雪球事件与地球系统演化MB(共62张PPT)

雪球地球与

地球系统演化

——古全球变化的启迪中国地质大学地球科学与资源学院刘本培第1页，共62页。新元古代赤道冰川的证据

雪球地球假说的提出和发展

气-水-岩圈层耦合关系及动力机制

生物大爆发的地球系统背景第2页，共62页。从雪球地球到生物大爆发雪球地球地球系统史的华丽乐章635580525716第3页，共62页。Pt3四次冰期噶斯奇厄斯

Gaskiers(580Ma)冰期=新疆库鲁克塔格地区汉格尔乔克冰期、华北南缘罗圈冰期*马林诺

Marinoan(660-635Ma)冰期

=华南地区南沱冰期——普遍上覆盖帽碳酸盐岩(capcarbonates）：pinkishcolor,teepeestructure,sheetcracks,bariteprecipita-tes,decliningδ13Cprofile).*司图特

Sturtian(716-680Ma)冰期

=新疆库鲁克塔格地区贝义西冰期、华南地区“长安冰期？”(755Ma)凯噶斯

Kaigas(750Ma)冰期-----------------------------------------------------------------------*世界性分布,所以716-635Ma代表主雪球地球时代。第4页，共62页。赤道冰川与盖帽碳酸岩盐①古地磁研究其位置在纬度10°附近。②冰川沉积上直接覆盖了灰白色碳酸盐岩（温暖气候），反映古气候突变。加拿大育空地区Sturtian冰期褐红色冰川沉积(凝灰岩夹层锆石U-Pb年龄7.16亿年

)（Macdonaldetal.,2010）

令人困惑之迷

第5页，共62页。冰川沉积固体冰搬运介质区分:陆上冰碛、冰湖纹泥和海底冰筏落石第6页，共62页。宜昌三峡剖面潮坪白云岩与石膏互层,石膏易脱水收缩/硬石膏易水化膨胀,挤压地层呈帐蓬状第7页，共62页。新元古代冰川沉积分布距今716～635Ma主冰期期间,全球各大陆都发现有冰川沉积。当时它们的古纬度位置在那里？第8页，共62页。第9页，共62页。锆石U-Pb定年铀的两个放射性同位素238U和235U之间的比值为一常数，它们分别衰变成两个铅的同位素：206Pb和207Pb。U-Pb衰变系列在地质定年中具有不可比拟的独特优势，锆石矿物由于最能经受构造热事件而保持其初始U-Pb同位素体系，使得锆石U-Pb定年成为最重要和应用最广的方法。岩石中的锆石矿物可以存在复杂的形成过程，留下明确的结构特征。所以可以在一粒锆石晶体中获得两次或更多地质事件的时间记录，成为任何其他方法无法替代的最有效的定年技术。第10页，共62页。ZirconsareForever/锆石长存

2003.1中国SHRIMP成果报告会(2002)地球科学是历史科学，地质学家需要用时间标尺把地球演化中的诸多事件顺序地链接起来，而每一个时间刻度则需要绝对年龄加以标定与检验。几乎没有哪个地学课题可以离开地质年代学而独立完成。SHRIMP诞生于澳大利亚，迄今全球仅有5个国家拥有。第11页，共62页。锆石成因

与微区定年区分核/增生结构第12页，共62页。磁偏角(D)：与子午线有夹角磁倾角(I)：与纬度相匹配地球的磁场第13页，共62页。磁极漂移20世纪内（1903～1969）地磁极在地理极附近的往复漂移。总体上两者基本一致。第14页，共62页。地磁场的双轴发电机模型当两个圆盘在弱的外部磁场中旋转时，与轴和外缘相交的两根导线的回路中产生方向相反的两种电流。这两种电流形成磁场而极性相反。圆盘旋转频率的差异造成具有一种极性的场占优势；当频率比值改变时，便出现磁场反转。可以确定地球磁场与固体圈层(地壳、上地幔）运动无关。

