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生物演化对冰川的作用

已有 3990 次阅读 2007-9-7 17:01 |个人分类:地球科学

生物演化对冰川的作用

廖永岩著

广东海洋大学
电子信箱:rock6783@126.com

由于第四纪冰川期尚未完全结束,现在的地球两极及高山上,仍能观察到冰川(秦大河和任贾文,2001 地史上冰川期的次数,有不同说法,有学者认为地质史上共发生过5次大冰期[Reading, 1978];有的认为只有四期(宋春青和张振春,1996;有学者把元古宙及以前的冰期分为3~5个冰期Kaufman, et. al., 1997

地质史上冰川的形成和消融的原因,曾有很多种理论对其进行说明和解释。其中占主导地位的是天文假说,如有学者认为冰川的形成是由于地球自转轴和黄道面夹角作周期性缓慢变化而形成Williams, 1975b;后来,又有“动态倾斜模型”来解释冰川的形成Williams, 1975a。其它的还有大气成分说和构造运动说等。直至20世纪90年代,由于大量古地磁学、同位素学、碳酸盐沉积等地球物理学和地球化学及古生物学等方面的资料和证据不断积累,Kirschvink等提出了“雪球假说”Kirschvink, 1992; Hoffman, 1998。这个模型提出了新元古宙冰期冰川形成与二氧化碳的温室效应变化有关,并用相关的证据进行了解释和说明。“雪球假说”没有解释其它冰期冰川的成因。 所以,对冰期冰川形成的原因进行综合研究是必要的。

1、有机碳的沉积

构成地球的主要岩石是硅酸盐岩(中国科学院地球化学研究所,1998。火山喷发、地震等排气作用和地表硅酸盐的风化作用,使大气里的CO2,海洋里的CO2HCO3-CO32-处于平衡状态(中国科学院地球化学研究所,1998 在这个平衡状态下,光合作用吸收CO2造成碳酸盐岩沉淀,可以用以下公式表示:

Ca(或Mg(HCO3)2                      Ca(或MgCO3+H2O+CO2                      1

简单地理解就是:光合作用消耗1分子CO2,形成1分子CaCO3MgCO3

有关地壳沉积岩里的碳酸盐岩和有机碳的量,目前已有很多资料报道。有的认为,地壳岩石中平均含有0.27%的碳,73%以碳酸盐岩的形式存在,约27%为干酪根(Kerogen)类有机物沉积秦大河,2003。 有的认为,沉积碳酸盐岩为6×107Gt(1Gt=109t),有机物沉积为1.5×107GtFalkowski, et. al. 2000。 有的认为,碳酸盐岩沉淀为5.2×1021mol,有机碳沉积为1.3×1021molMorse and Mackenzie, 1990; Schlesinger, 1990。 还有的认为,全球碳的含量为1023gC有机化合物为1.56×1022gC,沉积岩中的碳酸盐岩为6.5×1022gCSchlesinger 1997

因为有如下方程式曹宗巽和吴相钰,1979

     光合作用

CO2+H2O            CH2O+O2                                            2

           呼吸作用

 

光合作用形成1分子(CH20)有机物,将产生1分子O2,固定1分子CO2。简单地说:植物光合作用形成一分子(CH20),将固定1分子CO2。 根据(1)式可知,每消耗1分子CO2,将形成1分子CaCO3MgCO3。所以,也可以这样说:植物光合作用形成1分子(CH20),将引起1分子CaCO3MgCO3沉淀。

有机物(CH2O)的分子量为30CaCO3的分子量为100MgCO3的分子量为84.3。我们假设地壳里的碳酸盐岩沉积岩中,CaCO3MgCO3各占50%,则碳酸盐岩沉积岩的平均分子量为92.15。 有机物(CH2O)和碳酸盐岩的质量比=30÷92.15×100%=32.5%

