新元古代成冰纪地球上发生了两次“雪球地球”事件（Sturtian和Marinoan），当时地球表面从两极到赤道地区全部被冰雪覆盖，变成了一个大雪球（图1）。这种极端压抑的气候条件不仅限制了多细胞生命的演化，也扰动了海洋生态系统中的碳循环。冰川消融之后，海洋化学条件得到了改善，生态系统逐渐复杂化，形成了多个营养级别的生物链，在埃迪卡拉纪-寒武纪早期爆发了形态复杂、多个门类的多细胞生物。
无论是长期的Sturtian雪球事件（ca. 717-660 Ma），还是短期的Marinoan雪球事件（ca. 650-635 Ma），要让冰川消融，必须要求当时大气中存在一定浓度的温室气体CO2。成冰纪时地球上生命活动以微生物为主，这些微生物呼吸作用释放的CO2微乎其微。CO2的排放主要源自大陆岩石圈，大陆裂谷岩浆活动是大陆岩石圈释放CO2的重要途径（图1），在地质历史时期曾多次引发大气中CO2浓度的增加。需要多大规模、持续多久的火山喷发，喷发出多少CO2才能让雪球地球融化是交叉学科领域争论的焦点。
图1 火山活动喷发温室气体促使雪球地球融化。冰川消融后，海洋化学组成发生了改变，促进了多细胞生物的爆发
针对这个科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室兰中伍副研究员、Ross Mitchell研究员和李献华院士联合美国加利福尼亚大学、法国巴黎大学和成都理工大学科学家，对我国扬子板块北缘和南秦岭地区出露的大陆裂谷火山岩进行了详细的地质年代学和气候模拟研究。对流纹岩中的锆石进行高精度的CA-ID-IRMS U-Pb定年，得到的年龄为641-637 Ma（图2），结合扬子北缘盖帽碳酸盐岩内夹层火山灰锆石的年龄（637-635 Ma），可知裂谷岩浆活动持续时间为 6 Myr。已有研究表明大陆裂谷体系内CO2排放和裂谷大小及持续时间紧密相关。通过对比计算，南秦岭裂谷体系内6 Myr（641-635 Ma）将产生63,600-494,400 Gt CO2。
图2 锆石化学CA-ID-TIMS U-Pb年龄。（a-b）耀岭河群火山岩底部锆石U-Pb年龄及协和图。剔除放射性成因Pb丢失和继承锆石，得到的加权平均年龄为ca. 641 Ma；（c-d）耀岭河群火山岩顶部锆石U-Pb年龄及协和图。剔除放射性成因Pb丢失和继承锆石，得到的加权平均年龄为ca. 637 Ma
利用气候-地球化学软件（GEOCLIM）对冰期时CO2通量进行模拟，结果显示，尽管雪球地球期间存在巨大的冰盖（图3a），冰川融水通量仍然非常有限，风化效率比现代值低4到2个数量级（图3b）。这是因为寒冷的地表条件不利于硅酸盐的风化，对大气中CO2浓度变化影响不大。
图3 （a）Marinoan冰期冰盖融化的CO2阈值。在不同CO2浓度下（0.02, 0,05, 0.1 bar）由冰盖模型模拟得到一个融化区域，然后在这个区域内定义CO2阈值。当CO2浓度为0.1 bar时，残余冰盖体积变小（0.3 108km3），冰盖融化速率显著降低，因此把CO2阈值固定在0.05 bar；（b）地球表面风化及其和大陆冰盖的相互作用。硅酸岩风化速率变化范围为3.3 108-0.22 1010molC/yr，碳酸盐岩为0.08-0.18 1010molC/yr。由于和冰川融水接触，碳酸盐岩风化速率相对较快
模拟计算表明岩浆排气阈值在排气率为38%和80%时分别为0.09 bar和0.26 bar，并且和排气率呈非线性函数关系（图4a）。这种非线性函数关系是由于岩浆作用在排放CO2的同时，海底风化作用会消耗掉一部分CO2。如果大气和海洋没有气体交换，那么海底风化作用完全可以忽略不计。这种情况下，所有排放的二氧化碳（对于80%的排气率，CO2排放量约为0.24 Gt/yr）都会储存在大气中，雪球地球的持续时间将明显缩短。Sturtian和Marinoan CO2阈值的差值随着排气率的增强而增大，在排气率为60%和70%时最明显，分别为 0.07 bar和 0.13 bar。
图4 由气候-冰盖-生物地球化学模型限定的CO2浓度变化。（a）地球表面全部被冰雪覆盖时不同背景排气率下CO2 浓度变化。垂直虚线表示Marinoan和Sturtian雪球地球的持续时间，分别为ca. 16 Myr和ca. 57 Myr。这两条垂直虚线之间的虚线表示不同背景排气率下，Marinoan和Sturtian雪球地球融化所需要的CO2阈值的差值。不管在哪种背景排气率下，Marinoan和Sturtian雪球地球融化所需要的CO2 阈值都在0.05-0.29 bar范围内。当地球赤道没有冰雪覆盖时，Marinoan和Sturtian雪球地球融化所需要的CO2 阈值会更低，约为0.1 bar。（b）当火山排气率为现在的38%时，在 641-635 Ma这段时间内CO2排气速率的增加会让Marinoan雪球地球提前2-5 Myr终结
Marinoan冰期末期经历了大规模火山活动致使Marinoan冰期提前结束，火山作用排放的CO2使Marinoan冰期缩短了2-5 Myr（图4b）。Sturtian冰期末期没有经历大规模火山活动，所以经历了很长一段时间（57 Myr）才积累了足够多的CO2来融化Sturtian冰盖。也就是说，Sturtian冰期末期缺少大型火山活动是其持续时间长的主要原因。
研究成果近期发表于国际学术期刊Geophysical Research Letters（兰中伍*, Magdalena H. Huyskens, Guillaume Le Hir, Ross N. Mitchell, 尹庆柱*, 张刚阳, 李献华. Massive volcanism may have foreshortened the Marinoan snowball Earth[J]. Geophysical Research Letters, 2022, 49, e2021GL097156. DOI: 10.1029/2021GL097156. 研究受中科院先导项目（XDB18030300）、国家重点研发项目（2017YFC0601505）、基金委面上基金项目（41673016, 41630211, 41888101，41302066）、中科院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室开放课题（SKL-Z202001）、中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室开放课题（GPMR201902）、中科院南京地质古生物研究所古生物学和地层学国家重点实验室开放课题（193112）以及中科院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-201905）共同资助。
美编：陈菲菲
校对：赵娜
