发布时间 : 星期二 文章010111-F地史学课程设计 - 图文更新完毕开始阅读
乎降至零, 造成碳同位素显著的负漂移。至于帽碳酸盐岩的C 值达到- 6? , 是由于“雪球地球”事件期间洋中脊排出的CO2 所致: 其C 值正好为- 6 1? 。
(2)帽碳酸盐岩: 绝大多数的新元古代冰川沉积物顶上都覆盖有连续成层的白云岩( 灰岩很少) ,厚度从几米到几十米, 称为帽碳酸盐岩。它与下伏的冰成沉积岩在岩性上差别非常之大, 看起来是连续沉积的, 几乎没有再造作用和显著沉积间断的证据。帽碳酸盐岩是海侵的产物, 它的广泛存在意味着新元古代冰期前后气候发生了突变, 从冰川覆盖到热带, 而且在全球同时发生。
有些地区在帽碳酸盐岩之上会出现结晶扇(crystal fan) , 这是海底快速堆积形成的文石晶体簇向上呈扇形展布的灰岩建造。尽管单个结晶扇很小( 不及1cm) , 但胶结在一起, 堆积厚度达50 m。形成于海底的结晶扇表明海底水体达到很高程度的碳酸盐过饱和, 其生长习性暗示它是快速生长的。P.F.Hoffman 等认为这正反映了极端温室气候下大陆的强烈化学风化造成大量碱质和碳酸盐流入海洋, 使海底碳酸盐过饱和, 文石快速结晶与堆积。
(3)BIF( 条带状铁建造) 铁矿: BIF 是前寒武纪早期十分发育的一种铁矿类型, 三价铁氧化物和燧石呈相间的条带沉积, 大面积出现, 与海底火山和热液的通道没有直接关系。然而, 在大约1850 Ma 以后, 它在地球上消失了。这被认为与地球上第一次大气氧增加有关。大约2400 Ma 前大气氧第一次增加之前, 海洋深部水体是缺氧的, 通过河流流入海洋的硫酸盐补给数量很少。2400 Ma 以后, 硫酸盐补给量有了一定程度的增加, 使细菌还原硫酸盐的速度随之提高, 但深部水体的缺氧看来还在持续。只有到大约1800 Ma 硫酸盐还原的速度超过输入到海洋的活化铁( 可以形成FeS2 的铁) 的速度时, BIF 铁矿才消失。此后, 大约10 亿年间地球上BIF 铁矿销声匿迹。
在新元古代冰期, 加拿大、巴西、纳米比亚、南非、澳大利亚和我国扬子地区又出现了BIF 铁矿。铁主要有两种存在状态: 在还原条件下, 二价铁溶解于海水; 在氧化条件下, 高价铁( 即赤铁矿) 难溶于水。
古元古代出现了能进行光合作用的生物, 氧气开始在大气中积累, 使溶解于海水中的低价铁被氧化而大量沉淀。新元古代不同于古元古代, 大气中有相当含量氧气, 因此一般不会形成有利于低价铁在海水中富集的还原环境。然而, 雪球的条件则完全不同。
由于海洋完全被封冻, 大气与海洋的物质交流被阻隔, 海水变成停滞、宁静、缺氧。从大洋中脊溢出的二价铁, 在还原的海水中可以不断积累。还原环境一直可以维持到冰期结束。当冰川消融、大气和海洋循环重新出现, 经上升流的推动, 海水中富含的二价铁离子被氧化为高价铁而沉淀。因此, 冰期地层中出现铁矿层, 成为雪球假说的一个佐证。
2.1 billion year old rock with Diamictite of the Neoproterozoic Pocatello
black-band ironstone Formation, a 'snowball Earth'–type deposit
2 “雪球地球”事件与超级地幔柱
2.1 热幔柱理论的要点
自20世纪60年代末板块构造理论问世以来，经过地质学家的努力，这一理论在解释全球板块边缘上各种地质作用方面获得巨大成功，然而，在解释远离板块边缘或板块之下各种地质作用方面，板块构造理论却受到了挑战。首先使板块构造理论受到挑战的两个突出地质现象是大洋热点火山链和大陆溢流玄武岩，两者在分布特点、分布规模、化学成分和形成温度等诸方面均无法从板块构造理论中获得圆满解释。之后，人们在大量的实际观察、地球深部物理性质研究和各种模拟实验基础上，提出一个新的大地构造理论——热幔柱构造。
目前,一般认为(实验模式和理论模式也表明) ,地幔柱是起源于地幔中热/化学边界层或者产生于地核—地幔边界,就是说,在核幔边界过渡层产生的热物质呈狭窄的柱状经过地幔上升到地壳(或岩石圈底部) ,呈盆状向上张开形成大的球状顶冠(头部) ,地幔柱顶冠在向上接近地表处,则扩展成一个热物质的顶盘,直径约1 500～2 500 km ,厚达100～200 km ,因此,地幔柱是由一个巨大直径的头部(即地幔柱顶冠) 和一个比顶冠直径小得多的尾柱(直径约几百公里) 组成。