因为矿物有机物,主要是干酪根(Kerogen),约占沉积有机物的80-90%张厚福等,1999 Durand等根据世界各地440个干酪根样品的元素分析发现,干酪根主要由碳、氢、氧、硫和氮组成。 质量百分比平均值为:碳:76.4%,氢:6.3%,氧:11.1%,这三者共占93.8%,是干酪根的主要成分Durand, 1980。 因为碳、氢和氧的原子量分别为12116,所以,根据干酪根的原子比可以将其分子简写为:C64H63O7 C64H63O7和(CH20)比较,明显地少氧和氢。 所以,有机质在还原环境下,经高温高压而形成干酪根的过程,是有机物(CH20)利用自己的结构氧,氧化碳和氢,使氧和氢以CO2H2O形式逸出的过程张厚福等,1999。 简写方程式如下:

n(CH2O)= C64H63O7+x    H2O+yCO2                                                 (3)

因为等式两边相等,在(CH2O)里,就原子数来说,C=02C=H,则有方程式(4)(5)

x+2y+7=y+64                                                             (4)

2x+63=2×(y+64)                                                         (5)

解方程得:

x=44.75,y=12.25,n=76.25。所以,(3)式可以写成:

76.25(CH2O)= C64H63O7+44.75H2O+12.25CO2                                     (6)

因为76.25 molCH2O)形成943 g C64H63O7,同时形成12.25 molCO2,这12.25 molCO2又变成了无机碳。由(2)式可知,进行呼吸作用时,分解1分子(CH2O),产生1分子CO2,所以,可以认为,有12.25 mol的(CH2O)分解成了12.25 mol CO2

因为CH2O的分子量为30;所以,每形成1摩尔C64H63O7,将消耗有机物(CH2O)的量=76.25-12.25)×30=1920 gC64H63O7分子量为943C64H63O7占干酪根质量比的93.8%,所以,每形成1 g干酪根,将要消耗有机物(CH2O)的量=1920÷943×93.8%=1.9 g

这样的话,若按现在报道的干酪根的最少量1.5×107 GtFalkowski, et. al., 2000,实际消耗的有机物为2.85×107 Gt。若无机碳酸盐岩沉积岩按已报道的最大量6.5×107 GtSchlesinger, 1997,有机物(CH2O)与碳酸盐岩沉积岩(CaCO3MgCO3)的质量比为32.5%。形成所有碳酸盐岩沉积岩所需光合作用合成的矿物有机物量=6.5×107 Gt×32.5%=2.11×107 Gt。也可以这样说,植物光合作用合成2.11×107 Gt矿物有机物,使海洋里的HCO3-CO32-减少,并形成碳酸盐岩沉淀;合成2.85×107 Gt-2.11×107 Gt=0.74×107 Gt矿物有机物使大气中的二氧化碳减少并造成pH值升高。

简单地说,光合作用消耗二氧化碳,合成矿物有机物;大量矿物有机物的沉积,使二氧化碳减少

2、二氧化碳与温室效应和冰川形成的关系

随着全球变化的深入研究,学术界认识到二氧化碳温室效应对全球气候影响的重要性。二氧化碳等温室气体浓度上升,温室效应增强,大气温度升高,引起冰川消融;二氧化碳等温室气体浓度降低,温室效应减弱,大气温度降低,当两极及高山上的温度降至冰点以下时,造成冰川的形成Kirschvink, 1992; Hoffman, 1998

一般认为,大气中的二氧化碳,主要是通过地球排气作用而产生Ozima and Podosek, 1983; Berner, et. al., 1983。所以,地球上的二氧化碳是随着时间的推移,在不断增加。 23.5亿年前,大气几乎全由CO2N2组成,其它组分只属微量Krupp, et. al., 199422~27.5亿年间古大气CO2含量约为今天的100Rye, et. al., 1995

但是,从太古宙至今,二氧化碳浓度不仅没有增加,反而在逐渐减少,最后导致了冰川的形成Kirschvink, 1992; Hoffman, 1998; Berneret. al., 1983; Donnadieu, et. al., 2004 那么,是什么原因使二氧化碳的浓度降低的呢?

