地球系统变化对叠层石衰减影响的研究综述
[房启飞
, 张虎权]
, 张虎权]
引用本文
房启飞, 张虎权. 地球系统变化对叠层石衰减影响的研究综述. 地球科学进展, 2014, 29(9): 1003-1010[Fang Qifei, Zhang Huquan. A Review of Earth System Change Impacts on the Stromatolite Decline. Advances in Earth Science, 2014, 29(9): 1003-1010] 
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地球系统变化对叠层石衰减影响的研究综述
作者简介：房启飞(1987-),男,江苏徐州人,工程师,主要从事碳酸盐岩沉积学与油气成藏研究.E-mail:qffang@petrochina.com.cn
摘要
关于叠层石衰减的影响因素至今存在争议。现今研究多集中于显生宙后生动物及微观环境的影响,而忽略了地球系统变化的作用。地史中全球变化从区域尺度调控着大气圈、生物圈、水圈,共同影响叠层石生长所必需的一系列环境因素,与全球叠层石衰减的时间和因果关系具有良好的相关性。在不同地质时期,全球变化以不同的事件组合选择性地作用于造叠层石微生物群落发育以及碳酸盐岩沉积速率上,从而主导着叠层石的兴衰。在综述国内外研究进展的基础上,综合分析了不同时期叠层石衰减与全球变化的响应关系,为今后的相关研究提出了重要线索,同时对未来研究应关注的问题及方向提出了建议。
关键词:
叠层石; 全球变化; 环境变化; 后生动物
中图分类号:P52
文献标志码:A
文章编号:1001-8166(2014)09-1003-08
A Review of Earth System Change Impacts on the Stromatolite Decline
Abstract
Discussion in the influencing factors of stromatolite decline would provide a great significance to the research of microbolites. The influencing factors of stromatolite decline are disputed. Now the influences of metazoan and microcosmic environment are focused,but weakening the role of global events weakens. During the geologic history, the global change regulates the atmosphere,biosphere and hydrosphere from the perspective of regional scale. It contains the increase of atmospheric oxygen amount,the supercontinent event,the "snowball" event and the biological outbreak and extinction. All these jointly work on a series of environment factors which are necessary for the stromatolite growth. In addition, stromatolite decline has a perfect time fitness and causal relationship with these global changes. During the different