1、文 章 编 号 : 100020550 (2006) 0220235207 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (批 准 号 : 40472059)及 中 国 科 学 院 知 识 创 新 工 程 重 要 方 向 项 目 ( KZCX32SW 2224)资 助 。收 稿 日 期 : 2005205216;收 修 改 稿 日 期 : 2005208221新 元 古 代 晚 期 盖 帽 碳 酸 盐 岩 的 成 因 与“ 雪 球 地 球 ” 的 终 结 机 制 冯 东 1, 2, 3 陈 多 福 1, 2 刘 芊 1, 3(1. 中 国 科 学 院 广 州 地 球 化 学 研 究 所 与 南 海
2、海 洋 研 究 所 边 缘 海 地 质 重 点 实 验 室 广 州 510640;2. 中 国 科 学 院 广 州 天 然 气 水 合 物 研 究 中 心 广 州 510640; 3. 中 国 科 学 院 研 究 生 院 北 京 100039)摘 要 新 元 古 代 晚 期 约 635 Ma的 地 球 发 育 了 到 达 赤 道 附 近 的 冰 川 作 用 ,地 质 记 录 上 表 现 为 代 表 寒 冷 气 候 的 冰 期 沉积 杂 砾 岩 ,直 接 被 代 表 温 暖 环 境 的 碳 酸 盐 岩 层 (常 称 盖 帽 碳 酸 盐 岩 )覆 盖 。 由 于 盖 帽 碳 酸 盐 岩 奇 特 的
3、 岩 石 学 和 地 球 化学 特 征 ,引 起 了 对 其 成 因 认 识 的 巨 大 争 论 ,提 出 了 “ 雪 球 地 球 ” 和 “ 甲 烷 渗 漏 ” 等 假 说 。 “ 雪 球 地 球 ” 假 设 可 以 解 释 一 些令 人 困 惑 的 地 学 现 象 ,如 低 纬 度 和 低 海 拔 冰 川 沉 积 、 盖 帽 碳 酸 盐 岩 、 碳 酸 盐 13 C负 漂 移 和 条 带 状 铁 矿 层 等 ,但 许 多 科学 家 对 此 提 出 了 质 疑 。 最 近 对 盖 帽 碳 酸 盐 岩 的 13 C分 析 结 果 (最 低 达 - 41 )、 盖 帽 碳 酸 盐 岩 发 育 的
4、 类 似 现 代 冷 泉 碳酸 盐 岩 沉 积 组 构 等 似 乎 支 持 “ 甲 烷 渗 漏 ” 假 说 。关 键 词 新 元 古 代 雪 球 地 球 盖 帽 碳 酸 盐 岩 天 然 气 水 合 物 甲 烷 渗 漏第 一 作 者 简 介 冯 东 男 1980年 出 生 博 士 研 究 生 地 球 化 学 与 沉 积 学中 图 分 类 号 P534. 4 文 献 标 识 码 A1 前 言元 古 代 时 期 地 球 至 少 经 历 了 五 次 冰 期 1, 2 ,其 中大 约 635Ma左 右 的 新 元 古 代 晚 期 Marinoan冰 期 强 度最 大 ,冰 川 覆 盖 了 整 个 地 球
5、 ,即 “ 雪 球 地 球 ” ( SnowballEarth) 3 5 。 “ 雪 球 地 球 ” 假 说 提 出 后 引 起 了 科 学 界的 广 泛 讨 论 ,人 们 对 新 元 古 代 冰 期 环 境 特 征 与 成 因 演化 过 程 、 导 致 冰 期 终 结 原 因 已 成 为 当 今 地 学 研 究 中 的一 大 热 门 课 题 。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
6、 全 球性 冰 川 沉 积 物 之 上 6 。 盖 帽 碳 酸 盐 岩 在 全 球 各 地 广泛 分 布 7 10 。 这 一 冰 期 沉 积 与 温 暖 环 境 的 碳 酸 盐 岩共 生 的 现 象 一 直 是 地 球 科 学 界 的 难 题 ,受 到 许 多 学 者的 关 注 。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
