地球科学进展, 2020, 35(3): 275-285 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2020.028

综述与评述

显生宙一级层序的银河年旋回响应:重要的进展与争论

张英杰,1, 王龙2

1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083

2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西 西安 710018

Response of First-Order Sequence to the Galactic Year Cycle in the Phanerozoic:An Important Progress and Topic

Zhang Yingjie,1, Wang Long2

1.School of Earth Science and Natural Resource, China University of Geoscience, Beijing 100083,China

2.Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an 710018, China

收稿日期: 2019-10-28   修回日期: 2020-02-22   网络出版日期: 2020-04-07

基金资助: 国家自然科学基金项目“燕山蓟县系旋回与事件及其相关沉积问题研究”.  4047206

Received: 2019-10-28   Revised: 2020-02-22   Online: 2020-04-07

作者简介 About authors

张英杰(1995-),男,江苏南京人,硕士研究生,主要从事沉积学与地层学研究.E-mail:1850003630@qq.com

ZhangYingjie(1995-),male,NanjingCity,JiangsuProvince,Masterstudent.Researchareasincludesedimentologyandsequencestratigraphy.E-mail:1850003630@qq.com

摘要

与一级海平面旋回相对应的层序被称为一级层序,一级层序与银河年旋回很可能存在内在联系,即银河年旋回在宏观上控制着一级层序。而显生宙期间所发生的诸如大气圈二氧化碳(CO2)浓度变化、相应的温室—冰室气候更替、全球海平面升降、水圈中“方解石海”与“文石海”交替出现、古地磁磁极倒转等超事件都具有良好的旋回性,且在成因上具有较为明显的相关性,很可能受控于银河年旋回与各个超事件之间复杂的成因联系。多年来的研究表明太阳系在绕银心运动时,重力加速度(G值)随之改变,太阳系因此发生膨胀(或收缩),太阳系的成员——地球,形成位能的变化,并吸收(或释放)热量;同时由于G值的改变,重力分异作用也因此改变,导致地幔的膨胀与地核的收缩,当能量积攒到一定程度时就会启动超级地幔柱,进而影响地球上的板块格局。显生宙发生的这些超事件所展示出的周期性变化在近年来引起了广泛的关注与探讨,关注这些富有智慧的认识和存在的问题,将为今后的深入研究提供重要的思考过程与研究线索。

关键词: 一级层序 ; 银河年旋回 ; 显生宙 ; 超事件

Abstract

The sequence which corresponds to the first-order sea-level cycle is called the first-order sequence, and the first-order sequence may have an internal relationship with the galactic year cycle, in other words, the galactic year cycle may control the first-order sequence macroscopically. The superevents in the Phanerozoic, such as the concentration change of atmospheric gas carbon dioxide, the alternation of "calcite sea" and "aragonite sea" in the hydrosphere, and the reversal of magnetic poles, are cyclical. They have obvious correlation in genesis, and they are likely to be controlled by the complicated genetic relationship between galactic annual cycles and various superevents. Over the years, researches have shown that when the solar system moves around the galactic center, the acceleration of gravity (value of G) changes accordingly, and the solar system expands (or shrinks). The Earth, a member of the solar system, forms a change in potential energy and absorbs (or releases) heat. At the same time, the gravitational differentiation changes as a result of the value of G change, which leads to the expansion of the mantle and the contraction of the core; when the energy accumulates to a certain degree, the superplume will be activated, which will affect the plate pattern on the earth. In recent years, the periodic changes of these superevents in Phanerozoic have attracted extensive attention and discussion. Paying attention to these wise understandings and existing problems will provide important thinking process and research clues for in-depth research.

Keywords: First-order sequence ; Galactic year cycle ; Phanerozoic ; Superevent.

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本文引用格式

张英杰, 王龙. 显生宙一级层序的银河年旋回响应:重要的进展与争论. 地球科学进展[J], 2020, 35(3): 275-285 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.028

Zhang Yingjie, Wang Long. Response of First-Order Sequence to the Galactic Year Cycle in the Phanerozoic:An Important Progress and Topic. Advances in Earth Science[J], 2020, 35(3): 275-285 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.028