因此只能是液态外核的对流导致下地幔底部“D”层的不稳定性和不均一性造成的。第15页，共62页。居里点热剩磁重磁化

熔融岩浆温度高，所含的磁性矿物高度活跃，并不能按当地磁场方向稳定排列。仅在温度下降到居里点后，才能沿当地的磁场方向被固定磁化（热剩磁）。岩石如果经过后期高温地质作用破坏，原来的热剩磁将被再次重磁化。第16页，共62页。古地磁与大陆漂移磁场的存在会导致岩石发生磁化，而磁场的变化会在磁化的岩石中留下记录。由于具有不同的剩磁特征，岩石成为研究古磁场的特殊“化石”。从对岩石的磁性、特别是对它们剩磁方向的研究，可以弄清楚岩石磁化时在地球上的古纬度、磁偏角位置。

20世纪50年代末的古地磁研究，在大陆漂移学说复兴和板块构造的建立过程中起了十分关键的佐证作用。

在地磁极与地球自转极性基本一致的前提下，某地的磁倾角I可以由该点的纬度角来确定。两者之间的关系为：（3—5）

第17页，共62页。

I-北美大陆

II-欧洲大陆5亿年以来的视极移轨迹两条曲线的距离=大西洋宽度Cm-寒武纪、D-泥盆纪、C-石炭纪、

P-二叠纪、T-三叠纪、EN-新生代恢复2亿年前的古大陆位置，两条曲线完全重叠。第18页，共62页。古地磁证据古地磁学者KirschvinkJ.L.1987年指导研究生获得澳大利亚6-8亿年前冰川沉积位于赤道带的信息,进一步工作后首次提出“雪球地球”假说(1992)。湖北宜昌陡山沱组古地磁研究获得类似结果（孙知春等，2004），证明当时华南地块与澳大利亚地块相近。第19页，共62页。①古地磁研究其位置在纬度10°附近。820Ma超级地幔柱活动引发巨大火山事件和超大陆裂解*世界性分布,所以716-635Ma代表主雪球地球时代。伊（埃）迪卡拉系/震旦系Ar3-Pt海相变质火山岩系中的纹带状硅质含铁建造（鞍山式铁矿），区别于浅海环境鲕状赤铁矿（宣龙式铁矿），代表地球历史特殊阶段（海水完成还原-氧化的过度）产物。德国古生态学家塞拉赫（1984）：这些裸露动物群不存在摂食和消化器官，是一种营自养生活的生物门类，根本不同于显生宙出现的动物类型，代表亿年前演化途径不成功的特殊类型。当冰雪融化，海-气交流机制恢复,海水中的含氧量再次提高，导致大规模Fe3O4沉淀于洋底（Lubick，2002）。Medusinites距今716～635Ma主冰期期间,全球各大陆都发现有冰川沉积。Rodinia的形成与裂解ANeopro-terozoicSnowballEarth.Pt1(22亿年前）地球大气含氧量可能达到现代大气的1%，与真核生物出现有关，当时全球BIF广布也是很好的证据。雪球地球事件结束时，火山释气使CO2在空气中含量是当今水平的350倍（由于冰融化）这一骤变使雪球地球迅速变为温暖大洋表层碳酸盐岩沉积，产生了全球的盖帽碳酸盐岩。2Ga以后再现于冰川沉积内；区分:陆上冰碛、冰湖纹泥和海底冰筏落石Rodinia超大陆第20页，共62页。新元古代赤道冰川的证据

雪球地球假说的提出和发展

气水岩圈层动力动机制及相互关系

生物大爆发的地球系统背景第21页，共62页。雪球地球哈佛大学的PaulHoffman和DanielSchrag(1998)发表南非Namibia地区盖帽碳酸盐岩δ13C漂移的研究成果，解释了新元古代存在的一些长期困扰地质工作者的地质事实：1）几乎在各个大陆上广布的新元古代晚期冰川沉积(LNGD)；2）冰川长期存在于赤道地区海平面附近；3）冰川事件的突然出现与消失；4）纹带状含铁硅质建造（BIF）在消失了1.2Ga以后再现于冰川沉积内；5）冰碛岩上截然出现世界性分布的盖帽碳酸盐岩；6）冰川事件前后出现δ13C的大幅偏移等问题。据此提出雪球地球的假说：即在580Ma前，随着Rodinia超大陆在晚元古代早期出现，至少存在一次整个地球完全被冰雪覆盖长达数亿年之久的事件。第22页，共62页。如果地球斜度>54°，低纬地区将受到比高纬区少的太阳辐射，意味着冰川将可能只存在于低纬地区而非覆盖全球（Williams等，1998）。需要解释为何惟独在晚元古代后期发生斜度突变事件？又为何发生多次快速反转?

