新元古代雪球地球研究进展

中国地质大学研究生课程论文课程名称地球科学进展教师姓名史晓颖研究生姓名赵旭峰研究生学号3001100107研究生专业矿产普查与勘探所在院系地球科学与资源学院类别博士日期2012年3 月 1 日新元古代冰期事件研究进展赵旭峰1,2（1.中国地质大学地球科学与资源学院，北京100083；2.湖北省地质调查院，武汉430034）摘要新元古代在全球范围内出现了几期冰期事件，其中Marinoan冰期和Sturtian冰期冰盖可能到达了赤道附近，称之为“雪球地球事件”，目前的解释主要有“雪球地球”、“甲烷泄漏”和“地轴倾斜”等假说。

本文介绍了目前与新元古代冰期相关研究的进展，包括冰期期次及其年代、盖帽碳酸盐岩的甲烷水合物和碳氧同位素特征、古地磁特征、条带状铁矿层(BIF铁矿)、化学蚀变指数(CIA)等方面，最后提出了未来研究的方向。

关键词雪球地球新元古代冰期甲烷泄漏盖帽碳酸盐岩1、前言发生在新元古代全球性的冰期事件受到了人们广泛的关注。

20世纪90年代，以Kirshvink[1]为代表的美国科学家根据澳大利亚新元古代Elatina冰积岩的古地磁研究，发现冰积岩形成于赤道—亚热带的纬度范围内，提出了新元古代存在至少2次（Sturtian和Marinoan期）全球性被冰雪覆盖寒冷的“雪球地球”假说。

每次冰期的持续时间可以达到几十万年至几百万年[2]。

目前有关冰期形成前后全球巨大环境冷暖变化的原因已经成为国内外研究的一个热点，研究的方向主要集中在以下几个方面：新元古代冰期期次划分及其年代界定；盖帽碳酸盐岩的甲烷水合物研究、碳氧同位素特征分析；冰期附近层积岩的古地磁测量；新元古代条带状铁矿层(BIF铁矿)的发现；冰碛岩的化学蚀变指数(CIA)分析等，这些研究目前都取得了不同程度的进展，为冰期事件的相关假说提供了有力支撑。

该时期冰期事件的研究不仅进一步推进了冰期前后的地层单元划分及其时限的界定工作，同时也较大程度的推动了对冰期盖层（如华南地区的陡山沱组等重要含矿地层）的古生物研究、地球化学研究及成岩成矿环境研究等。

因此，新元古代冰期事件的研究对沉积地层学、古生物学、矿床学及气候与环境学等方面都有重要意义。

2、假说的提出1992年, Kirschvink[1]首次提出新元古代曾经出现几次“雪球地球”事件,用此来解释低纬度地区曾经发生的全球性冰川作用。

他认为当时大陆板块基本上都聚集在中、低纬度地区,这种情况不寻常,在地球随后的历史上再也没有出现过，在这种条件下亚热带地区的反射率极大的提高，高、中纬度形成的冰川使海平面降低，使部分大陆架和内陆海露出海平面，陆地面积增加进一步提高了地球的反射率；同时，热带地区大陆面积的增加加速了硅酸岩的风化，大气中CO2浓度降低导致地表温度进一步下降，冰盖反射的结果最终使气候不稳定，使全球的海洋都冰冻。

地球能够从“雪球地球”返回是板块构造驱动的长期碳循环(洋中脊、岛弧火山释放的CO2)使大气温室气体含量不断增加，而极端的气候使生物初级产率和有机碳的埋藏几乎终止[1], [3-4]。

1998年，Hoffman等[5]根据南部非洲纳米比亚以及世界其他地区直接覆盖在新元古代冰川沉积之上帽碳酸盐岩的碳同位素研究指出，各地一致的碳同位素负异常意味着地表海洋的生物产率曾中断数百万年。

他们认为生物产率的中断能够用全球性冰川作用(即“雪球地球”)解释，只有当海底火山的去气造成大气中CO2高达现在的350倍时，地球上出现极端的温室环境，冰川才快速结束。

大气CO2转移至海洋，在温暖的地表海洋中生成碳酸钙沉淀，形成全球都出现的帽碳酸盐岩。

新元古代的冰川为什么会扩展到赤道附近？Hoffman[6]认为这与新元古代晚期聚集在赤道附近的Rodinia超大陆的裂解有关：超大陆的裂解使大陆边缘海面积迅速增加，大大增加了边缘海生物初级产率和有机碳埋藏量，造成大气中的“温室”气体CO2含量迅速减少，进而驱动了失控的冰反射灾变，形成了“雪球地球”[6],[7]。

