自帶“超級空調” 地球冷暖交替有“開關”

　　大暑節氣，蟬聲起，夏正濃。

　　眼下正是三伏天，無論是北方地區的鐵板燒烤，還是南方地區的（黃）梅后燜蒸，全國都離不開一個字：“熱”！

　　當揮汗如雨的你得知，我們生活的這個時代，並不是地球最熱的時候，你會不會覺得很意外？

　　近日，中國科學院南京地質古生物研究所陳吉濤研究員等通過對貴州納慶剖面等地層的鍶、碳同位素綜合研究，在國際著名地學雜志《地質學》上發表的最新成果顯示，晚古生代大冰期是由大陸風化和有機碳在陸地上的埋藏（形成煤炭）導致，而大冰期的最高峰則因為有機碳埋藏由大陸轉向海洋。該研究對於認識當今地球系統從“冰室氣候”向“溫室氣候”轉變的趨勢，具有重要的“深時”地質借鑒和啟示意義。

　　冰期和“溫室”氣候，人類更適合前者

　　對於有著46億年“球齡”的地球來說，冷暖交替是常態，就像自帶了一台超級空調。

　　“在整個地球歷史中，有考據的大冰期發生過7—8次。”據中國科學院南京地質古生物研究所的陳吉濤研究員的介紹，從地球歷史大尺度的角度看，我們現在仍處在相對較冷的時期。

　　冰期，是指地球表面覆蓋有大規模冰川的地質時期，又稱為冰川時期。地球表面沒有大陸冰川的時期則為“溫室”氣候。而在冰川時期，冰川的進退則會形成冰期和間冰期交替出現的現象。

　　事實上，我們的地球現在正處於第四紀大冰期中一次小的間冰期，其開始於一萬一千多年前。陳吉濤表示，目前因人類活動，尚無法對此次間冰期何時結束進行一個准確的預測。

　　近10億年來，地球都是以溫室氣候為主，冰期隻佔據不到四分之一的時間。

　　其中，冰期持續時間最長的是距今約3億多年前的晚古生代大冰期，那次冰期持續了近七千萬年，也是顯生宙最大的一次冰期事件。

　　在3.5億年前的石炭紀早期，岩石圈經過劇烈的構造運動，形成泛大陸﹔木質植物開始繁盛，熱帶雨林茂密生長，逐步形成規模——地球上陸地植被的生長繁榮程度達到了前所未有的高度。最為奇特的是，那時的昆虫都非常巨大，蜻蜓展翅長達70多厘米，除此之外，還有長達兩三米的巨型千足虫、巨型海蠍子等節肢動物也在這裡生活著。

　　到了距今3.4億年前，地球進入晚古生代大冰期，全球年平均氣溫驟降，位於南半球的泛大陸被冰川廣泛覆蓋。

　　漫長的地質時期，地球以溫室氣候為主，在地史中生物不管是在溫室氣候還是冰室氣候均有過滅絕或復蘇繁盛。那麼，溫室與冰室，究竟哪一種更適合人類生存呢？陳吉濤對此的回答是：“目前還不清楚哪種氣候更適於生物生存，但人類是在第四紀大冰期演化而來，可能較適應於冰期氣候吧。”

　　二氧化碳成全球氣候“晴雨表”

　　作為最著名的“溫室氣體”，它不僅對當前全球變暖起著決定性作用，而且，在過去幾十億年裡，始終是全球氣候變化的“晴雨表”。二氧化碳濃度的變化一般也會導致氣候的變化：二氧化碳濃度升高，溫度隨之升高﹔二氧化碳濃度降低，溫度也隨之降低。

　　那麼，當地球進入冰期時，大氣中的二氧化碳去哪裡了呢？科學界認為，二氧化碳被儲存起來了。根據研究，有兩種地質作用能夠將空氣中的二氧化碳存儲起來，一是大陸風化﹔二是有機碳（煤）的埋藏。