geologic time, global change with several different event combinations manages the rise and decline of stromatolite, by acting on the development of stromatolite biogenesis and the deposition rate of carbonatite selectively. By reviewing and summarizing literature data, the response relationship between stromatolite decline and global change is analyzed synthetically. It is the study that puts forward the important clues for future related research. Moreover, the tendency and key issues of stromatolite decline and global change for future research are touched upon.
Keyword:
Stromatolite; Global change; Environment change; Metazoans.
1 引言
叠层石是由造叠层石微生物和沉积作用共同形成的一种微生物岩[ 1~ 3],是微生物群落通过生长和代谢作用,或通过微生物胞外聚合物(Extracellular polymeric substance-EPS)、微生物膜及微生物席捕获和(或)粘结矿物颗粒,单向生长形成的具有纹层状或具有明确边界、不同形态的柱状群体等内部构造的沉积体[ 4, 5]。叠层石丰度、类型和多样性的增长大致开始于2800 Ma BP,全球叠层石发育的黄金时段处于2 800~1 000 Ma BP[ 6],纵观地史中叠层石的发育历程,大致可分为5个阶段：太古宙至元古宙增长期、中新元古代顶峰期、新元古代衰减期、寒武纪至早奥陶世复苏期及其后显生宙的大规模衰减期[ 7]。自Awramik[ 8]首次提出在675 Ma BP受后生动物影响而发生过一次叠层石形态种类衰减之后,第二个(约450Ma至今)基于同更高级藻类的竞争或矿化作用减弱解释的叠层石衰减事件相继提出[ 9]。随着对叠层石研究的深入,地质学家发现在更早时期约1 000 Ma BP[ 10]及1 250 Ma BP[ 7]就发生过叠层石衰减事件。Grotzinger[ 11]收集了更多更准确的有关叠层石形态种类的数据,将衰减时间前推至2 000Ma BP左右,并归因于碳酸盐沉淀作用的降低。梅冥相[ 12~ 14]根据燕山地区高于庄组三段及北美地区相近时代发现非叠层石碳酸盐岩沉积序列,指出约在1 550 Ma也曾发生过一次叠层石衰减事件,另外也有学者指出在750 Ma和850 Ma也存在一定规模的叠层石衰减事件[ 15]。
随着微生物学、沉积学和地球化学等手段和方法的介入,虽然叠层石的成因之谜—其形成与微生物对硫酸盐还原作用有关,其形态特征受微生物类群和环境因素双重影响—逐渐被地质学家解开,但是关于叠层石衰减的研究至今还处于百家争鸣的阶段。近年来,显生宙后生动物的影响以及微观环境变化对矿化作用的影响成为研究叠层石衰减的两个主要方向,但忽略了地球系统变化带来的巨大影响。通过对大气增氧事件、超大陆事件、“雪球”事件、生物爆发与灭绝事件等全球变化的进一步总结分析,探索叠层石衰减在本质、时空与这些全球全球变化的耦合关系,可以为叠层石衰减机制的研究打开新的视角和思路。
2 叠层石衰减因素与地球系统变化的关系探讨
