其他地质历史事件
Dickens等[16,22]的天然气水合物分解假说还被用于解释一些相似的碳同位素负位移事件,如新元古代[32]、三叠纪[33]、侏罗纪[34]、白垩纪[35]、新第三纪[36]与第四纪[37,38]。下面只介绍新元古代与侏罗纪的一些研究认识。
地球最严重的冰川作用发生在600Ma~800Ma前的新元古代晚期。在20世纪60年代首次发现了这次冰川作用的严重性。30年后才有该阶段整个地球被冰覆盖成为雪球的说法。地球曾经为“雪球”而且维持上千万年的设想本身就具有轰动效应,成为当今地质学界的头号新闻[39]。在新元古代至少有四次严重的冰期。对这些冰期怎么结束的一个解释集中在大气二氧化碳的温室效应,随后二氧化碳埋葬于称为碳酸盐盖的碳酸盐岩中,几乎在每个大陆上均发现该碳酸盐盖上覆在新元古代的冰碛沉积物上。Kennedy等[32]指出冰消作用的一个结果就是大量甲烷的释放,从而引发了对雪球的一些思考。Kennedy等[32]提出,碳酸盐盖是在冰期结束时快速变暖、出露的大陆架和陆相盆地普遍淹没后,陆地冻土带天然气水合物释放甲烷后沉积的。洪水泛滥可以用冰期冰的融化解释,被淹没的冻土带变暖导致天然气水合物失稳,释放甲烷。但Kennedy等[32]没有讨论增温是怎么开始的。
关于新元古代冰期雪球最全面的解释是Hoffman等在1998年提出的[40]。那时,大多数大陆分布于中纬度和低纬度地区,这种情况后来就一直没有出现过。由于大陆是太阳能很好的反射面(今天地球上,最多的太阳能被热带海洋所吸收),这种分布形态可以形成全球冰川作用的条件。一个连续的海冰盖覆盖了海洋,分隔了海洋和大气中的碳储库。火山活动的进行,大气中温室气体二氧化碳的逐步累积使地球从雪球状态逃脱。冰期时大陆硅质风化作用的减弱意味着二氧化碳的浓度达到了120000×10-6(现今约为366×10-6),触发了快速的冰消作用和海冰的融化。风化导致二氧化碳的降低,形成海洋碱度增加,沉淀形成碳酸盐盖。
这是雪球说的“硬雪球”版本,海洋的每一部分均被冰所覆盖。许多气候模拟学者提出了疑问:在大气中极端高的二氧化碳量的情形下热带海洋能维持冰冻的状态吗?并认为在很长的一段时间里,地球表面温度异常地稳定,并且指出这是温度、风化速率和大气二氧化碳浓度之间的反馈机制造成的。这一长期模型不涉及地球任何的雪球状态。近来更多的硬雪球冰川作用模拟失败了,这些模拟的结果表明冰川覆盖的大陆、赤道开放的海洋模型与地质证据更为一致。(https://www.daowen.com)
碳酸盐盖的碳同位素变化对解释新元古代晚期的冰川作用是关键的。根据雪球模型,在冰川作用期,由于基本上去除了海洋生物圈,整个大洋的碳同位素只有一个短暂的变化。海洋碳酸盐岩碳同位素比值快速降低为-6‰±1‰。在冰后期恢复到正常值(0‰)。天然气水合物模型中[40],冰期时碳同位素比值保持不变,冰后期甲烷水合物失稳碳同位素比值急剧降低。该模型中,沉积物释放甲烷的大多数在沉积-海水的边界处通过硫酸盐还原作用被氧化,导致碱度增加,形成碳酸盐沉淀。
在碳酸盐盖实测的碳同位素比值为0~-5‰,但同位素形态只有在少数几个地方被确定。非洲古老岩石构造刚果克拉通的南部边缘,碳同位素比值形态与天然气水合物模型预测的匹配[32]。另外,冰期锶同位素比值也没有支持雪球模型中冰川作用阶段风化减弱的说法。但是,这与天然气水合物假说相对应。
两个假说都涉及海洋碳同位素组分的短期变化。但是天然气水合物模型避免了雪球模型中大气二氧化碳巨大变化相关的一些难题,如需要长达l0Ma的时间达到这么高的浓度。这也提供了新元古代晚期海洋碳酸盐碳同位素变化的一个更好的解释。但是应该指出的是,虽然Kennedy提出了一个有力的实例,但毫无疑问这离故事的结束还早得很。
Hesselbo等[41]研究了180Ma前侏罗纪Toarcian期近岸沉积物中的树木化石的碳同位素数据,并识别出一个大气碳同位素异常。并指出该异常与已知的海洋碳储库的扰动耦合。Hesselbo等[41]提出海底天然气水合物中的大量甲烷的释放引起了碳同位素数据的扰动,甲烷“脉冲”触发了重要的气候变化和海洋变化。较大的碳同位素正位移对应Toarcian期海洋缺氧事件,该时期深海海水严重缺氧,有机物被过度埋藏。正位移的底部为一负的碳同位素异常。Hesselbo等[41]的陆地碳同位素曲线研究表明海洋碳同位素异常在全球碳循环记录中也有反映。认为Toarican碳同位素事件是海底甲烷突然释放的结果。火山活动排放的二氧化碳触发了气候变暖,导致深海突然变暖,使天然气水合物不再稳定。Hesselbo等[41]认为可能有相当于现今天然气水合物储藏库的20%的水合物分解并释放了巨量的甲烷气体,该释放量也是古新世末释放的两倍。在中生代(250Ma~65Ma前)比较温暖的气候宜使天然气水合物幕式地排放甲烷到大气中[42]。