7、 甲 烷 导 致 冰 期 的 终结 及 盖 帽 碳 酸 盐 岩 的 形 成 7, 8 ,似 乎 更 激 起 了 学 者 们的 兴 趣 ,使 得 探 索 冰 期 终 结 原 因 及 盖 帽 碳 酸 盐 岩 的 成因 研 究 成 为 当 前 地 学 研 究 最 主 要 的 热 点 之 一 。因 此 深 入 了 解 目 前 研 究 动 态 ,将 加 深 对 “ 雪 球 地球 ” 相 关 现 象 的 认 识 ,推 动 国 内 相 关 研 究 的 开 展 。 本文 综 合 新 元 古 代 晚 期 盖 帽 碳 酸 盐 岩 的 成 因 与 “ 雪 球地 球 ” 的 终 结 机 制 等 研 究 的 新 成 果
8、 ,对 新 元 古 代 晚 期“ 雪 球 地 球 ” 的 形 成 模 式 、 盖 帽 碳 酸 盐 岩 的 特 征 和 成因 及 “ 雪 球 地 球 ” 的 终 结 机 制 进 行 介 绍 。2 全 球 冰 川 是 怎 样 形 成 的 ?根 据 冰 川 沉 积 物 的 全 球 广 泛 分 布 、 及 冰 碛 岩 的 古纬 度 记 录 ,新 元 古 代 晚 期 的 Marinoan冰 期 是 一 次 全球 性 的 冰 期 ,冰 盖 可 能 到 达 了 赤 道 附 近 4, 11 。 对 于 全球 性 冰 期 的 成 因 主 要 有 “ 雪 球 地 球 ” 和 “ 地 轴 倾 斜 ” 等假 说 。2
9、. 1 雪 球 地 球 假 说“ 雪 球 地 球 ” 假 说 的 雏 形 即 “ 全 球 冰 河 化 ” 假 说 在20世 纪 60年 代 首 先 被 提 出 3 ,后 经 许 多 学 者 发 展 和完 善 ,发 展 到 目 前 熟 知 的 “ 雪 球 地 球 ” 假 说 4、 9, 10 。“ 雪 球 地 球 ” 假 说 认 为 :聚 集 在 赤 道 附 近 的 Rodinia超大 陆 的 裂 解 使 大 陆 边 缘 海 面 积 迅 速 增 加 ,降 雨 和 降 雪量 增 加 ,大 规 模 火 山 喷 发 形 成 的 大 量 玄 武 岩 发 生 强 烈的 消 耗 CO2的 化 学 风 化 作
10、 用 (CaSiO3 + CO2 CaCO3第 24卷 第 2期2006年 4月 沉 积 学 报ACTA SED IMENTOLOGICA SIN ICA Vol. 24 No12Ap r. 2006+ SiO2 ) 12 ,大 气 中 二 氧 化 碳 的 含 量 急 剧 下 降 ,产 生冰 室 效 应 ,随 着 地 球 冰 雪 面 积 的 不 断 增 大 ,能 量 反 射增 强 ,随 之 冰 室 效 应 同 步 增 强 ,结 果 使 得 两 极 的 冰 盖不 断 扩 大 ,向 低 纬 度 推 进 。 当 冰 盖 推 进 至 纬 度 30附近 时 ,其 速 度 将 迅 猛 增 加 ,导 致 全
11、 球 性 冰 盖 的 发 育 ,形成 “ 雪 球 地 球 ” 。 这 种 机 制 可 以 很 好 地 解 释 新 元 古 代晚 期 出 现 的 全 球 性 低 纬 度 、 低 海 拔 冰 川 ,也 阐 明 了 为什 么 以 后 的 地 质 历 史 时 期 没 有 再 现 “ 雪 球 地 球 9, 10 。2. 2 地 轴 倾 斜 假 说“ 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 13 。 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
12、 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 14, 15 。 地 球 只 是 在 600 Ma以后 由 于 转 速 降 低 自 转 倾 角 急 剧 减 小 ,自 转 倾 角
13、降 低 使得 气 候 的 季 节 变 化 有 利 于 后 生 动 物 繁 衍 13 。 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 16 。 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 盖 帽 碳 酸 盐 岩 的 特 征 及 “ 雪 球 地 球 ”的 终 结 机 制3. 1 雪 球 地 球 假 说Hoffman等 9, 10 结 合 先
