褐紅色的冰川時(shí)期沉積物表明，這片加拿大火山巖曾經(jīng)在7億年前被冰川覆蓋，而7億年前它的位置在赤道附近。
地球歷史上曾多次出現(xiàn)過氣候異常的時(shí)期，比如5500萬年前，地球的平均氣溫迅速上升了9℃，成為了地球歷史上最熱的時(shí)期之一；2.1萬年前，北美和歐洲的大部分地區(qū)被厚達(dá)2公里的冰層覆蓋，并且導(dǎo)致海平面下降了120米之多……而地球歷史上最極端的氣候時(shí)期，很可能屬于6億或7億年前的“雪球地球”(Snowbal Earth)。
3月5日的《科學(xué)》雜志刊登了美國哈佛大學(xué)的地球?qū)W家麥克唐納(Macdonald)與其合作者的一項(xiàng)研究。在這項(xiàng)研究中，他們對(duì)加拿大的一些夾在冰川沉積物之間的火山灰進(jìn)行了精確的同位素定年，認(rèn)定這些冰川沉積物是在大約7.16億年前沉積的。通過進(jìn)一步的對(duì)比，他們還確定在7億多年前這些沉積物并不像今天這樣接近北極圈，而應(yīng)該在赤道附近，也就是說當(dāng)時(shí)的冰川來到了赤道附近。這無疑為“雪球地球”的假說提供了新的地質(zhì)學(xué)方面的支持。
冰川到達(dá)赤道地區(qū)
1987年，加州理工學(xué)院的古地磁學(xué)家科什溫克(Joseph L. Kirschvink)將一塊石頭交給他的研究生桑尼(Dawn Y. Sumner)進(jìn)行學(xué)位論文的研究。這塊略帶紅色、由非常細(xì)的沙粒組成的石頭采自澳大利亞南部的弗林德山脈(Flinders Ranges)，沉積學(xué)研究表明它是在淺海環(huán)境下沉積形成的。桑尼經(jīng)過仔細(xì)地反復(fù)確認(rèn)，最終獲得的研究結(jié)果讓科什溫克很驚訝，古地磁研究表明這塊巖石居然最早產(chǎn)生于赤道附近。這塊石頭是從一套距今6億－8億年前的雜礫巖中獲得的，這些雜礫巖中夾有大小不等的礫石，礫石上還有被摩擦的痕跡，這被認(rèn)為是經(jīng)過了冰川搬運(yùn)的結(jié)果。如果它最早位于赤道附近，豈不是說明當(dāng)時(shí)的冰川到達(dá)了赤道地區(qū)的海平面？
早在1964年，劍橋大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家哈蘭德(Walter B. Harland)就對(duì)全球范圍內(nèi)6億－8億年前的新元古代的冰川沉積物進(jìn)行了研究，他提出在全世界各個(gè)大洲都有這個(gè)時(shí)期的冰川沉積物，比如澳大利亞、阿曼、北美、非洲和中國南方等，說明這一時(shí)期的冰川可能是全球性的。哈蘭德同時(shí)還通過簡(jiǎn)單的地磁學(xué)分析指出，這樣的冰川可能推進(jìn)到赤道附近。但是在當(dāng)時(shí)，古地磁學(xué)的研究方法還不完善，板塊運(yùn)動(dòng)學(xué)說也剛剛被接受，因此他的學(xué)說并沒有獲得廣泛的支持。在我國南方，老一輩地質(zhì)學(xué)家也注意到了這一時(shí)期的冰川沉積物，劉鴻允先生就曾建議將這一冰期事件稱為“南華大冰期”。
經(jīng)過更多的細(xì)致研究和證據(jù)挖掘，科什溫克于1992年首次提出了“雪球地球”假說，認(rèn)為在大約6億－8億年前的新元古代，曾有全球性冰期作用一直推進(jìn)到赤道附近的海平面，這意味著地球變成了一個(gè)名副其實(shí)的“冰雪之球”。1998年，哈佛大學(xué)的霍夫曼(Paul F. Hofman)教授和他的合作者們進(jìn)一步發(fā)展了“雪球地球”假說，認(rèn)為“雪球地球”時(shí)期的海洋都會(huì)被冰凍，冰蓋一直推進(jìn)到赤道附近，冰蓋的平均厚度能達(dá)到1公里，全球氣溫下降到大約零下50攝氏度左右。這樣的嚴(yán)酷氣候能夠持續(xù)數(shù)百甚至上千萬年。
