新元古代成冰紀地球上發(fā)生了兩次“雪球地球”事件（Sturtian和Marinoan），當時地球表面從兩極到赤道地區(qū)全部被冰雪覆蓋，變成了一個大雪球（圖1）。這種極端壓抑的氣候條件不僅限制了多細胞生命的演化，也擾動了海洋生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)。冰川消融之后，海洋化學條件得到了改善，生態(tài)系統(tǒng)逐漸復雜化，形成了多個營養(yǎng)級別的生物鏈，在埃迪卡拉紀-寒武紀早期爆發(fā)了形態(tài)復雜、多個門類的多細胞生物。
無論是長期的Sturtian雪球事件（ca. 717-660 Ma），還是短期的Marinoan雪球事件（ca. 650-635 Ma），要讓冰川消融，必須要求當時大氣中存在一定濃度的溫室氣體CO2。成冰紀時地球上生命活動以微生物為主，這些微生物呼吸作用釋放的CO2微乎其微。CO2的排放主要源自大陸巖石圈，大陸裂谷巖漿活動是大陸巖石圈釋放CO2的重要途徑（圖1），在地質歷史時期曾多次引發(fā)大氣中CO2濃度的增加。需要多大規(guī)模、持續(xù)多久的火山噴發(fā)，噴發(fā)出多少CO2才能讓雪球地球融化是交叉學科領域爭論的焦點。
圖1 火山活動噴發(fā)溫室氣體促使雪球地球融化。冰川消融后，海洋化學組成發(fā)生了改變，促進了多細胞生物的爆發(fā)
針對這個科學問題，中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室蘭中伍副研究員、Ross Mitchell研究員和李獻華院士聯(lián)合美國加利福尼亞大學、法國巴黎大學和成都理工大學科學家，對我國揚子板塊北緣和南秦嶺地區(qū)出露的大陸裂谷火山巖進行了詳細的地質年代學和氣候模擬研究。對流紋巖中的鋯石進行高精度的CA-ID-IRMS U-Pb定年，得到的年齡為641-637 Ma（圖2），結合揚子北緣蓋帽碳酸鹽巖內(nèi)夾層火山灰鋯石的年齡（637-635 Ma），可知裂谷巖漿活動持續(xù)時間為 6 Myr。已有研究表明大陸裂谷體系內(nèi)CO2排放和裂谷大小及持續(xù)時間緊密相關。通過對比計算，南秦嶺裂谷體系內(nèi)6 Myr（641-635 Ma）將產(chǎn)生63,600-494,400 Gt CO2。
圖2 鋯石化學CA-ID-TIMS U-Pb年齡。（a-b）耀嶺河群火山巖底部鋯石U-Pb年齡及協(xié)和圖。剔除放射性成因Pb丟失和繼承鋯石，得到的加權平均年齡為ca. 641 Ma；（c-d）耀嶺河群火山巖頂部鋯石U-Pb年齡及協(xié)和圖。剔除放射性成因Pb丟失和繼承鋯石，得到的加權平均年齡為ca. 637 Ma
利用氣候-地球化學軟件（GEOCLIM）對冰期時CO2通量進行模擬，結果顯示，盡管雪球地球期間存在巨大的冰蓋（圖3a），冰川融水通量仍然非常有限，風化效率比現(xiàn)代值低4到2個數(shù)量級（圖3b）。這是因為寒冷的地表條件不利于硅酸鹽的風化，對大氣中CO2濃度變化影響不大。
圖3 （a）Marinoan冰期冰蓋融化的CO2閾值。在不同CO2濃度下（0.02, 0,05, 0.1 bar）由冰蓋模型模擬得到一個融化區(qū)域，然后在這個區(qū)域內(nèi)定義CO2閾值。當CO2濃度為0.1 bar時，殘余冰蓋體積變?。?.3 108km3），冰蓋融化速率顯著降低，因此把CO2閾值固定在0.05 bar；（b）地球表面風化及其和大陸冰蓋的相互作用。硅酸巖風化速率變化范圍為3.3 108-0.22 1010molC/yr，碳酸鹽巖為0.08-0.18 1010molC/yr。由于和冰川融水接觸，碳酸鹽巖風化速率相對較快
模擬計算表明巖漿排氣閾值在排氣率為38%和80%時分別為0.09 bar和0.26 bar，并且和排氣率呈非線性函數(shù)關系（圖4a）。這種非線性函數(shù)關系是由于巖漿作用在排放CO2的同時，海底風化作用會消耗掉一部分CO2。如果大氣和海洋沒有氣體交換，那么海底風化作用完全可以忽略不計。這種情況下，所有排放的二氧化碳（對于80%的排氣率，CO2排放量約為0.24 Gt/yr）都會儲存在大氣中，雪球地球的持續(xù)時間將明顯縮短。Sturtian和Marinoan CO2閾值的差值隨著排氣率的增強而增大，在排氣率為60%和70%時最明顯，分別為 0.07 bar和 0.13 bar。
圖4 由氣候-冰蓋-生物地球化學模型限定的CO2濃度變化。（a）地球表面全部被冰雪覆蓋時不同背景排氣率下CO2 濃度變化。垂直虛線表示Marinoan和Sturtian雪球地球的持續(xù)時間，分別為ca. 16 Myr和ca. 57 Myr。這兩條垂直虛線之間的虛線表示不同背景排氣率下，Marinoan和Sturtian雪球地球融化所需要的CO2閾值的差值。不管在哪種背景排氣率下，Marinoan和Sturtian雪球地球融化所需要的CO2 閾值都在0.05-0.29 bar范圍內(nèi)。當?shù)厍虺嗟罌]有冰雪覆蓋時，Marinoan和Sturtian雪球地球融化所需要的CO2 閾值會更低，約為0.1 bar。（b）當火山排氣率為現(xiàn)在的38%時，在 641-635 Ma這段時間內(nèi)CO2排氣速率的增加會讓Marinoan雪球地球提前2-5 Myr終結
Marinoan冰期末期經(jīng)歷了大規(guī)模火山活動致使Marinoan冰期提前結束，火山作用排放的CO2使Marinoan冰期縮短了2-5 Myr（圖4b）。Sturtian冰期末期沒有經(jīng)歷大規(guī)?；鹕交顒樱越?jīng)歷了很長一段時間（57 Myr）才積累了足夠多的CO2來融化Sturtian冰蓋。也就是說，Sturtian冰期末期缺少大型火山活動是其持續(xù)時間長的主要原因。
研究成果近期發(fā)表于國際學術期刊Geophysical Research Letters（蘭中伍*, Magdalena H. Huyskens, Guillaume Le Hir, Ross N. Mitchell, 尹慶柱*, 張剛陽, 李獻華. Massive volcanism may have foreshortened the Marinoan snowball Earth[J]. Geophysical Research Letters, 2022, 49, e2021GL097156. DOI: 10.1029/2021GL097156. 研究受中科院先導項目（XDB18030300）、國家重點研發(fā)項目（2017YFC0601505）、基金委面上基金項目（41673016, 41630211, 41888101，41302066）、中科院地質與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室開放課題（SKL-Z202001）、中國地質大學（武漢）地質過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室開放課題（GPMR201902）、中科院南京地質古生物研究所古生物學和地層學國家重點實驗室開放課題（193112）以及中科院地質與地球物理研究所重點部署項目（IGGCAS-201905）共同資助。
美編：陳菲菲
校對：趙娜