14、前 的 “ 雪 球 地 球 ” 假 说 3 对 “ 雪 球 ” 的 终 结 提 出 了 新 的 认 识 ,认 为 冰 期 整 个 地球 表 面 被 厚 厚 的 冰 层 覆 盖 ,正 常 的 大 气 降 水 和 侵 蚀 作用 停 滞 ,没 有 蒸 发 作 用 ,消 耗 二 氧 化 碳 的 硅 酸 盐 化 学风 化 作 用 停 止 ,二 氧 化 碳 和 海 洋 水 体 的 交 换 作 用 也 将停 止 ,大 气 中 二 氧 化 碳 不 能 被 消 耗 掉 ,但 火 山 活 动 并未 减 弱 ,大 气 二 氧 化 碳 不 断 积 累 ,在 浓 度 超 过 某 一 极限 (相 当 于 现 在 含 量
15、的 350倍 17 )时 ,温 室 效 应 超 过冰 室 效 应 ,冰 盖 融 化 ,大 量 水 蒸 气 重 返 大 气 。 水 蒸 气也 是 一 种 强 温 室 气 体 ,与 二 氧 化 碳 共 同 作 用 ,使 赤 道附 近 的 气 温 快 速 上 升 到 40 50 。 整 个 地 球 在 很 短的 时 间 内 由 最 冷 的 冰 期 进 入 到 最 温 暖 的 冰 后 期 。“ 雪 球 地 球 ” 假 说 提 出 后 得 到 许 多 学 者 的 认 同 ,它 可 以 解 释 冰 期 及 冰 期 后 许 多 特 有 的 地 质 现 象 ,如 新元 古 代 全 球 冰 川 沉 积 物 的
16、同 时 性 、 碳 同 位 素 组 成 的 显著 变 化 、 全 球 广 泛 分 布 的 盖 帽 碳 酸 盐 岩 、 新 元 古 代 冰川 地 层 中 出 现 的 条 带 状 铁 矿 层 等 。(1) 碳 同 位 素 :新 元 古 代 晚 期 海 相 碳 酸 盐 岩 的 13 C值 出 现 较 大 的 同 位 素 漂 移 (大 于 10 ) 9, 10 ,明显 高 于 其 它 地 质 时 期 的 变 化 幅 度 ,表 现 为 冰 前 富 13 C(碳 酸 盐 岩 的 13 C值 大 于 5 ,最 高 可 达 11 ) ,而 直接 覆 盖 在 冰 川 沉 积 之 上 的 冰 后 盖 帽 碳 酸
17、盐 岩 为 强 负值 ,最 低 达 到 - 7 (图 1)。 这 种 碳 同 位 素 负 漂 移 记录 在 各 大 陆 (非 洲 、 澳 大 利 亚 、 亚 洲 、 北 美 洲 等 ) 均 有发 育 ,并 具 同 时 性 。 对 此 , Hoffman等 9, 10 认 为 冰 前 期赤 道 附 近 的 Rodinia超 大 陆 裂 解 ,大 大 提 高 了 生 物 的繁 衍 和 演 化 ,海 洋 生 物 进 行 光 合 作 用 时 优 先 吸 取 12 C,而 13 C则 留 在 海 水 中 ,形 成 了 冰 前 期 碳 酸 盐 岩 地 层 的 13 C高 值 。 而 冰 期 来 临 ,植
18、物 光 合 作 用 强 度 减 弱 ,到冰 盛 期 生 物 产 率 几 乎 为 零 ,无 法 改 变 原 始 幔 源 碳 的 同位 素 比 值 ( 13 C = - 6 1 ) ,因 此 ,盖 帽 碳 酸 盐 岩记 录 了 冰 期 来 源 于 地 幔 的 13 C值 。图 1 纳 米 比 亚 Ghaub冰 期 前 后 的 碳 同 位 素 变 化 9 Fig. 1 Carbon isotop ic variation under/aboveGhaub Glacial strata in Nam ibia 9 (2) 盖 帽 碳 酸 盐 岩 :新 元 古 代 盖 帽 碳 酸 盐 岩 主 要为 白
