入伏了！是时候聊聊3亿年前的那次“大冰期”了 地球为何越来越热

出品：科普中国

制作：中国科学院南京地质古生物研究所　盛捷　陈孝政

监制：中国科学院计算机网络信息中心

小暑大暑，上蒸下煮。

无论是北方地区的铁板烧烤，还是南方地区的(黄)梅后焖蒸，举国上下，离不开一个字“热”!

当挥汗如雨的你得知，我们生活的这个时代，并不是地球最热的时候，你会不会觉得很意外?

这还不是最坏的消息!自工业革命之后，大气中二氧化碳浓度迅速上升，导致了近百年来全球显著的变暖现象，逐步打破了地球系统原有的自平衡状态。

现代大气二氧化碳浓度变化(横坐标是年度，纵坐标是浓度ppm)

这也意味着，未来我们或要面临更为酷热的夏天!

别紧张，因为……

这些，对于有着46亿年“球龄”的地球来说，冷暖交替是再正常不过的事了!

事实上，从地球历史大尺度的角度看，我们现在仍处在相对较冷的时期。

TIP：　冰期，地球表面覆盖有大规模冰川的地质时期。又称为冰川时期。地球表面没有大陆冰川的时期则为“温室”气候。而在冰川时期，冰川的进退则会形成冰期和间冰期的交替出现。我们的地球现在正处于第四纪大冰期中的一次小的间冰期。

地质历史时期冰川发育事件及冰盖波及范围(Hoffman 2009)，图中横坐标为地质年代(百万年)，纵坐标为冰川到达的古纬度。

近十亿年来，地球都是以温室气候为主，冰期只占据不到四分之一的时间。

其中，冰期持续时间最长的是，距今约三亿多年前的晚古生代大冰期，那次冰期持续了近七千万年，也是显生宙最大的一次冰期事件。

晚古生代大冰期

时间回到约3.5亿年前的石炭纪早期，那时的地球各圈层(包括岩石圈、大气圈、生物圈等)都发生了翻天覆地的变化。

全球的岩石圈发生着剧烈的构造运动，大陆碰撞，形成泛大陆(全球主要陆块连成一片)、陆地上的维管束(木质)植物开始繁盛，最古老的热带雨林正在逐步形成规模等，陆地植被达到了空前的水平。

当然，最为奇特的是，那时的昆虫都非常巨大，蜻蜓展翅长达70多厘米，除此之外，还有长达两三米的巨型千足虫、巨型海蝎子等节肢动物也在这里生活着。

晚石炭纪热带雨林与巨型蜻蜓。

到了距今3.4亿年前，地球进入晚古生代大冰期。全球年平均气温骤降，位于南半球的泛大陆，被冰川广泛覆盖。

在整个大冰期期间，地球大气中的二氧化碳浓度很低，最低时仅为100ppm左右，约为现在大气二氧化碳浓度的四分之一。

晚古生代大冰期事件记录了陆地自有植被以来，第一次从大规模“冰室气候”向“温室气候”的转变。因此对该时期古气候和古海洋的系统研究，无疑对于认识当今地球系统从“冰室气候”向“温室气候”转变的趋势，具有重要的“深时”地质借鉴和启示意义。

为深入了解这个过程，中国科学院南京地质古生物研究所的研究团队，近年来围绕晚古生代大冰期期间的古气候和古环境，开展了一系列的研究。

二氧化碳与全球气候

作为最著名的“温室气体”，大气中二氧化碳浓度的变化，无疑直接影响了全球气候的变化。一旦抓住二氧化碳变化的规律，某种意义上，也就意味着抓住了“冰室气候”和“温室气候”变化的规律。

大气中二氧化碳浓度降低，说明二氧化碳被储存起来了。有两种地质作用能够将空气中的二氧化碳存储起来，一是大陆风化;二是有机碳(煤)的埋藏。

大陆风化使得硅酸盐和二氧化碳发生反应，形成碳酸盐。碳酸盐在海底逐渐沉积，这样便将大气中的二氧化碳储存了起来。

植物的光合作用会固定空气中的二氧化碳，形成有机质。有机质的埋藏，也可以将一部分二氧化碳储存起来。有机质在陆地上埋藏的形式通常是煤;在海洋中的埋藏形式是通过低等微生物光合作用，将碳富集起来(通常是石油)。