1 引 言

层序地层学建立在Exxon公司对地震资料的合理解读之上,他们大胆地将基于地震资料所测出的沉积层序解释为海平面变化的产物[1,2,3],这不仅是地震地层学一次伟大的地层学实践,更是地层学研究史上一次重要的概念革新。Sloss等[4]在介绍北美克拉通内部结构单元时,最早对“层序”进行了较为深入地探讨,但其观点在20世纪70年代以前并没有受到广泛关注。而Vail等[3]和Posamentier等[5]在对Sloss所定义“层序”的理解基础上,综合地震地层学资料以及概念,对“层序”一词进一步补充,并对其概念进行了一定修改,将“层序”的概念规范化、完整化,使其运用在工作中具有很强的可操作性。自此,地层学史上最新的一次革命——“层序地层学”便华丽地诞生了。随着“层序”概念的修改,其原本蕴涵的“构造旋回”含义逐渐演变为对全球海平面周期性变化的响应;其中,与周期约为300 Ma的一级海平面变化相对应的层序被称为一级层序[3,5,6]。近年来,对层序控制因素的探讨受到了国内外学者的青睐[7,8,9,10,11],地层学与天文学之间的联系也逐渐成为热门的研究方向[12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25]。关于长周期层序的天文学成因机制,往往将一级层序对应于银河年旋回,将二级层序对应于银道面旋回,将三级层序对应于奥尔特旋回[2]

长期的研究已解读了显生宙以来隐藏在地层中的许多超事件,这些超事件与银河年旋回之间的响应机制或许可以为研究银河年旋回对一级层序的影响提供思路。目前,针对一级层序与银河年旋回之间联系的讨论较少,且显生宙发生的多起超事件与银河年旋回之间的关联性未受到足够重视。本文聚焦于对显生宙期间多起超事件研究近年来所取得的重要进展与激烈的争论,叙述了地球各圈层与银河年旋回之间的联系,在宏观上说明显生宙一级层序与银河年旋回之间可能存在的内在关联,并得出多起超事件受银河年旋回影响在显生宙展现出周期性的观点。

2 显生宙一级层序的建立

“层序”这个概念最初由Sloss等[4,26]提出并进一步系统化,其最初的定义为以不整合面为边界,在大陆上可大部分追踪到的,一个比群、大群及超群更高级的单位。Sloss在对北美克拉通的研究基础上,根据岩性的旋回性将北美显生宙地层划分成6套已形成的层序与正在沉积形成的第7套层序,层序边界所对应的大致时间分别为:前寒武纪末期,早—中奥陶世,早—中泥盆世,密西西比纪,早—中侏罗世,晚古新世。已经形成的6套层序分别被命名为:Sauk、Tippecanoe、Kaskaskia、Absaroka、Zuni和Tejas,这也可称为Sloss建立的6个显生宙层序模型[19]

以Vail等[3,27]为代表的Exxon公司的科学家认为,全球海平面变化具有周期性,而相对海平面变化是形成“以陆上不整合面及可以与其相对比的水下整合面为边界的,内部成因具有关联性”的沉积层序的根本原因。自此,层序的概念便得到了修正和确定,并受到广泛关注。Vail等[3]建立的显生宙全球海平面变化旋回模型将显生宙划分为2个一级旋回与13个二级旋回,一级海平面变化旋回大致以300 Ma为周期(图1),而与一级海平面变化旋回相对应的层序就是一级层序。

图1

图1   显生宙期间一级海平面变化所展现出的旋回性(据参考文献[3]修改)

1表示显生宙第1个一级海平面变化旋回,2表示显生宙第2个一级海平面变化旋回

Fig.1   Cyclicity of first-order sea level changes in the Phanerozoic (modified after reference [3])

1 represent the first first-order sea level change cycle during Phanerozoic, 2 represent the second first-order sea level change cycle during Phanerozoic


然而,Vail等[3,27]认为海平面变化是层序形成的主控因素,这种观点受到了以Miall[7,8,9]为代表的众多科学家的批评,他们认为在某一给定的时间尺度上,层序的控制因素应该是不同的、复杂的多种机制相互作用的结果,单单将海平面变化视为层序的主控因素存在着若干争议[11,28,29,30,31]。Simmons[32]也表示即使将全球海平面变化当作长周期层序形成的主控因素,也需要对全球海平面变化的驱动机制进行探讨。因此,对可能造成全球海平面变化的长周期超事件的关注将为今后对长周期层序的深入研究提供重要的思考过程与研究线索。

3 显生宙多个超事件的旋回性

显生宙期间地球系统发生了多起超事件[33,34,35,36,37],这些包括古气候旋回、CaCO3矿物产出形式变化、全球海平面旋回性变化、大气圈二氧化碳(CO2)浓度变化、古地磁的磁极倒转与火山的旋回喷发等在内的超事件在周期上具有相似性(图2),且与一级层序密切相关。近年来,这些超事件引发了激烈的探讨与争论,关注这些富有智慧的认识和存在的问题或许将对一级层序与银河年旋回之间的探讨提供重要的思路。