19、云 岩 ,厚 度 从 几 米 到 几 十 米 ,直 接 覆 盖 在 冰 川 沉632沉 积 学 报 第 24卷 积 物 之 上 18 ,所 代 表 的 时 间 却 只 有 数 千 年 9 ,是 快 速沉 积 的 产 物 ,表 明 了 气 候 的 突 变 。 盖 帽 碳 酸 盐 岩 具 有许 多 特 殊 的 沉 积 组 构 。 一 些 盖 帽 碳 酸 盐 岩 中 发 育 了与 传 统 意 义 不 同 的 帐 篷 状 构 造 ( tepee2like structure) ,它 们 平 行 或 近 似 平 行 整 个 区 域 的 古 倾 斜 面 ,具 有 尖 头状 的 轴 部 ,表 明 是 冰 后
20、 期 在 高 震 荡 的 流 动 区 域 内 连 续沉 积 形 成 10 ,可 能 是 超 级 风 暴 沉 积 19 。 有 些 地 区 盖帽 碳 酸 盐 岩 中 发 育 了 结 晶 扇 ( crystal fan) ,尽 管 单 个结 晶 扇 很 小 ( 1 cm ) ,但 它 们 呈 礁 状 聚 集 在 一 起 ,厚度 达 几 米 到 几 十 米 。 海 底 结 晶 扇 的 形 成 表 明 海 底 水体 中 的 碳 酸 盐 达 到 很 高 程 度 的 过 饱 和 20 ,其 树 枝状 棱 柱 状 的 ( dendritic2p rismatic)生 长 习 性 暗 示 了快 速 、 有 限
21、 扩 散 的 方 式 生 长 21 。 Hoffman等 9, 10 认 为是 极 端 温 室 气 候 下 大 陆 强 烈 化 学 风 化 导 致 的 大 量 碱质 和 碳 酸 盐 输 入 海 洋 ,使 海 底 碳 酸 盐 过 饱 和 ,形 成 文石 的 快 速 结 晶 堆 积 。(3) 条 带 状 铁 矿 层 :新 元 古 代 冰 川 地 层 中 广 泛 出现 铁 矿 层 ,类 似 于 古 元 古 代 (约 2 400 Ma前 )的 条 带状 磁 铁 矿 层 。 然 而 1 800 Ma以 后 ,它 在 地 球 上 消 失了 ,一 直 到 新 元 古 代 冰 期 才 再 次 出 现 22 。
22、 铁 有 两 种存 在 状 态 ,在 还 原 条 件 下 ,低 价 铁 Fe ( )溶 于 海 水 ;在 氧 化 条 件 下 ,高 价 铁 Fe ( )难 溶 于 水 。 铁 矿 层 建造 的 发 育 需 要 三 个 先 决 条 件 23, 24 : 1 )海 洋 缺 氧 Fe( )得 以 不 断 富 集 ; 2) H2 S: Fe ( ) 流 量 比 2,黄铁 矿 ( FeS2 )埋 藏 只 能 消 耗 海 洋 中 部 分 Fe ( ) ; 3)存在 促 使 铁 矿 层 沉 淀 的 催 化 剂 。 大 约 2 400 Ma前 大 气氧 第 一 次 增 加 之 前 ,海 洋 深 部 水 体 是
23、 缺 氧 的 ,通 过 河流 带 入 海 洋 的 硫 酸 盐 数 量 很 少 25 27 。 2 400 Ma以后 ,带 入 海 洋 的 硫 酸 盐 数 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 还 处 在的 缺 氧 状 态 。 到 了 大 约 1 800 Ma,海 洋 中 硫 酸 盐 数 量增 加 到 一 定 程 度 ,使 细 菌 还 原 硫 酸 盐 生 成 的 H2 S足以 将 全 部 的 Fe ( )以 FeS2形 式 埋 藏 ,条 带 状 铁 矿 层从 此 消 失 28 。 此 后 大 约 1 000 Ma
24、间 地 球 上 没 有 出 现过 条 带 状 铁 矿 层 。 而 新 元 古 代 冰 期 ,海 洋 完 全 冰 封 ,厚 厚 的 冰 盖 阻 碍 了 大 气 圈 中 的 氧 进 入 海 洋 ,海 水 变 的停 滞 缺 氧 ,来 自 洋 中 脊 和 洋 底 沉 积 物 淋 滤 出 的 二 价铁 ,在 还 原 的 海 水 中 得 以 不 断 富 集 ,一 旦 冰 期 结 束 ,冰盖 消 融 ,大 气 和 海 洋 循 环 重 新 出 现 ,上 升 洋 流 把 二 价铁 带 到 浅 部 氧 化 ,形 成 了 又 一 次 全 球 性 的 条 带 状 铁 矿层 9, 10 。3. 2 甲 烷 渗 漏 假
