温斌
早期地球的环境演变是地球科学研究者们长期以来关注的热点话题。这不仅是人们探索地球母亲“前世今生”的兴趣使然，也是目前地球科学研究的前沿。其中，新元古代“雪球地球(Snowball Earth)”事件是最为人们津津乐道的（http://www.snowballearth.org/overview.html）。“雪球地球”是发生于距今约7.2~6.4亿年间的全球性冰期事件，包含“Sturtian”和“Marinoan”先后两期（Rooney et al., 2015; Hoffman et al., 2017）。与显生宙冰期不同的是，“雪球地球”冰期持续时间更长、影响范围更广，其冰川沉积记录几乎遍布于全球各大陆板块，地球表面在该时期或可能被冰雪完全覆盖，故此得名。
那么，地质学家是如何获知该时期的全球大陆完全被冰川覆盖并提出“雪球地球”模型的呢？因为任何科学模型都需要摆事实、讲证据，没有证据的支撑就不能称之为科学，只能是猜测。早在1987—1992年，加州理工学院Kirschvink (1992)就报道了在赤道附近发育的浅海相冰川沉积（冰碛砾岩）地层和其中以条带状铁建造（BIF）为代表铁富集异常。BIF的出现则说明，冰期时海水中富集的溶解态二价铁离子（Fe2+）与大气中的O2之间存在阻隔，冰后期时这个阻隔不存在，二价铁离子即被氧化为三价（Fe2+→Fe3+）形成BIF，而巨大的海洋冰层能充当这个理想的隔离层，“雪球地球”便假说应运而生。“雪球地球”假说被Hoffman et al. (1998)进一步推广和发展。他们发现，全球许多大陆该时期的冰碛岩顶部直接被指示温暖海洋环境的碳酸盐岩直接覆盖，就像帽子一样（称为“帽碳酸盐岩-Cap carbonate”），并具有与地幔热液接近的δ13C 极端负值（-2 ~ -6‰ PDB）特征。这些特征被解释为，冰期时海洋表面生物活动几乎停滞，冰后期火山活动喷发的大量温室气体（如CO2）促使冰川快速融化并沉积形成“帽碳酸盐岩”，同时也继承了海水中富集的幔源热液的同位素特征（Hoffman and Schrag, 2002）。显然，对于注重野外观察的地质学家来讲，发现和识别全球板块广泛保存这一时期的冰川沉积记录并不难，但要说明冰川曾经推进到比较温暖或炎热的赤道附近的海平面以保证全球覆盖则不仅需要沉积学的定性推断，还需要定量的证据。古地磁学在这方面的研究具有先天优势。本文就针对这个问题讲述一下“雪球地球”模型建立中的古地磁学的贡献。毫不夸张地说，古地磁研究为“雪球地球”模型框架的搭建提供了最有力的支撑。古地磁学，顾名思义就是通过岩石与沉积物对过去地磁场的研究和应用。其应用基础是：在地质时间尺度上，地球本身可视为一个在地心产生的，平行于地球自转轴的偶极子磁场，地理南北极与地磁场两极重合（即GAD地磁场；图1），地球表面任意一点的纬度l与该点的磁倾角I（磁矢量与水平面夹角）具有确定的三角函数关系，即：tan I=2 tanl。岩石中铁磁性矿物（如磁铁矿或赤铁矿）在岩石形成时会顺应当时地磁场排布（类似于“磁化石”作用），从而在固结成岩时将当时的地磁场方向记录下来。古地磁研究则需要将岩石中记录的磁矢量利用仪器测试并分析出来，经过计算获得岩石形成时的古纬度信息。有关古地磁学研究的工作要求与科学流程，感兴趣的读者可参考Robert F. Butler教授编写的《Paleomagnetism: Magnetic Domains to Geologic Terranes》（https://www.geo.arizona.edu/Paleomag/）或Lisa Tauxe教授主编的《Essentials of Paleomagnetism》（https://earthref.org/MagIC/books/Tauxe/Essentials/#x1-1030009）教材了解更多古地磁学基础知识，也可通过邮件（wenbin@cug.edu.cn）向本文作者索要这些教材的完整PDF文件。
图1 GAD（地心轴向偶极子）地磁场及不同位置磁矢量示意图
了解这些基础知识之后，我们可以继续介绍古地磁研究对于“雪球地球” 模型的支撑作用。通过古地磁学得到的古纬度数据表明，该时期冰川确实曾推进到赤道附近。例如澳大利亚南部该时期Sturtian雪球地球事件相关地层（Elatina/Nuccaleena组）被一系列古地磁数据重复验证其形成于赤道附近的海平面（e.g., Schmidt et al., 1991, 2009; Schmidt and Williams, 1995, 2013; Sohl et al., 1999; Raub, 2008）。古地磁学家还对全球主要板块冰碛岩相关地层的古地磁数据进行了完整统计，发现大多数冰川沉积的古纬度落于在中-低纬度区间，包括赤道附近，明显区别于显生宙冰期的纬度分布区间（图2）。根据地球不同纬度与接受太阳照射能量差异的关系，人们很容易从低纬度冰川得到全球大冰期，即“雪球地球”的结论。一般情况下，当冰盖从两极推进到亚热带（约30°）时，地球表面因为冰面大量反射太阳光就会使冰川迅速覆盖全球（Hoffman, 2009，2017）。
图2 全球不同时期冰川沉积（冰碛岩）古纬度统计及对比图（图片来自Evans, 2003）
但是，仅简单从低纬度冰川就推导出全球性冰期还存在一定漏洞。因为这其中存在一个假设，即当时地球在太阳系中公转空间状态与现在一样。如果该假设不成立呢？例如与现在的天王星一样“躺着打滚”，即自转轴或赤道面大幅度倾斜的情况（图3）。这样的运动状态是可以让低纬度存在冰川，且研究表明只要地球的自转轴倾斜角度超过54°（目前约为23°）就可让赤道地区结冰，这便是与“雪球地球”模型竞争的“高倾斜（high obliquity）假说”（Williams et al., 1998）。为了解决这一争论，耶鲁大学的David A.D. Evans教授对整个元古代时期代表亚热带或干旱地区大型盆地蒸发岩的古地磁数据进行了统计，结果发现整个元古代时期全球蒸发岩仍然具有沿亚热带环形分布的特征，且南北半球相对赤道对称发育（Evans, 2006）。显然，高倾斜假说不符合这一沉积特点，“雪球地球”模型进一步胜出。因此，古地磁研究对“雪球地球”模型有非常重要的支持和支撑作用。当然， “雪球地球”模型的证据还包括其他方面，可参见其它论文总结（如郑永飞，2004）。关于“雪球地球”课题的研究还在继续，目前围绕这一主题已经发表了数以百计的科学论文（http://www.snowballearth.org/bibliography.html）。如果读者感兴趣这一话题，还可进一步关注美国哈佛大学Paul F. Hoffman教授和耶鲁大学David A.D. Evans教授研究团队，以及国内北京大学沈冰教授团队、中科院南古所周传明教授团队的相关最新研究成果。
图3 地球自转轴高倾斜示意图（图片来自http://www.snowballearth.org/week2.html）
本文者系中国地质大学（武汉）地球科学学院教授。本文属作者认知，相关问题交流可通过邮箱wenbin@cug.edu.cn与作者联系。更多详情，请参考文章全文和参考文献。
参考文献
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