图2

图2   发生在显生宙期间的多个旋回性超事件(据参考文献[33,34,35,36,37]修改)

(a)地磁正极性所占百分比;(b)大气圈O2浓度;(c)CO2浓度;(d)北美火山活动曲线;A:方解石海;B:文石海;C:尚不确定

Fig. 2   Several cyclic superevents occurring in the Phanerozoic (modified after references [33~37])

(a)Percentage of positive geomagnetic polarity; (b)Atmosphere O2 concentration; (c)CO2 partial pressure; (d)North American volcanic activity curve. A:Calcite sea;B:Aragonite sea;C:Unknown


3.1 古气候旋回及CO2浓度变化

距今约600 Ma以来,地球上共发生了3次大冰期事件,分别为:埃迪卡拉纪与寒武纪之交的大冰期事件、石炭纪与二叠纪之交的大冰期事件以及第四纪大冰期事件,其特点为温度大幅度降低,海水温度相对较高以至海水大量蒸发,存在“冰川作用循环”,全球气候格局稳定,与火山活动关系密切[38]。研究表明,形成冰期气候的条件为:地球必须处在足够低温状态下,且大气圈中含有充沛的水汽[39]。因此,在显生宙期间,地球的气温变化与降水量变化必然存在着数次大型旋回,而关于古气候旋回的研究表明事实确实如此[33]。显生宙以来气温变化具有明显的旋回性,大致以石炭纪与二叠纪之交为分界点,中寒武世、泥盆纪末—石炭纪初、中三叠世及早白垩世晚期为气温的高温极值点;晚奥陶世晚期、石炭纪与二叠纪之交及早侏罗世为气温的低温极值点,并在石炭纪与二叠纪之交达到气温的最低点,整体气温的变化曲线呈似波状型曲线[33]。显生宙期间降水量变化也与气温变化类似,呈现出大致可类比的反旋回性。略有不同的是,其旋回性分界点与气温旋回性分界点有所出入,大致以石炭纪中期为分界点[33],这可能是全球云量、全球气温与全球地形之间复杂作用的结果。云量和气温作为重要的气候参数,与以太阳总辐射(Total Solar Irradiance,TSI)和银河宇宙射线(Galactic Cosmic Rays,GCR)为代表的太阳活动关系密切[40]。石炭纪中后期较大的地形差异造成了不同地区对太阳辐射的差异性吸收,这一过程导致了不同地区间的较强温差,进一步加强了大气圈热机效率(大气圈热能转换为机械能的效率)与行星风系,大气扰动随之增强。降水量与云量会因大气扰动的增强而变多,气温也随着云对地表冷源作用的加强而逐步降低,并于石炭纪末期达到最低温度[33]。太阳活动、全球云量和全球气温等气候参数彼此之间相关系数的不同导致了气温变化与降水量变化在总体趋势相似的情况下,细节方面可能会出现较大的差异,这可能是长周期气温旋回最低值与降水量旋回最高值之间不完全匹配的原因[40]。同时,由于银河年旋回的过程会对行星热能造成较大的影响,那么气温旋回最低值与降水量旋回最高值之间的偏差可能因此变得更加明显[37]。值得一提的是,关于石炭纪中后期地形差异较大的深层次原因,汤懋苍等[33]和杨学祥等[37,41,42,43]分别从地磁演化和地球深部圈层演化的观点进行了讨论。汤懋苍等[33]指出当地球磁场与银河旋臂磁场的磁极一致时会引发地核环流类型的转变,从而引起垂向上的强造山运动[30],而杨学祥等[37,41,42,43]则认为银河年旋回所导致的重力加速度(G值)变化会改变重力分异作用,并触发热幔柱活动,从而改变表层的地形特征。这两种观点虽然在造成石炭纪中后期大幅度地形差异触发机制的认识上有所不同,但都将天文旋回作为触发机制的根本推动力,这也提醒人们在研究古气候旋回与构造旋回时,有必要将目光投向宇宙层面。

Wallmann[44]认为以107~108 a为时间尺度的全球海平面变化是全球气温变化和CO2浓度变化的产物,Exxon公司发表的显生宙一级海平面变化(图1)证实了这个观点:显生宙可划分出2个一级海平面变化旋回,大致以三叠纪晚期为分界节点,第一个旋回在寒武纪晚期达到最高点;第二个旋回在白垩纪中晚期达到最高点,与显生宙降水量变化曲线及温度变化曲线具有较好的可对比性。不过,海平面变化曲线与降水量变化曲线之间存在的关系是一种反对称关系,即当海平面达到最高值时,降水量大致处于最低值,当海平面处于最低值时,降水量大致处于最高值,造成这种现象的原因可能与全球总水量恒定有关[33],这种现象展示了各类超事件之间相互反馈、相互影响的事实。同时,一级海平面变化与古气候旋回存在一个极大的相似点——都大致以一个银河年为周期。