25、说Kennedy等 7 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
26、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 ( 13 C甲 烷 :- 32 - 84 ) ,通 常 具 有 特 别 负 的 13 C碳 酸 盐 岩 值( - 15 - 61 ) 29 31 。在 新 元 古 代 冰 期
27、 ,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 7; 18 。 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
28、 快 冰 盖 的 融 化 7 。 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 32 。“ 甲 烷 渗 漏 ” 假 说 从 另 外 一 个 角 度 解 释 了 盖 帽 碳酸 盐 岩 的 成 因 。 盖 帽 碳 酸 盐 岩 具 有 现 代 海 底 冷 泉 碳酸 盐 岩 类 似 的 沉 积 组 构 、 碳 同 位 素 随 时 间 的 变 化 特征 、 碳 同 位 素 的 质 量 守 恒 估 计 、 强 烈 负 偏 移 的 碳 同 位素 值 ( 1
29、3 C低 达 - 41 )等 证 据 均 支 持 “ 甲 烷 渗 漏 ” 假说 。(1) 盖 帽 碳 酸 盐 岩 的 沉 积 组 构 :盖 帽 碳 酸 盐 岩 具有 两 种 奇 特 的 沉 积 组 构 ,与 现 代 甲 烷 渗 漏 形 成 的 冷 泉碳 酸 盐 岩 非 常 相 似 ,而 且 在 全 球 范 围 内 的 盖 帽 碳 酸 盐岩 中 均 有 发 育 7 。 至 今 对 其 成 因 没 有 令 人 满 意 的 解释 。 首 先 是 在 盖 帽 碳 酸 盐 岩 的 底 部 发 育 的 层 内 膨 胀和 胶 结 作 用 ,层 状 裂 隙 层 横 向 上 过 渡 为 圆 丘 状 的 或 帐篷
30、 状 构 造 ,层 理 有 时 突 然 中 断 形 成 角 砾 化 ,裂 隙 内 多期 次 等 厚 胶 结 作 用 表 明 了 层 内 的 膨 胀 和 胶 结 作 用 ,横向 上 地 层 的 变 薄 和 上 覆 地 层 的 超 覆 表 明 了 持 续 的 海底 地 形 凸 起 。 这 些 奇 特 的 沉 积 相 的 成 因 目 前 还 不 清楚 ,但 它 们 在 现 代 和 古 代 冷 泉 系 统 中 非 常 普 遍 ,因 此Kennedy等 7 认 为 是 永 久 冻 土 层 天 然 气 水 合 物 分 解释 放 的 甲 烷 缓 慢 渗 流 的 产 物 。 其 次 是 海 底 发 育 含 有
31、大 量 垂 向 的 管 状 组 构 ( tube2like structure)的 细 菌 成 因732第 2期 冯 东 等 :新 元 古 代 晚 期 盖 帽 碳 酸 盐 岩 的 成 因 与 “ 雪 球 地 球 ” 的 终 结 机 制 纹 层 状 沉 积 ,横 向 上 不 连 续 的 生 物 丘 状 体 和 包 卷 丘 状体 、 及 凝 块 结 构 表 明 是 生 物 成 因 的 。 这 些 管 状 组 构 与现 代 冷 泉 碳 酸 盐 岩 中 常 见 的 沉 积 组 构 非 常 相 似 ,而 且含 有 现 代 天 然 气 渗 漏 系 统 的 沉 积 矿 物 黄 铁 矿 和 重 晶石 7, 3
32、3 , Kennedy等 7 认 为 是 天 然 气 渗 漏 的 通 道 。 冷泉 系 统 中 细 菌 席 可 以 起 到 对 上 浮 气 体 的 封 盖 作 用 ,气体 在 沉 积 物 渗 透 率 和 粘 结 性 容 许 的 情 况 下 间 歇 地 渗透 穿 过 细 菌 席 ,当 沉 积 物 的 粘 结 性 非 常 强 时 ,气 体 侧向 迁 移 ,冲 破 沉 积 层 ,形 成 气 泡 33 。 在 渗 透 性 相 对 较好 的 沉 积 物 中 ,如 盖 帽 碳 酸 盐 岩 底 部 板 状 白 云 岩 和 下伏 的 杂 砾 岩 中 ,气 体 可 以 扩 散 通 过 。 因 此 ,在 不 同