在贵州纳庆的新发现

纳庆剖面，位于贵州黔南罗甸县纳庆村。

晚古生代大冰期期间，由于冰川扩张引起全球海平面下降，导致各大陆大都从海底暴露出来，并剥蚀掉之前的很多沉积记录，因此缺失了这段时间的沉积。

而位于华南贵州的纳庆剖面，当时正好处在一个海底斜坡的下部，未被暴露出来，很独特地拥有了这段时期完整的沉积记录。

纳庆剖面(黄色星号标记)的古地理位置

近日，中科院南古所陈吉涛研究员等通过对贵州纳庆剖面等地层的锶、碳同位素综合研究，在国际著名地学杂志《地质学》(Geology)上发表了关于晚古生代大冰期古气候变化的最新研究成果。

之所以选择锶、碳同位素作为研究对象，其原因在于：锶同位素可以反映大陆风化速率，而碳同位素则可以作为有机碳埋藏的指标。两者结合，便可以推出二氧化碳降低究竟是因为大陆风化加强，还是因为有机碳埋藏。

石炭纪-早二叠世全球事件、锶、碳同位素及古大气CO2对比图

陈吉涛等的研究显示，晚古生代大冰期是由大陆风化和有机碳在陆地上的埋藏(形成煤炭)导致，而大冰期的最高峰则因为有机碳埋藏由大陆转向海洋。

此次发现的科学意义

1、通过研究，佐证了晚古生代大冰期的起始与加强是由大陆风化和有机碳在陆地上的埋藏(形成大量煤炭)导致的。

石炭纪广泛分布的湿地森林。该时期形成了大量的煤炭--这也是“石炭纪”这一名称的来源。

经过对纳庆剖面高分辨率、高精度的牙形刺锶同位素研究发现，该锶同位素曲线间接地反应了当时大陆风化的变化速率，这与当时的泛大陆造山运动、热带雨林的繁盛情况、以及泛大陆赤道附近的古气候状况都具有密切的联系。

2、首次对大冰期最高峰产生的原因提出假设：在当时大陆风化整体下降，且热带雨林植被更替(气候干旱，煤炭埋藏减少)的背景下，二氧化碳浓度降低的原因是有机碳储藏由大陆转向海洋。

石炭纪晚期气候转为干旱，热带雨林减少，煤炭埋藏也随之减少

前面提到二氧化碳浓度降低有两个原因，一是大陆风化加强，二是有机碳的埋藏。

大冰期最高峰时，二氧化碳浓度最低。但是，那时的锶同位素呈下降趋势，这说明当时大陆风化整体减缓。这也与前期研究得出的当时环境--热带雨林由湿地到干地转化，不利于大陆风化一说相匹配。

所以，只能是因为有机碳的埋藏导致当时的二氧化碳降到最低。

那么，问题又来了!是陆地上的有机碳埋藏(煤的形成)导致二氧化碳降低?还是海洋中的有机碳埋藏导致的呢?

在冰期最高峰时，从全球范围来看，除了华南华北等少数地区，其他地区如欧美大陆，几乎没有煤系的形成。因此，因煤系形成(即陆地上的有机碳埋藏)导致二氧化碳降低一说，也是不成立的。

最终，陈吉涛及其合作者提出假说：大冰期的最高峰是在大陆风化整体减缓及热带雨林植被更替的背景下，有机碳埋藏由大陆转向海洋导致的。

现代阿拉伯海由浮游生物形成的水华

这样的猜测，也符合当时一些地质作用的背景。例如，当时干旱作用很严重，铁等营养元素容易被带入海洋，从而海洋生物得以繁盛，最终导致海洋有机碳的埋藏增高。

3、对锶同位素的研究，重新厘定并填补了石炭纪-早二叠世的海水锶同位素变化趋势，为该时期全球地层对比提供了较为精确的锶同位素地层依据，这也是我国申请石炭系相关层位“金钉子”的重要依据之一。

石炭系地层还有多个“金钉子”尚未确立

同时，该研究为晚古生代大冰期全球古气候变化与古海洋循环提供了有力的生物地球化学证据，是我国对晚古生代大冰期进行多学科交叉研究的综合性成果，也是国际上探讨当时环境演变过程和控制因素的标志性成果之一。

相关研究由中科院南古所与美国加州大学戴维斯分校合作完成，得到了中国科学院、国家自然科学基金委和美国国家科学基金会的联合支持。