地球科学原理之四十 第四纪冰川期的形成

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裸子植物，从晚二叠纪（约2.5亿年前）开始至中生代（距今约2.5~0.5亿年），讯速地发展起来；因此，中生代又称裸子植物时代（宋春青和张振春，1996）。银杏、苏铁和松柏等是代表。此外，有些新兴起的蕨类植物（主要是真蕨），如枝脉蕨，锥叶蕨等虽然还相当繁茂，但已退居次要地位。这些繁盛的裸子植物和蕨类植物，是当时的主要造煤植物。中生代，特别是侏罗纪（距今约2.08~1.35亿年），是一个仅次于石炭、二叠纪的造煤时代（宋春青和张振春，1996）。

早白垩纪晚期，地史上第一次出现了被子植物，发展讯速，到晚白垩纪，终于取代了裸子植物，在大陆上占统治地位。如山毛榉、榕树、木兰、枫、栎、杨樟、胡桃悬铃木等均已出现（宋春青和张振春，1996）。

裸子植物和蕨类植物的造煤作用，及裸子植物和被子植物繁盛，引起大气中的二氧化碳减少，第四纪冰川又开始形成。

第四纪冰川期，实际上是由多次小冰期及多次小间冰期组成的。

因为侏罗纪的植物已相当繁盛，且沉积了大量的煤等矿物碳，这都需要消耗大量的二氧化碳。所以，第一次小冰期的形成，有可能不晚于侏罗纪。

那么，为什么第四纪冰川期会形成这么多小冰期呢？

第四纪冰川的形成，是裸子植物和蕨类植物（早期的小冰期），及裸子植物和被子植物形成的。由于裸子植物和被子植物种类繁多，所以，造成其形成的冰川次数也比较多。

是什么原因造成每次的小冰川期冰川的消融呢？

动物造成裸子植物或被子植物的大面积消失，这种可能性不大。因为，这时陆地生态系统已相当完善，自我调节能力已相当强。

气候条件等环境因素造成植物的大面积消失，除在早期引起新兴起的蕨类植物、银杏类大部分消失外，对很多裸子植物和绝大多数被子植物来说，这也不太可能。因为，很多裸子植物和绝大多数被子植物，已相当高等，已完全能适应地球一般环境条件的变化。

真正造成裸子植物和被子植物消失和演化的因素，主要是森林大火。森林大火在石炭纪就有发生，且主要发生在冰期或寒冷期（Graham, et. al., 1995; Berner, 1997），造成了小冰期冰川的缩小。很多学者在这方面进行了大量的研究（Berner, 1993; Holland, 1990）。



如上式所示，地球上所有植物、动物、微生物等生物有机碳，及煤、石油和天然气等矿物有机碳，都是植物通过光合作用形成的（曹宗巽和吴相钰，1979）。

由上式也可知,每形成一分子（CHO），消耗1分子二氧化碳和1分子水；同时，产生1分子氧。也就是说，光合作用消耗二氧化碳时，除形成（CHO）外，还形成氧气。这也是地球从无氧的还原型大气转变为氧化型大气的原因。

光合作用产生的氧气量和消耗二氧化碳的量是相等的。地球上通过光合作用消耗多少二氧化碳就形成多少氧气。因为地球实际消耗的二氧化碳的量，就目前的技术和资料来看，要对其进行准确的计算，比较困难。

同时，光合作用产生的氧气量和形成的C6H12O6成6：1的比例。也就是说，有多少C6H12O6形成，也就有其6倍的氧气形成。C6H12O6的量，实际就是地球上的当时海洋和陆地一切生物有机碳和矿物有机碳量的总和。地球上的当时海洋和陆地一切生物有机碳和矿物有机碳的总和是有可能估算的。根据这个估算量，我们就可以知道，现今地球上有多少氧气。当然，大气中的氧气量，应该减去使地球从还原环境变成氧化环境所消耗的氧气量和溶于水的氧气量。

由于在整个第四纪冰期内，海洋、陆地，到处都有生物存在，都富集生物型有机碳（包括植物、动物和分解者等），都在进行矿物有机碳的沉积。

从38亿年前至第四纪，长达38亿年的地史时期，生物以尸体或排泄物或碎屑的形式，在地壳里贮藏了大量的矿物型有机碳，其中以煤、石油和天然气的贮藏最为明显；以油母质的贮藏量最大。