地球斜度变化示意图高斜度假说第23页，共62页。Rodinia的形成与裂解Rodinia超级大陆形成于900Ma820Ma超级地幔柱活动引发巨大火山事件和超大陆裂解716-635Ma出现雪球地球第24页，共62页。雪球事件与地球系统演化起因:

分裂的Rodinia陆块分布在赤道附近，海岸线增长导致海洋微生物繁盛，光合作用使CO2转化为有机体埋藏地下，陆地强烈风化作用也降低大气CO2浓度，冰室效应引发冰川灾变；发展：一旦冰川越过30,冰-反照率（Ice-albedo）反馈启动，冰川向赤道地区推进，最终形成雪球地球；结束：Rodinia继续裂解和火山排放CO2，由于雪球抑制了海洋生物的光合作用和陆地风化作用，大气层聚积CO2浓度达到当今350倍(临界12万ppm,)时，发生极端温室气候（＞50°C)，导致雪球迅速融化；效应：海洋升温、充氧、生物光合作用和陆地风作用重新活跃，带入海洋的碱类导致海洋过饱和的CaCO3和Fe3+快速沉淀，形成13C极度亏损的盖帽碳酸盐岩和纹带状硅质含铁建造（BIF）；极端环境抑制因素的解除，促发了真核生物的快速演化并最终导致后生生物的大爆发。第25页，共62页。雪球地球反对意见Condon（2002）分析了Hoffman和Schrag指出大洋被冰层覆盖时形成的海底岩石，这些岩石包括被冰川冰搬运的落石层。只有冰层融化，碎片才能到达海底。这样大洋必然在一年中的某些时候不被冰层覆盖。A.爱尔兰SouthernHighland群下部B.

美国DeathValley冰川落石与纹层泥交互C.

Namibia北部冰川落石与纹层状碳酸盐岩互层D.

Namibia中部冰川落石与纹层状半远洋碳酸盐浊积岩互层第26页，共62页。模型的修正Hyde等（2000）利用能量平衡和总体循环气候模拟，在雪球地球期赤道区大洋可以不被冰层覆盖。按照他们的计算，巨大的大陆冰川将达到5km厚并漂流至低纬地区。然而，考虑到大气CO2将高于一个有争议的值（比现在大气含量高2倍），这些漂流将不会形成全球性大洋冰川。而是在一个狭窄的近赤道地区融化形成浮冰残留区。这一模式提供了比Hoffman雪球地球生物圈更为正常的演化进程。第27页，共62页。不同“雪球”模型硬壳雪球(HardSnowballEarth)

新元古代末期,地球至少两次完全被冰覆盖。当地表温度小于-12°C时，赤道带冰层厚达百米以上，完全阻挡了海洋生物光合作用。仅在大地热流高或火山岛屿周围可以存在古细菌类（类似黑暗生物群）和简单的真核生物。半溶雪球或无冰水体(SlushballorOpenWater)

太阳光度下降6%，大气中CO2浓度与现在相当时就可导致“雪球”产生。但地球并未完全被冰覆盖，25°纬度带冰层仅1-10米，赤道带存在无冰水体（0°C±），有利于光合真核生物生存演化。第28页，共62页。分子地球化学证据扬子区当时古纬度约37°N(ZhangQirui等,1997)扬子区鄂北、湘西等不同剖面的新元古代冰期沉积物中，检测出丰富的来自真核生物的淄类和主要来自原核生物的霍烷类等生物标志化合物。表明雪球时期生物，特别是真核生物并未停止生命活动。同时发现主要来于叶绿素-的姥鲛烷和植烷等类异戊二烯烃类（浓度较非冰期低1～2个数量级），证明光合作用确实减弱，但没有停止。（WangTieguan等，2003）第29页，共62页。新元古代赤道冰川的证据

