2021年07月24日 星期六
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从墨西哥湾海面燃烧起大火联想到——

甲烷大爆炸引发的地表革命

2021-7-13 8:00:42 来源:中国矿业报 作者:郭友钊

7月2日,墨西哥湾的海面上突然燃烧起熊熊大火,如上映了科幻大片。海面出现令全世界关注的“火眼”,原因何在?原来是墨西哥石油公司海底管道发生了天然气泄漏,甲烷逃逸到了海面,浓度升高,遇到了氧气,发生了自燃现象。这让人想起寒武纪生物大爆发之前的一场全球性灾难。

墨西哥湾海面大火中的“火眼”

三种特别的w88体育app现象

在10亿~6亿年活动的罗迪尼亚超大陆旋回期间,出现了3种十分特别的w88体育app现象。

一是新的冰期再出现了,它结束了从21亿年前至8亿年前持续了13亿年的地球表面高温的历史。这期间,出现了两次全球性的冰期,第一次为7.16亿年~6.65亿年的斯图特冰期,第二次为6.39亿年~6.35亿年的马临诺冰期,这期间还包括两次区域性冰期,一是斯图特冰期之前的凯嘎斯冰期,二是马临诺冰期之后的噶斯奇厄冰期。噶斯奇厄冰期属于生物界开始大革命的埃迪卡拉纪,原核生物跃进成真核生物,后生动物在海洋中大繁衍。

二是条带状铁建造(简称BIF)出现了“返祖”现象。BIF主要由石英、磁铁矿等矿物组成,磁铁矿含氧化亚铁,铁呈二价态,在还原环境中处于稳定状态,在无氧的大气圈、水圈中下才能生成。BIF在18亿年前曾普遍发育,38亿年前就出现,大量形成于25亿年前至23亿年前的成铁纪。在23亿年前的休斯冰期之后,海洋微生物发育,强烈的光合作用使大气圈、水圈中氧气增加,在地表条件下处于氧化的状态,铁呈三价态,可形成赤铁矿、褐铁矿、针铁矿而赋存在红层中,但形成BIF的条件逐渐失去,在18亿年之后很长的时间不见BIF的蛛丝马迹。罗迪尼亚超大陆裂解相伴随的新元古代大冰期中,冰碛沉积中夹带BIF沉积的情况在我国、加拿大、南非、纳米比亚、巴西、澳大利亚等地广泛出现,标示着它的沉积大气环境、水环境处于无氧气的状态。BIF的再生成,标志着积累了10亿年(18亿至8亿年)的地球氧气匪夷所思地突然之间消失了。

三是盖帽白云岩突然在冰碛岩之上沉积。白云岩直接在冰碛岩之上沉积,形象地获名盖帽白云岩。盖帽白云岩的厚度只有几米至几十米,但在全球分布,连续成层,其沉积的时间估计为数千年至数万年。形成白云岩的条件是,沉积的水环境温度较高,水中含有大量的碳酸根离子。盖帽白云岩的存在,说明当时从冰期至间冰期在很短的时间内发生,地表气温从极低迅速上升,全球性冰川快速融化,并且二氧化碳气体在大气圈中、水圈中富集。

亚马尔半岛上的甲烷爆炸坑

三种w88体育app现象产生的猜想

上述的三种w88体育app现象,受到了地学界地广泛关注,提出了许多假说,主要有——

1.冰环说。赤道上空的大气圈中,由于水气运动以垂直上升为主,上升到一定高度冷凝结冰,形成冰环,破碎陨落后,就在低纬度地区形成冰川。虽说罗迪尼亚超大陆主体位于赤道,有冰川形成;但还有哥伦比亚超大陆的一部分也曾位于赤道附近,无冰川形成。因此,低纬度区大气圈高层的冰与地表的冰仅具有偶然的关联,不具有因果关系。

2.天文周期说。太阳系围绕银河系旋转一周约为3.1亿年。1天、1年、2.1万年、4万年、9.6万年和2亿年,还分别是地球自转的周期、地球围绕太阳的周期、地球近日点进动的周期、黄道与赤道交角变化的周期、地球公转轨道偏心率的周期,并引起地球接受光热辐射量的周期性变化与万有引力大小的周期性变化。但天文周期性运动在时间上具有等间距性,地球的运动却不具等间性;天文周期是连续变化的结果,是渐变,地球上的运动具有间断性,存突变。天文是地球运动变化的背景因素,地球运动还可能具有自己的特殊性,例如至今人类所研究的宇宙中,生物因素是地球上独有的。