在其他因素(如大气环流、海陆构型)不变的情况下,CO2是影响全球气温最重要的因素。显生宙期间CO2浓度变化(图2c)呈现出一种周期性[44,45,46,47,48,49]:从显生宙的时间标尺上来看,CO2浓度变化曲线由2个似二次函数曲线组成,在早古生代CO2浓度为高浓度模式,CO2浓度大于8 000 mg/m3[48],并在寒武纪与奥陶纪之交达到峰值,大约为现代浓度的20倍[47,48];而后呈下降趋势,在晚石炭世CO2浓度下降到最低值,与现今CO2浓度水平相似。自晚石炭世起,CO2浓度持续处于低值至二叠纪,自二叠纪开始CO2浓度持续上升,在侏罗纪与白垩纪之交达到峰值,而后呈下降趋势至今。以石炭纪与二叠纪之交的CO2浓度最低点为界,可将CO2浓度变化划分为2个旋回,这2个旋回不仅在周期上相似(约300 Ma),而且还有相似的最小值,但最大值却存在较大的差异,第一个旋回中CO2浓度值约为第二个旋回中CO2浓度值的3倍。众多学者对CO2浓度在显生宙旋回性变化的原因做出了解释,其中以地球外辐射假说[35,48,50]与大陆火山弧(Continental Arc Volcanism,CAV)驱动学说[51]为代表的几种解释受到了较多学者的认可。以Shaviv等[35]为代表的地球外辐射假说的支持者指出有很强的迹象表明宇宙射线的通量会影响低空云层(0~3.5 km),并通过电离提供凝结核,在太阳风的影响下,使宇宙射线的通量在数百年至数千年的时间范围内变化并使CO2浓度随之改变。McKenzie等[51]则认为大陆火山弧喷发作用的频次无形中控制了大气圈CO2水平及以百万年为尺度的气候变化。他们测验了大约120 000组碎屑锆石的U-Pb年龄值,并指出在大陆火山弧广泛分布的早古生代及中生代处于温室效应气候,而在大陆火山弧活动减弱的晚古生代及新生代等时期对应着冰室效应气候。由于大陆俯冲带上部陆壳中的碳酸盐岩在受到沿着大陆边缘俯冲带的岩浆活动的影响时,碳酸盐岩的去碳酸化作用会使CO2大量产出,故此大陆火山弧的喷发作用会比其他火山体系产出更多的CO2,所以大陆火山弧的CO2脱气过程或除气过程被视为是地球长周期气候变化的根本因素。至于大陆火山弧的空间分布特征则被认为是板块构造的产物[50,51]

3.2 CaCO3矿物产出形式

对古海相沉积物的研究打破了长久以来被众多学者广为接受的“显生宙以来海水组分几乎保持不变”的观点,研究发现自显生宙以来海洋以“方解石海”和“文石海”的形式交替出现[52,53,54,55,56],且在显生宙期间Mg/Ca值变化与SO42-浓度变化也展现出明显的旋回性(图3)。“方解石海”和“文石海”的交替出现与这种旋回性存在着对应关系:在Mg/Ca值与SO42-浓度的高点处,海洋处于“文石海”的形式,而在Mg/Ca值与SO42-浓度的低点处,海洋则处于“方解石海”的形式。实验证明,Mg/Ca值对CaCO3的矿物学特征具有明显的控制作用:低Mg/Ca值将导致初始碳酸盐沉积物为“方解石”,而高Mg/Ca值则导致初始碳酸盐沉积物为文石;SO42-将会在高钙环境下被大量消耗,从而浓度大幅降低[53,54]。Mg/Ca值的变化可能是由洋中脊流体的变化和海底扩张速率所形成的洋壳差异性产生率导致的[53,55,56],代表性的解释包括Hardie模型[55]和Wilkinson-Algeo模型[56]:前者指出文石海与MgSO4型蒸发岩具有耦合关系,方解石海与KCl型蒸发岩存在耦合关系,这些耦合关系受到从大洋中脊溢流出的热液卤水含量波动而引起的Ca2+含量变化影响而发生周期性变化;后者则是基于白云石形成过程中Mg2+含量改变而造成的Mg/Ca值波动所建立的模型。值得注意的是,这两种模型所建立的显生宙Mg/Ca值变化曲线虽然在总体趋势上一致,但是在许多细节上有明显的差异(图3a),对二者的差异性所展开的讨论[53,54,55,56]或将在未来为人们揭露Mg/Ca值周期性变化与“方解石海”和“文石海”交替出现的原因[55]

