是史上已知规模最大的一次生物灭绝事件，这一次有70%的陆地生物灭绝了，96%的海洋生物灭绝了。科学家认为，灭绝原因比较复杂，可能是由于火山大规模喷发制造了大量的酸性颗粒和温室气体，不仅妨碍植物的光合作用，还推动全球气温急剧上升。

中科院南京地质古生物研究所的科研人员们发现，当时高强度频发的重大野火事件可能是这场大灭绝的罪魁祸首，相关成果在线发表于《地球科学评论》和《地学前沿》期刊上。

http://www.xdkb.net/p1/207537.html

英国科学家的最新研究称，在距今大约2.5亿年前，大规模火山喷发毁灭了全球的森林，使得地球到处是以树木为食的真菌。这项研究证实，即便是生命力极强的树木，也未能在二叠纪物种大灭绝事件的浩劫中幸免，那也是已知地球上最具破坏性的物种灭绝事件之一。在这次灭绝事件中，超过95%的海洋生物物种和70%的陆地生物物种从地球上永远消失，它们极有可能毁灭于集中在当今西伯利亚一带的长期火山喷发喷射的有毒气体。

研究结果刊登在最新一期《地质学》(Geology)杂志上^[4-6]。

https://www.163.com/dy/article/FSE687EN05149AIR.html

据两个独立的科学家团队发布的最新研究论文，正是由于西伯利亚火山岩浆燃烧了大量地下石油和煤炭沉积物，燃烧过程中释放出二氧化碳和甲烷等温室气体，进而导致了大灭绝的发生。日本东北大学的地球化学家Kunio Kaiho团队发现两起火山爆发事件与二叠纪末陆地与海洋生物灭绝时间吻合。而苏格兰圣安德鲁斯大学生物地理化学家Hana Jurikova团队在大灭绝边界的贝壳化石中发现了海洋酸化的证据，证实了化石燃料燃烧和温室气体释放造成海洋酸化，从而导致珊瑚等海洋生物溶解死亡。

这些研究发现进一步证实了气候变化对地球生命的影响。如果将大灭绝与如今全球变暖进行类比，大灭绝期间排放的温室气体总量远远超过人类产生的温室气体。然而，当时火山释放出二氧化碳的速度比今天人类的排放速度要慢14倍。因此，我们目前每年燃烧产生的碳量比大灭绝时期的任何时候都高得多。如果不能遏制温室气体排放，未来气候变化对生物的严重影响或许可以预见。

https://www.163.com/dy/article/FSE687EN05149AIR.html

关于此次绝灭事件原因的研究有很多，卡尔加里大学的研究者最近称他们找到支持火山喷发说的证据。研究者在加拿大北极地区的二叠纪末绝灭事件的岩石中发现了煤灰层的存在，这表明当时火山的大规模喷发点燃了大量的煤层，从而产生了大量浮灰团，对全球海洋产生了广泛的影响。

早期也有研究者猜测，西伯利亚的史上最大规模火山喷发可能在经过煤层的时候产生了大量的温室气体，而导致全球变暖。但卡尔加里的研究者却是第一次发现了支持这一说法的直接证据。

毁灭事件发生时，全球存在一个超级大陆盘吉亚（Pangaea），盘吉亚上从沙漠到森林都有，四足动物在其中逐渐分异出原始两栖类、爬行类、和羊膜类动物。火山喷发发生在西伯利亚地盾，这是一片比欧洲还大的地域，火山喷发产生的灰尘团漂移到加拿大极区，形成了研究者现在发现的煤灰层。

这些煤灰可使地球产生温室效果，更可怕的是，它还能降低海洋中的氧气含量，从而使生物窒息而亡。二叠纪末真的是地球上最艰难的一段时期，火山喷发产生的热熔岩、有毒气体、煤灰等多种因素共同导致了大绝灭事件的发生。

https://tech.qq.com/a/20120117/000232.htm

http://www.nigpas.cas.cn/kxcb/kpwz/201101/t20110125_3067150.html

由德国地学研究中心的地球动力学建模人员、法国格勒诺布尔大学的地球化学家、德国马克斯普朗克研究所和俄罗斯科学院的研究人员组成的一个国际研究小组，对西伯利亚地盾(Siberian traps)火山大爆发和地球史上规模最大的生物大灭绝的关系发表研究报告表达了新看法。研究报告发表在在最近一期的《自然》杂志上。

　　西伯利亚地盾位于俄罗斯西伯利亚。西伯利亚地盾的形成时间，介于二叠纪与三叠纪之间，约2.51亿年前到2.5亿年前，与二叠纪-三叠纪灭绝事件的时期相符合，那也正是地球最暖的时期。西伯利亚地盾火山爆发持续约一百万年，是过去5亿年来，已知最大型的火山爆发之一。