在“雪球地球”假說中，冰期并不是只有一次，而是有多次。這就像“第四紀(jì)大冰期”那樣，非常寒冷的氣候并不是一直在持續(xù)，它可能包括好幾個(gè)寒冷的冰河時(shí)期，而在這些冰河時(shí)期之間其實(shí)還存在著相對(duì)溫暖的“間冰期”。地質(zhì)學(xué)家們?cè)谌蚍秶鷥?nèi)尋找能夠代表新元古代冰期事件的沉積物，發(fā)現(xiàn)在新元古代最多可能出現(xiàn)了四次嚴(yán)寒的冰期，它們按照時(shí)間先后分別是凱噶斯(Kaigas)冰期、司圖特(Sturtian)冰期、馬林諾(Marinoan)冰期和噶斯奇厄斯(Gaskiers)冰期。在這些冰期中，目前只有司圖特冰期和馬林諾冰期被證實(shí)具有全球性的分布，而凱噶斯冰期和噶斯奇厄斯冰期只在世界上少數(shù)地區(qū)才有發(fā)現(xiàn)。因此，現(xiàn)在通常所說的“雪球地球”事件更多地指司圖特和馬林諾這兩次冰期，在這兩次冰期之間也存在著長達(dá)數(shù)千萬年的相對(duì)溫暖的“間冰期”。在我國的“南華大冰期”中，也能夠看到前后兩次冰期，時(shí)間上恰好與司圖特冰期和馬林諾冰期相對(duì)應(yīng)。
近年來，地質(zhì)學(xué)家們對(duì)新元古代冰期沉積物中的火山灰進(jìn)行了大量研究，利用火山灰中鋯石的鈾和鉛同位素的比值進(jìn)行年齡測(cè)定。通過對(duì)非洲、澳大利亞、北美、中國、阿曼等多個(gè)地方的研究對(duì)比，馬林諾冰期結(jié)束于6.35億年前。加上最近麥克唐納的研究成果，基本限定了“雪球地球”的時(shí)間就在7.16億年到6.35億年前之間。
“雪球”是如何產(chǎn)生的
地球是如何變成被冰雪覆蓋的“雪球”的，一直以來眾說紛紜。有人提出，當(dāng)?shù)厍蚶@太陽公轉(zhuǎn)的時(shí)候，遇到一個(gè)特別厚重的云層，里面的塵埃粒子大量進(jìn)入地球的大氣層，阻擋了陽光的熱輻射，于是地球溫度就會(huì)下降，并最終形成“雪球地球”；也有人認(rèn)為是小行星或者彗星的撞擊激起大量塵土遮天蔽日，最后導(dǎo)致“雪球地球”的形成。還有人認(rèn)為，地球是否寒冷，取決于地表接受太陽輻射的強(qiáng)度?，F(xiàn)代冰川作用主要局限于高緯地區(qū)，就是因?yàn)槟抢锾栞椛淙酢Ｈ绻谛略糯鷷r(shí)地球的地軸發(fā)生傾斜，赤道面和黃道面的夾角變化到54°到126°之間，那么氣候的分帶特征將和今天的地球相反，即冰川作用將局限于中低緯度，而極區(qū)則不出現(xiàn)冰蓋，這就能解釋為什么當(dāng)時(shí)在赤道附近有冰川出現(xiàn)。這些假設(shè)都極具想象力，但長期以來并沒有更多確鑿的證據(jù)支持，于是更多的科學(xué)家們?cè)敢庠诘厍蛳到y(tǒng)內(nèi)部來尋找“雪球地球”的成因。
列寧格勒地球物理天文臺(tái)的地球物理學(xué)家布迪科(Mikhail I. Budyko)在上世紀(jì)60年代提出的“冰川災(zāi)變”模型首先吸引了科什溫克的注意。太陽光能是地球能量的主要來源，而地球上的冰雪覆蓋會(huì)像鏡子那樣把太陽光反射出去?！扮R子”越大，反射的太陽光越多，地球的溫度就會(huì)越低?，F(xiàn)代地球的冰雪覆蓋主要在極地附近，范圍比較有限，所以這種效應(yīng)并不明顯。如果兩極的冰雪覆蓋增加到一定程度的話，導(dǎo)致地球溫度明顯下降，就會(huì)使冰雪覆蓋隨之增加；這樣使反射的太陽光進(jìn)一步增加，溫度進(jìn)一步下降……最終形成一個(gè)溫度持續(xù)下降的“惡性循環(huán)”。布迪科認(rèn)為，如果冰雪覆蓋到南北緯30°左右的時(shí)候，地球的氣候系統(tǒng)就會(huì)失去控制，冰雪就會(huì)一直覆蓋到赤道附近，形成“雪球地球”。