地幔柱理论认为: 地幔热柱往往发育于核幔边界, 在上升过程中逐渐扩大, 当上升到岩石圈底部时, 地幔流变向外拆离扩散,形成具火山活动的热区, 可使岩石圈上隆;当地幔热柱内集中的上升流相平衡回流时,由地幔其余部分非常缓慢地往下运动来完成;地幔热柱上升点呈放射状流体所施加给岩石圈板块的合力以及板块沿边界相互制约所产生的力, 确定了板块运动的方向(牛树银等，2002)。
地幔柱理论的核心理念, 在于提出地幔范围内存在着上升的热幔柱和回返的冷幔柱。其中, 热幔柱来自核幔边界“D”层或深部地幔(约400 km) , 其深部地幔热物质呈柱状体上涌, 形成巨大球状头冠和细窄的尾柱, 并在岩石圈发育成热点-裂谷-大洋扩张构造系统, 产生相应的热点式、裂谷式、大洋扩张式岩浆活动, 导致岩石圈减薄和超大陆解体,以及大陆岩石圈向大洋岩石圈转化。冷幔柱回流引起超大陆聚合、大陆裂谷夭折和洋壳俯冲碰撞造山、岩浆活动及大洋岩石圈向大陆岩石圈构造体制转化。地幔柱范围内的冷幔柱与热幔柱并列存在,
对流作用(运动)驱动板块运动, 控制了地幔热点-大陆裂谷-大洋裂谷-大洋扩张-俯冲碰撞造山的威尔逊旋回的发生和发展(Maruyama et al , 1994 ; 侯增谦等, 1996 ; 李红阳等, 1998 、2002) 。
2.2 “雪球地球”事件的启动机制
一般认为, 全球性气温降低直至全球性冰川化的起因与大气中温室气体浓度的降低密切相关。因此就新元古代时期雪球地球事件的起始原因来说, 有三种观点: ①超大陆裂解使大气中CO2 转变成新大陆边缘的有机碳沉积; ②富有机碳沉积物中的甲烷释放进入大气层; ③大陆玄武岩风化导致大气中CO2 浓度降低。显然, 大气中CO2 浓度的变化是雪球地球事件起始和结束的关键指标。一般认为, 雪球地球事件起始与罗迪尼亚超大陆在中低纬度地区的聚合和裂解有关。
820~ 620 Ma 时间段似乎是全球裂谷岩浆活动时期, 对雪球地球事件有什么
影响? 间冰期阶段温暖气候和碳酸盐C 正异常是否与地幔超柱活动的地球内部热供应有关? 全球性冰川气候起因是否与启动超大陆裂解的地幔柱活动有关? 有人提出, 在新元古代时期超大陆之下存在一个地幔超柱, 其活动时间主要集 中在两个时段, 即830~ 800 Ma 和780~ 740 Ma。在华南, 也许这个地幔超柱的起始活动时间为~ 825 Ma, 启动了扬子板块从罗迪尼亚超大陆裂解; 扬子板块北缘在~ 750 Ma 出现强烈的裂谷岩浆活动, 伴有大气降水热液循环和低18O 岩浆活动。一般来说, 地幔柱活动具有下列一种或多种地质现象: 放射状基性岩墙群、巨量的溢流玄武岩、成群的裂谷系、大面积的地形隆起。地幔超柱事件是指一个相对活动寿命长达~ 100 Ma 的地幔柱事件, 在这期间有少量到大量大的地幔柱形成并上升到岩石圈底部。一个地幔超柱事件就是一个超级事件循环的组成部分, 同样涉及超大陆的形成和裂解。基性岩浆活动形式可存在显著差别, 在有些地区表现为上述经典的地幔柱产物, 而在另一些地区则表现为岩浆底侵作用和地壳熔融事件, 因此有直接与间接之分。就中白垩世太平洋地幔超柱事件来说, 已知有下列地质现象与其相对应: 地表温度升高、黑页岩沉积、海平面上升、海水C 值升高、大洋岩石圈形成速率增加。类似的现象在成冰系地层中也有表现, 并且新元古代地幔超柱事件可能启动了超大陆的裂解。可以预料,大规模地幔上涌事件能够引起海水温度升高和局部热液循环。如果与罗迪尼亚超大陆裂解初期有关的岩浆活动和热液循环促进了大陆风化作用, 启动了气候变冷, 直至出现全球性冰雪覆盖, 那么与超大陆裂解有关的岩浆作用就可能是导致雪球地球事件产生的催化剂。
新元古代时期地幔柱与地幔超柱示意图
3 “雪球地球”与真核生物的辐射
3.1 “雪球地球”事件对早期真核生物演化的影响
过去人们对冰期的研究, 主要是围绕冰期地层的沉积特征、分布和成因环境开展的, 很少考虑它与生物演化的关系。在冰期期间恶劣的气候条件、冰期和非冰期的强烈反差交替和冰期之后有利的环境条件的出现必将对生物演化产生重大的影响。生物演化是内因和外因共同作用的结果, 生物内部发展趋势与特殊的自然环境结合在一起, 从而引发了生物的快速演化—— 生物大爆发。那么新元