相对于叠层石兴衰期的研究,地质学家更倾向于对其原因的探索。关于叠层石衰减原因的解释,众说纷纭,但总结起来主要是后生动物的影响与环境变化因素的争端。在太古宙和古元古代,由于后生动物的贫乏,地质学家不约而同地投入到环境变化因素的研究中。自从后生动物的化石分子被发现于古老的岩石中,与生物相关的种种问题也因为食物链的建立和生物的不确定性而变得更加繁杂。显生宙的叠层石衰减不可否认与后生动物有着很大的关系,但是过多地将主导原因归结为后生动物的影响是不全面的。在漫长的地质历史时期中,由于一些偶然事件及地质背景差异性的存在,对影响叠层石衰减的因素一概而论的做法是不可靠的,但是从宏观方面,我们似乎能够找到一些地球系统变化规律来解释这一谜题。
2.1 全球性生物爆发与灭亡的影响
从遥远的太古宙开始一直到新元古代,适宜的环境和后生动物的缺少为原核生物和真核菌藻类等微生物的繁衍和矿物的沉淀提供了极为优越的条件,同时也造就了叠层石最辉煌的时代。在后生动物并未大规模出现的前寒武纪,叠层石就已经在经历着从无到有、从贫乏到繁盛、从巅峰到衰退的过程。在占据地球演化历史长达40多亿年的前寒武纪,叠层石连续而快速地增长至1 350 ~1 000 Ma之巅,之后就迈入了突变的波动衰退阶段。
Awramik[ 8]以50 Ma为间隔对叠层石形态多样性的进行了统计,前寒武纪末期叠层石的形态种类就已经衰减至相对较低的水平;进入显生宙后,叠层石形态种属的发育程度在整个地史中就一直处于一蹶不振的状态。尽管这种粗略的统计不能完全反映地史中叠层石的发育情况[ 7],但这仍可作为叠层石兴衰的对比依据,因为在地史中几次大规模的衰减事件确有对应的事实依据。由于显生宙可能被夸大的叠层石形态多样性的衰减,地质学者就将叠层石衰减的主导因素集中在后生动物的影响上。后生动物的出现,必将啃食或破坏叠层石中的微生物席,从而导致保存下来的叠层石数量减少。基于这种理解,“后生动物论”得以在一时间迅速成为研究的热题。对后生动物影响的讨论进而引发对后生动物起源的争议,然而地质学者迄今发现的真后生动物的实体化石不早于635 Ma[ 16]。鉴于更古老后生动物化石的缺乏,“后生动物影响”观点的可靠性不免让人怀疑。
在1000~500Ma之间,后生动物的形态多样性和丰度远不及显生宙生物大辐射,然而此时间段的叠层石无论在多样性还是丰度上,其衰减幅度是史无前例的,以至于在之后的500 Ma叠层石一直处于低多样性、低丰度的时代。对比显生宙生物大辐射时期叠层石的发育情况,显然,这种剧烈的衰减程度并不是少量后生动物的干扰所能完成的。纵观整个显生宙,后生动物与叠层石都存在发育的波动性,似乎存在某种关联。对比后生动物兴衰与叠层石衰减的研究,地质学家以期探求其中的关联和规律,但结果并不理想。泥盆纪和二叠纪生物大灭绝后,叠层石的丰度在短期内大幅增加的现象似乎让“后生动物论”的支持者看到了曙光。然而寒武大爆发后,理应锐减的叠层石意外地复苏的事实,以及与此相似,奥陶纪末、三叠纪末和白垩纪末生物灭绝事件并没有导致叠层石复苏的事实再次冲击这种观点的可靠性。
寒武纪大爆发与二叠纪末生物灭绝事件,虽然对后生动物来说是截然相反的命运,但对于叠层石来说,却是相同的繁盛阶段。寒武纪大爆发和二叠纪末生物大灭绝事件有着可类比的地质背景与地球化学背景,这两期重大地质事件都具有与地球深部地幔柱活动有关的地表大陆重组,大规模冰川的形成和消融,C,Sr与S同位素波动以及碳酸盐岩的异常沉积等地质和地球化学背景[ 17~ 19],同时这些地质与地球化学背景反映的古环境也与叠层石的生长有密切的关联。以上事实都弱化了后生动物对叠层石衰减的影响,暗示着关注叠层石衰减与环境变化相关度的必要性。
