早期地球环境演变的重大事件——雪球地球事件的起因与结束及其对地球系统演化的意义

早期地球环境演变的重大事件——雪球

地球事件的起因与结束及其对地球系统

演化的意义

引言

新元古代在地球的演化历史中是非常重要的阶段，当时地球板块处在Rodinia 超大陆的汇聚—裂解时期，全球性的冰川作用，包括低纬度的冰川作用，高温水—岩反应，低氧同位素（δ 18O）岩浆活动，这一时期的地球环境变化是埃迪卡拉动物群的形成以及之后的寒武纪生命大爆发的重要原因。由此可发现一系列的重大地质科学问题，就华南板块而言，包括当时古华南板块所处古地理环境位置、全球性的冰期作用规模以及分布位置、冰期与雪球地球的关系以及雪球地球的形成与消融作用机制等。“雪球地球”这一概念由 Kirschivink 于1992 年所提出，后由 Hoffman et al.补充完善，形成“雪球地球假说”，并用其解决全球性冰期覆盖问题。该假说能较好的解释碳酸盐岩碳同位素漂移，条带状含铁建造 BIF 以及盖帽碳酸盐岩沉积。对于华南板块而言，新元古代冰期的研究主要集中在南沱冰期和江口冰期，因此对华南板块雪球地球的研究，首要的是了解该时期主要冰川年限以及作用机理，从而分析形成与消融因素。华南板块新元古代冰期的年限测定已取得较为丰富研究进展，但就华南板块新元古代冰期的形成与消融因素上尚存在一定争议。因此本文开展了华南板块新元古代雪球地球形成与消融作用影响因素的研究，以期为中国华南板块在 Rodinia 超大陆时期的古地理环境以及冰期作用与消融提供研究思路，也为其他时代冰期的形成与消融研究提供启示。

特征

雪球地球冰期及华南板块古地理环境新元古代成冰纪时期，全球呈现低温状态，地球所发生的几次大规模全球性的冰川作用导致低纬度以及赤道地区被冰

雪覆盖，整个地球被冰封形成一个雪球状态，称之为“雪球地球”。从地层学、

同位素年代学、地球化学的研究指示出，该时期全球约至少发生大规模冰期四次，分别为 Kaigas冰期、Sturtian冰期、Marinoan冰期、Gaskiers冰期，这四期

冰期是根据其所在地区的主要地层所命名，其中具有全球代表性、规模最大、可

用于对比的冰期为Sturtian冰期和 Marinoan冰期。在四期冰期中，Kaigas冰

期相对较为古老，该冰期并非一开始便作为一独立冰期所存在，而是被划为Sturtian冰期早期所进行的冰川活动。后来对澳大利亚及劳伦西亚大陆（北美洲）地区的Sturtian冰期以及沉积地层研究得出Kaigas冰期比之前所划分的年龄更

为古老，而且南非卡拉哈瑞克拉通上的Kaigas冰期沉积存在一定的间断性，并

没有被Sturtian冰期后期冰碛物所覆盖，由此Kaigas冰期被认为是位于

Sturtian冰期之前所存在的独立冰期。对于华南板块来说，尚缺少Kaigas冰期

沉积物的证据，但从华南地区大别—苏鲁造山带新元古代花岗岩中的负δ18O 锆

石成因来看，其形成与大陆冰川融水不无关系。同时从该负δ18O 锆石U-Pb 定

年来看，其年龄也与Kaigas冰期相一致。因此可得出当时华南地区是处于相对

寒冷的气候条件。

盖帽碳酸盐岩（cap carbonates）主要由微晶方解石和白云石等组成，是指

沉积于新元古代冰碛岩之上的薄层状相对均质的碳酸盐岩地层。盖帽碳酸盐岩的

出现标志着温暖的海洋形成环境，其在世界各地具有广泛分布。盖帽碳酸盐岩在

岩石学、矿物学、沉积学、生物学及地球化学方面具有一系列特殊的地质特征，

其记录了从新元古代晚期雪球地球大冰室由冷转暖的重要原始信息，对其的研究

一直是国内外研究的前沿。M. J. Kennedy认为新元古代的盖帽碳酸盐岩岩性比

较均一，比较薄（2m以下），覆盖于陆相以及与冰川作用有关的沉积物之上，其

构成主要为泥晶—微晶白云石，可见细微纹理；盖帽碳酸盐岩底部具有明显界限，局部可见剥蚀作用，上部为薄层页岩，中部为过渡浓缩层位或轻微递变层位，可

见成岩作用形成的结核或胶结碳酸盐层。盖帽碳酸盐岩这些岩石特征指示其形成

环境为较深（数百米）的浅海—半深海海底环境，同时保留了冰期后海平面上升

以及海进的记录。

讨论

通过之前所进行的冰期年龄以及影响雪球地球因素研究发现，在长安冰期前约 815~810 Ma、约 800~770 Ma，和约 750~725 Ma 三个时间段内华南地区发生了气温的骤降，这与华南地区在 Rodinia 超大陆裂解期间，主要地幔柱的活动时间（820 Ma、800 Ma、780 Ma，以及 750~720 Ma）高度重合[38]。这种现象从侧面印证了 Hoffman et al.认为雪球地球的形成与超大陆裂解作用关系密切的猜测，也与所提及的超大陆裂解以及地幔柱作用相吻合。Rodinia 超大陆在逐步裂解过程中，形成多个小陆块，包括华南板块也在澳大利亚板块、东南极洲板块以及劳伦大陆间逐渐分离开来，并在中间形成大量裂谷，构成华南裂谷系。同时伴随大量超基性—基性岩浆喷发，主要分布于华南板块边缘，如今扬子地块西缘和北缘，如攀西裂谷、龙门造山带一带，同时整个陆地与海洋的接触地带—边缘海发生不断扩张。伴随着来源于海洋的水汽更加充沛，大陆的降水量与径流量迅速增加，火山喷发形成的大量玄武岩与之发生强烈的化学风化作用

（CaSiO3+CO2→CaCO3+SiO2）。Y. Goddéris et al.根据现代玄武岩风化规律以及气候模型得出当时赤道附近有约面积为6×106km2的玄武岩省，后期的风化作用就能使得大气中 CO2含量迅速变化。这一作用使空气中的 CO2含量剧烈下降，被CO2截留的太阳辐射能也随之下降，冰室效应开始产生。

结论

雪球地球的形成与消融从得出的几种模型来看，其冰室与温室的转化，主要与新元古代大气中 CO2等温室气体含量变化以及超大陆裂解有很大关系。随着Rodinia 大陆的裂解和超级地幔柱作用，超基性—基性岩浆的喷发，降雨量等加强，引起超基性—基性岩浆岩后期的大面积风化，使得大气温室气体含量下降并出现周期性反复，后随着裂解进一步加剧，大量微生物繁衍，形成大量叠层石，大气温室气体含量进一步下降，超过临界线到难以维持正常地表温度从而形成冰室。后期随着裂解作用继续进行，在极寒环境下微生物等生长受制，叠层石种属以及数量发生下降对大气温室气体吸收明显减弱，同时期原先形成的大量裂谷等环境为岩浆热液活动提供通道，火山气体中大量的 CO2，CH4等温室气体，不断进入到大气环境中，使得已经下降的温室气体含量开始呈现上升，重启温室效应，并在大陆边缘地区的甲烷渗漏作用下，使得地球重新进入温暖冰后期。华南板块其特殊的古地理位置，以及与澳大利亚板块以及劳伦大陆相似