图3

图3   显生宙多个海洋组分所展示的旋回性(据参考文献[36,52~56]修改)

(a)Mg/Ca值变化;(b)SO42-浓度变化;A:Hardie模型;B:Wilkinson-Algeo模型

Fig.3   Cyclicity of multiple ocean components during Phanerozoic (modified after references [36,52~56])

(a)Mg/Ca change; (b) SO42- concentration change; A: Hardie method; B: Wilkinson-algeo method


同时,作为海洋产物之一,鲕粒不仅是微生物碳酸盐岩的重点研究对象[57],也是古海洋环境变化的重要研究载体[53,56]。Sandberg[58]曾对海水成分与鲕粒原生矿物之间的关联性做出总结:在Mg/Ca值大于2的富镁海水中,由于Mg2+对方解石的形成具有明显的抑制作用,所以海水中的碳酸盐矿物以文石与高镁方解石为主,进而成为形成鲕粒的主要原生矿物;文石鲕常发育切线状纹层,而高镁方解石鲕多发育放射状纹层。在Mg/Ca值小于2的贫镁海水中,可能因为方解石的沉淀不再受到抑制,所以海水中的碳酸盐矿物以低镁方解石为主,这些以低镁方解石为原生矿物的鲕粒多具有放射状或同心—放射状纹层。同时,鲕粒的丰度以及原生矿物类型与一级海平面存在某种联系[23]:鲕粒高丰度期处于一级海平面变化的上升拐点或下降拐点;文石鲕主要发育于一级海平面的低水位期,而方解石鲕则主要发育于一级海平面的高水位期。造成这种现象的原因目前还没有肯定的答案,就像鲕粒的成因一样是一个迷人而又费解的沉积学难题。

3.3 古地磁磁极倒转和火山的旋回性喷发

目前普遍公认的地球年龄约为4.567 Ga[59,60],在这漫长的时间里,地球由内到外的各个圈层无一不在发生着复杂的变化[23,33,34,35,36,37,61,62,63,64],地磁也在不断地发生倒转。地磁记录在地层中被很好地保存了下来,最古老的地磁记录距今3.5~4.0 Ga[33,65]。在漫长的地质历史时期中,地磁场在不固定的周期内(0.1~1.0 Ma)发生一次完全的南北极磁极倒转现象,倒转时间有时可能小于100年[33]。磁极倒转的极性比率在长周期中存在规律性的变化趋势(图2a):埃迪卡拉纪—寒武纪、石炭纪—二叠纪以及古近纪负磁极处于优势期,在显生宙其他地质历史时期中正磁极处于优势期。关于地磁倒转的原因多年来引发了一系列激烈的争论[33,37,65,66,67,68,69]:有证据表明地磁场对于核幔边界的热流变化十分敏感[66],核幔边界的热流规模与在空间上的形态都有可能使地磁场发生改变[65,66]。同时,地磁的正磁极频率与热幔柱的活动强度之间呈现出的正相关性表明地磁场磁极倒转与热幔柱的活动强度关系密切[37,65,67],这是因为大量的深部物质与热能会随着热幔柱的喷发从核幔边界向外溢流,这个过程会阻止地磁转向[37],且热幔柱的增生与消亡将会影响核幔边界附近的热流的均匀分布[68]。事实上,北美火山的喷发频数与地磁极性比率趋势也十分相似(图2d),北美火山的喷发频数变化明显地以300 Ma为周期,峰值时间与地磁正极性优势期大致相同,都以450~500 Ma与100~150 Ma为峰值[37],这种正相关也向人们展示了地磁场变化与地球深部活动之间的紧密联系。这一系列的研究又激起了众多学者对地磁倒转更深层次原因的探讨[33,37,65,66]:通过对长周期地磁倒转与板块运动的对比发现南北半球俯冲量的不对称会增强倒转的频率,由天文旋回控制的板块俯冲活动可能就是影响地磁场磁极倒转的一大重要因素[65,66]。而Pacca等[68]对距今510 Ma以来地球自转速度的研究表明磁极倒转的频率与地球自转速度的变化存在一致性,许多学者因此认为地球自转速度的变化可能是影响地磁场磁极倒转的另一个重要因素[68,69]

