热血青春桑小鱼被团长:冰封的地球

冰封的地球
——史上最壮观的冰河时代
萧楠
最近一次冰河时代结束于1万多年前，在那次冰河时代，冰川从两极一直向赤道地区延伸，在纽约这样纬度的地区，冰层竟也厚达1公里，那是个很寒冷的时代，我们人类的祖先就亲眼见证过这个时代。但是，在遥远的过去，在人类最古老的脊索动物祖先还没出现的时代，曾经有过一次持续时间更长、更为寒冷、也更为壮观的宏大的冰河时代，整个地球在那个时代都被冻结成一个巨大的雪球。

冰河时代
这个冰河时代的名称是瓦兰吉尔冰期(Varanger glaciation)，Joseph Kirschvink在1992年给它起了个形象的名字——雪球地球(Snowball Earth)。对于这段历史的发现是在上世纪60年代由剑桥地质学家W. Brian Harland做出，他在研究7亿年前的岩石时发现它们都和冰有过接触，一些上面有冰川的划痕，其他的则从冰山的底部落入洋底，而这些岩石来自世界各地，包括那些非常靠近赤道的地方，这很奇怪，因为很难想象在赤道的海平面地区居然也会出现冰。他虽然通过研究很快得出结论在7.5亿年前到5.8亿年前有过大规模冰川运动，但是根据过去的经验，其他世代的冰川从来都不会遍及所有大陆，即使在最严重的冰期赤道附近的大陆上也很难找到冰。
Harland由此提出了现在被称为雪球地球的假说，并由他和Rudwick、Hambrey、Kirschvink 以及Hoffman等人在其后的几十年中不断深化。这个假说认为，地球在距今7.5亿年到5.8亿年前经历了一次极其严重而漫长的冰河时代，当时不仅陆地全部被冰川覆盖，而且海洋也被完全冻结，只靠来自地球核心的热量才使得液态的水在一公里厚的冰层下存在，为古老的原核生物和原生生物保留了一片生存的空间。从太空看，地球已经完全成为一个巨大的雪球。
就在Harland开始创立他的假说的时期，苏联科学家M.I. Budyko也通过对地球气候模型的模拟演化验证出，如果冰帽从极地延伸到纬度60度，也就是说到赤道的1/3的路程时，会很快往回退缩回去。但如果冰帽能延伸到2/3的路程也就是说30度的话，就会触发失控的链式反应，因为冰雪是一种良好的反光体，当延伸到纬度30度的时候，就基本是直着面对太阳，同高纬度的倾斜角度比，会大大增加反射回去的太阳能量，从而使地球冷下去，增加冰雪的覆盖范围，然后再进一步加剧这个过程，直到冰帽从南北两个方向汇合到赤道。

从地球到雪球
不过当时的科学家并不相信地球曾经发生过这种事情，因为按照这个机理，一旦地球冻结，就将永远都无法解冻；而且要是全部冻结，生命也将由于缺乏阳光而全部消失。但这显然不是事实，所以他们认为前提不成立，地球一定没有被全部冻结过。但是其后发现的一些事实却支持着全球冻结的观点。
其一是富铁的矿石。在地球富氧的大气层中，铁会自然锈蚀。含铁丰富的矿石只有在缺乏氧气的环境下才能出现，而在理论中地球冻结的时代也的确能发现这样的富铁矿藏，雪球地球假说的支持者认为是由于冰川的覆盖隔绝了氧气，才使得它们能够形成。

