3.3.3　大冰期—大间冰期交替

3.3.3　大冰期—大间冰期交替

大约距今10亿年前以来，气候变化的主要特征是，各种各样的气候类型形成和周而复始的冰期大势渐定。通常把长期的全球寒冷气候时期称作大冰期（冰河期）。大冰期时，估计地面气温可比现在低3℃～7℃，冰川的范围扩大，最大时可达大陆面积的30%。由于水分都在两极高纬地区变成冰雪，并且海水水体由于变冷收缩，海洋水位显著下降，在冰河时期海水水位比目前要低100m之多。大间冰期与大冰期交替出现。大间冰期时地球大气的气温较高，据估计比现在可能要高出8℃～12℃，那时的地球南、北极没有积冰，海水水位要比现在高得多。

这个时间尺度上，尽管人们能从自然中找到的证据越来越多，但是对于究竟出现过几次大冰期，仍然是具有不同的意见。我们这里引用汤懋苍（1997）的说法，地球上可能出现过7次大冰期（表3.1）。

表3.1　银河旋臂磁极与地球磁极耦合的C型与大冰期出现时间对照（时间单位:亿年）（汤懋苍等，1997）

注:C型为银河旋臂磁极与地球磁极方向相同，且其相交时间距地磁极性倒转点2千万年以外。这时地球经过旋臂主要部分的整个时间内（需3千万～4千万年），因两者的磁力方向相同，磁场强度亦大，故可激发地核环流转为“强对流型”。这是引起地壳强烈垂直形变（造山运动）的力学基础，而地形的大幅抬升又是大冰期形成的必要条件。

估算的地球历史温度变化曲线凸显出从新元古代开始气候变化的冷暖交替特点（图3.20，图中的地质年代起止时间见表1.2）。从前寒武纪晚期到古生代（寒武纪到二叠纪）中发生过几次大冰期，中生代（三叠纪到白垩纪）时则非常温暖，两极附近年平均温度可能达到10℃，所以极地没有永久性冰盖。中生代之后进入第三纪，气候持续变冷，温度降幅甚至超过了10℃。然后就进入了一个新的大冰期，即气候激烈变动的第四纪。总的说来寒冷气候时期比温暖气候时期时间短，前者每次几百万年至几千万年，后者则可持续几亿年。

图3.20　全球平均温度变化曲线（http://www.scotese.com/climate.htm）

人们对大冰期时的地球气候进行了很多的研究，最近提出的“雪球”假说用以解释新元古代一系列特殊的地质现象，引起了人们极大的兴趣。在约距今7.5亿年前和距今6亿年前，地表有可能被冰全部覆盖，而形成雪球，整个地球是一个冰封万里，银装素裹的世界。雪球是怎样形成和融化的呢?前面已经提到的“冰川灾变”开启了雪球之门，相对于水面和地面，冰雪对入射的太阳光具有较高的反照率。冰雪面积越大，反射回宇宙的太阳能就越多。在某种条件下，这种反馈过程增强，使得两极的冰盖扩大并向低纬度推进。当极区冰盖向赤道方向推进超过纬度30°后，将迅猛加速，最终到达赤道地区，形成“冰川灾变”事件，整个地球成为雪球。雪球假说中的地球，是一个冰封的地球，两极和赤道温差不大，没有蒸发作用，没有风和雨，也不发生岩石化学风化作用。当火山活动排放的二氧化碳的含量超过某个阈值后（可能为当前含量的350倍），温室效应占据主要地位，地球开始变暖，冰雪融化，冰期结束。

大冰期—大间冰期的交替与地球生物圈和岩石圈的演化相互影响。从元古代末期开始，生物的繁盛和绝灭事件交替发生，发生了多次生物集群绝灭事件，最著名的当属二叠纪末和白垩纪末的生物灭绝事件。而在这段时间里地球上的大陆板块分分合合，并逐步演变至现代的海陆分布形式。二叠纪末（距今2.5亿年前）板块运动导致联合古大陆的形成（图3.21），由于地球内部的隔热效应，大规模火山爆发的放热效应，全球性海退事件和随后缺氧盆地的出现，干旱气候带的迅速扩大和陆地森林的野火事件，频繁的古地磁极性倒转和保护生命的磁盾作用减弱以及地球内部质心偏转等原因，二叠纪末出现生物大绝灭，生物的种级绝灭率多数达到95%～100%。之后，动植物分别进化为爬行类和裸子植物。中生代时全球规模的联合古陆发生分裂、漂移作用，可能促使陆生动物重新下海，重返海洋生活。另外，距今0.65亿年前的白垩纪末，可能发生了地外星体陨击地球的事件，地球内外圈层多种重大灾害群发，白垩纪里占有绝对统治地位的恐龙全部绝灭，开始了被子植物和哺乳动物为主宰的阶段。而人类所处的第四纪冰期，则可能是以青藏高原为主的构造隆升导致的。

图3.21　距今2.55亿年前、6600万年前、1.8万年前（¹⁴C年龄）与现代地球大陆分布

（http://www.scotese.com/earth.htm）

对大冰期成因的探讨是一个非常热门的课题，但是至今未有统一的看法。众多的研究者认为可能与太阳系在银河系中运行的位置有关。汤懋苍（1997）提出了地球大冰期—大间冰期形成的假说，认为银河系存在着两条旋臂，其磁场的极性方向相反，地球跟着太阳在银河系中绕着银心旋转，当地球背景磁场与银河旋臂磁场极性符号相同时，外磁场将激发地球外核环流转为强对流型，引起地壳和地幔强烈的垂直运动（强造山运动），致使大气热机效率（热能转换为机械能的效率）大为提高，高纬地区强降温，这是大冰期形成的根本原因。反之，当地球背景磁场与银河旋臂磁场极性相反时，地球外核环流将转向地转流型，垂直运动很弱，地壳表面将主要是“夷平作用”，致使大气热机效率亦降低，行星风系减弱，高纬增温，形成大间冰期。