我们知道,引起二氧化碳减少的原因,主要有两个:一个原因如(2)式所示,是植物的光合作用,将二氧化碳转化为有机物(或矿物有机物),并放出氧气曹宗巽和吴相钰,1979

另一个原因是二氧化碳形成碳酸盐岩而沉淀。 当最早的绿色植物于35亿年前出现时,地壳才有碳酸盐岩沉淀(张均,1998。这说明碳酸盐岩沉淀是随着绿色植物光合作用而开始的,是由于光合作用直接或间接引起的沉淀:地球刚形成时的表面,由于大量的二氧化碳,及其它酸性物质的存在,pH很低,这种环境是不可能有碳酸盐岩沉淀的;光合作用,吸收大量的二氧化碳,使pH升高。在一定pH值下,若海洋中二氧化碳达饱和,进行强烈的光合作用时,使(1)式反应向右进行,产生白色的CaCO3沉淀。

从以上看出,二氧化碳的变化,主要由绿色植物的光合作用直接或间接引起:植物的大量繁殖,由于光合作用大量消耗二氧化碳,直接造成二氧化碳浓度的降低;同时,由于光合作用,使pH升高,造成大量二氧化碳以碳酸盐岩的形式沉淀,间接引起二氧化碳浓度的降低。

二氧化碳的光合作用补偿点为0.005~0.01%(不同的植物,补偿点有区别,现大气的二氧化碳浓度为0.035%)Berner, et. al., 1983。也就是说,只有当大气二氧化碳的浓度低于0.005~0.01%时,绿色植物才不会再吸收大气中的二氧化碳进行光合作用。若大量的绿色植物进行光合作用,在光合作用的直接和间接作用下,经过漫长的时间,大气中的二氧化碳逐渐降低,最后直接逼近0.005~0.01%或低于0.005~0.01%时,二氧化碳的温室效应已相当低了。一旦二氧化碳的温室效应相当低,大气的温度就会不断下降。当两极的温度降至0以下时,就造成冰川的形成。

3、生物的演化过程

由于原始地球不断向外辐射能量,地球的温度逐渐降低,40~38亿年前地壳形成(张均,1998。当地壳的温度降至常压下的100以下时,原始大气中的水蒸气凝结成水(若压力高,则水的凝结点也相应地高),原始海洋形成(张均,1998。这为生物的出现提供了基础条件,可能于38亿年前,或更早,出现了原核细胞(为异养性生物,并具有厌氧性)。35亿前或更早,出现进行光合作用的植物(蓝藻)(张均,1998; 郝守刚等,2000。含有染色体、细胞核及其它进化的内部结构的细胞构成的真核生物出现于20-19亿年前,9-8.5亿年前至7亿年前,疑原类(acritarchs)单细胞真核生物繁盛,但在6亿年前左右绝灭(张均,1998; 郝守刚等,2000

多细胞生物大约在7-6亿年前出现,其间发生了多细胞化、组织分化、性分化和世代交替的生活史出现。后生植物化石(多细胞藻类),略早于埃迪卡拉(Ediacara)后生动物化石郝守刚等,2000。各地所发现的埃迪卡拉动物群的层位均介于新元古代末期冰碛层之上,时限为5.8-5.6亿年前郝守刚等,2000Conway Morris, 1993。小壳动物化石出现5.6亿年前[郝守刚等,2000]5.44亿年前,出现了寒武纪生物大爆发郝守刚等,2000Conway Morris, 1993; Bowring, et. al., 1993

从新元古宙开始至志留纪,海洋植物主要是多细胞藻类进化并繁盛。

志留纪后,植物开始登陆,石炭纪时,蕨类植物繁盛。

裸子植物,从晚二叠纪(约2.5亿年前)开始至中生代(距今约2.5~0.5亿年),讯速地发展起来(宋春青和张振春,1996

早白垩纪晚期,地史上第一次出现了被子植物,发展讯速,到晚白垩纪,终于取代了裸子植物,在大陆上占统治地位(宋春青和张振春,1996

4、新元古宙以前冰川期的形成

新元古宙(9-8亿年前)前有几个冰川期?由于相关地质资料的缺乏,这仍是一个有待进一步研究的问题。目前知道的只有它们大约是29-27亿年前和24-23亿年前的冰川韩吟文和马振东,2003

