二

地史時期的古氣溫變化

1.早埃迪卡拉紀(jì)(Ediacaran;600Ma）

前寒武紀(jì)潘諾大陸（Pannotia）的形成與氣候溫度的變化相關(guān)。前寒武紀(jì)末期泛大陸稱為大岡瓦納大陸（Greater Gondwanaland），潘諾大陸的核心就是岡瓦納大陸的古生代超大陸。岡瓦納大陸是剛果大陸夾在羅迪尼亞超大陸碰撞的北半部和南半部之間時拼貼而成的。這一系列被稱為泛非造山運(yùn)動的碰撞始于～7.5億年前，可能延伸到早寒武紀(jì)（530 Ma）。泛非造山運(yùn)動的鼎盛期可追溯到610-560Ma。廣袤的泛非山脈在高度上與喜馬拉雅山相媲美，面積是青藏高原的五倍。

潘諾大陸（Pannotia）的大部分地區(qū)幾乎占據(jù)整個干旱的南亞熱帶，這一地理特點(diǎn)對氣候變化影響較大。潘諾大陸廣闊的沙漠地帶具有高反照率，會將陽光反射回太空，會使得已經(jīng)寒冷的世界氣溫降得更低。此外，泛非山脈的快速侵蝕會導(dǎo)致大氣中的二氧化碳含量的降低，從而冷卻地球氣候。在成冰紀(jì)(Cryogenian)早期和中期（720-660 Ma），冰雪覆蓋了整個地球，形成了雪球地球。前寒武紀(jì)末期，大陸冰蓋將海洋中的大部分水封存起來，海平面因此下降。低海平面將大陸侵蝕至大陸架邊緣，并形成巨大的不整合面，這是全球侵蝕間斷，標(biāo)志著前寒武紀(jì)和古生代界線。

2.寒武紀(jì)-奧陶紀(jì)：特馬道克期（Tremadocian;480 Ma）和赫南特期（Hirnantian;445 Ma）

潘諾大陸前寒武紀(jì)末期開始分裂，與非洲、阿拉伯和岡瓦納東部部分地區(qū)（南極洲、印度和澳大利亞）碰撞的最后階段相同。潘諾大陸分裂形成新洋盆（如Iapetus 洋,Rheic 洋），隨著洋中脊的數(shù)量和長度急劇增加，海平面上升。海底擴(kuò)張使得大氣中的二氧化碳急劇增加，從而導(dǎo)致海平面上升，地球反照率降低，使得地球變暖，并迎來了古生代最熱的時期之一——寒武紀(jì)-奧陶紀(jì)溫室。

氧同位素測量表明，早奧陶世和中奧陶世期間，全球溫度逐漸開始冷卻。古地理變化可能是這種冷卻趨勢的原因， 岡瓦納大陸北部面向海洋邊緣的降水量增加和低溫共同促進(jìn)了晚奧陶世岡瓦納冰蓋的生長。也有學(xué)者認(rèn)為塔科尼克嶺（Taconic Range）或后期因逆沖形成的蛇綠巖化學(xué)風(fēng)化加劇，導(dǎo)致大氣二氧化碳下降，從而促進(jìn)全球溫度降低。簡單無維管陸地植物的進(jìn)化可能增強(qiáng)了這種效應(yīng)。

顯生宙最壯觀的短期冷卻事件之一發(fā)生在奧陶紀(jì)末期(Hirnantian冰期;445–441 Ma)。生物地層學(xué)和地球化學(xué)數(shù)據(jù)表明，最大冰川前進(jìn)期非常短（glacial advance）（<100萬年）。這一變化不太可能是緩慢的古地理變化引起的，Scotese et al.(2021)提出另一種解釋，即在廣闊的泛大洋中引發(fā)大爆炸物撞擊（Khione撞擊）。

古生代古氣溫隨時間的變化

（Scotese,2021）

3.志留紀(jì)-泥盆紀(jì)古地理：早志留世（440 Ma）、晚志留世（420 Ma）和晚法門期（Latest Famennian；360 Ma）

早泥盆世-中泥盆世勞倫西亞東南部和南美洲西北部之間的碰撞形成了一條南北走向的山脈，這條山脈將兩側(cè)的腕足動物群隔離開來。盡管阿巴拉契亞區(qū)和萊茵-波西米亞區(qū)位于相同的古緯度(～30°S），阿卡迪亞-南阿巴拉契亞山脈阻止了它們的混合。這種古地理特征將岡瓦納大陸北緣的摩洛哥置于中泥盆世溫暖的亞熱帶緯度，與北非首次出現(xiàn)珊瑚礁相一致。

在中泥盆世，海平面很高，淺海淹沒了大陸。中泥盆世（Givetian）記錄了顯生宙最高的海平面之一(～300米)。在泥盆紀(jì)末期（法門期最晚階段），由于南極冰蓋的短期生長，海平面短暫下降。

