自带“超级空调” 地球冷暖交替有“开关”

2018年07月26日 来源：科技日报

大暑节气，蝉声起，夏正浓。

眼下正是三伏天，无论是北方地区的铁板烧烤，还是南方地区的（黄）梅后焖蒸，全国都离不开一个字：“热”！

当挥汗如雨的你得知，我们生活的这个时代，并不是地球最热的时候，你会不会觉得很意外？

近日，中国科学院南京地质古生物研究所陈吉涛研究员等通过对贵州纳庆剖面等地层的锶、碳同位素综合研究，在国际著名地学杂志《地质学》上发表的最新成果显示，晚古生代大冰期是由大陆风化和有机碳在陆地上的埋藏（形成煤炭）导致，而大冰期的最高峰则因为有机碳埋藏由大陆转向海洋。该研究对于认识当今地球系统从“冰室气候”向“温室气候”转变的趋势，具有重要的“深时”地质借鉴和启示意义。

冰期和“温室”气候，人类更适合前者

对于有着46亿年“球龄”的地球来说，冷暖交替是常态，就像自带了一台超级空调。

“在整个地球历史中，有考据的大冰期发生过7—8次。”据中国科学院南京地质古生物研究所的陈吉涛研究员的介绍，从地球历史大尺度的角度看，我们现在仍处在相对较冷的时期。

冰期，是指地球表面覆盖有大规模冰川的地质时期，又称为冰川时期。地球表面没有大陆冰川的时期则为“温室”气候。而在冰川时期，冰川的进退则会形成冰期和间冰期交替出现的现象。

事实上，我们的地球现在正处于第四纪大冰期中一次小的间冰期，其开始于一万一千多年前。陈吉涛表示，目前因人类活动，尚无法对此次间冰期何时结束进行一个准确的预测。

近10亿年来，地球都是以温室气候为主，冰期只占据不到四分之一的时间。

其中，冰期持续时间最长的是距今约3亿多年前的晚古生代大冰期，那次冰期持续了近七千万年，也是显生宙最大的一次冰期事件。

在3.5亿年前的石炭纪早期，岩石圈经过剧烈的构造运动，形成泛大陆；木质植物开始繁盛，热带雨林茂密生长，逐步形成规模——地球上陆地植被的生长繁荣程度达到了前所未有的高度。最为奇特的是，那时的昆虫都非常巨大，蜻蜓展翅长达70多厘米，除此之外，还有长达两三米的巨型千足虫、巨型海蝎子等节肢动物也在这里生活着。

到了距今3.4亿年前，地球进入晚古生代大冰期，全球年平均气温骤降，位于南半球的泛大陆被冰川广泛覆盖。

漫长的地质时期，地球以温室气候为主，在地史中生物不管是在温室气候还是冰室气候均有过灭绝或复苏繁盛。那么，温室与冰室，究竟哪一种更适合人类生存呢？陈吉涛对此的回答是：“目前还不清楚哪种气候更适于生物生存，但人类是在第四纪大冰期演化而来，可能较适应于冰期气候吧。”

二氧化碳成全球气候“晴雨表”

作为最著名的“温室气体”，它不仅对当前全球变暖起着决定性作用，而且，在过去几十亿年里，始终是全球气候变化的“晴雨表”。二氧化碳浓度的变化一般也会导致气候的变化：二氧化碳浓度升高，温度随之升高；二氧化碳浓度降低，温度也随之降低。

那么，当地球进入冰期时，大气中的二氧化碳去哪里了呢？科学界认为，二氧化碳被储存起来了。根据研究，有两种地质作用能够将空气中的二氧化碳存储起来，一是大陆风化；二是有机碳（煤）的埋藏。

现有科学研究结果表明，大陆风化使得硅酸盐和二氧化碳发生反应，形成以岩石为主要存在形式的碳酸盐，并在海底逐渐沉积。而植物的光合作用，将二氧化碳固定并形成有机质。    有机质的埋藏，也就将一部分二氧化碳储存了起来，主要是储存在不同类型的沉积岩里面，但当有机碳富集到一定程度，在陆地上便会形成煤，在海洋中则是石油。

大气中二氧化碳浓度的变化，直接影响了全球气候的变化。科学家认为，一旦抓住二氧化碳变化的规律，某种意义上，也就意味着抓住了“冰室气候”和“温室气候”变化的规律。

现今的人们如何得知数亿年前地球二氧化碳浓度变化的控制因素呢？陈吉涛通过对地层的锶、碳同位素综合研究，揭开了这个谜底。

之所以选择锶、碳同位素作为研究对象，其原因在于：锶同位素可以反映大陆风化速率，而碳同位素则可以作为有机碳埋藏的指标。两者结合，便可以推出二氧化碳降低究竟是因为大陆风化加强，还是因为有机碳埋藏。

“海水锶同位素的组分是地球科学家普遍认可的可以用来指示大陆风化的指标之一，还有锂同位素、镁同位素以及风化蚀变指数等，都是研究大陆风化的重要手段。”陈吉涛说。

贵州纳庆暗藏大冰期地质“档案”

锶是地球上广泛存在的元素之一，但是，想要通过锶同位素寻找地质档案并不是一件容易的事。

晚古生代大冰期期间，由于冰川扩张引起全球海平面下降，导致各大陆大都从海底暴露出来，并剥蚀掉之前的很多沉积记录，因此缺失了这段时间的地质“档案”。

贵州省黔南州罗甸县纳庆村附近有个石炭系剖面，自上世纪80年代起，中国地质古生物学者便开始了对其的相关研究工作。

这个深山中的小村落，在数亿年前，还是一片汪洋大海，而其中一处剖面正好处在一个海底斜坡的下部，拥有完整的沉积记录。“该剖面是全球鲜有的连续沉积的石炭系碳酸盐岩地层，对研究当时的古气候和古海洋环境具有重要意义。”

陈吉涛的研究，不仅佐证了晚古生代大冰期的起始与加强由大陆风化和有机碳在陆地上的埋藏（形成大量煤炭）导致，还促使他对大冰期最高峰产生的原因提出一个大胆假设：在当大陆风化强度整体下降，且因气候干旱，热带雨林植被更替，煤炭埋藏减少的情况下，大气中二氧化碳浓度降低的原因，是有机碳储藏由大陆转向海洋。

在冰期最高峰时，全球除了华南华北等少数地区，其他地区如欧美大陆，几乎没有煤系的形成，这也说明是海洋中的有机碳埋藏导致二氧化碳降到最低。

“冰期时海平面会降低，但只是露出海洋大陆架的一部分，海洋中有机碳的埋藏大多储存在深水相的沉积岩。可能在晚古生代大冰期最高峰时，泛大陆赤道附近的大面积干旱气候使得生物所需的营养元素不断被风力输入海洋中，导致初级生产率提高，从而导致有机碳埋藏增加。”陈吉涛说。

最终，陈吉涛及其合作者提出假说：大冰期的最高峰是在大陆风化整体减缓及热带雨林植被更替的背景下，有机碳埋藏由大陆转向海洋导致的。

此外，对锶同位素的研究，重新厘定并填补了石炭纪海水锶同位素的变化趋势，为该时期全球地层对比提供了较为精确的地层依据，这也是我国申请石炭系相关层位“金钉子”的重要依据之一。（张晔  贾晨婧）