通过前面的冰川的地质作用分析可知,冰川活动能引起地质构造运动(如造山运动和造海运动),就有火山喷发和地震MeGuire, 1992; Zielinski, et. al., 1996。根据地质史上构造运动、火山喷发和地震资料看,整个太古宙地壳运动、岩浆活动具有明显的阶段性:距今35亿年前西北利亚地盾的萨姆运动(Saamian),30亿年前非洲中南部的达荷美运动(Dahomeyan,中国称为迁西运动)24-26亿年前北美地盾的基诺尔运动(Kenoran,为太古宙最强烈、影响范围最大,中国称为阜平运动)

元古宙的地壳运动有20-19亿年前的哈德逊(Hudsonian)运动(欧洲称卡累利运动,中国称吕梁运动)。中元古宙末的昆阳运动何锡麟,1997

虽然资料还很不完善,但可以初步估计,新元古宙前的太古宙和中、早元古宙,可能有5个冰川期:大约是35亿年前、29-27亿年前、24-23亿年前、19-17亿年前、14-12亿年前的冰川期。

最先出现在地球上的生物可能是异养细菌,这些原核生物主要以分解原始海洋里的有机物而生存。它们将高分子的碳水化合物、脂肪和蛋白质分解为低级脂肪酸等物质陈明耀,1995。然后是光合细菌类生物,它们利用光能,以有机物、硫化氢和硫代硫代酸钠为还原CO2的供氢体,合成有机物陈明耀,1995。自从生物在地球上开始出现,至大约35亿年前,由于以上的生物非放氧光合成作用,使大气中的CO2浓度降低。以上生物的光合成作用,和风化作用一道,引起pH值上升Berner, et. al., 1983; Hoffman, et. al., 1998。当pH>pHCO2 (pHCO2为水体中所有的HCO3-H+中和时的pH),就会造成大量CO2溶于海洋,这将导致大气CO2浓度急剧下降,使温室效应降低,引起冰川的形成。虽然这次形成的冰川规模可能很小,但由于地壳刚形成不久,地球的流体性相当强,较小的冰川形成和消融,也会导致强烈的地质活动,引发火山喷发和地震MeGuire, 1992; Zielinski, et. al., 1996

35亿年前的生物,主要以有机物、硫化氢和硫代硫代酸钠为还原CO2的供氢体,合成有机物而生存。一旦这类供氢体消耗殆尽,这类生物将急剧减少。同时,降温作用,也是造成这类生物减少的一个原因。

所以,当这类生物消耗CO2的能力小于地球的去气作用产生CO2的能力时,降温作用将停止,温度将上升,导致这次冰川期的结束。

由于光合成不放氧生物的死亡,为蓝藻类放氧光合作用生物提供了生态空间,使它们得以出现。

29-27亿年前和24-23亿年前的冰川,主要是由蓝藻类光合放氧生物(绿色植物)繁盛引起的。由于降温和冰川作用,使它们的生存空间减少,它们消耗CO2能力小于火山喷发和地震类地球去气作用而宣告这两次冰川的结束。

因为24-23亿年前的冰川形成时,O2的积累增加,生物生存的空间增大,单位体积水体的生物量增大,光合作用也增强。所以,这次冰川期的温度最低,是太古宙以来最大的一次冰川期。

有氧呼吸代谢的生命体,所需的最低限度的O2浓度大约为现代大气O2浓度的1%20亿年前左右,经过蓝藻十几亿年的努力,将大气氧含量升到现在大气氧含量的1%。这个程度的氧含量,可以形成比较薄的臭氧层,可以屏蔽250nm的全部紫外线,只要水深至4.2 m,还能屏蔽320 nm的全部紫外线。换句话说,生物只要在4.2 m以下的水里,就能免受紫外线的伤害Wayne, 2000 

由于含氧量的增加,真核细胞得以演化出来。同时,由于这次较大冰期的作用,导致原核生物的衰弱,也为真核细胞的出现创造了生存空间。

19-17亿年前和14-12亿年前的冰川期,是由蓝藻和真核细胞共同作用造成的,也是由于冰川期温度下降而缩小它们的生存空间,减弱光合作用,使光合作用消耗CO2能力小于火山喷发和地震等去气作用而结束。