在缺乏后生动物的太古宙和古—中元古代,造叠层石微生物群落和沉积环境是影响叠层石兴衰的全部因素。最古老的叠层石中发现了可能的蓝细菌化石,直至2 700 Ma BP出现了肯定的蓝细菌,545 ~475Ma BP形成蓝细菌钙化作用幕;与此对应,太古宙到中元古代早期以亮晶胶结物相叠层石为主,中元古代晚期至新元古代则以泥晶相叠层石为主,显生宙的叠层石才见到钙化的微生物化石[ 12~ 14]。由此可见,在一定时间段内,主要造叠层石微生物群落对叠层石形态多样性的响应是迟钝的,造叠层石微生物作用只是叠层石形成的基础,同沉积时期的岩化作用和钙化作用才是叠层石形成的关键,这两个因素直接影响着叠层石形成过程中的积聚和保存。那么,研究海洋中影响叠层石形成的物理条件、水化学条件以及构造和古地理背景等一系列沉积环境变化因素就成了探索叠层石衰减的主要工作。
2.2 全球增氧的影响
氧是维系生命进行的主要元素,同时也是加速有机体消亡的关键。在漫长的地质历史中,地球的大气圈曾经发生了2次大气成氧事件,第一次大气成氧事件发生在约2 400 Ma BP,在此之前太古宙大气圈基本无氧,直到2 400 ~2 200 Ma BP,大气含氧量首次显著提升,但仍仅是现今氧气含量的百分之几的水平,并在此后的长时间内基本保持这种水平的含氧量[ 20];之后在900 ~540 Ma BP,大气含氧量再次跃升达到接近现代的水平[ 20~ 24]。与大气成氧事件相对应,古海洋也发生过2次增氧事件,但由于巨厚水层的缓冲效应,大洋增氧明显滞后于大气增氧,而且其过程更为复杂[ 25, 26]。
在太古宙时期,大气圈及海洋中普遍缺氧,海洋更是处于无氧且硫化状态,微生物的光合作用也没有发展起来,甲烷厌氧氧化(Anaerobic oxidation of methane-AOM)作用也基本无法进行,但此时的海洋中CaCO3饱和程度较高,水体化学条件偏碱性。从太古宙到古元古代,叠层石以胶结物相为主,在微生物钙化作用受阻的情况下,EPS吸附作用就显得尤为重要,它使Ca2+被吸附在微生物膜表面沉淀为碳酸盐微晶体并钙化,从而形成叠层石的纹层。大约2 200 ~1 850 Ma BP的由第一次大气增氧事件引发的海洋表面部分氧化,扰乱了原本无氧的水体化学状态。海洋的增氧,对叠层石的影响是双重且矛盾的,一方面促进了叠层石的形成,另一方面又破坏了有机质的保存。第一次大气增氧后,海水表层适度氧化,海洋中的有机物开始被氧化分解(CH2O+O2→CO2+H2O)以及通过硫酸盐还原细菌(Sulfate-reducing bacteria-SRB)成烷作用形成甲烷(CO2+4H2→CH4+2H2O)[ 21, 27]。海水中的绝大多数甲烷在硫酸盐还原作用下发生甲烷厌氧氧化(CH4+SO42-+Ca2+→CaCO3+H2S+H2O)生成自生碳酸盐沉淀[ 28]。这种由甲烷厌氧氧化导致的碳酸盐沉淀作用一直持续到第二次大气增氧事件之后,在碳酸盐岩形成过程中占据主导地位。大洋的增氧,促进了甲烷厌氧氧化作用的盛行和造叠层石微生物群落的扩张,整体上也推动了叠层石从古元古代到中元古代达到形态多样性和丰度的巅峰。在海洋含氧变革的初期,因甲烷厌氧氧化作用调节而导致的过度的或者贫乏的CaCO3沉淀都将扰乱叠层石中亮层和暗层的分布,从而制约叠层石的发育或者中断叠层石的生长。海洋增氧初期,一种新的快速沉积状态打破了原先无氧状态下的低沉积模式,可能因原始造叠层石微生物群落还未能适应过速的碳酸盐沉积物供给,暂时导致叠层石发育终止或者无法形成。并且可能与在新太古代到新元古代赋存于浅水潮下带碳酸盐岩中的一种被称为臼齿(molar-tooth)构造的特殊沉积构造的形成有关。再者,在海洋增氧的初期,由于海底有机物对氧化环境的敏感性强于微生物,从而导致部分有机物被氧化分解,破坏了叠层石的形成条件,可能造成了2 000 Ma BP左右的短期衰减事件。