33、的沉 积 物 中 观 察 到 不 同 形 态 的 的 管 状 组 构 无 疑 与 渗 漏相 关 7 。(2) 碳 同 位 素 变 化 特 征 :新 元 古 代 时 期 大 陆 冰 盖圈 闭 了 大 量 的 有 机 物 质 ,当 冰 盖 开 始 融 化 ,近 海 冰 盖由 于 海 平 面 的 上 升 而 融 化 ,冻 土 带 天 然 气 水 合 物 失 稳释 放 大 量 的 甲 烷 ,这 些 甲 烷 的 一 个 典 型 特 点 就 是 严 重的 亏 损 13 C (生 物 成 因 甲 烷 ) ,导 致 盖 帽 碳 酸 盐 岩 中 碳同 位 素 的 异 常 7 。 Kennedy等 7 对 纳 米
34、 比 亚 北 部Maleberg组 盖 帽 碳 酸 盐 岩 研 究 发 现 ,碳 同 位 素 漂 移 随时 间 的 变 化 特 征 表 明 有 一 同 位 素 亏 损 的 碳 源 额 外 突然 加 入 到 海 洋 大 气 系 统 中 (图 2)。 碳 同 位 素 恢 复到 正 常 需 要 105年 的 时 间 (图 2B )。 此 外 ,碳 同 位 素质 量 守 恒 计 算 表 明 ,由 水 合 物 失 稳 所 释 放 的 碳 量 与 冰后 期 盖 帽 碳 酸 盐 岩 的 碳 量 是 一 致 的 。 假 定 现 代 溶 解的 无 机 碳 的 数 量 为 104 Gt,海 洋 碳 同 位 素 组
35、 成 为 0 ,天 然 气 水 合 物 分 解 的 甲 烷 的 碳 同 位 素 值 为 - 60 ,那么 使 盖 帽 碳 酸 盐 岩 碳 同 位 素 发 生 5 的 负 漂 移 ,至 少需 要 3 1017摩 尔 的 甲 烷 气 。 同 时 根 据 碳 酸 盐 岩 数 量估 算 ,在 面 积 为 2. 7 107 km2的 现 代 大 陆 架 上 覆 盖1m厚 的 盖 帽 碳 酸 盐 岩 需 要 8 1017摩 尔 的 碳 酸 盐 7 ,这 与 对 北 极 大 陆 架 释 放 甲 烷 气 体 的 估 算 值 7 1017摩尔 中 所 含 的 碳 量 是 一 致 的 34 。 加 之 新 元 古
36、 代 晚 期 冻土 带 到 达 赤 道 附 近 以 及 内 陆 盆 地 中 广 泛 发 育 的 天 然气 水 合 物 分 解 释 放 的 碳 足 以 在 全 球 形 成 几 米 厚 的 碳酸 盐 岩 层 7, 8 。(3) 盖 帽 碳 酸 盐 岩 中 碳 同 位 素 值 的 强 烈 负 偏 移 :J iang等 8 在 中 国 南 方 陡 山 沱 组 底 部 盖 帽 碳 酸 盐 岩中 ,检 测 到 含 草 莓 状 黄 铁 矿 的 亮 晶 方 解 石 凝 块 及 被 方解 石 亮 晶 围 绕 的 球 状 粒 碳 酸 盐 岩 具 有 极 负 的 碳 同 位素 组 成 ,分 别 为 - 41. 16
37、6 和 - 35. 167 。 如 此 负 的碳 同 位 素 组 成 的 盖 帽 碳 酸 盐 岩 确 切 地 表 明 了 与 甲 烷渗 漏 有 关 ,结 合 现 代 甲 烷 渗 漏 沉 积 中 常 见 产 物 草 莓 状黄 铁 矿 和 重 晶 石 ,表 明 了 是 渗 漏 甲 烷 经 微 生 物 作 用 的产 物 ,可 能 与 天 然 气 水 合 物 的 分 解 有 关 。图 2 纳 米 比 亚 北 部 Duurwater的 Maieberg组 碳 同 位 素 变 化A对 应 地 层 位 置 ; B对 应 时 间 7 。Fig. 2 Carbon isotop ic variation fro