3.4 小结

显生宙期间的多个旋回性超事件(图2)具有以下几个特点:分布圈层广,地球系统各圈层都存在着不同的超事件;相互存在较为明显的关联性,每一个超事件的状态似乎都可以成为影响另一个超事件状态的解释或验证实例,似乎有一只无形的手可以把它们全部串连起来;诱发多起超事件旋回性发生的深层次原因都很有可能源自于宇宙因素,且这些超事件的旋回周期与银河年旋回周期具有一致性,即多起超事件的旋回周期与银河年旋回的时间大致相等;与一级层序密切相关,以全球海平面变化为代表的超事件决定了一级层序的整体格架,而以“方解石海”与“文石海”交替出现为代表的超事件决定了一级层序的细节。地球系统所具备的种种特征,仿佛在揭示着:银河年旋回与这些超事件存在着密切联系,而且银河年旋回很有可能就是把各个旋回性超事件串连在一起的绳索。因此,关注这些超事件与银河年旋回之间的深层次联系是帮助人们解开这些奥秘的基石。

4 银河年旋回机制的探讨

地球是太阳系的第三颗行星。众所周知,地球具有自转和公转,因为地球的自转所以有了“日复一日”的现象,因为地球的公转而产生了“年复一年”的现象。事实上,除了地球在做规律性的自转和公转之外,太阳系也在做有规律的旋转,太阳系绕银心所做的规律性旋转被称为银河年旋回。

作为宇宙的组成部分之一,地球系统从浅到深都受到了宇宙整体运动模式及运动规律的影响,银河年旋回对太阳系具有直接的影响,而地球又同时受到了太阳系的约束,从而银河年旋回与地球系统之间建立了影响的纽带。正如地球绕太阳公转一样,太阳系也围绕银心做有规律的运动,显然在近银心点和远银心点处太阳系的状态存在巨大的差异,而这些差异最终又通过太阳电磁辐射、太阳风等途径作用于地球系统[37,43]。早在20世纪末,便有观点认为太阳电磁辐射、太阳风对地球深部物质演化规律具有重要影响[37,43];其次,通过数学计算,随着太阳系从近银心点运动到远银心点,G值将增大3.7×10-9 cm3/(g·s2),由于G值的增大,万有引力对太阳系内星体的束缚也随之变大,太阳系也因此而收缩[37]。因为G值的变化,地球上的重力分异作用也会受到一定的影响,在重力分异作用下地幔和地核分别发生膨胀和收缩,在这个过程中会发生能量的转换,核幔边界的D”面就是这个能量汇聚的转换面,当能量聚积到一定程度时,这个热边界层就可以启动热幔柱,聚积的强大能量支持着热幔柱穿透地幔直达地表[41,42,43,70]。银河年旋回对地球系统的影响是以间接影响为主的,这也就导致了银河年旋回对地球系统的影响可能不易在瞬间体现出来,但其通过自身周期在宏观上控制着地球系统变化的周期,热幔柱就是一个很好的例子[41,42,71]。研究表明深部地幔长波长的循环可能就是超大陆向某一单独中心点集合的动力机制,而且地幔对流的一阶对流格局与二阶对流格局之间的不断切换是超大陆与超大陆旋回形成的根本原因[72]。因此,地磁场磁极倒转和CO2浓度变化显然与银河年旋回造成的深部运动和构造运动关系密切:被银河年旋回影响的核幔边界热流状态和热幔柱活动决定了地磁状态和地磁倒转事件的发生[65,66,67,68,69],而以板块俯冲为代表的构造运动可能是影响地磁场磁极倒转的另一个重要因素[65,67];同时,与银河年旋回相关的大陆俯冲带上部陆壳中的碳酸盐岩因岩浆活动影响而发生的去碳酸化作用以及以洋壳产生和山脉隆起为代表的构造活动会使CO2大量产出[51]。而板块运动诱发的从大洋中脊溢流出的热液卤水含量波动将会直接影响海水中Ca2+含量变化,导致Mg/Ca值的变化,并与海水中的CO2浓度变化一起约束着CaCO3矿物的产出形式。

