新元古代成冰紀(jì)地球上發(fā)生了兩次“雪球地球”事件（Sturtian和Marinoan），當(dāng)時(shí)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(gè)大雪球（圖1）。這種極端壓抑的氣候條件不僅限制了多細(xì)胞生命的演化，也擾動(dòng)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(xué)條件得到了改善，生態(tài)系統(tǒng)逐漸復(fù)雜化，形成了多個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)別的生物鏈，在埃迪卡拉紀(jì)-寒武紀(jì)早期爆發(fā)了形態(tài)復(fù)雜、多個(gè)門類的多細(xì)胞生物。
無(wú)論是長(zhǎng)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(dāng)時(shí)大氣中存在一定濃度的溫室氣體CO2。成冰紀(jì)時(shí)地球上生命活動(dòng)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(dòng)是大陸巖石圈釋放CO2的重要途徑（圖1），在地質(zhì)歷史時(shí)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(xué)科領(lǐng)域爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。
圖1 火山活動(dòng)噴發(fā)溫室氣體促使雪球地球融化。冰川消融后，海洋化學(xué)組成發(fā)生了改變，促進(jìn)了多細(xì)胞生物的爆發(fā)
針對(duì)這個(gè)科學(xué)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室蘭中伍副研究員、Ross Mitchell研究員和李獻(xiàn)華院士聯(lián)合美國(guó)加利福尼亞大學(xué)、法國(guó)巴黎大學(xué)和成都理工大學(xué)科學(xué)家，對(duì)我國(guó)揚(yáng)子板塊北緣和南秦嶺地區(qū)出露的大陸裂谷火山巖進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)年代學(xué)和氣候模擬研究。對(duì)流紋巖中的鋯石進(jìn)行高精度的CA-ID-IRMS U-Pb定年，得到的年齡為641-637 Ma（圖2），結(jié)合揚(yáng)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(dòng)持續(xù)時(shí)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(shí)間緊密相關(guān)。通過(guò)對(duì)比計(jì)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(xué)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(quán)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(quán)平均年齡為ca. 637 Ma
利用氣候-地球化學(xué)軟件（GEOCLIM）對(duì)冰期時(shí)CO2通量進(jìn)行模擬，結(jié)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(fēng)化效率比現(xiàn)代值低4到2個(gè)數(shù)量級(jí)（圖3b）。這是因?yàn)楹涞牡乇項(xiàng)l件不利于硅酸鹽的風(fēng)化，對(duì)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(gè)融化區(qū)域，然后在這個(gè)區(qū)域內(nèi)定義CO2閾值。當(dāng)CO2濃度為0.1 bar時(shí)，殘余冰蓋體積變小（0.3 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(fēng)化及其和大陸冰蓋的相互作用。硅酸巖風(fēng)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(fēng)化速率相對(duì)較快
模擬計(jì)算表明巖漿排氣閾值在排氣率為38%和80%時(shí)分別為0.09 bar和0.26 bar，并且和排氣率呈非線性函數(shù)關(guān)系（圖4a）。這種非線性函數(shù)關(guān)系是由于巖漿作用在排放CO2的同時(shí)，海底風(fēng)化作用會(huì)消耗掉一部分CO2。如果大氣和海洋沒(méi)有氣體交換，那么海底風(fēng)化作用完全可以忽略不計(jì)。這種情況下，所有排放的二氧化碳（對(duì)于80%的排氣率，CO2排放量約為0.24 Gt/yr）都會(huì)儲(chǔ)存在大氣中，雪球地球的持續(xù)時(shí)間將明顯縮短。Sturtian和Marinoan CO2閾值的差值隨著排氣率的增強(qiáng)而增大，在排氣率為60%和70%時(shí)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(xué)模型限定的CO2濃度變化。（a）地球表面全部被冰雪覆蓋時(shí)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(shí)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(dāng)?shù)厍虺嗟罌](méi)有冰雪覆蓋時(shí)，Marinoan和Sturtian雪球地球融化所需要的CO2 閾值會(huì)更低，約為0.1 bar。（b）當(dāng)火山排氣率為現(xiàn)在的38%時(shí)，在 641-635 Ma這段時(shí)間內(nèi)CO2排氣速率的增加會(huì)讓Marinoan雪球地球提前2-5 Myr終結(jié)
Marinoan冰期末期經(jīng)歷了大規(guī)?；鹕交顒?dòng)致使Marinoan冰期提前結(jié)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(méi)有經(jīng)歷大規(guī)?；鹕交顒?dòng)，所以經(jīng)歷了很長(zhǎng)一段時(shí)間（57 Myr）才積累了足夠多的CO2來(lái)融化Sturtian冰蓋。也就是說(shuō)，Sturtian冰期末期缺少大型火山活動(dòng)是其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的主要原因。
研究成果近期發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Geophysical Research Letters（蘭中伍*, Magdalena H. Huyskens, Guillaume Le Hir, Ross N. Mitchell, 尹慶柱*, 張剛陽(yáng), 李獻(xiàn)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(dǎo)項(xiàng)目（XDB18030300）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2017YFC0601505）、基金委面上基金項(xiàng)目（41673016, 41630211, 41888101，41302066）、中科院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（SKL-Z202001）、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（GPMR201902）、中科院南京地質(zhì)古生物研究所古生物學(xué)和地層學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（193112）以及中科院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)部署項(xiàng)目（IGGCAS-201905）共同資助。
美編：陳菲菲
校對(duì)：趙娜
