地球科学原理之三十七新元古宙以前冰川期的形成

cqg1985 · 发表于 2011-5-31 15:51

新元古宙（9-8亿年前）前有几个冰川期？由于相关地质资料的缺乏，这仍是一个有待进一步研究的问题。目前知道的只有它们大约是29-27亿年前和24-23亿年前的冰川（韩吟文和马振东，2003）。

通过前面的冰川的地质作用分析可知，冰川活动能引起地质构造运动（如造山运动和造海运动），就有火山喷发和地震（MeGuire, 1992; Zielinski, et. al., 1996）。根据地质史上构造运动、火山喷发和地震资料看，整个太古宙地壳运动、岩浆活动具有明显的阶段性：距今35亿年前西北利亚地盾的萨姆运动（Saamian），30亿年前非洲中南部的达荷美运动(Dahomeyan，中国称为迁西运动)，24-26亿年前北美地盾的基诺尔运动(Kenoran，为太古宙最强烈、影响范围最大，中国称为阜平运动)。

元古宙的地壳运动有20-19亿年前的哈德逊（Hudsonian）运动（欧洲称卡累利运动，中国称吕梁运动）。中元古宙末的昆阳运动（何锡麟，1997）。

虽然资料还很不完善，但可以初步估计，新元古宙前的太古宙和中、早元古宙，可能有5个冰川期：大约是35亿年前、29-27亿年前、24-23亿年前、19-17亿年前、14-12亿年前的冰川期。

最先出现在地球上的生物可能是异养细菌，这些原核生物主要以分解原始海洋里的有机物而生存。它们将高分子的碳水化合物、脂肪和蛋白质分解为低级脂肪酸等物质（陈明耀，1995）。然后是光合细菌类生物，它们利用光能，以有机物、硫化氢和硫代硫代酸钠为还原CO2的供氢体，合成有机物（陈明耀，1995）。自从生物在地球上开始出现，至大约35亿年前，由于以上的生物非放氧光合成作用，使大气中的CO2浓度降低。以上生物的光合成作用，和风化作用一道，引起pH值上升（Berner, et. al., 1983; Hoffman, et. al., 1998）。当pH>pHCO2时 (pHCO2为水体中所有的HCO3-被H+中和时的pH值)，就会造成大量CO2溶于海洋，这将导致大气CO2浓度急剧下降，使温室效应降低，引起冰川的形成。虽然这次形成的冰川规模可能很小，但由于地壳刚形成不久，地球的流体性相当强，较小的冰川形成和消融，也会导致强烈的地质活动，引发火山喷发和地震（MeGuire, 1992; Zielinski, et. al., 1996）。

35亿年前的生物，主要以有机物、硫化氢和硫代硫代酸钠为还原CO2的供氢体，合成有机物而生存。一旦这类供氢体消耗殆尽，这类生物将急剧减少。同时，降温作用，也是造成这类生物减少的一个原因。

所以，当这类生物消耗CO2的能力小于地球的去气作用产生CO2的能力时，降温作用将停止，温度将上升，导致这次冰川期的结束。

由于光合成不放氧生物的死亡，为蓝藻类放氧光合作用生物提供了生态空间，使它们得以出现。

29-27亿年前和24-23亿年前的冰川，主要是由蓝藻类光合放氧生物（绿色植物）繁盛引起的。由于降温和冰川作用，使它们的生存空间减少，它们消耗CO2能力小于火山喷发和地震类地球去气作用而宣告这两次冰川的结束。

因为24-23亿年前的冰川形成时，O2的积累增加，生物生存的空间增大，单位体积水体的生物量增大，光合作用也增强。所以，这次冰川期的温度最低，是太古宙以来最大的一次冰川期。

有氧呼吸代谢的生命体，所需的最低限度的O2浓度大约为现代大气O2浓度的1%。20亿年前左右，经过蓝藻十几亿年的努力，将大气氧含量升到现在大气氧含量的1%。这个程度的氧含量，可以形成比较薄的臭氧层，可以屏蔽250nm的全部紫外线，只要水深至4.2 m，还能屏蔽320 nm的全部紫外线。换句话说，生物只要在4.2 m以下的水里，就能免受紫外线的伤害（Wayne, 2000）。

由于含氧量的增加，真核细胞得以演化出来。同时，由于这次较大冰期的作用，导致原核生物的衰弱，也为真核细胞的出现创造了生存空间。

19-17亿年前和14-12亿年前的冰川期，是由蓝藻和真核细胞共同作用造成的，也是由于冰川期温度下降而缩小它们的生存空间，减弱光合作用，使光合作用消耗CO2能力小于火山喷发和地震等去气作用而结束。

那地球上曾经最大规模的新元古宙及奥陶纪冰期又是怎么形成的？且听下回分解。

未完，待续。

下回预告：地球科学原理之38 新元古宙、奥陶纪冰期的形成

参考文献：

陈明耀. 生物饵料培养. 中国学业出版社. 北京：1995, 3-92

韩吟文，马振东. 地球化学.北京：地质出版社, 2003, 303-370

何锡麟. 地史学简明教程. 北京：煤炭工业出版社, 1997, 53-266

Berner R A， et al. The carbonate －silicate geochemical cycle and its effect on atmospheric CO2 over the past 100 million years. American Jour Science, 1983, 283: 641-683

Hoffman P F. The break-up of Rocinia, birth of Gondwana, true polar wander and the snowball Earth[J]. Journal of African Earth Science, 1998, 28: 17-33

MeGuire W J. Changing sea levels and erupting volcanoes: cause and effect？Geology Today, 1992, 7: 141-144

Wayne R P. Chemistry of Atmospheres(third edition). Oxford University Press. 2000.

Zielinski G A, Mayewski P A, Meeker L D, et al. A 110,000 yr record of explosive volcanism from the GISP2(Greenland) ice core. Quaternary Research, 1996, 45: 109-118

（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）