“甲烷泄漏”假说最早由Kennedy等[8]提出，用于解释盖帽碳酸盐岩的成因。

他们认为盖帽碳酸盐岩的形成及其δ13C值呈负异常等现象与陆地永久冻土层中天然气水合物变得不稳定有关。

冰期之后气候变暖,原来广泛出露的大陆架和内部盆地被海水淹没,致使大面积的永久冻土层被海水淹没,造成天然气水合物不稳定,甲烷逸出、氧化,形成帽碳酸盐岩。

“甲烷渗漏”假说的提出也遭遇到怀疑。

Shapiro[9]指出如果是碳氢化合物成因的碳酸盐岩为什么没有在各地的帽碳酸盐岩中发现任何沥青质?他认为地球化学的证据可能更重要,碳氢化合物成因的碳酸盐岩特别亏损13C,其δ13C值可以从-20‰变化到-100‰。

一年之后, Jiang 等人[10]拿出了第一个新元古代冰期之后帽碳酸盐岩“甲烷渗漏”成因的稳定同位素证据。

他们在中国三峡地区震旦系陡山沱组底部的帽碳酸盐岩段检测到低达-41‰的碳同位素组成。

同位素特征结合岩相组构,包括草莓状黄铁矿、重晶石的出现都证实有“甲烷渗漏”。

“地轴倾斜”假说从天体物理学的角度解释了地球变冷的原因[11]。

整个地球寒冷还是温暖,取决于地球表面接受太阳辐射的强度,现代冰川作用局限在高纬度地区,那里接受太阳的辐射较弱。

如果地球赤道面和黄道面的夹角大于54°,而不是目前的23.5°,那么赤道附近的年平均温度就要低于极地温度,气候的分带特征将与现在相反,极地没有冰盖发育,冰川作用局限在中低纬度,这样可以解释低纬度、低海拔地层的冰成沉积层序[12],[13]。

地球只是在600Ma以后由于转速降低自转倾角急剧减小,自转倾角降低使得气候的季节变化有利于后生动物繁衍[11]。

问题是即使是在较大倾角下赤道附近仍会有季节变化,冰川也难以保存[14]。

此外,持续的大倾角也不能解释新元古代冰川的发生与消亡特征。

现在看来“地轴倾斜”假说缺乏有效的科学依据,面临诸多的困难。

3、研究进展1）新元古代冰期期次划分及其年代界定新元古代冰期发生的次数、年龄一直存在着很大的争议[2],[15-18]。

许多大陆的新元古界地层层序含有两层冰碛岩,它们被厚厚的非冰地层分开,表明至少有两期冰期[19]。

在我国新疆的库鲁克塔革地区的新元古界地层中还发现了三期冰期沉积的记录[20-21]。

Kaufman等[22]根据新元古代碳酸盐岩层序的碳同位素变化曲线提出了大陆冰川至少经历了4次活动。

但是,Kennedy等[17]指出全球各大陆普遍具有两套冰碛岩,且下层冰碛岩总是被暗色的泥质白云岩覆盖,而上层冰碛岩被沉积构造发育的、淡粉色白云岩所覆盖,说明新元古代只有两次全球性的冰期。

Knoll[21]倾向认为新元古代有两次主要的全球性冰期,即Sturtian和Marinoan 冰期。

不过也有证据表明,至少在Marinoan冰期之后还有一次局部的冰期事件,可能在非洲在Sturtian冰期事件之前还有一次或者数次的小冰期。

黄晶等人[23]通过对华南的古城、铁丝坳、长安组、江口组等定年数据分析,给出了华南新元古界地层及地层对比框架（表1）。

他认为目前已经基本清楚的是Gaskiers冰期发生在580-590 Ma,Marinoan冰期结束在大约635 Ma，Sturtian冰期发生在710-720 Ma,但上下限年龄范围很宽。

Marinoan和南沱冰期起始的年龄；Sturtian冰期的起始和结束年龄；以及我国华南古城、铁丝坳、长安组、江口组的年龄限制和它们之间的相互关系等还需要进一步研究。

