雪球地球

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雪球地球
(百萬年前)

雪球地球假说是为了解释一些地质现象而提出的。该假说认为在新元古代时候曾经发生过一次严重的冰川，以至于地球上的海洋全部被冻结，仅仅在厚达两公里的冰层下存有少量因地热而融化的液态水。

这个假说已经提出有几十年了。加州理工学院地质教授Joseph Kirschvinck于1992年首度使用“雪球地球”这个词。从那以后该假说得到了哈佛大学地质教授Paul F. Hoffman及其同事Daniel P. Schrag的大力支持和完善。

[编辑] 概述

从1960年代以来，人们就假想地球诸大陆曾经遭受过一次严重的冰冻，时间是迄今约7.5亿到5.8亿年前。这个时期地史上称为冰冻期。后来古生物学家W. Brian Harland指出该时期的冰渍沉积物遍布全球，并提出那个时候全球冰封的观点。

该假说的麻烦在于，尽管全球遍布冰川痕迹，但是在赤道地区除了高山地区外找不到冰川痕迹。板块构造学说使得这种冰川分布的不连续性显得更加扑朔迷离：板块构造理论认为各大陆在那个时候曾经是一个整体，聚集在赤道附近，叫做超大陆。

总而言之，雪球地球理论就是综合了7亿到6亿多年前留下的诸多地热证据而得出的一个理论。

由冰渍残留地点的广布，该理论认为地球曾经一度被全部冰冻起来。然而这个过程的机理却不明。有一种理论认为当时由于冰川的延伸，导致部分陆地被冰面覆盖，从而延缓了岩石的风化过程（岩石风化是会吸收二氧化碳的），导致温室效应增强。火山活动不断地产生二氧化碳，于是冰川到一定时候会停止蔓延。由于当时超大陆集中在赤道附近，陆地表面冰川很难被全部覆盖。日积月累，当风化过程慢慢消耗完温室气体后，冰川开始肆无忌惮地蔓延开来，直到全球冻结。彼时，整个地球表面全部被冰川覆盖。日照辐射被白雪皑皑的地球反射回太空，地球一片冰冷。由于水汽蒸腾作用被大幅减少，大气变得无比干燥。当时大气中唯一的温室气体就是水汽本身，高高在上的则是令人炫目的阳光。

雪球地球终究还是融化了，而融化的原因则成了现在的一个研究课题。

通过计算机模拟人们也得到了一个完全冰封的地球，这个模拟得到的状态称为“白地球”。

[编辑] 证据

支持者用来举证的地质沉积物包括富含铁的铁燧岩和碳酸盐壳岩。雪球地球事件与5.7到5.3亿年前发生的寒武纪生命大爆发之间的关联也非常引人注目。

[编辑] 光合作用参与者的缺乏

海水里含有两种碳同位素：碳12和碳13。在生化过程中，生物体优先利用较轻的碳12，这就使海洋里的光合作用参与者比如原生生物和海藻一类慢慢地排空了碳13同位素。假如海洋里存在光合作用参与者，那么这些光合作用参与者死亡后形成的有机质沉积里碳13的含量就会比较低，而从海水里析出的碳酸盐沉积物里碳13含量就会相对较高。研究发现，在理论所指的那段时间内形成的海水碳酸盐沉积物里碳13的平均含量非常明显地比其他正常时期沉积物的低。这就支持了雪球地球理论，因为这说明当时冰封大地的条件下，几乎所有的光合作用参与者都被严寒冻死了。

[编辑] 带状铁构造带

在地球富氧大气里，自然界的铁一般会被氧化为三价态的氧化铁沉积下来形成带状铁矿石。只有在缺氧的条件下铁才能形成二价态的氧化亚铁矿石。由于氧化亚铁矿发现只存在于与雪球地球对应的地质年代里，这就又进一步支持了雪球地球理论的正确。易溶于水的亚铁盐遇到空气里的氧气会被氧化成易水解的铁盐，进而形成难溶的氧化铁从水里沉淀出来。这个过程使多达20倍于现存大气层氧气的氧被带状铁沉积封锁在岩石里。地球上的铁矿都是在寒武纪前形成的。在寒武纪后的显生宇地层中鲜有铁矿存在。