4.石炭紀(jì)和二疊紀(jì)：密西西比紀(jì)中期（340 Ma）和石炭紀(jì)-二疊紀(jì)冰川最大期（295 Ma

除早石炭世的短暫暖期外，晚古生代的冰庫使極地地區(qū)從最近的泥盆紀(jì)開始變冷(～360 Ma）至晚二疊世(～260Ma）。巨大的南極冰蓋在岡瓦納大陸上起伏，直到早二疊世晚期(～285 Ma），北極地區(qū)僅在在二疊紀(jì)末期出現(xiàn)了較小的冰蓋(～270Ma）。石炭-二疊紀(jì)赤道沿線的密集造山運(yùn)動、盤古中央山脈兩側(cè)的廣闊赤道雨林、以煤炭形式埋藏的大量碳等古地理因素對地球冷卻起主導(dǎo)作用。

在石炭紀(jì)和二疊紀(jì)早期，隨著盤古大陸向北漂移，岡瓦納大陸從南極上空看為逆時針旋轉(zhuǎn)。早石炭世(～340 Ma），南岡瓦納冰蓋開始在玻利維亞的原始安第斯山脈和阿根廷西部生長，地理位置寒冷，受潮濕西風(fēng)影響。冰蓋在亞馬遜河流域中部擴(kuò)張，在晚石炭紀(jì)穿過非洲和印度，最終在二疊紀(jì)早期到達(dá)澳大利亞南部。在這期間，南岡瓦納冰蓋的大小增加了兩倍，使得地球冷卻。在許多方面，石炭-二疊紀(jì)時期的氣候與現(xiàn)今的冰川期相似。

石炭紀(jì)至二疊紀(jì)早期，泛大陸的亞洲部分繼續(xù)合并，整個超大陸向北移動，中部泛大陸山脈橫跨赤道，這種赤道對稱性產(chǎn)生了兩個重要的后果：機(jī)械和化學(xué)風(fēng)化沿著盤古中央山脈的熱帶雨林覆蓋了北美和歐洲克拉通區(qū)域。盤古中央山脈核心部位暴露的火成巖和變質(zhì)巖的風(fēng)化提供了降低大氣二氧化碳所需的化學(xué)成分（Ca++）。新進(jìn)化的雨林植物群茂密生長將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳埋藏在煤層中。這些因素導(dǎo)致大氣中二氧化碳濃度穩(wěn)步下降，從而使地球冷卻，并促進(jìn)了中石炭紀(jì)和晚石炭紀(jì)期間大型南極冰蓋的生長。

冰雪覆蓋范圍在石炭紀(jì)-二疊紀(jì)冰川最大期達(dá)到最大（～295Ma）。在晚石炭世和早二疊世（300-280 Ma），泛大陸繼續(xù)向北漂移。隨著盤古中央山脈穿過赤道，山脈開始阻擋潮濕的赤道東風(fēng)，在山脈北部和西部形成了干旱的雨影。這些古地理變化使得早二疊世晚期，風(fēng)化減緩，大氣二氧化碳濃度增加，全球溫度開始緩慢升高。

二疊紀(jì)末期，隨著泛大陸向北移動，西伯利亞東北部穿過極地圈，一個小型的永久性大陸冰蓋開始形成。

5.二疊紀(jì)-三疊紀(jì)（250 Ma）

中生代初期，地球處于極端溫室世界，熱帶溫度超過40°C。人們普遍認(rèn)為，二疊紀(jì)末發(fā)生的大滅絕事件，是由西西伯利亞大型火成巖省大規(guī)模噴發(fā)引發(fā)的極端全球變暖引起。

中生代古氣溫隨時間的變化曲線

（Scotese,2021）

暖時間間隔為白色；冷卻時間間隔為黑色?；疑珜?shí)線是全球平均溫度。大型永久冰蓋溫度低于18℃；沒有大于18°C的大型永久冰蓋。時間刻度來自2020/01版國際年代地層表

表1 古生代、中生代和新生代古氣溫

（Scotese,2021）

6.侏羅紀(jì)古地理：早侏羅世（200 Ma）和晚侏羅世（160 Ma）

早侏羅世-中侏羅世土地數(shù)量急劇增加，亞熱帶干旱帶的土地比例也有所增加。按照現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)，早侏羅世晚期和中侏羅世（180-155 Ma）低緯度地區(qū)氣候酷熱難耐。侏羅紀(jì)最熱的赤道海面平均溫度超過30℃，盤古大陸內(nèi)部的溫度通常超過40℃。赤道以北和以南的大片陸地在夏季受到強(qiáng)烈的加熱，熱帶輻合帶在夏季幾個月內(nèi)強(qiáng)烈地偏轉(zhuǎn)。

與此同時，中侏羅紀(jì)和晚侏羅紀(jì)（175-155 Ma）時期，極地地區(qū)被深海盆地占據(jù)。北極和南極都沒有大陸；因此，洋流在兩極自由流動，阻止了厚厚的大陸冰蓋的積累。來自低緯度的暖洋水的自由循環(huán)有助于高緯度地區(qū)在夏季保持無冰狀態(tài)，并有助于中侏羅紀(jì)和晚侏羅紀(jì)大部分時間的氣候變暖。