据推算,随着太阳系从近银心点运动到远银心点,行星轨道将会缩小4.95%,行星的位能也相应降低,在这个过程中地球将释放出约5.2×1032 J的能量转换为热能及地球公转的动能[37],地球可能因此而进入“温室阶段”。反之,在太阳系从远银心点运动到近银心点的过程中,G值会相应变小,太阳系也会因此而膨胀,行星轨道相应增大,行星位能随之上升,可能正是基于这个过程,地球吸收了大量的能量,地球也因此进入“冰室阶段”。杨学祥等[37]在对行星动能与行星热能之间联系的研究基础上,引入了相对论的概念,分析出太阳系在近银心点速度最大,太阳系内的天体随着运动速度增大而质量变大,因此需要从外界吸收大量的能量,所以造成了地球上的大冰期事件;反之,当太阳系在远银心点时,地球将会进入“温室阶段”。这种说法也从另一个方面说明了地球系统与天文旋回之间密不可分的关系,基于上述说法,似乎可以解释为什么在距今约600 Ma以来,地球上对应地发生了3次大冰期事件。需要注意的是,关于地球上冰室气候与温室气候交替出现的现象,其他学者也做出了相应的解释:Williams[50]推测,它们与太阳系穿过银河系的挠曲区域有关,当太阳系穿过银河系最小挠曲区域时,地球上发生了冰川。而按照McKenzie等[51]的观点,大陆火山弧活动所导致的大气圈CO2浓度的变化才是温室气候与冰室气候交替出现的驱动器,而大陆火山弧的活动频率似乎与银河年旋回也存在着某种对应关系[41,42,43,51,70,71,72]。虽然地球的冷暖交替现象目前还没有一个单一的、确定的模型来解释,但是通过众多学者多年来的不懈研究,大致可以确定的是:在银河年旋回所造成的热能变化以及CO2浓度变化的共同驱使下,以温室气候与冰室气候交替出现为特点的古气候旋回在显生宙期间大致以一个银河年为周期展现出良好的旋回性,而以107~108 a为时间尺度的全球海平面变化被认为是由温度变化所决定的[32],那么显生宙期间一级海平面变化也因此表现出良好的旋回性。

可与上述超事件相类比的是,显生宙一级层序似乎也受到了银河年旋回的约束与控制。在银河年旋回机制下所造成的古气候旋回、全球海平面变化与板块运动造成的沉积盆地空间变化直接决定了一级层序的格架,而由银河年旋回约束的部分矿物的产出形式影响了一级层序的细节。正如其他超事件一样,显生宙一级层序的形成可以通过银河年旋回机制给出一个较为合理的解释,且与显生宙期间发生的许多超事件密切相关。因此,银河年旋回与显生宙一级层序之间的深层次联系值得人们的重视与深入探讨。

5 讨 论

Catuneanu等[11,73]指出层序本质上就是一种地层的旋回,那么将一级层序与其他大型旋回性事件相类比就显得很有科学意义,将层序问题与其他在显生宙具有良好旋回性的超事件放在一起进行对比讨论可以从一个不同的角度来看待地球的演化过程。银河年旋回可能是影响地球系统周期性变化的重要要素,太阳系绕银心旋转的过程可能直接影响了地球的万有引力值与温度变化,由于G值的改变,地球深部圈层的演化也受到了影响。基于上述几种变化,古气候、大气圈CO2浓度及全球海平面都呈现出一种准周期性的变化,这将导致生物圈与岩石圈的全新面貌,而生物圈与岩石圈的状态同时又反过来通过大气循环等途径进一步作用于古气候、大气圈及全球海平面的状态,最后处于某种平衡状态相互作用、相互调整而不断地演化。

关于多起超事件与银河年旋回之间在显生宙期间的对应关系已建立了多种可能的模型,但是这些模型在许多细节方面还值得深思。最近,Ross等[34]以海相黄铁矿中的微量元素和海洋石盐中流体包裹体中的氧气含量作为大气的氧化指标,发现显生宙O2含量变化存在周期性:显生宙可能存在5个周期为60~120 Ma的一级旋回(图2b),且随着时间的推移,氧循环的频率不断提高。造成这种氧循环的原因可能是板块运动导致了海洋营养物质的增加,而海洋营养物质的增加又促进了光合作用,这些事件促进了长周期氧循环[31]。同时,O2含量与生物多样性具有明显的相关性[31],即O2含量的低值时期与生物灭绝事件发生时期相一致,而O2含量的高值时期与生物的进化时期相一致。从循环的周期上来看,显生宙O2含量的变化周期(60~120 Ma)与银河年旋回周期(约300 Ma)并不存在对应关系,但是从细节上观察可以发现,O2含量的低值(或高值)与CO2浓度、地磁正极所占百分比及北美火山活动频数的低值(或高值)相对应,展现出与其他超事件的一致性。这样的一致性提醒人们:地球的演化过程远比现象中复杂,除了那些周期上可与银河年旋回相对应的超事件可能与银河年旋回存在着某种对应关系之外,那些诸如O2含量变化的异周期超事件与银河年旋回也存在着某种似有似无的联系,这种似有似无的联系值得深入的探讨。