支持者们认为氧气在大气层里是不稳定的，因为有太多的反应可以消耗氧气，主要是铁和硅的氧化过程。要维持大气层氧气的含量，必须依靠来自生物圈源源不断的氧气供给。雪球地球时期，冰冻杀死了大多数生物，造成氧气逐渐减少甚至消失，这就使氧化亚铁矿能够得以形成。反对者们认为雪球地球时期生命不可能幸存下来，然而事实上没有发生生命彻底灭绝。支持者们反驳道，在海洋的深处完全有可能存在厌氧和低耗氧微生物群落存在，依靠地热维生而幸存下来。除此之外还有一种可能。在远离大陆的海面可能会存在少量未冻结的水域，庇护着一些好氧生物群落。另外在赤道附近也会有一些地区的水在白天融化形成水洼，晚上则重新冻结起来。

[编辑] 碳酸盐壳岩石

据估计，当时大气层二氧化碳浓度需要达到比现在高350倍的程度才能形成足够的温室效应把冰川融化。但这个浓度是可以积累起来的，因为当时主要消耗二氧化碳的过程是硅酸盐岩石的风化过程，冰川覆盖了岩石，阻止了岩石的风化，于是大气层二氧化碳就能逐渐积累到很高的浓度。很可能由于火山作用的缘故，大气层二氧化碳浓度逐渐增加，最后在赤道附近出现了一条无冰的水域。这条水域通过吸收太阳辐射，融化了更多的冰川，更多的水域又吸收了更多了太阳辐射，如此反复。与此同时，二氧化碳浓度的增加为蓝藻生物提供了充足的食物。蓝藻通过光合作用释放出氧气，使大气层氧气浓度迅速升高，这最终导致了寒武纪生命大爆发，产生了新的多细胞生命体。在短短1000年的时间里，雪球地球得以解冻，而大气层二氧化碳和氧气正常水平的恢复则花了比这更长的时间。

刚开始大气层二氧化碳浓度仍然比正常值高出100倍。雨水的洗刷作用转移了大量的大气层二氧化碳。二氧化碳被溶解转化为碳酸,碳酸进一步腐蚀硅酸盐岩石，形成的碳酸盐沉淀被冲入大海，变为海底的沉积岩。

最后，二氧化碳浓度降至最低，地球温度下降，海水开始结冰，一切重又开始循环，直到Rodina超大陆瓦解为止。

[编辑] 生命演化

新元古代是一个非常时代，大量的多细胞生物在此时产生，尤其是动物。动物的大小和复杂程度日新月异。这种多细胞生物的发育有可能是进化压力增长的结果，而进化压力的增长则是地球冻了又融，融了又冻造成的。可以说，雪球地球推动了生物进化。一些支持者指出，最后一个重要的雪球地球结束的时期刚刚离寒武纪生命大爆发仅几百万年之遥。

[编辑] 生命在冰封中的延续

生命在冰封中幸存有如下几种可能：

深海地热口附近
生命可以采取类似孢子休眠的方式来度过冰封期
在低纬度冰原岛峰地区，火山作用和阳光辐射可能会在白天融化部分冰，产生临时水洼；
冰层之下，类似于“矿物质代谢”生态系统可以提供避风港；
在冰盖下面会存在液态水坑。类似于南极洲的Vostok湖一样。

[编辑] 其他雪球地球

还有一种雪球地球理论认为最早的一次全球冰封时期发生在23亿年前。原因与大气层氧气的出现有关。大气层氧气的出现消耗了原始大气中的强温室气体甲烷。由于当时地球上太阳辐射水平比较弱，因此导致了气温的骤降。这个理论的证据比较弱，但是这个时期的确形成了一些富铁的岩石。另一种解释赤道附近发生冰封原因的理论认为当时地球的黄赤交角比现在大，有近60度，导致赤道地区变成“高纬地区”，而这可能与地磁偏角发生变化有关。

[编辑] 参考资料

Gabrielle Walker, 2003, Snowball Earth, Bloomsbury Publishing, ISBN 0747564337
Jenkins, Gregory, et al, 2004, The Extreme Proterozoic: Geology, Geochemistry, and Climate AGU Geophysical Monograph Series Volume 146, ISBN 0-87590-411-4