38、m Maieberg Formation,Duurwater, northern Nam ibia p lottedagainst stratigraphic position (A) and interp retation of time (B)4 争 论 和 认 识“ 雪 球 地 球 ” 和 “ 甲 烷 渗 漏 ” 假 说 都 涉 及 海 水 碳 同位 素 的 短 期 变 化 。 “ 甲 烷 渗 漏 ” 假 说 回 避 了 “ 雪 球 地球 ” 假 说 中 提 出 的 大 气 中 需 要 很 长 的 时 间 (10 Ma)来聚 集 如 此 高 浓 度 的 二 氧 化 碳 ,但 它 为 新
39、元 古 代 晚 期 盖帽 碳 酸 盐 岩 中 碳 同 位 素 的 短 期 变 化 提 供 了 一 个 合 理的 解 释 35 。 此 外 ,甲 烷 气 体 也 是 一 种 强 烈 的 温 室 气体 ,它 的 存 在 也 可 以 帮 助 解 释 “ 雪 球 地 球 ” 假 说 中 “ 雪球 ” 的 快 速 融 化 。(1) 冰 雪 是 否 覆 盖 了 整 个 地 球 : Condon等 18 观察 到 新 元 古 代 冰 期 (Hoffman等 9 认 为 冰 封 的 时 代 )大 洋 海 底 含 有 层 状 岩 屑 的 岩 石 ,如 果 岩 屑 到 达 海 底 ,说 明 大 洋 已 经 融 化
40、 ,表 明 新 元 古 代 冰 期 每 年 至 少 有 一段 时 间 大 洋 是 没 有 被 冻 结 的 。 冰 期 数 值 模 拟 结 果 并不 支 持 完 全 冰 封 的 海 洋 ,由 于 巨 大 的 海 洋 水 体 包 含 了大 量 的 能 量 ,新 元 古 代 冰 期 冰 盖 只 到 达 了 现 在 欧 洲 的北 部 ,冰 盖 的 规 模 不 可 能 封 住 整 个 大 洋 36 。 其 次 如果 大 洋 结 冰 ,无 疑 会 伴 随 出 现 海 平 面 的 明 显 下 降 ,但目 前 没 有 此 方 面 的 地 质 学 证 据 。 这 些 都 对 “ 雪 球 地球 ” 假 说 提 出
41、 了 置 疑 。 相 比 较 ,“ 泥 球 地 球 ” ( SlushballEarth)似 乎 更 有 说 服 力 37 ,“ 泥 球 地 球 ” 的 核 心 内 容832沉 积 学 报 第 24卷 是 大 陆 被 冰 川 完 全 封 盖 ,而 赤 道 附 近 的 海 洋 只 有 部 分被 冰 封 盖 38, 39 。(2) 冰 期 结 束 的 触 发 机 制 :问 题 的 焦 点 主 要 集 中在 当 时 的 大 气 中 是 否 具 有 触 发 “ 雪 球 ” 融 化 的 临 界 二氧 化 碳 浓 度 。 Pierrehumbert 36 的 大 气 环 流 模 型 使 用逐 步 增 加
42、大 气 中 二 氧 化 碳 含 量 的 方 法 计 算 触 发 “ 雪球 地 球 ” 融 化 的 临 界 (极 限 )二 氧 化 碳 浓 度 ,结 果 表 明即 使 二 氧 化 碳 浓 度 达 到 目 前 大 气 二 氧 化 碳 浓 度 的550倍 (0. 2bar) ,也 不 能 使 “ 雪 球 ” 融 化 。 他 还 强 调 即使 大 气 中 二 氧 化 碳 的 浓 度 再 高 ,如 果 没 有 别 的 未 知 因素 的 影 响 ,“ 雪 球 地 球 ” 融 化 似 乎 不 太 可 能 。(3) 盖 帽 碳 酸 盐 岩 的 成 因 : J iang等 8 发 现 的 盖帽 碳 酸 盐 岩
43、中 存 在 的 碳 同 位 素 极 度 负 值( - 41. 166 )似 乎 强 烈 支 持 了 盖 帽 碳 酸 盐 岩 的 “ 甲烷 渗 漏 ” 假 说 。 然 而 , Shap iro 40 指 出 如 果 是 碳 氢 化 合物 成 因 的 碳 酸 盐 岩 为 什 么 在 盖 帽 碳 酸 盐 岩 中 没 有 发现 沥 青 质 ? 对 此 , Kennedy等 认 为 冻 土 带 的 天 然 气 水合 物 通 常 缺 少 沥 青 质 ,而 且 天 然 气 水 合 物 是 在 数 千 年的 时 间 里 缓 慢 分 解 释 放 的 ,只 能 扰 动 渗 漏 区 域 附 近 的海 底 41 。