5、新元古冰期的形成

因为O2达到现代大气浓度的1/10时,所产生的O3浓度就几乎完全屏蔽了有害的紫外辐射Wayne, 2000。到新元古宙(9-8.5亿年前至寒武纪开始的5.7亿年前),O2含量达现在大气含氧量的6%~10%,所以能允许真核单细胞藻类在海洋表面(水深4.2 m至空气)进行强烈光合作用,旺盛地生长繁殖,引起真核藻类的繁盛。

新元古宙,大约有2-3个冰川期,这和新元古宙以前不一样,冰川期与冰川期之间的间隔缩小。这主要是由于大量的真核细胞进行强烈的光合作用,能在不太长的时间里,使火山喷发和地震产生的CO2在较短的时间内又得以降低而造成的。由于O2浓度的升高,这种反复形成的冰川,引起的生存空间变化,使多细胞生物得以演化产生。

可能冰川形成和消融时形成的去气作用,先弱后强,具有一定的阶段性。至新元古宙最大一次冰川期时,由于绿色植物的生物量已足够大,光合作用已足够强,小规模冰川形成的火山喷发和地震等去气作用,仍然没有光合作用消耗CO2的能力强,所以,温度继续降低,冰川继续增大,从而造成地球历史上最大的一次冰川期。

如果光合作用太强,矿物有机碳沉积作用也太强,冰川作用造成的CO2的增加,永远赶不上光合作用消耗CO2的作用,这将导致一个真正雪球的出现。但是,7-6亿年前多细胞生物的出现,导致6-5.6亿年前多细胞动物的出现,也就是藻类的天敌——植食动物出现郝守刚,2000。由于这时尚没有肉食动物的出现,植食动物没有自已的天敌,植食动物得以大发展。大量的植食动物的繁盛,导致单细胞藻类的急剧下降。由于单细胞藻类的急剧下降,无法维持CO2的平衡,造成CO2的剧增,从而导致这次大冰川的结束。

6奥陶纪冰期的形成

奥陶纪以前冰川作用引起的造山运动,使地球上的陆地得以增加。由于有了大块的(或较多的)陆地,也就有了浅海区域(大陆架)。这就为底栖多细胞藻类的生存准备了条件。同时,单细胞藻类的减少,也为多细胞藻类的生存提供了生态空间。所以,新元古宙之后,红藻等多细胞藻类出现,并引起适应辐射Taylor, 1992

摄食单细胞藻类的动物受藻类大量减少的影响,动物的生存竞争不断加剧。为了释放生存竞争的压力,寻找生存空间,动物就向各个所能找到的生态位扩散。经过不断的变异和演化,就演化出了很多适合不同生态环境的、形态和功能各异的生物。除了有植物食性的动物,也演化出了肉食性的动物。就出现了深海底、浅海底,浅海中,海表(因O2足够多,臭氧遮挡绝大部分紫外线)等不同生态位的五花八门的生物。这也就是所谓的寒武纪生物大爆发。

由于出现了比较完善的生态系统,单细胞藻类的数量得到一定的恢复。红藻等多细胞藻类能生存在较深的海域,躲避紫外线的伤害,继续进行光合作用。经过2亿多年的积累,大气中的O2不断升高,达现代大气的10%以上,CO2逐渐减少。这时,各种大型底栖藻类,尤其是巨藻等大型褐藻得以在浅海区大量繁盛起来,更加剧了CO2的减少Taylor, 1992。当CO2减少至不足以提供足够的温室效应时,表示又一次冰川的形成,也表示又一个冰期的到来。

因为这时的海洋生态系统已相当复杂和完善,奥陶纪冰期不可能有新元古宙时长,规模也不会有新元古宙时大。

当然,奥陶纪冰期虽然较短和规模较小,但除由巨藻引发而形成外,它也可能由其它的底栖藻类引发而形成,所以,奥陶纪冰期(在其前后不远的时间段内),也有可能由几个小冰期共同组成。