加拿大Mackenzie山脉和这个时期对应的地层中的铁矿带，中间含有冰碛物。点击图片放大
其二是发现了一些冰川沉积物下面紧挨着石灰岩，或者是石灰岩混在冰碛物中，而石灰岩通常是靠近热带地区富含碳酸氢钙温暖的水所产生的沉积物，这说明冰川的确到达了热带地区，所以覆盖在石灰岩地层上，或者是冰川把石灰岩割裂，使其碎片混合到冰碛物中。
其三是在这个时期浅海地层中出现了碳-13的极低值，自然界中碳的同位素中碳-12和碳-13最多，进行光合作用的海洋生物更喜欢利用含碳-12的二氧化碳，从而有机体中的碳-13比作为无机物的碳酸钙中的碳-13含量低2.5%。这样，如果一个海底地层中有机物堆积得多，碳-12就多，反之如果碳-13多，就说明沉积的主要是碳酸钙而有机物沉积少，这个时期的生命活动就少。这个时期的碳-13极低值说明的确有过大规模的生物灭绝的出现(碳-13达到低谷的最低值说明此后碳-13含量开始回升，必然意味着冰期已经结束，生命活动已经逐步恢复，所以瓦兰吉尔冰期末期的碳-13达到极低值的时间也被作为埃迪卡拉生物群兴盛的埃迪卡拉纪的开始)。
其四是之后生命的突然繁盛，早期雪球地球假说的支持者把寒武纪生命大爆发作为证据，现在则以紧接着这个时期出现的埃迪卡拉生物群的兴盛作为证据，他们认为埃迪卡拉纪多细胞生物的突然大规模出现是因为某种抑制生命发展的外界环境因素的消失，而这个外界环境因素就是瓦兰吉尔冰期的极度严寒。
有关雪球地球的最初成因，预计和当时的板块运动有关。在大约10亿年前，全球所有的陆地汇聚到一起，形成了一个超级大陆罗迪尼亚(Rodinia)，罗迪尼亚这个名字来自保加利亚语和俄语中“故土”(Homeland)这个词汇。这个超级大陆位于赤道地区，大陆的这种分布导致硅酸盐岩石风化加快，大量吸收大气中的二氧化碳转化成碳酸盐岩石。大气中二氧化碳的减少降低温室效应，导致气温下降。
现代的大陆分布使得低纬度地区海洋多，高纬度地区陆地多，和罗迪尼亚超级大陆的时代正好相反。由于水的比热容最大，所以热带海洋是热量的储存库，这样，现代的分布状态能够良好地调节气候，而罗迪尼亚超级大陆的时代则不能。而且现代的分布方式使得高纬度地区一旦开始冰封，就覆盖大陆停止岩石的风化，减少对二氧化碳的消耗，而罗迪尼亚超级大陆的时代高纬度地区开始冰封只覆盖海洋，不影响罗迪尼亚的岩石风化。这样，那时的世界就缺乏一个自我平衡机制。在罗迪尼亚形5千万年后，也就是9.5亿年前，积累的效果就使得现在的刚果河盆地附近出现了冰川，并继续恶化下去，直到最后使地球变成大雪球。

6.5亿年前的陆地分布，此时仍旧处于瓦兰吉尔冰期。点击图片放大
雪球地球假说的支持者认为，变成雪球的地球由于被大冰川覆盖了大陆，使得硅酸盐岩石无法再风化，就无法再吸收二氧化碳，而大气中的二氧化碳由于亿万年中火山爆发等因素的积累，重新达到一定的浓度，终于使温室效应重新发挥作用，而此时罗迪尼亚超级大陆已经在7.5亿年前重新分裂成8块，要等到二叠纪才会重新汇聚成新的超级大陆盘古大陆(Pangea)。到瓦兰吉尔冰期结束的5.8亿年前，大片陆地已经漂移到高纬度地区，不会再产生之前的大幅度吸收二氧化碳的效果。

5.14亿年前的陆地分布，此时已是寒武纪。点击图片放大
雪球地球假说支持者提出的二氧化碳浓度升高也得到了验证。
根据计算，要让强烈反射阳光的雪球地球解冻，大气中的二氧化碳浓度必须达到我们今天呼吸的大气中的二氧化碳浓度的350倍，达到这样的浓度后，积累的热量就可以让赤道地区的海洋解冻，从而出现一条深色条带，增加太阳能的吸收效率，这样，增加吸收太阳能就加在二氧化碳的温室效应之上，进一步加大热量，并让更北的地区解冻，从而进一步循环。这同样是一种链式反映，将在一个很短的地质时期完成解冻过程，用的时间可能还不到1千年。
这时，地球就能够下雨了，雨水将把大气中丰富的二氧化碳变成弱碳酸带到地面，并和裸露的硅酸盐岩石反应，使岩石表面变成碳酸盐，碳酸盐的岩石很容易风化碎裂，碎片会被冲刷入海洋并沉积下来形成厚厚的碳酸盐岩石地层，而这样的岩层不难被发现。