44、对 于 Kennedy等 7 认 为 盖 帽 碳 酸 盐 岩 中 由天 然 气 渗 漏 形 成 的 帐 篷 状 构 造 , 2005年 Hoffman及 同事 在 科 学 上 著 文 认 为 是 冰 后 期 的 巨 型 风 暴 沉积 19 。 Kennedy等 7 提 出 “ 甲 烷 渗 漏 ” 假 说 的 证 据 之一 管 状 组 构 也 遭 到 了 质 疑 。 Hoffman 9, 10 等 对 一 些 盖帽 碳 酸 盐 岩 中 常 见 的 微 生 物 成 因 的 生 物 礁 和 生 物 层(叠 层 石 )的 成 因 提 出 异 议 ,认 为 内 部 含 有 垂 向 的 管状 或 板 状
45、微 晶 灰 岩 沉 积 物 和 胶 结 物 充 填 的 叠 层 石 是由 于 微 晶 灰 岩 沉 积 物 在 叠 层 石 表 面 浅 的 小 沟 或 小 槽内 聚 集 ,使 其 在 形 态 上 发 生 变 化 而 形 成 的 9, 10 。 并 非“ 甲 烷 渗 漏 ” 假 说 所 述 的 由 于 气 体 渗 漏 成 因 7 。(4) 碳 同 位 素 变 化 :碳 同 位 素 数 据 对 于 不 同 假 说的 验 证 起 到 非 常 关 键 的 作 用 ,但 目 前 只 有 少 数 几 个 地区 发 现 的 碳 同 位 素 数 据 支 持 各 自 的 观 点 ,还 没 有 普 遍性 。 而 且
46、 Kennedy等 对 “ 雪 球 地 球 ” 假 设 的 另 一 个 核心 证 据 提 出 了 质 疑 。 通 过 对 采 自 纳 米 比 亚 、 形 成 于 陆地 冰 盖 融 化 之 前 的 碳 酸 盐 岩 石 样 本 的 分 析 ,他 们 并 没有 发 现 Hoffman等 9 在 他 们 的 地 质 证 据 中 所 发 现 的特 殊 (冰 期 前 碳 酸 盐 岩 的 13 C值 大 于 5 ,最 高 达11 )碳 同 位 素 证 据 40 。 对 于 天 然 气 水 合 物 渗 漏 分解 假 说 ,虽 然 已 有 碳 同 位 素 数 据 的 支 持 ,但 数 据 目 前还 很 少 ,在
47、 获 得 大 多 数 人 的 认 同 之 前 ,还 要 做 大 量 的工 作 。(5) 锶 同 位 素 :海 水 Sr同 位 素 组 成 主 要 受 控 于陆 壳 风 化 作 用 和 由 海 底 热 液 活 动 ,前 者 具 有 高 的87 Sr/86 Sr比 值 ,后 者 具 有 低 的 87 Sr/86 Sr比 值 43, 44 。 冰期 和 冰 后 期 沉 积 物 中 锶 同 位 素 数 值 (87 Sr/86 Sr)没 有明 显 的 变 化 (从 冰 川 沉 积 物 的 0. 707 2到 之 上 几 百 米的 0. 707 7) 42 ,不 支 持 “ 雪 球 地 球 ” 假 说 中
48、 冰 期 风 化作 用 的 严 重 减 少 或 甚 至 停 止 ,以 及 冰 期 结 束 后 岩 石 物理 化 学 风 化 作 用 的 迅 速 增 强 9 ,与 “ 甲 烷 渗 漏 ” 假 说一 致 2, 32 。 Hoffman等 10 则 认 为 冰 期 前 后 碳 酸 盐 岩87 Sr/86 Sr比 值 的 微 小 变 化 可 能 是 由 于 冰 期 非 常 短 暂 ,没 有 造 成 海 水 中 87 Sr/86 Sr比 值 的 较 大 变 化 ,或 者 是 由于 冰 期 后 超 级 温 室 下 强 烈 的 风 化 作 用 ,碳 酸 盐 岩 溶 解对 87 Sr/86 Sr比 值 的 缓 冲 作 用 。( 6) 地 球 的 “ 雪 球 ” 时 期 有 多 长 :最 近 Bodisel2itsch等 45 分 析 了 来 自 赤 道 非 洲 赞 比 亚 和 刚 果 的 三 个钻 芯 ,他 们 认 为 富 含 铱 的 陨 星 尘 埃 在 冰 封 的 地 球 上 累积 ,直 到 地 球 突 然 融 化 。 冰 雪 里 累 积 的 铱 元 素 ,将 储藏 在 海 洋 中 单 一 的 、 薄 薄 的 一 层