　　西伯利亚地盾火山喷出的岩浆面积高达7百万平方公里，接近澳大利亚的面积。西伯利亚地盾火山可能已向空中喷射多达100万亿吨的碳(人类每年排放到大气中的碳约为80亿吨)，这足以造成全球气候灾难。

　　研究人员认为，西伯利亚地盾火山连锁爆发引发煤炭燃烧，造成地球变暖，火山灰中含有的有毒物质逐渐渗入到陆地和水中，导致生物中毒而死，造成地球早期历史中生物大规模灭绝。

http://www.qulishi.com/news/201701/159696.html

第四次灭绝发生在2亿年前，和第三次时间只差了5000万年。这一次有50%的物种灭绝了，原因不明，但为恐龙成为地球上生物链的霸主扫清了障碍。

第五次大灭绝相信大家都不陌生，在6500万年前，一颗小行星撞击了尤卡坦半岛，大量灰尘进入大气层，在随后的1年时间内都是遮天蔽日，日照量锐减令植物大批死亡，随着生态系统瓦解，75%的物种惨遭灭绝，其中就包括恐龙。

科学家们确信希克苏鲁伯陨石撞击事件是造成白垩纪至第三纪恐龙大灭绝的原因。希克苏鲁伯撞击事件会引发大规模海啸、地震与火山爆发，撞击产生的碎片和灰尘会造成全球性的风暴，长时期遮蔽阳光，妨碍植物的光合作用，造成生态系统的瓦解，一系列的灾难最终导致全球约17%的科、50%的属、75%的物种灭绝，灭绝事件的规模在5次大灭绝事件中排名第2。

 火山的爆发也使恐龙经历了大规模的死亡，巨大的岩浆喷到地球的表面，使恐龙在热浪里被活活烧死。印度大陆的德干暗色岩超级火山喷发，就在6500年前（见表2和图1-3）。

三、超级火山喷发对应全球温暖期 

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（见表1-2 和图1-4）^[1-5]。

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）^[5]。

表2  地球自转周期、气候变化、超级火山与地质旋回^[1-4]

图1 巨大火成区和全球变暖

Fig1  Large igneous provinces and globalwarming

图2 巨大火成区的规模比例

Fig2  The proportion of the large igneousprovinces

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5.8×10¹⁷kg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 3Global 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 ）^[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^[41]，与图1-4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^[2]。

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-mantleangular 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），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。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^[4]。

超级火山活动是全球变暖的导火索：

其一、超级火山活动本身带来地下大量热能和温室气体；

其二、超级火山燃烧了全球森林；

其三、超级火山点燃了地下煤层，释放出长期积累的太阳能量和二氧化碳。

四、太阳能量参与生物大灭绝和全球变暖

全球变暖是人类的行为造成地球气候变化的后果，这一观念几乎成为人类的共识。“碳”就是石油、煤炭、木材等由碳元素构成的自然资源。“碳”耗用得多，导致地球暖化的元凶“二氧化碳”也制造得多。随着人类的活动，全球变暖也在改变（影响）了人们的生活方式，带来越来越多的问题。

碳中和是指企业、团体或个人测算在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，通过植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“零排放”。

它作为一种新型环保形式，被越来越多的大型活动和会议采用，推动了绿色的生活、生产，实现全社会绿色发展。

其实，碳中和不是人类的发明，而是一种纯而又纯的自然过程。简单地说，太阳能量的长期积累和释放就是碳中和与碳排放交替发生的过程：植物的光合作用把二氧化碳和太阳能量积累在石油、煤炭、木材、碳水化合物、甲烷等由碳元素构成的自然资源之中，山火、煤炭自燃、沼气自燃、火山点燃碳层等自然焚烧事件又把二氧化碳还给大气，是长期积累的太阳能在短期释放，导致全球变暖。二氧化碳不过是自然碳排放过程中的产物，其对全球变暖的影响远远小于长期积累的太阳能的突然释放。

我们在2013年发表的《全球气候变化的成因初探》一文中指出，温室效应不是气候变化的唯一因素，太阳能量在地球内部的积累和释放有不可忽视的多种效应^[7]。

在地球史上的五次生物大灭绝的最初表述中，我们看不到太阳能量的影响，这显然忽视了最重要的环节。其实，长期积累的太阳能量在短期内突然释放是生物大灭绝的主要原因。

《化石能源燃烧加速推动地球生物灭绝》和《火山喷发点燃煤层导致二叠纪生物大灭绝》两小节填补了这一空白，还原了历史的真实过程。太阳能量的长期积累和释放对气候变化和生物大灭绝的贡献终于彰显于大千世界，恢复历史的真实面目。

科学看待全球变暖的时代终于来了！

参考文献

1. 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

2. 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。

3. 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.

4. 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.

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

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

7. 杨冬红，杨学祥. 全球气候变化的成因初探. 地球物理学进展. 2013, 28(4): 1666-1677.