随着采食大型底栖藻类的动物——腹足类和海胆类等动物的出现何心一和徐桂荣,1993,这些动物和大型底栖藻类之间,建立了一种生态平衡,也就标志着这一次的冰期的结束。

自从奥陶纪冰期以后,海洋里已没有更高等的能引起冰川形成的植物出现,所以,海洋植物引起的冰川形成,造成冰期的时代,也就宣告结束了。

7、石炭、二叠纪冰期的形成

当新元古宙冰期之后,由于冰川的造海和造山运动,地球上出现了较多的陆地;奥陶纪晚期冰期的冰川作用,使陆地面积进一步扩大。由于海洋藻类的不断努力,氧气不断增加,大气中出现了较厚的臭氧层;这些,都为生物成功登陆创造了条件。

生物若要登陆成功,它必须适应陆地环境。首先要解决的就是水分的问题,然后要解决的是支撑的问题(因为失去了水的浮力)。

地衣植物虽然作过登陆的尝试,但因为它只是单细胞的蓝藻和细菌菌丝体组成,只是一种单细胞的组合,不具有吸收水平的能力,也没有保持水分的能力,最终以失败告终。

多细胞藻类出现之后,为植物登陆提供了组织上的保证。因为,多细胞的植物就有了细胞进行分工的可能。当它们在陆地上时,至少保水能力比单细胞强:就算表面的细胞因为干燥而死亡,内部的细胞,也能保证这种生物能继续生存。

最早登陆的多细胞植物是苔藓,它们原可能是生存于淡水沼泽的多细胞藻类(主要是绿藻),后因水退,而在陆地生活,从而成为陆地植物。

苔藓植物,只有假根,没有根的分化。 茎叶也分化不明显,多为叶状体,少为茎叶体。虽然成了陆生植物,但它们还不适应陆地的干旱气候,不可能得到大发展,更不可能形成大的森林以引起第一次陆地植物冰期的形成。

另一支上陆的多细胞植物,逐渐演化出了根、茎、叶,也就是出现了根、茎、叶的分化,并出现了较原始的维管组织。这就是蕨类植物。

蕨类植物,因为有了根,解决了吸收水分的问题。蕨类植物有了维管组织,也解决了运输水分和支撑高大个体的问题(使植物能充分展开在空中,便于更大可能地接受阳光,进行强烈的光合作用)。所以,蕨类植物,才是真正的陆生植物。

由于奥陶纪晚期冰期结束后,二氧化碳逐渐增多,气候变得越来越温暖和和潮湿,陆地上的动物相当少(如果陆地没有植物,没有食物,也就不会有动物)。蕨类植物慢慢在陆地上繁盛起来。在泥盆纪(距今4.09~3.62亿年),就形成了蕨类植物的小森林;在石炭纪(距今3.62~2.90亿年),形成了蕨类植物的大森林(宋春青和张振春,1996

由于经过太古宙、元古宙和奥陶纪多次大冰期的冰川作用,陆地面积已相当大,陆地上大片的蕨类植物森林出现,使二氧化碳的浓度逐渐减少(当然,除蕨类植物外,苔藓植物和海洋藻类也有一定的辅助作用)。当二氧化碳浓度减少至不足以维持正常的温室效应时,就造成了主要由陆地植物引起的第一次冰川的形成。

虽然陆地面积远没有海洋面积大;但由蕨类植物造成的冰川,在形成过程中,引起造海和造陆运动,大规模的蕨类植物被埋入地下,形成煤及其它矿物有机物。由于形成煤及其它矿物有机物的过程在陆地上反复进行,大量的有机碳被埋入地下,形成了大规模的二氧化碳向有机碳的转化。最后,终于形成了大规模的冰川,导致冰川期的到来。

这次冰期的规模仅次于新元古宙的大冰期,远比奥陶纪晚期冰期的规模大。由于生物演化和森林大火的发生诱发二氧化碳浓度波动,冰期形成和消融时,会出现一些次一级的波动。

那么,是什么原因造成这次冰期的结束呢?