雪球地球假说的提出和发展

气-水-岩圈层耦合机制探讨

生物大爆发的地球系统背景第30页，共62页。Namibia盖帽碳酸岩Otavi组是Namibia北部刚果克拉通南缘海角的一个碳酸岩台地（Hoffmanetal，1998）。在新远古代晚期，刚果克拉通是一个巴哈马型海平面台地。此克拉通东部古地磁的证据表明：Otavi组在740±30Ma时在大约12°S，在547±4Ma时约在39°S。Otavi组包括Sturtian期（约760－700Ma）两个不连续的冰层。这两个冰层均下伏高δ13C值的厚层碳酸岩层，并上覆负δ13C的盖帽碳酸岩层。

第31页，共62页。李美俊、王铁冠、王春江，新元古代“雪球”假说与生命演化的环境。SHRIMP诞生于澳大利亚，迄今全球仅有5个国家拥有。20世纪50年代末的古地磁研究，在大陆漂移学说复兴和湖北宜昌陡山沱组古地磁研究获得类似结果（孙知春等，2004），证明当时华南地块与澳大利亚地块相近。820Ma超级地幔柱活动引发巨大火山事件和超大陆裂解岩石中的锆石矿物可以存在复杂的形成过程，留下明确的结构特征。新元古代赤道冰川的证据

雪球地球假说的提出和发展

气-水-岩圈层耦合关系及动力机制

生物大爆发的地球系统背景岩石中的锆石矿物可以存在复杂的形成过程，留下明确的结构特征。*马林诺Marinoan(660-635Ma)冰期=华南地区南沱冰期——普遍上覆盖帽碳酸盐岩(capcarbonates）：pinkishcolor,teepeestructure,sheetcracks,bariteprecipita-tes,decliningδ13Cprofile).圆盘旋转频率的差异造成具有一种极性的场占优势；美国DeathValley冰川落石与纹层泥交互Ar3-Pt海相变质火山岩系中的纹带状硅质含铁建造（鞍山式铁矿），区别于浅海环境鲕状赤铁矿（宣龙式铁矿），代表地球历史特殊阶段（海水完成还原-氧化的过度）产物。硅质含铁建造(Bandediron–formation,BIF）形成机制：铁离子从洋壳的地热孔中排出进入海水，在海水中氧化形成Fe3O4而沉淀。宜昌峡东震旦系层型剖面陡山沱组底部盖帽碳酸盐岩(capcarbonate)具明显同位素值负偏移特征（635-543Ma）南沱组冰川沉积代表全球性Marinoan期(660-635Ma)南华系下部莲沱组代表间冰期(725Ma)第32页，共62页。盖帽碳酸盐岩成因机制雪球地球事件结束时，火山释气使CO2在空气中含量是当今水平的350倍（由于冰融化）这一骤变使雪球地球迅速变为温暖大洋表层碳酸盐岩沉积，产生了全球的盖帽碳酸盐岩。由于在雪球地球期大洋中微生物的光合作用更倾向于吸收12C而非13C，这种光合作用使水中的12C含量降低，使12C沉积物的沉积小于13C沉积物沉积。当冰层覆盖海洋，使海水中光减弱，光合作用停止，12C含量增加，导致盖帽碳酸岩中δ13C‰＝－5‰（Lubick，2002）。第33页，共62页。CH4突然释放Kennedy等（2001）：Pt3大量有机物被大陆冰川覆盖，这些有机物质分解产生的甲烷气体也被禁锢于冰层之中。当冰层融化，大洋海平面上升，同时释放出大量甲烷气体。碳酸盐岩中的管状空隙，可以作为甲烷气体进入形成时岩石的证据。由于有机物富12C，而甲烷由有机物产生，因此甲烷富12C，从而导致盖帽碳酸岩中的13C同位素负漂移。对当代全球变暖突变前景有参照意义第34页，共62页。雪球事件对BIF的解释硅质含铁建造

(Bandediron–formation,BIF）形成机制：铁离子从洋壳的地热孔中排出进入海水，在海水中氧化形成Fe3O4而沉淀。雪球地球阶段海水被冰层覆盖，切断海-气交流机制，海水中含氧量骤减，Fe离子的溶解度增大,无法形成Fe3O4。当冰雪融化，海-气交流机制恢复,海水中的含氧量再次提高，导致大规模Fe3O4沉淀于洋底（Lubick，2002）。Ar3-Pt海相变质火山岩系中的纹带状硅质含铁建造（鞍山式铁矿），区别于浅海环境鲕状赤铁矿（宣龙式铁矿），代表地球历史特殊阶段（海水完成还原-氧化的过度）产物。第35页，共62页。雪球地球为何有生命?需要发现地质-古生物证据予以证实第36页，共62页。新元古代赤道冰川的证据