新的問題出現(xiàn)了，因?yàn)轭愃频拇鬄?zāi)難在其他星球曾經(jīng)發(fā)生過，而且不可逆轉(zhuǎn)。為什么地球最終沒有像其他星球那樣造成無法逆轉(zhuǎn)的悲劇呢，即地球最終是怎么從“雪球”中解脫出來的呢？又是什么最早觸發(fā)了地球兩極冰蓋的擴(kuò)張，導(dǎo)致“冰川災(zāi)變”最初開始的呢？科什溫克以及后來的霍夫曼等人找到了解決這些問題的一個(gè)關(guān)鍵，即大氣中的溫室氣體二氧化碳的變化。
地球的板塊在不斷地運(yùn)動(dòng)，各大陸在地球歷史中也經(jīng)歷了多次的分分合合。大概在9億年前，地球上的各個(gè)大陸在赤道附近結(jié)合成一個(gè)新的大陸，我們稱為“羅迪尼亞”超大陸(Rodinia Supercontinent)；而到了8.2億年前左右的時(shí)候，被稱為“超級(jí)地幔柱”的一次巨大的火山事件使“羅迪尼亞”超大陸再次發(fā)生裂解。如果我們把一個(gè)圓分成好多塊，它的總周長一定會(huì)增加；按照霍夫曼等人的理論，超大陸的裂解也會(huì)使各個(gè)大陸的海岸線大大增加，更長的海岸線使海洋能夠接受到更多來自大陸的營養(yǎng)物質(zhì)，海洋中的微生物和藻類會(huì)更加繁盛。通過光合作用，微生物和藻類會(huì)將更多的二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)體并埋藏在地下。這樣的轉(zhuǎn)移使大氣中的二氧化碳含量迅速減少，導(dǎo)致地球產(chǎn)生“冰室效應(yīng)”。地球溫度下降就有可能進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)“冰川災(zāi)變”，使氣候失去控制并最終形成了“雪球地球”。
在“雪球地球”時(shí)期，因?yàn)楸槐└采w，地球上生物的光合作用和巖石風(fēng)化作用都幾乎完全被終止；只有火山活動(dòng)仍保持著活躍的狀態(tài)，持續(xù)向外釋放大量的二氧化碳。經(jīng)過長達(dá)數(shù)百萬年的積累，當(dāng)大氣中的二氧化碳足夠強(qiáng)大——其濃度大概達(dá)到現(xiàn)代大氣的350倍的時(shí)候，地球上就會(huì)出現(xiàn)“超級(jí)溫室效應(yīng)”，使“雪球地球”迅速融化。據(jù)估計(jì)，在“雪球地球”融化的時(shí)候海洋溫度能夠達(dá)到50℃以上。
對(duì)于溫室氣體的變化，也有人提出不同于霍夫曼等人的理論。法國國家科學(xué)研究中心的唐納狄歐(Yannick Donnadieu)與他的合作者認(rèn)為，“超級(jí)地幔柱”會(huì)在赤道附近形成大規(guī)模的玄武巖。玄武巖是一種火山巖，比較容易和大氣中的二氧化碳反應(yīng)發(fā)生風(fēng)化。經(jīng)過大量的數(shù)學(xué)模擬，他們認(rèn)為如果“超級(jí)地幔柱”能夠在赤道附近產(chǎn)生800萬平方公里的玄武巖，那么僅僅這些玄武巖的風(fēng)化作用就將大大消耗大氣中的二氧化碳，完全能夠在短期內(nèi)將大氣的二氧化碳濃度降至0.025%左右。當(dāng)時(shí)的太陽輻射比現(xiàn)在要弱，所以這就能夠觸發(fā)“冰室效應(yīng)”，并最終導(dǎo)致“雪球地球”產(chǎn)生。
“雪球”，還是“半融雪球”？
“雪球地球”假說成功地解釋了很多地質(zhì)現(xiàn)象。比如，在新元古代冰期沉積物中，廣泛地出現(xiàn)一種叫做“條帶狀磁鐵礦”(BIF)的鐵礦層。這種鐵礦主要出現(xiàn)在20億-30億年前，是今天地球上最重要的鐵礦資源，澳大利亞和巴西采集的鐵礦石主要就是這類鐵礦。