冰川沉积物
上面的照片由雪球地球假说的坚定支持者Hoffman同Schrag拍摄于纳米比亚的骷髅海岸(Skeleton Coast)，靠下面标出的两条白线之间是瓦兰吉尔冰期的冰川沉积物，其上一直到最上方的白线处都是厚厚的碳酸盐岩石地层
雪球地球假说并非没有遇到挑战，对于如何解释低纬度地区出现的冰川遗迹，Williams在1975年提出观点认为当时的地球轨道倾角和现在不同，不是目前的大约20度而是达到了大约54度，使得太阳更多地照耀两极而不是赤道地区，从而使得赤道地区出现冰川。但这个解释在解决了问题的同时却遇到了更大的障碍，虽然地球自转轴会出现小幅度倾斜而几万年后又重新恢复正常的确有其物理基础，但象Williams设想中的如此巨大的倾斜却难以解释，而且根据对现代和当时的趋日叠层结构(heliotropic stromatolites)分析，证明8亿年前地球的自转轴倾角和今天差不多。
还有一些解释并非针对雪球地球，而是对产生机理有新的解释。一种认为当时的太阳光度比现在弱大约6%，使得那时候的地球更容易遇到冰期。有关太阳正在缓慢地变热倒可以解释为什么那之后地球再没有遇到这样的冰期，但是有说服力的地质证据表明，在那之前的10亿年内却一直没有出现过这样的全球冻结，而按照这个理论那时侯太阳甚至更“冷”。不过在更早的时候，在23亿-22亿年前的确还有一次全球冻结的冰期，是另外一次雪球地球。“冷”太阳可以算是对那次雪球地球的一种解释，但更可信的解释是，当时的机理是由于大气中氧气的出现，氧气的出现会使得原始大气中的甲烷迅速减少，而甲烷是非常好的温室气体，这个过程必然导致全球气温的大幅度下降。

太阳系运行轨道与地球大冰期。点击图片放大
另一种认为这和太阳的公转有关，这个理论发现在太阳系绕银河系核心旋转时，在远离银心的地点会出现小冰期，快到离银心最近的地点会出现大冰期。不过这个理论和事实的吻合程度不是非常好，而且这个理论也很难从天文和天体物理角度解释清楚，所以接受的人不多。
(雪球地球分两个阶段，从7.1亿-6.8亿年前为称为Sturtian Glaciation，从6.05亿-5.85亿年前称为Varanger-Marinoan Ice Ages，因而瓦兰吉尔冰期也叫做Stuartian-Varangian冰期。中国一般把瓦兰吉尔冰期叫做震旦纪冰期，但这个名字并不是国际通用的名字，甚至震旦纪这个名字也不是一个标准名称，所以我这里没采用)
附：有关超级大陆的一些说明
地球历史上具体出现过多少次超级大陆还不太清楚，已经确定的是两次。
其一就是罗迪尼亚(Rodinia)，形成于10亿-11亿年前，在7.5亿年前分裂，具体情况在前文提到过。
另外一次是盘古大陆(Pangea)，也可以翻译为泛大陆，在二叠纪形成，并在2亿年前分裂形成劳娅古陆(Laurasia)和冈瓦纳古陆(Gondwana)，这及以后的情况都是中学书中介绍大陆漂移假说时介绍过的，就不具体说了。
还有观点认为在这两次之间，还出现过一个名为潘诺西亚(Pannotia)超级大陆。这种观点认为罗迪尼亚并没分成八块而是只分成三块，罗迪尼亚的分裂打开了古大洋（Panthalassic Ocean）。北美洲往南向着南极方向旋转；而罗迪尼亚大陆的北半部基本上包括了：南极大陆、澳洲、印度、阿拉伯，以及成为今天中国的一部份大陆碎块，以逆时针的方向旋转，向北穿越严寒的北极。介于分成两半的罗迪尼亚大陆之间，是第三大陆刚果地盾(Congo)，它组成了中、北非洲的大部分。罗迪尼亚大陆分裂成的三块在6亿年前重新碰撞形成潘诺西亚，并于5.5亿年前分裂。而这次分裂之后才轮到盘古大陆的出现。
有关罗迪尼亚之前的情况尚不清楚，但不久前Rogers博士和Santosh博士提出在罗迪尼亚之前有一个名为哥伦比亚(Columbia)的超级大陆，形成于18亿年前，并于15亿年前分裂。

究级盘古
除了这两个不确定的和两个确定的之外，还有一个确定的超级大陆，就是2.5亿年后一定会形成的超级大陆——究极盘古(Pangea Ultima)。
根据现在各个板块的运动，到2.5亿年后世界将实现大同，出现上图的超级大陆。它将会在北大西洋和南大西洋的海床都隐没到北美和南美东缘的海沟之后形成。这个超大陆将会在其中央保有一个小型的洋盆，大西洋和印度洋此时已经闭合，北美会撞上非洲，但是是在它张裂位置还要更南边的地点，南美围绕在非洲南端，隔着巴塔哥尼亚与印度尼西亚相连，并把仅存的印度洋也关闭了，南极洲则再一次回到南极的位置，太平洋则更加宽广，环绕了近半个地球。我们称这样一块未来的盘古大陆为“究极盘古”。

"Snowball" Scenarios of the Cryogenian
Snowball Earth
Sturtian-Varangian
Snowball Earth
Great moments in science: Snowball Earth Part 1
Theory of Snowball Earth
太阳系的银河年，地球的银河冬季——大冰期
全球古地理演化
A New Period for the Geologic Time Scale
The Role of Carbon in a Snowball Earth