由于没有捕食动物能完全控制这次冰期的结束,所以,这次冰期只能是靠环境因素来结束。

蕨类植物虽然具有了根、茎、叶的分化,也有了维管束,和苔藓植物比较,已能较好地适应陆地环境。但它维管束较原始,输水能力还不是太强。

更重要的是,它是孢子生殖,还没有形成种子,它的生殖过程还不能离开水。同时,它的叶子保温防寒作用也比较差。所有这些缺点,说明它只能生存在温暖潮湿的环境里。

随着蕨类植物的不断繁衍,大气中的二氧化碳越来越少,气候越来越寒冷。两极及高山上的冰川越来越大,特别是极地冰盖的形成和加厚,引起了四季的形成,并越来越明显。这样,大陆上的环境变得越来越寒冷和越来越干燥。当干燥和寒冷超过蕨类植物所能耐受的范围时,它慢慢从这个星球上消退。最终,蕨类植物时代终于结束了。

只有少量蕨类植物,由于产生了对干燥寒冷环境的适应,得以保留下来:它们要么形成了地下茎,用以度过严寒的冬天;要么形成了角质层,用以保水和抗寒;个体都远比古蕨类植物矮小得多。

大量蕨类植物死亡,被分解者分解,产生大量的二氧化碳。地球上大量动物的呼吸,也产生大量的二氧化碳。更重要的是,由于蕨类植物造成的大冰川,引起剧烈的造海和造山运动,引发大范围的火山和地震爆发,给地球大气补充了大量的二氧化碳。经过一定时期的二氧化碳积累,二氧化碳的温室效应逐渐增强。冰川熔融,气候又变得温暖和潮湿。

由蕨类植物引起的大冰期,也就此宣告结束。

8、第四纪冰期的形成

裸子植物,从晚二叠纪(约2.5亿年前)开始至中生代(距今约2.5~0.5亿年),讯速地发展起来;因此,中生代又称裸子植物时代(宋春青和张振春,1996。银杏、苏铁和松柏等是代表。此外,有些新兴起的蕨类植物(主要是真蕨),如枝脉蕨,锥叶蕨等虽然还相当繁茂,但已退居次要地位。这些繁盛的裸子植物和蕨类植物,是当时的主要造煤植物。中生代,特别是侏罗纪(距今约2.08~1.35亿年),是一个仅次于石炭、二叠纪的造煤时代(宋春青和张振春,1996

早白垩纪晚期,地史上第一次出现了被子植物,发展讯速,到晚白垩纪,终于取代了裸子植物,在大陆上占统治地位。如山毛榉、榕树、木兰、枫、栎、杨樟、胡桃悬铃木等均已出现(宋春青和张振春,1996

裸子植物和蕨类植物的造煤作用,及裸子植物和被子植物繁盛,引起大气中的二氧化碳减少,第四纪冰川又开始形成。

第四纪冰川期,实际上是由多次小冰期及多次小间冰期组成的。

因为侏罗纪的植物已相当繁盛,且沉积了大量的煤等矿物碳,这都需要消耗大量的二氧化碳。所以,第一次小冰期的形成,有可能不晚于侏罗纪。

那么,为什么第四纪冰川期会形成这么多小冰期呢?

第四纪冰川的形成,是裸子植物和蕨类植物(早期的小冰期),及裸子植物和被子植物形成的。由于裸子植物和被子植物种类繁多,所以,造成其形成的冰川次数也比较多。

是什么原因造成每次的小冰川期冰川的消融呢?

动物造成裸子植物或被子植物的大面积消失,这种可能性不大。因为,这时陆地生态系统已相当完善,自我调节能力已相当强。

气候条件等环境因素造成植物的大面积消失,除在早期引起新兴起的蕨类植物、银杏类大部分消失外,对很多裸子植物和绝大多数被子植物来说,这也不太可能。因为,很多裸子植物和绝大多数被子植物,已相当高等,已完全能适应地球一般环境条件的变化。

真正造成裸子植物和被子植物消失和演化的因素,主要是森林大火。森林大火在石炭纪就有发生,且主要发生在冰期或寒冷期Graham, et. al., 1995; Berner, 1997,造成了小冰期冰川的缩小。很多学者在这方面进行了大量的研究Berner, 1993; Holland, 1990

如(2)式所示,地球上所有植物、动物、微生物等生物有机碳,及煤、石油和天然气等矿物有机碳,都是植物通过光合作用形成的(曹宗巽和吴相钰,1979

由(2)式可知,每形成一分子(CHO),消耗1分子二氧化碳和1分子水;同时,产生1分子氧。也就是说,光合作用消耗二氧化碳时,除形成(CHO)外,还形成氧气。这也是地球从无氧的还原型大气转变为氧化型大气的原因。