新生代古氣溫時間變化

（Scotese,2021）

7.白堊紀(jì)：早阿普第期（Aptian；120 Ma）和土侖期（Turonian；90 Ma）

白堊紀(jì)最突出的古地理特征是海平面高度，賽諾曼-土侖期高水位期間的海平面（93 Ma，～200m）和早阿普第期高位（120Ma，～100m）高于中生代和新生代期間的任何其他時間，大約33%的大陸被淺海覆蓋。

大陸洪水降低了地球的反照率，并導(dǎo)致全球變暖。更重要的是，在高海平面時期，裸露基巖的面積減少，火成巖和變質(zhì)巖的化學(xué)風(fēng)化減少，輸送到海洋的Ca++量減少。因此，這一時期二氧化碳的減少變緩，溫室氣體的增加使地球變暖。

8.新生代：早始新世（伊普雷斯階,Ypresian ;50 Ma）和早漸新世（呂珀爾階，Rupelian ;30 Ma）

新生代最重要的古氣候事件之一是南北極冰蓋的形成。南極冰蓋在始新世晚期開始生長(～40Ma）。北極地區(qū)直到上新世才出現(xiàn)永久冰蓋(～5Ma）。

始新世-漸新世界限的全球溫度迅速下降4°C，隨著南極冰蓋的增長，南極洲與世界海洋的完全分隔，新生代冰期開始。全球降溫的種子早在數(shù)百萬年前就播下了，古新世-始新世溫室的鼎盛時期。如圖3所示，新生代冷卻趨勢始于始新世早期熱最大值（EETM）（52–50 Ma）之后，在始新世中期和晚期持續(xù)。普遍認(rèn)為印度與中南亞的碰撞發(fā)生在EETM的高度(～50Ma)，引發(fā)了一系列事件，導(dǎo)致全球冷卻。這次大規(guī)模碰撞導(dǎo)致喜馬拉雅山脈迅速抬升，隨后青藏高原上升。這些年輕的山脈位于亞洲季風(fēng)的路徑上，帶來了溫暖的溫度和豐富的水分，加速了機(jī)械和化學(xué)風(fēng)化。與此同時，進(jìn)入世界海洋的鈣離子通量降低了大氣中的二氧化碳含量。大氣中二氧化碳的逐漸減少，地球冷卻下來。

在新第三紀(jì)晚期（4-5 Ma），巴拿馬火山群島上升到海平面以上，形成了巴拿馬陸橋。這座陸橋連接了北美洲和南美洲，這座陸橋起到了完全封鎖的作用，將赤道大西洋和太平洋隔開。溫暖的赤道大西洋水域向北轉(zhuǎn)向（墨西哥灣流），墨西哥灣流溫暖水域溫暖了北極地區(qū)，并為冬季降雪提供了新的水分來源。降雪量的增加導(dǎo)致了冰川的增長，北極冰蓋變得越來越大。

在東半球，澳大利亞在中新世早期向北運(yùn)動，新幾內(nèi)亞在中新世中晚期與東南亞碰撞(～10-15 Ma）阻塞了西太平洋和印度洋之間的赤道環(huán)流。因此，海水沿赤道循環(huán)的距離縮短，導(dǎo)致熱帶地表水冷卻。

三

小結(jié)

不同時間尺度上，全球氣溫呈現(xiàn)出幅度不同的周期性波動。目前我們?nèi)蕴幱诘谒募o(jì)大冰期，現(xiàn)在地球上的冰蓋面積約有 1500萬km2，估計為大冰河期的最大冰川覆蓋面積的一半左右。根據(jù)過去的兩次大冰河期持續(xù)的時間來看，第四紀(jì)大冰河期也還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束。真正意義上的氣候變暖，要在遙遠(yuǎn)的下一個大間冰期里才會出現(xiàn)。

盡管隨著工業(yè)、醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展，化石能源的廣泛運(yùn)用，人類燃燒化石能源產(chǎn)生的氣體總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過火山爆發(fā)等產(chǎn)生的氣體總量，地球上的二氧化碳濃度不斷增加，大氣增厚，保溫能力不斷增強(qiáng)，近半個世紀(jì)以來，地球上的平均溫度不斷上升，導(dǎo)致積雪溶化。但當(dāng)今地球上的一切生物，包括我們?nèi)祟?，都還是生存在占優(yōu)勢的大冰河期氣候環(huán)境里，處于幾個短暖期內(nèi)，在接下來的幾千年，冰川很可能繼續(xù)增長，氣溫將繼續(xù)下降。

主要參考文獻(xiàn)

Christopher R. Scotese, An Atlas of Phanerozoic Paleogeographic Maps: The Seas Come In and the Seas Go Out. Annual Review of Earth and Planetary Sciences,2021,49:679.

海洋科普（1863）| 南大洋食物網(wǎng)

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海洋科普（1861）| “鎮(zhèn)海之寶”海洋多金屬結(jié)核礦產(chǎn)資源開發(fā)與利用！

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作者：周芯宇、李江海

轉(zhuǎn)載編輯：何文韜

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