3亿年周期的气候变化与超级火山喷发

                             杨学祥，杨冬红

科学家近日发现，太平洋海底正酝酿着一场毁灭性的超级火山喷发。来自犹他大学的研究团队称，在太平洋底以下约2900公里的地幔中，有2个或更多的大洲面积的“岩石堆”正在推挤碰撞。不过我们还不用为此太过担心，因为这场超级喷发的时间大约在1亿年到2亿年之后，届时地球生命可能会遭受灭顶之灾。3亿年大冰期周期时间表给出了这一推测的证据。

3亿年大冰期周期时间表：200万年以来第四纪大冰期；2.8亿年前石炭二叠纪大冰期；5.95亿年前的前寒武纪大冰期。形成原因：与3亿年太阳系的银河年轨道有关。

叶淑华院士指出，在距今0.65~1.4亿年前的白垩纪，地球上发生许多费解的事件：地磁场突然倒转；出现许多黑色岩系，说明此时岩浆活动非常剧烈；大洋洋洋底裂开；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；造山作用弱，夷平作用大。对于这些事件的解释可能是，由于一颗小行星撞击了地球。另外此时的太阳系处于一个特殊的位置，位于银河系的远银心点^[38]。

地球自转在4亿年中除了有逐渐减少的长期趋势变化外，还有叠加在其上的周期变化。当月球离地球很近时，朔望月天数将会变化得很快^[16]。任振球认为，古地球自转可能存在间隔2亿多年的准周期，其原因可能与小行星或彗星撞击地球等因素有关，图1 给出了朔望月天数变化所表示的地球自转速度变化曲线^[17]。从图1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。

Whyte指出，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^[18]。我们讨论了地球自转速度变化、构造运动、地磁极性倒转和灾害性气候相互对应的地球物理机制^{[1, 15, 19-21]}。

图1  近5亿年来朔望月天数的变化[据任振球, 1990 ^[17]]

地球的重力分异产生地球各圈层的分化和差异旋转，使地壳自转减慢；圈层角动量交换将动能变为热能，使地壳自转加快，这两个过程多次反复，可形成地球自转速度的较长周期变化。能够验证这一变化周期的最有力证据是气候变暖、火山喷发和热幔柱活动的高潮时期与地球自转加快时期相对应，这是圈层角动量交换将动能变为热能积累在核幔边界并释放的结果。

比较图1和图2，其形状的相似性表明地球自转与火山活动的相关性：自转加速对应火山活动高峰，自转减速对应火山活动低谷。白垩纪后地球自转速度的急剧变化在火山活动曲线上没有表现，其原因可能与地核重力分异、小行星或彗星撞击地球等突发因素有关。

图2  北美火山活动曲线[据 Engel and Engel, 1964^[23]]

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）。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。有证据表明，随着热幔柱喷发强度的减弱，近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15℃，大气冷却了10~15℃。海底火山活动引发的深海热对流在全球气候变化中的作用不容忽视。表5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^[24]。

表1  地球自转周期与地质旋回

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, 42]}。

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3-5）^[43]。

图3 全球巨大火成区

图4  1.5亿年以来海平面变化、全球气温变化、黑色岩、大规模生物灭绝

图5 1.2亿年以来热幔柱喷发的规模比较：规模变小与气温变冷对应 

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℃^[42]。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^[44]。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^[42]。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^[45]，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^[46]，与图3-5的变化趋势基本一致。

根据地质和气象等综合数据，表6给出地球自转周期、地质旋回、气候变化和地磁变化的对应规律，与图1和图2的地球自转变化曲线和火山活动变化曲线相对应。特别值得指出的是，地壳相对地核自转减慢对应地磁反向，地壳相对地核自转加快对应地磁正向，这一现象的发现为地球各圈层差异旋转影响地磁反向提供了证据。

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。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^[11-15]。

表2  地球自转周期、地质旋回和地磁极性倒转^{[1, 2, 16, 21]}

参考文献

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。

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.

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

杨学祥。火山作用的双重性：短期致冷和长期致热。2010-1-31 06:19。科学网。http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-291543.html

太平洋海底超级火山或将于1亿年后毁灭性喷发

来源：中网资讯综合时间：2014-06-14 14:48:32

　　科学家近日发现，太平洋海底正酝酿着一场毁灭性的超级火山喷发。来自犹他大学的研究团队称，在太平洋底以下约2900公里的地幔中，有2个或更多的大洲面积的“岩石堆”正在推挤碰撞。不过我们还不用为此太过担心，因为这场超级喷发的时间大约在1亿年到2亿年之后，届时地球生命可能会遭受灭顶之灾。

　　研究的第一作者，犹他大学地质和地球物理学助理教授迈克尔·索恩(Michael Thorne)在对轰击地核的地震波进行分析之后，得出了这一结论。“我们所探测到的，可能是一系列大型喷发事件的开端，并可能对地球造成重大的毁坏，”他说，“这是那种能导致大型羽状喷发的事件，但发生的时间距现在还有1亿年到2亿年。”相关的研究结果将发表在《地球和行星科学快报》(Earth and Planetary Science Letters)杂志上。

　　2011年6月5日，智利圣地亚哥南部约800公里处的普耶韦火山在喷发中出现了闪电的奇景。

　　根据地震波数据绘制的太平洋海底“岩石堆”出现碰撞的示意图，碰撞预计将发生在地球的地幔与其液态外核的交界处

　　据称，海底超级火山的喷发将形成一个佛罗里达州面积大小的半融化岩浆区，研究人员称，这将导致两次大型喷发中的一次。第一次大型喷发类似于200万年前怀俄明州黄石公园的超级火山喷发，当时使北美大陆都覆盖了火山灰。

　　第二次大型喷发可能是巨大的玄武岩流，类似于1700万年前至1500万年前塑造了哥伦比亚河玄武岩的那次喷发，在6500万年前的印度德干，和1.25亿年至1.99亿年前的翁通爪哇高原也留下了超级火山喷发出来的玄武岩，后者的那次喷发覆盖了与阿拉斯加面积差不多的区域。索恩说：“这些非常大型的火山喷发可能就是一些灭绝事件的关键原因。”例如，翁通火山喷发就被认为导致了海洋氧气含量的降低，并引起海洋生命的大规模死亡。

作者：  责任编辑：陈浩

http://www.cnwnews.com/html/tech/cn_zxkj/20140614/613978.html