硫酸盐还原细菌作用下的AOM过程利用海水中硫酸盐与甲烷相互反应,从而抑制甲烷的逃逸至大气圈,以此减少甲烷与氧气的化学反应,于是大气中氧含量大幅增加。随着大气圈中氧气含量逐渐接近现今大气氧含量,海水含氧量再次增加,海洋氧化广泛,使原已持续了近1 Ga深部的硫化海洋转变为氧化。2次古海洋的增氧升高了原始海水中的氧含量,不同程度地改变水体的氧化还原条件,使得原本永久性分层、底层缺氧且硫化的沉积环境被破坏,海洋表层微生物光合作用和造叠层石微生物所产生的有机质在水体中被加速氧化分解,氧化产物也参与改变原始的沉积环境,同时恶化了微生物席的保存条件,阻碍了叠层石形成及保存,可能造成了晚元古代叠层石短期衰减事件,并持续抑制叠层石种类和数量的增加。两次海洋增氧事件与叠层石衰减事件之间存在着很好的因果关系以及时间吻合度,在2次全球性显著增氧的时间段中,都发生了较大规模的叠层石衰减事件。
2.3 超大陆的影响
叠层石多数发育在较为稳定的浅水环境,稳定的构造背景能够提供可能的坚硬基底以及足够范围的生长和分布空间。一旦稳定的构造背景经受变动,造叠层石微生物群落就不得不重新调整生存状态以适应环境的变化,而这种调整的幅度有可能是超出造叠层石微生物群落所能承受的弹性范围,从而发生衰减事件。超大陆的拼合与裂解属于板块构造活动的范畴,控制着陆块高程的量度,陆地的升高和地壳在地球表面上的分布影响到太阳对地球的照射率、大洋的环流、大陆表面积的增减、全球海平面升降、大洋开闭、水体状态以及古气候变化,其影响是广泛而巨大的。
目前发现的最早的超大陆——Kenorland超大陆形成于2.7 Ga左右,在保持大约250 Ma相对稳定的状态,于2.45 Ga进入衰退期,最终在2.1 Ga完全裂解[ 29]。Kenorland超大陆的裂解,导致裂隙作用和离散作用的普遍发生,在其后相当长的时间内全球保持相对较高的海平面,扩大了陆表浅海表面积,进一步拓宽了叠层石生存的空间,为叠层石在太古宙第一次大幅度增加多样性及丰度创造可能。而在Kenorland超大陆裂解消亡的时间里,由于裂解带来的加速风化作用以及大气增氧直接导致温室气体的降低,促使持续60 Ma的Makganyene冰河期[ 30~ 32]与条带状铁建造(Banded iron formation-BIF)的全球发育峰值期[ 33]“巧合地”相聚在一起,很容易让人将这两者之间的关系同新元古代“雪球地球”假说的成因联系起来。
可能是2.4~2.2Ga叠层石多样性及丰度都较低,其变化幅度不明显,虽然暂时没有足够的证据指向叠层石数量的变化。相对于前寒武纪平稳的全球碳氧同位素分布曲线趋势,2.3~2.2Ga则表现出重要的振荡异常,暗示着古气候与海平面的显著波动,而这种异常波动主要来源于超大陆演化[ 34]。Kenorland超大陆裂解导致的反温室效应将生命体活动能力以及叠层石依赖的稳定浅水台地面积局限在相对低的范围内,同时冰期及冰后期冷暖交替所致的大洋流体化学组分的改变对一贯稳定的碳酸盐岩沉降速率的冲击,必将对叠层石的生成造成重要的转折式影响。根据Kenorland超大陆裂解带来的古气候与海平面波动综合分析,推测在2.4 ~2.2Ga应该存在一次叠层石衰减事件。
Columbia超大陆[ 35]是Nena,Ur和Atlantic 3个大陆聚合而成的,通过古元古代超大陆地质事件——2.0~1.8Ga BP造山运动使早先存在的三大陆块群逐步汇聚而形成一个联而不合的哥伦比亚超大陆,至1.8~1.5Ga BP之间形成,于1.6~1.4 Ga BP相继开裂[ 36]。Nena,Ur和Atlantic 3个大陆的拼合,导致全球相对海平面的下降并减少了碳酸盐岩稳定沉积所依赖的被动大陆边缘表面积。大陆位置的变迁也导致洋流的改变,从而引发海水的盐度和沉淀物的离子浓度的变化。这种变化足以导致打破EPS、溶解无机碳(Dissolved inorganic carbon-DIC)与Ca2+含量之间存在的复杂而微妙关系的均衡,失衡的环境变化往往衍生出大量的CaCO3沉淀或溶解。超大陆的形成也促使海洋水体在1. 8 Ga左右发生从富碳酸钠到富氯化钠的变化[ 37],在一定程度上影响了碳酸盐岩形成的速率,而这种速率的调节,可能就是1.8 Ga左右发生的叠层石衰减事件的原因之一。