雖然有一系列證據(jù)支持“雪球地球”假說，它也還受到了很多的挑戰(zhàn)。這其中最主要的是，當(dāng)時(shí)整個(gè)地球真的完全被冰層所覆蓋嗎？如果是那樣的話，生命又是怎么在這么嚴(yán)酷的條件下幸存下來？有很多科學(xué)家認(rèn)為所謂的“雪球地球”，不過是一次大的冰河事件。他們認(rèn)為，當(dāng)時(shí)在赤道地區(qū)的確有一些冰雪覆蓋，但是還有很多水域其實(shí)并沒有結(jié)冰，海洋還保持著與大氣的連通。他們稱這樣的地球?yàn)椤鞍肴谘┣虻厍颉?Slushbal Earth)。
倫敦帝國學(xué)院的地質(zhì)學(xué)家艾倫(Philip A. Alen)在新元古代的冰期沉積巖中發(fā)現(xiàn)了一些波紋狀的痕跡，這被認(rèn)為是反對(duì)“雪球地球”的有力證據(jù)。在沉積巖形成的初期，如果周圍的水體發(fā)生波動(dòng)，就會(huì)在沉積巖中留下波痕的記錄。艾倫認(rèn)為如果當(dāng)時(shí)的海面完全被冰雪覆蓋，水體應(yīng)該是非常安靜的，不會(huì)在海底的沉積巖中留下痕跡；只有海面是開闊的，受風(fēng)力產(chǎn)生波紋，水下的沉積巖才會(huì)留下這樣的波紋印記。
德國申根堡研究所的米切爾斯(Arne Micheels)對(duì)當(dāng)時(shí)的氣候變化進(jìn)行了一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果也支持“半融雪球地球”。他們發(fā)現(xiàn)，如果當(dāng)時(shí)是一個(gè)完全冰封的“雪球地球”，赤道附近的氣溫可能在零下45℃左右，而兩極的氣溫將低至零下70℃以下。正常情況下，二氧化碳在零下56.6℃就會(huì)變成液體，在零下78.48℃就會(huì)變成固體?？梢韵胂螅绻麅蓸O的溫度達(dá)到零下70℃以下，二氧化碳將變成液體或者固體，那么大氣很難保持高濃度的二氧化碳，無法形成有力的“溫室效應(yīng)”，“雪球地球”將不再融化。另一方面，如果當(dāng)時(shí)是一個(gè)“半融雪球地球”的話，兩極的氣溫可能達(dá)到零下50℃左右，而赤道附近的氣溫還保持在零度以上。這樣的結(jié)果不但滿足了赤道附近的水域不會(huì)完全結(jié)冰，同時(shí)也保證兩極大氣中二氧化碳不被液化或固化，確保這個(gè)“半融雪球地球”最終能夠因?yàn)椤皽厥倚?yīng)”而融化。
“雪球”和“半融雪球”假說都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，它們的爭(zhēng)議一時(shí)還難以分出高下?；舴蚵?009年提出了“泛冰期”(pan－glacial)的概念。這個(gè)概念源自1926年英國氣象學(xué)家布魯克斯(C. E. P. Brooks)對(duì)地球的氣候狀態(tài)的劃分，他將地球的氣候狀態(tài)分為“無冰期”(non－glacial)和“含冰期”(glacial－interglacial)：“無冰期”是指在地球兩極都沒有冰蓋的時(shí)期；“含冰期”是指在地球的高緯度地區(qū)具有一定范圍的冰蓋，就像今天的地球?；舴蚵岢?，新元古代的冰期不同于這兩種氣候狀態(tài)，應(yīng)該稱為第三種狀態(tài)“泛冰期”，即全球的高、中、低緯度都有冰蓋。
“泛冰期”并沒有從根本上解決“雪球”和“半融雪球”的爭(zhēng)議，但是卻向我們提供了一個(gè)重要的信息，即無論是“雪球”還是“半融雪球”，新元古代的這次全球性冰期事件是地球歷史上絕無僅有的一次嚴(yán)寒氣候。這樣極端的氣候變化，必然為地球系統(tǒng)帶來深刻的變革——也包括地球上的生命。
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