所以，到侏罗纪以后，地球上总有机物的量已相当大，大气中总氧气的量也应相当大，已达到或超过现今大气中的氧气的浓度。  

当植物大量繁盛时，制造大量的氧气。一旦大气氧气含量超过现今大气的氧气含量，这种大气就成为富氧大气。在富氧大气里，物质的着火点降低，氧化速度快。很多不易着火的物质，都变成极易燃烧的物质。举一个很平常的化学实验的例子，铁本来是极不易燃烧的物质，但当烧红的铁丝位于纯氧中时，能剧烈燃烧，并发强光。

侏罗纪之后，随着煤等矿物有机碳的不断形成和裸子植物的繁盛，大气中的氧气不断增加，当大气中的氧气达到或超过现今的氧含量时，极易由天然气甚至枯叶等物质由于各种原因而引起森林大火。

由于森林大火而使二氧化碳浓度增加，降低氧气的含量，以调节大气中氧气含量的平衡。

经过自然选择和生存竞争，那些相对不耐火的裸子植物，慢慢淘汰掉了；而相对较耐火的裸子植物得以继续生存下来（Berner, 1997）。经过多次这样的反复作用，裸子植物的耐火性增强了，可以耐受较高的氧浓度而不至于引起火灾，致使植物面积进一步扩张。

在早白垩纪晚期，由于被子植物的出现，植物对环境的适应能力进一步加强，地表植被在不断增加。

同时，地层中至第三纪，都在不断形成煤、石油和天然气等矿物型有机碳。经过森林火和植物之间反复斗争，大体上是二氧化碳浓度越来越低，温室效应越来越弱；至第四纪，终于形成了第四纪冰期里最大的一次冰川。

形成第四纪冰期最大冰川时，肯定是二氧化碳浓度最低。因为大量的二气化碳转化成了氧气，所以，二氧化碳浓度最低时，也是氧气浓度最高时。

同时，由于冰川的作用，使地球的四季更加分明，在很多地方，出现了干湿季或春夏秋冬四季。这样，在干旱少雨的季节，就更易发生森林大火。从而又使二氧化碳的浓度升上去，使氧气的浓度降下来。直到目前为止，地球植被、森林大火及地球去气之间，都一直被这种平衡控制着。

到此，我们介绍完了第四章 生物对冰川的作用及太阳系的生命的第一节 生物演化对冰川的作用。下面我们本应该介绍第二节 太阳系地外星体存在生命可能性的评估。

但是，因为时间关系，本地球科学的连续博客，到此暂停，有关地球的形状、矿床的形成、火山和地震的形成原理、厄尔尼诺和拉尼娜的形成、地磁现象的形成原理、冰川对生物演化的影响，及地球外和太阳系的其它地外星体是否有生命等章节，看今后有机会再说吧。

有的博友说本系列博文参考文献太多，内容太深，建议写得娱乐些，因为，这里毕竟是博客。我看说得也对，有时间，还是写写娱乐地球吧。其实，若有时间，真的想写写“地球演义”，呵呵~~~

谢谢大家的光临！

参考文献：

曹宗巽，吴相钰. 植物生理学，北京：高等教育出版社.1979. 31-125

宋春青，张振春. 地质学基础. 北京：高等教育出版社, 1996, 272-348

Berner R A. Paleozoic atmospheric CO2: Importance of solar radiation and plant evolution. Science, 1993, 261: 68-70

Berner R A. The rise of plants and their effect on weathering and atmospheric CO2. Science, 1997, 276: 544-546

Graham J B, Dudley R, Aguilar N M, et al. Implications of the late Palaeozoic oxygen pulse for physiology and evolution. Nature, 1995, 375: 117-120

Holland H D. Origins of breathable air. Nature, 1990, 347: 17


（注：本“地球科学原理”系列，是根据廖永岩著，海洋出版社（2007年5月）出版的《地球科学原理》一书改编而来，转载者请署明出处，请不要用于商业用途）

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