2）盖帽碳酸盐岩的甲烷水合物研究及碳氧同位素特征分析盖帽碳酸盐岩(cap carbonates)是指沉积于新元古代冰碛岩之上,主要由微晶方解石和白云石等组成的相对均质的薄层状碳酸盐岩地层,直接覆盖在全球性冰川沉积物之上[24]。

盖帽碳酸盐岩在全球各地广泛分布，盖帽碳酸盐岩具有独特的岩石学和地球化学特征,对于其成因,主要有“分层海洋上升流”、“雪球地球”和“甲烷渗漏”等假说。

最近的研究表明可能由于天然气水合物的分解释放大量甲烷导致冰期的终结及盖帽碳酸盐岩的形成[8,10]。

Kennedy等[8]认为盖帽碳酸盐岩与永久冻土层中天然气水合物分解甲烷的渗流有关。

天然气水合物是由天然气(主要是甲烷)和水组成的一种类似冰状的固体物质,主要赋存于大陆边缘海底和极地永久冻土带,温度和压力的变化可导致天然气水合物的分解,释放出甲烷气,即形成甲烷渗漏。

渗漏甲烷通过(细菌)氧化作用转变为二氧化碳,海水硫酸盐还原为硫化氢,与孔隙水中的钙、镁、铁离子结合,形成方解石、文石、白云石、黄铁矿等组成的冷泉碳酸盐岩沉淀。

冷泉碳酸盐岩常发育一些特殊的组构,如溶蚀、平底晶洞、凝块等。

由于冷泉碳酸盐岩的碳来源于水合物中的碳同位素极负的生物成因甲烷(δ13C甲烷:-32‰～-84‰),通常具有特别负的δ13C碳酸盐岩值(-15‰～-61‰) [26,27]。

在新元古代冰期,由于气温较低,在永久冻土层和大陆边缘海底沉积物中,可能形成了地球历史上数量最大的天然气水合物[8,25]。

甲烷是一种温室气体,它的温室效应比二氧化碳高一个数量级。

冰期之后气候变暖,海侵使大陆架和内部盆地的大面积永久冻土层被海水淹没,甲烷水合物失稳分解,释放甲烷进入大气,大气中甲烷气体含量的增加,增强了温室效应,进一步加快冰盖的融化[10]。

水合物释放的大量甲烷经氧化生成二氧化碳,转变为碳酸氢根,与Ca2+、Mg2+结合,形成全球分布的盖帽碳酸盐岩[28]。

近年来国内学者也在盖帽碳酸盐岩的甲烷水合物研究及碳氧同位素分析方面做了较多工作[29-31]。

蒋干清、史晓颖等人[29]通过对华南陡山沱组底部的盖帽碳酸盐岩的研究，利用甲烷成因假说分析了盖帽碳酸盐岩的形成（图1），归纳了新元古代晚期盖帽碳酸盐岩记录甲烷释放事件的多种标志:(1)和甲烷渗漏构造密切相关的105年级的δ13C 显著负漂(≤-5‰)；(2)从台地到盆地相剖面的δ13C变化，盖帽碳酸盐岩层中的低硫酸盐含量，并有证据表明存在有氧型甲烷氧化和海洋缺氧,(3)盖帽碳酸盐和冰碛岩之间的截然接触及盖帽碳酸盐岩底部的低PH值可能说明甲烷事件早期有氧甲烷氧化对碳酸盐沉积的抑制作用,(4)盖帽碳酸盐和上覆地层由白云岩向灰岩的岩性转化佐证了硫酸盐浓度变化、钡离子来源及重晶石沉淀机制。

图1 新元古代晚期盖帽碳酸盐岩的甲烷成因假说(a)冰期末岩浆或其他机制引发了甲烷水合物分解.甲烷释放导致全球变暖并诱发广泛的冰川消融和甲烷水合物进一步分解;(b)有氧甲烷氧化导致冰融末期海洋缺氧.缺氧甲烷氧化和温度上升诱发碳酸盐过饱和以及海洋中盖帽碳酸盐岩沉积.盖帽碳酸盐岩受甲烷扰动形成了一套特征性的沉积构造和结构.甲烷释放在盖帽碳酸盐岩沉积的中后期已经停止;(c)碳酸盐沉积一直持续到由于沉淀作用和风化输入使碳酸盐离子浓度降低为止目前对甲烷成因假说也有不少质疑，主要在以下方面：1）盖帽碳酸盐岩中沉积构造和结构的大小、分布及δ13S值与现代甲烷渗漏构造的特征不一致[2,32-34]。