3.二氧化碳说。二氧化碳是温室气体,在大气圈中含量高时引起温室效应;二氧化碳还具有积极参加化学风化的能力,随着温度增加其能力增大,在赤道附近的热带作用,更显其活动性。罗迪尼亚超大陆位于赤道上,可能在风化过程中过量地消耗了二氧化碳,因此导致大气降温而形成冰川。但哥伦比亚超大陆的主体也曾位于低纬度区,并没有形成大冰川;哥伦比亚超大陆裂解以来,不仅排出了火山作用形成的二氧化碳,还排放了可燃冰分解形成的更高效的甲烷气体;新元古代冰后期快速回暖形成的盖帽白云岩,说明即使是冰后期,大气圈及水圈中仍然存在大量的二氧化碳气体,并没有被赤道地区的风化作用消耗到很低的水平。

4.雪球地球假说。即“全球冰河化”假说,也主张雪球地球的启动是赤道风化作用吸收二氧化碳导致大气降温而形成冰期;更主张全球不是雪覆盖,而是冰覆盖——在全球地表气温-40℃左右、局部气温达到-110℃,全球冰冻,冰层平均厚度超过1千米,最厚达到5千米,冰盖完全封闭了海水,海洋再不分层,海冰之下处于还原环境,处于无氧气状态,因此形成BIF。即使如此,冰盖并非是铁板,因太薄,呈弹性,是会断裂的,形成不了全封闭的还原环境,除非大气圈不含氧气。况且,所谓的冰封时代,大洋洋底仍然有层状岩屑的碎屑岩沉积(正常情况下为化学沉积),如柴达木北缘全吉山地区不仅有海相的BIF沉积,还有冰筏沉积,再如辽宁瓦房店地区也有这个时代的海相冰筏沉积,均说明载有碎石的冰块可以在离开陆地,飘向海洋,海面仍然浪花翻滚,随风起浪。因而,原本主张的“全球冰河”时代,连沉积BIF的近海都没有被冰盖盖住而封闭,更不用说汪洋大海了。

以上假说,均不能完美地解释7亿年左右地球表层为何突然降温导致冰川形成,未能说明大气圈为何氧气突然消失或者骤然减少导致大气圈、水圈由氧化状态转化为还原状态,也无法说明间冰期为何仍然有大量的盖帽白云岩形成而侧面说明地表存在的大量二氧化碳气体。

甲烷大爆炸引发地表革命

正在w88体育app学家对3种特殊的w88体育app现象百思不得其解之时,西伯利亚西北部的亚马尔半岛上的甲烷爆炸坑,以及近来的墨西哥湾海面火眼,带来了新的启示。

在近几十年,出现了大量的这种爆炸坑,以及即将发生爆炸的地点,其数量成千上万。这一现象是因为温度升高,导致地下埋藏的能源分解出大量的甲烷等气体。当大量的甲烷逸散到空中时,浓度超过3%~5%的爆炸阈值,在闪电等明火的触发下,必定产生爆炸,并向外扩散把大气圈中随生物演化而产生的甲烷、氧气燃烧殆尽,转化为二氧化碳。这种大区域性的甚至是全球性的甲烷大爆炸,导致温室效应高效能的甲烷向低效能的二氧化碳转化,氧气浓度降低导致臭氧层被破坏,因而温室效应向冰室效应转化,新冰期形成;因大爆炸而失去大部分氧气的大气圈、水圈返回到无氧、少氧的还原环境,BIF再次形成;因甲烷大爆炸形成更高浓度的二氧化碳,因超大陆裂解过程中的岩浆作用排出的二氧化碳,进一步增加在大气圈的浓度,温室效应急速增加,全球性冰川溶解,普遍发生海浸作用,导致冰碛层之上直接沉积温暖的海水中形成的盖帽白云岩。沉积这种岩石,虽然消耗了大量的二氧化碳,使大气圈中的二氧化碳浓度降低,但形成这种白云岩的过程中广泛发育的甲烷渗漏构造,说明当时海洋中仍然有大量的甲烷气体加入到大气圈中,保持了大气圈的温暖。

罗迪尼亚超大陆旋回期间,可能由7亿年前发生的甲烷大爆炸引发的地表革命给地球带来了崭新的面貌——陆地不再十亿年如一日地炎热,海洋不再十亿年如一日地仅有单调的几种微生物活动,单一性被打破,地球迎来了多样性面貌——约在42.8亿年前原核生物诞生后,生命的演化极为缓慢,约到20亿年前才出现单细胞的真核生物,直到7亿年前整个地球的生物圈还只是一个微生物的世界,全球性甲烷大爆炸引发大成氧事件、大冰期事件之后的寒武纪,多细胞后生动物突然涌现,在早寒武世5.41亿年到5.14亿年间的27百万年内,在w88体育app历史的一瞬间就诞生了28门类75纲(现生后生动物才有42个门类70纲),可谓动物世界突然驾临地球,由此结束了隐生宙,开辟了显生宙的新时代。 (中国w88体育app科学院物化探研究所)

网站编辑:宫莉