光合作用产生的氧气量和消耗二氧化碳的量是相等的。地球上通过光合作用消耗多少二氧化碳就形成多少氧气。因为地球实际消耗的二氧化碳的量,就目前的技术和资料来看,要对其进行准确的计算,比较困难。

同时,光合作用产生的氧气量和形成的C6H12O661的比例。也就是说,有多少C6H12O6形成,也就有其6倍的氧气形成。C6H12O6的量,实际就是地球上的当时海洋和陆地一切生物有机碳和矿物有机碳量的总和。地球上的当时海洋和陆地一切生物有机碳和矿物有机碳的总和是有可能估算的。根据这个估算量,我们就可以知道,现今地球上有多少氧气。当然,大气中的氧气量,应该减去使地球从还原环境变成氧化环境所消耗的氧气量和溶于水的氧气量。

由于在整个第四纪冰期内,海洋、陆地,到处都有生物存在,都富集生物型有机碳(包括植物、动物和分解者等),都在进行矿物有机碳的沉积。

38亿年前至第四纪,长达38亿年的地史时期,生物以尸体或排泄物或碎屑的形式,在地壳里贮藏了大量的矿物型有机碳,其中以煤、石油和天然气的贮藏最为明显;以油母质的贮藏量最大。

所以,到侏罗纪以后,地球上总有机物的量已相当大,大气中总氧气的量也应相当大,已达到或超过现今大气中的氧气的浓度。 

当植物大量繁盛时,制造大量的氧气。一旦大气氧气含量超过现今大气的氧气含量,这种大气就成为富氧大气。在富氧大气里,物质的着火点降低,氧化速度快。很多不易着火的物质,都变成极易燃烧的物质。举一个很平常的化学实验的例子,铁本来是极不易燃烧的物质,但当烧红的铁丝位于纯氧中时,能剧烈燃烧,并发强光。

侏罗纪之后,随着煤等矿物有机碳的不断形成和裸子植物的繁盛,大气中的氧气不断增加,当大气中的氧气达到或超过现今的氧含量时,极易由天然气甚至枯叶等物质由于各种原因而引起森林大火。

由于森林大火而使二氧化碳浓度增加,降低氧气的含量,以调节大气中氧气含量的平衡。

经过自然选择和生存竞争,那些相对不耐火的裸子植物,慢慢淘汰掉了;而相对较耐火的裸子植物得以继续生存下来(Berner, 1997。经过多次这样的反复作用,裸子植物的耐火性增强了,可以耐受较高的氧浓度而不至于引起火灾,致使植物面积进一步扩张。

在早白垩纪晚期,由于被子植物的出现,植物对环境的适应能力进一步加强,地表植被在不断增加。

同时,地层中至第三纪,都在不断形成煤、石油和天然气等矿物型有机碳。经过森林火和植物之间反复斗争,大体上是二氧化碳浓度越来越低,温室效应越来越弱;至第四纪,终于形成了第四纪冰期里最大的一次冰川。

形成第四纪冰期最大冰川时,肯定是二氧化碳浓度最低。因为大量的二气化碳转化成了氧气,所以,二氧化碳浓度最低时,也是氧气浓度最高时。

同时,由于冰川的作用,使地球的四季更加分明,在很多地方,出现了干湿季或春夏秋冬四季。这样,在干旱少雨的季节,就更易发生森林大火。从而又使二氧化碳的浓度升上去,使氧气的浓度降下来。直到目前为止,地球植被、森林大火及地球去气之间,都一直被这种平衡控制着。

各位若想了解这方面有关的详细情况,请各位参见廖永岩著,海洋出版社2007年5月版的《地球科学原理》(28.00元)一书。也可以在以下网址找到这本书的目录:http://bbs.matwav.com/post/view?bid=108&id=732774&sty=1&tpg=1&age=0
注:本文摘于廖永岩著,海洋出版社2007年5月版的《地球科学原理》一书。

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