Columbia超大陆的汇聚和裂解作用并没有带来像Kenorland超大陆以及新元古代那样的冰河期,强烈的早期造山作用以及晚期裂解时伴随的非造山岩浆作用产生了大量的CO2,相对于古元古代Kenorland超大陆的裂解带来的加速风化作用导致温室气体的降低,Columbia超大陆带来的影响足以抵消甚至抑制温室气体的减少[ 38]。而这种过量的温室气体以及岩浆作用、风化作用带来的离子终将进入海水成为左右海洋水体化学条件的重要因素,大量离子结合后沉淀,过速析出的碳酸盐岩破坏叠层石的生长规律。
罗迪尼亚Rodinia超大陆是一个在1.3-1.1Ga BP由大陆碰撞形成的全球性超大陆[ 39],820 Ma BP出现裂解,并最终在Sturtian冰川作用期间(770~750 Ma BP)完全破裂。新元古代Rodinia超大陆的裂解可能是微生物自元古代乃至地史中迈入生命演化新纪元的一个诱导因素,与1.0 Ga BP多细胞藻类的诞生有着难解的关系。Rodinia超大陆汇聚之前基本是单细胞生物的天下,演化极其缓慢。随着Rodinia超大陆裂解所带来的一系列环境的变化,整个生物界发生了翻天覆地的变化,生命大爆发与灭亡事件接踵而至、交替演绎。
820 Ma Rodinia超大陆开始解体形成若干陆块,加强了陆地风化作用;全球海平面相对上升,大陆边缘大大增加,为有机碳的埋藏提供了更为广阔的陆表海背景,使大气中CO2浓度大幅度降低,弱化了温室效应,从而引发了冰辐射灾难事件, 形成了全球性冰冻的“雪球”事件[ 40]。这一现象也被冰期地层中高的δ-13C比值所证实,在冰期中的因光合作用降低而引发的海水中13C比例下降,沉积物中13C的含量相对增高。在全盛冰期,冰期期间海洋水体基本上处于停滞状态连通性差,不同水域的生物群落被隔离起来,限制了生物群落之间的交流。另一方面,Hoffman等[ 41, 42]认为在冰后期大量埋藏的有机碳逸散到大气中形成超级温室气体,高浓度的CO2被海洋吸收,并与大洋中脊热液提供的阳离子和因强烈风化而从陆地带来的阳离子相结合形成碳酸盐岩,造成大面积、快速沉淀的帽碳酸盐岩。有些地区盖帽碳酸盐岩中发育了结晶扇,这是海底快速堆积形成的文石晶体簇向上呈扇形展布的灰岩建造。尽管单个结晶扇很小,但他们呈礁状聚集在一起,厚度达几米至几十米。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[ 43, 44]。这一现象基本与上述观点吻合,即在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。受造叠层石微生物群落在极端寒冷环境中生存发育的限值以及非正常速率碳酸盐岩的堆积,叠层石再次形成全球性的衰减事件。
2.4 全球性古气候及其他因素影响
影响叠层石形成的物理条件主要为温度、光照、水体透光度和水动力条件。现代叠层石一般发育在温暖、清澈的浅水环境,温度较低和浑浊的水体都会制约造叠层石微生物的生存和光合作用的进行,不利于叠层石的生长。
地球上第一次大规模的全球性冰川事件被称为Makganyene冰河期,发生在大约2.40~2.20 Ga[ 30~ 32],大规模古元古代冰川沉积形成在被动边缘以及前陆盆地[ 32]。在此期间,全球范围内的增氧是空气中的温室气体甲烷被大量消耗,形成地质历史上最严重且持续时间最长的一次冰期。严酷的气候环境以及大洋表面的初始氧化,抑制造叠层石微生物群落的生长以及微生物席的保存。同时大规模的冰川沉积占据了叠层石赖以生存的被动大陆边缘,大大减少了叠层石形成所必需的浅水区域面积,据此推断在Makganyene冰河期全球叠层石应该发生过长时间的衰减。
中元古代虽然存在Columbia超大陆的裂解作用,但是并没有像Kenorland超大陆裂解所带来的冰河时期,相反的是更多的温室气体被排放到大气圈中和溶解到大洋中,导致海洋水体由富碳酸钠到富氯化钠的转变,更多的碳酸盐岩沉积物形成在这个时期。非正常的碳酸盐岩沉积速率可能破坏了叠层石形成的节律,快速的堆积作用远远超出微生物席的生长周期内所能容纳的无机矿物的极限,导致叠层石生长的终止。天津蓟县高于庄组第三段巨厚的中元古代非叠层石碳酸盐岩地层,可能就在这种环境下形成的非叠层石灰岩[ 12],而且中元古代叠层石的几次衰减事件也可能和这种作用相关。