雪球地球假说的提出和发展

气-水-岩圈层耦合机制探讨

生物大爆发历史过程及地球系统背景第37页，共62页。

伊迪卡拉（Edicaran）

)动物群

早期依照形体结构与现生生物门类的相似程度,归属为以下类型:

CyclomedusaTribranchidiumPraecambridiumRangeaMedusinitesPteridinium第38页，共62页。生物大爆发前演化失败者德国古生态学家塞拉赫（1984）：这些裸露动物群不存在摂食和消化器官，是一种营自养生活的生物门类，根本不同于显生宙出现的动物类型，代表亿年前演化途径不成功的特殊类型。新元古代末全部灭绝。不同意见：①大部分产在砂岩中呈被状结构（有利增加采光量），可能根本不是后生动物，而是真菌类群或地衣类生物。②其中有些类型也见于古生代。第39页，共62页。第40页，共62页。五亿四千万年前的

澄江生物群第41页，共62页。娜罗虫

具有鼓胀的肠道第42页，共62页。

神奇啰哩山虫

--具有成对眼睛和触角的叶足动物EyesEyes第43页，共62页。被突发性浊流掩埋的浅海动物群第44页，共62页。

寒武大爆发认识的突破

脊椎动物低等脊索动物非脊索动物华夏鳗西大动物长江海鞘云南虫昆明鱼海口鱼前寒武纪节肢动物叶足动物鳃曳动物触手冠动物棘皮动物寒武大爆发第45页，共62页。两种生物演化模式达尔文从“适者生存”这一价值观出发来理解演化，将生命演化描述为线性连贯性的过程——倒锥形进化树模式。寒武纪生物大爆发——在短短数百万年内，几乎包括脊锥动物在内的所有现生动物门一级的结构蓝图突发性出现(在以后5亿多年中不再有门一级分类系统的诞生)——蘑菇云式进化树模式。新的科学发现也引起“神创论”思潮的复活！陈均远1997年访美介绍寒武纪大爆发研究成果，神学院特地送蛋糕祝贺——“证实了上帝创造”。第46页，共62页。盖帽碳酸盐岩580Ma第47页，共62页。用醋酸浸泡出来的化石显示:胚胎从受精卵分裂成2、4、8、16、至2n个细胞的发育过程

国外仍有学者怀疑属藻类化石第48页，共62页。胎胚

至成虫一度称为“装饰大藻球”，新发现是动物胚胎，螺旋状小孔具取食、排泄功能。第49页，共62页。（董熙平，2009）解读寒武纪胚胎化石幼体未成年个体成年个体陕西宁强石冲沟早寒武世磷质灰岩(采样6800kg),获无数胚胎和几百枚幼年个体化石卵裂期星状结构口部具五辐射对称舌状结构坛状预孵化阶段口部隆起颈部凹陷第50页，共62页。海绵胚胎及骨针证明：含两侧对称动物在内的动物起源和多样性历史推前到寒武纪大爆发之前4000余万年。1998仅见胚胎化石1999发现微型群体珊瑚和成体水螅化石第51页，共62页。珊瑚虫状化石第52页，共62页。带鞘壁水螅虫现生水螅虫如此微小、脆弱的早期动物为何能保存？两岸合作研究中的台湾学者李家维指出化石保存的一个条件，需要80°C高温。顺着这一思路再次野外考察，很幸运的是确实发现了热泉（硅质）沉积。第53页，共62页。第54页，共62页。最早动物化石原称“天柱山球藻”，发现于陡山沱组底部，归属疑源类（具有机壁、亲缘关系不明的单细胞微体化石）。据此，将动物起源时间提前到632Ma以前，比瓮安动物群早5000万年，紧接雪球地球结束时间。启迪假设：当时所有或大多数具刺疑源类都可能是动物的休眠囊鲍，仅因环境不宜（特别是大气含氧量不足），它们