　　現有科學研究結果表明，大陸風化使得硅酸鹽和二氧化碳發生反應，形成以岩石為主要存在形式的碳酸鹽，並在海底逐漸沉積。而植物的光合作用，將二氧化碳固定並形成有機質。有機質的埋藏，也就將一部分二氧化碳儲存了起來，主要是儲存在不同類型的沉積岩裡面，但當有機碳富集到一定程度，在陸地上便會形成煤，在海洋中則是石油。

　　大氣中二氧化碳濃度的變化，直接影響了全球氣候的變化。科學家認為，一旦抓住二氧化碳變化的規律，某種意義上，也就意味著抓住了“冰室氣候”和“溫室氣候”變化的規律。

　　現今的人們如何得知數億年前地球二氧化碳濃度變化的控制因素呢？陳吉濤通過對地層的鍶、碳同位素綜合研究，揭開了這個謎底。

　　之所以選擇鍶、碳同位素作為研究對象，其原因在於：鍶同位素可以反映大陸風化速率，而碳同位素則可以作為有機碳埋藏的指標。兩者結合，便可以推出二氧化碳降低究竟是因為大陸風化加強，還是因為有機碳埋藏。

　　“海水鍶同位素的組分是地球科學家普遍認可的可以用來指示大陸風化的指標之一，還有鋰同位素、鎂同位素以及風化蝕變指數等，都是研究大陸風化的重要手段。”陳吉濤說。

　　貴州納慶暗藏大冰期地質“檔案”

　　鍶是地球上廣泛存在的元素之一，但是，想要通過鍶同位素尋找地質檔案並不是一件容易的事。

　　晚古生代大冰期期間，由於冰川擴張引起全球海平面下降，導致各大陸大都從海底暴露出來，並剝蝕掉之前的很多沉積記錄，因此缺失了這段時間的地質“檔案”。

　　貴州省黔南州羅甸縣納慶村附近有個石炭系剖面，自上世紀80年代起，中國地質古生物學者便開始了對其的相關研究工作。

　　這個深山中的小村落，在數億年前，還是一片汪洋大海，而其中一處剖面正好處在一個海底斜坡的下部，擁有完整的沉積記錄。“該剖面是全球鮮有的連續沉積的石炭系碳酸鹽岩地層，對研究當時的古氣候和古海洋環境具有重要意義。”

　　陳吉濤的研究，不僅佐証了晚古生代大冰期的起始與加強由大陸風化和有機碳在陸地上的埋藏（形成大量煤炭）導致，還促使他對大冰期最高峰產生的原因提出一個大膽假設：在當大陸風化強度整體下降，且因氣候干旱，熱帶雨林植被更替，煤炭埋藏減少的情況下，大氣中二氧化碳濃度降低的原因，是有機碳儲藏由大陸轉向海洋。

　　在冰期最高峰時，全球除了華南華北等少數地區，其他地區如歐美大陸，幾乎沒有煤系的形成，這也說明是海洋中的有機碳埋藏導致二氧化碳降到最低。

　　“冰期時海平面會降低，但只是露出海洋大陸架的一部分，海洋中有機碳的埋藏大多儲存在深水相的沉積岩。可能在晚古生代大冰期最高峰時，泛大陸赤道附近的大面積干旱氣候使得生物所需的營養元素不斷被風力輸入海洋中，導致初級生產率提高，從而導致有機碳埋藏增加。”陳吉濤說。

　　最終，陳吉濤及其合作者提出假說：大冰期的最高峰是在大陸風化整體減緩及熱帶雨林植被更替的背景下，有機碳埋藏由大陸轉向海洋導致的。

　　此外，對鍶同位素的研究，重新厘定並填補了石炭紀海水鍶同位素的變化趨勢，為該時期全球地層對比提供了較為精確的地層依據，這也是我國申請石炭系相關層位“金釘子”的重要依據之一。