新元古代的“雪球事件”导致全球变冷[ 45],目前记载的可分辨的新元古代冰期证据表明全球不同地区发生的冰期至少有5个,而公认的全球范围内的冰期为Sturtian(约750 Ma BP)和Marinoan(约600 Ma BP)[ 46]。Sturtian冰期启动了超大陆的裂解并伴随有超级地幔柱的活动,造成了真极漂移(True polar wander-TPW),使裂解的Rodinia超大陆在750 Ma左右都围绕在赤道附近,这样强烈的岩浆事件形成的易于风化的玄武岩就能消耗大量的CO2,从而到达形成“雪球地球”的CO2浓度临界值。漫长的冰川时期占据了广阔的浅海水域,厚厚的冰层也减少了水层的透光性,直接影响了微生物的光合作用,抑制微生物群落的发育。雪球事件使得生命的存在面临一次严峻的挑战,虽然造叠层石微生物经历了漫长地质历史中相似的严酷考验,其多样性和数量的扩大必然受到苛刻的制约。通过地层中保存的雪球事件之后的大量动物休眠卵、大型带刺疑源类等[ 17]以及叠层石在新元古代末期复苏的证据,足以说明新元古代冰期对生物生存发展的打压,同时也是在黎明前酝酿着一个全新的生物世界的摇篮[ 47]。
3 结语和展望
叠层石的衰减就像个难解的谜,至今这个谜题的答案还是不确定的。从已掌握的相关地球系统变化的研究来看,地史中的超大陆聚合、大气与海洋增氧、冰川事件以及全球性生物爆发或灭亡等全球变化,从区域范畴反映了一段地质历史时期所经历的地球动力机制激发下的极大规模的生物圈、水圈、大气圈的联合变化。不同阶段的全球变化在时空组合上激发的连锁反应造成相应时期的叠层石衰减。2.0 Ga BP的叠层石衰减源于第一次全球大气增氧扰乱了水体化学条件,改变了碳酸盐岩低沉积速率并加速了有机质的分解;1.8 Ga BP的叠层石衰减原因主要是Columbia超大陆聚合引发的海平面上升及富CO32+水体向富Cl-水体的转变而引起的碳酸盐岩沉积速率的改变;1 000~540 Ma BP的多次叠层石衰减与Rodinia超大陆裂解及其造成的古气候以及第二次大气增氧事件息息相关,突增的氧化作用不利于微生物席的保存,反温室效应更多地作用于对水体流通及生物群落交流的限制,而冰期后的水体碳酸盐岩过饱和导致的非正常速率沉淀,势必减少叠层石的形成;显生宙叠层石衰减避免不了后生动物以及高级藻类竞争的影响,但全球变化影响的碳酸盐岩的异常沉积可能起到更为主导的作用。同时类比Rodinia超大陆裂解与Kenorland超大陆裂解带来的类似地质背景,推测在2.4~2.2 Ga BP也应该存在一次叠层石衰减。
叠层石衰减是对地史中全球变化的积极响应。太古宙至中元古代全球性事件主要引发碳酸盐岩沉积速率的影响,而新元古代至显生宙虽然存在生物干扰,但影响更多的应该是全球变化对钙化作用的控制。虽然目前将地球系统变化归结为一个系统的连锁反应,但是这种连锁反应对叠层石衰减的主导因素仍然是模糊的。对于叠层石衰减的主导因素的探索还有很长的路要走,不仅要探索全球变化在某个地质时期中的主导因素,同时还要通过现今叠层石生长规律明确古代叠层石形成与碳酸盐岩沉积速率范围的关系,推测不同环境因素对沉积物供应、古海水饱和度以及碳酸盐岩沉积速率的影响,建立各个时期全球变化作用下的叠层石衰减地球化学模型。通过对全球变化的进一步挖掘必将为解释叠层石的地史演化研究提供新的思路。
致谢：本文撰写过程中得到了中国地质大学(北京)地球科学与资源学院郭荣涛博士的指导和帮助,审稿人提出了许多建设性的修改意见,在此一并致以衷心的感谢。
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