另外一个不容忽视的尖锐问题就是:在显生宙期间建立的这种准周期性变化的模型运用到前寒武纪并不适用,到目前为止,前寒武纪尚未建立一个合理的模型。在关注那些具有准周期性及旋回性的超事件的同时,不应该忽略那些诸如生物进化等单向发生的事件,正如Van Kranendonk等[60]所提出的可将前寒武纪地球的演化划分为初生期、幼年期、青年期和成熟期。这种大陆增生的过程就如同生物的成长一样是一个不可逆的单向进程,在这一单向进程中,很难找到与银河年旋回相对应的旋回性。即便是在显生宙表现出良好周期性的O2含量变化、CO2浓度变化等在前寒武纪的旋回性也几乎不可见[34,74]:在3 000 Ma的时间尺度下,O2含量的变化几乎呈单向的线性变化,仅在元古宙可见3个循环、在显生宙可见5个循环(图4a);而近3 000 Ma以来,CO2浓度也仅在显生宙期间展现出较好的旋回性(图4b)。不过,显生宙多个超事件所表现出的良好的旋回性、显著的可对比性以及诸如Ross等[34]所倡导的O2含量与生物多样性存在相关性的观点不禁让人们思考:生物的进化以及生物的各种生命活动是否使显生宙的地球系统与银河年旋回处于某种对应关系,银河年旋回是否在显生宙期间巧妙地以生物圈为媒介宏观上调控着包括一级层序的形成在内的各类旋回性事件的发生。

图4

图4   3 000 Ma以来大气圈O2CO2浓度变化(据参考文献[34,49,74]修改)

(a)O2浓度变化;(b)CO2浓度变化

Fig. 4   Changes of O2 and CO2 concentration in the atmosphere since nearly 3 000 Ma (modified after references [34,49,74])

(a) O2 concentration change; (b) CO2 concentration change


显生宙发生的多起超事件在成因上的关联性以及与银河年旋回在周期上的契合性,使人们不自觉地将这些超事件与银河年旋回放在一起共同思考,而各类超事件之间的关联性也提醒着人们与一级海平面变化密切相关的一级层序是多种因素共同控制下的产物。如今地层框架的分布格局与天文旋回之间的关系在众多学者的努力下已经变得逐渐明了,但依旧存在许多难题尚未攻克,比如天文旋回与前寒武纪地层之间的联系存在着若干富有争议的尖锐问题,天文旋回对地球深部运动的具体影响以及深部运动对地层框架的具体控制作用等尚无肯定的答案。但可以肯定的是天文旋回对于地球系统的演化起着十分突出的控制作用,长周期层序与长周期全球海平面变化、气候旋回、构造旋回及地磁倒转等之间存在较为密切的联系。如果将天文旋回作为最初的推动力来考虑,那么一个由天文旋回所决定,地球内部圈层所控制,大型构造活动所体现,涉及地球多圈层、多层次、多物质的解释假说似乎可以被提出,但是这种观点目前仍然存在着许多不完善之处,这些都将是众多学者持续探讨与争论的话题。

6 结 语

层序本质上是一种地层的旋回,将显生宙一级层序与其他在显生宙具有良好旋回性的超事件放在一起进行探讨为我们提供了一个研究地球演化过程的崭新思路。研究表明,地球的热量与G值会因银河年旋回的进展而发生改变,这些改变或许就是导致显生宙期间诸如大气圈CO2浓度变化、相应的温室—冰室气候更替、水圈中“方解石海”与“文石海”交替出现、古地磁磁极倒转等旋回性超事件发生的深层次原因,且这些超事件在周期上与一级层序具有相似性,在成因上与一级层序有较为明显的关联性,由此归纳出的显生宙一级层序的银河年旋回响应机制便成为了对长周期层序天文学成因研究的一个重要进展。但是,将这些超事件在显生宙期间所具有的良好周期性延伸到前寒武纪便成为了一个谬论,这些超事件在前寒武纪与显生宙之间的不协调成为了银河年旋回机制合理性的一个巨大争论,同时也给揭开地球对天文旋回响应机制的神秘面纱带来了巨大的挑战。对于天文旋回与地球系统之间的联系,仍需要不断地用事实现象来验证。所以,将地层框架受控于天文旋回的观点带入实际中验证将会是最切实的手段。

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