出品：科普中國
製作：中國科學院南京地質古生物研究所 盛捷 陳孝政
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
小暑大暑，上蒸下煮。
無論是北方地區的鐵板燒烤，還是南方地區的（黃）梅後燜蒸，舉國上下，離不開一個字"熱"！
當揮汗如雨的你得知，我們生活的這個時代，並不是地球最熱的時候，你會不會覺得很意外？
這還不是最壞的消息！自工業革命之後，大氣中二氧化碳濃度迅速上升，導致了近百年來全球顯著的變暖現象，逐步打破了地球系統原有的自平衡狀態。
現代大氣二氧化碳濃度變化（橫座標是年度，縱座標是濃度ppm）：
（圖片來源：Chen et.al,2018）
這也意味著，未來我們或要面臨更為酷熱的夏天！
別緊張，因為……
這些，對於有著46億年"球齡"的地球來說，冷暖交替是再正常不過的事了！
事實上，從地球歷史大尺度的角度看，我們現在仍處在相對較冷的時期。
TIP: 冰期，地球表面覆蓋有大規模冰川的地質時期。又稱為冰川時期。地球表面沒有大陸冰川的時期則為"溫室"氣候。而在冰川時期，冰川的進退則會形成冰期和間冰期的交替出現。我們的地球現在正處於中的一次小的間冰期。
地質歷史時期冰川發育事件及冰蓋波及範圍（Hoffman 2009），圖中橫座標為地質年代（百萬年），縱座標為冰川到達的古緯度：
近十億年來，地球都是以溫室氣候為主，冰期只佔據不到四分之一的時間。
其中，冰期持續時間最長的是，距今約三億多年前的晚古生代大冰期，那次冰期持續了近七千萬年，也是顯生宙最大的一次冰期事件。
晚古生代大冰期
時間回到約3.5億年前的石炭紀早期，那時的地球各圈層（包括岩石圈、大氣圈、生物圈等）都發生了翻天覆地的變化。
全球的岩石圈發生著劇烈的構造運動，大陸碰撞，形成泛大陸（全球主要陸塊連成一片）、陸地上的維管束（木質）植物開始繁盛，最古老的熱帶雨林正在逐步形成規模等，陸地植被達到了空前的水平。
當然，最為奇特的是，那時的昆蟲都非常巨大，蜻蜓展翅長達70多釐米，除此之外，還有長達兩三米的巨型千足蟲、巨型海蠍子等節肢動物也在這裡生活著。
晚石炭紀熱帶雨林與巨型蜻蜓。（圖片來源：美國史密森研究院）
到了距今3.4億年前，地球進入晚古生代大冰期。全球年平均氣溫驟降，位於南半球的泛大陸，被冰川廣泛覆蓋。
在整個大冰期期間，地球大氣中的二氧化碳濃度很低，最低時僅為100ppm左右，約為現在大氣二氧化碳濃度的四分之一。
晚古生代大冰期事件記錄了陸地自有植被以來，第一次從大規模"冰室氣候"向"溫室氣候"的轉變。因此對該時期古氣候和古海洋的系統研究，無疑對於認識當今地球系統從"冰室氣候"向"溫室氣候"轉變的趨勢，具有重要的"深時"地質借鑑和啟示意義。
為深入瞭解這個過程，中國科學院南京地質古生物研究所的研究團隊，近年來圍繞晚古生代大冰期期間的古氣候和古環境，開展了一系列的研究。
二氧化碳與全球氣候
作為最著名的"溫室氣體"，大氣中二氧化碳濃度的變化，無疑直接影響了全球氣候的變化。一旦抓住二氧化碳變化的規律，某種意義上，也就意味著抓住了"冰室氣候"和"溫室氣候"變化的規律。
大氣中二氧化碳濃度降低，說明二氧化碳被儲存起來了。有兩種地質作用能夠將空氣中的二氧化碳存儲起來，一是大陸風化；二是有機碳（煤）的埋藏。
大陸風化使得硅酸鹽和二氧化碳發生反應，形成碳酸鹽。碳酸鹽在海底逐漸沉積，這樣便將大氣中的二氧化碳儲存了起來。
植物的光合作用會固定空氣中的二氧化碳，形成有機質。有機質的埋藏，也可以將一部分二氧化碳儲存起來。有機質在陸地上埋藏的形式通常是煤；在海洋中的埋藏形式是通過低等微生物光合作用，將碳富集起來（通常是石油）。
在貴州納慶的新發現
納慶剖面，位於貴州黔南羅甸縣納慶村。
晚古生代大冰期期間，由於冰川擴張引起全球海平面下降，導致各大陸大都從海底暴露出來，並剝蝕掉之前的很多沉積記錄，因此缺失了這段時間的沉積。
而位於華南貴州的納慶剖面，當時正好處在一個海底斜坡的下部，未被暴露出來，很獨特地擁有了這段時期完整的沉積記錄。
納慶剖面（黃色星號標記）的古地理位置（繪圖：R.Blakey）
近日，中科院南古所陳吉濤研究員等通過對貴州納慶剖面等地層的鍶、碳同位素綜合研究，在國際著名地學雜誌《地質學》（Geology）上發表了關於晚古生代大冰期古氣候變化的最新研究成果。
之所以選擇鍶、碳同位素作為研究對象，其原因在於：鍶同位素可以反映大陸風化速率，而碳同位素則可以作為有機碳埋藏的指標。兩者結合，便可以推出二氧化碳降低究竟是因為大陸風化加強，還是因為有機碳埋藏。
石炭紀–早二疊世全球事件、鍶、碳同位素及古大氣CO2對比圖：
陳吉濤等的研究顯示，晚古生代大冰期是由大陸風化和有機碳在陸地上的埋藏（形成煤炭）導致，而大冰期的最高峰則因為有機碳埋藏由大陸轉向海洋。
此次發現的科學意義
1. 通過研究，佐證了晚古生代大冰期的起始與加強是由大陸風化和有機碳在陸地上的埋藏（形成大量煤炭）導致的。
石炭紀廣泛分佈的溼地森林。該時期形成了大量的煤炭——這也是"石炭紀"這一名稱的來源：
經過對納慶剖面高分辨率、高精度的牙形刺鍶同位素研究發現，該鍶同位素曲線間接地反應了當時大陸風化的變化速率，這與當時的泛大陸造山運動、熱帶雨林的繁盛情況、以及泛大陸赤道附近的古氣候狀況都具有密切的聯繫。
2. 首次對大冰期最高峰產生的原因提出假設：在當時大陸風化整體下降，且熱帶雨林植被更替（氣候乾旱，煤炭埋藏減少）的背景下，二氧化碳濃度降低的原因是有機碳儲藏由大陸轉向海洋。
石炭紀晚期氣候轉為乾旱，熱帶雨林減少，煤炭埋藏也隨之減少：
（圖片來源：J. Svoboda 繪製(Opluštil et al., 2013)
前面提到二氧化碳濃度降低有兩個原因，一是大陸風化加強，二是有機碳的埋藏。
大冰期最高峰時，二氧化碳濃度最低。但是，那時的鍶同位素呈下降趨勢，這說明當時大陸風化整體減緩。這也與前期研究得出的當時環境——熱帶雨林由溼地到乾地轉化，不利於大陸風化一說相匹配。
所以，只能是因為有機碳的埋藏導致當時的二氧化碳降到最低。
那麼，問題又來了！是陸地上的有機碳埋藏（煤的形成）導致二氧化碳降低？還是海洋中的有機碳埋藏導致的呢？
在冰期最高峰時，從全球範圍來看，除了華南華北等少數地區，其他地區如歐美大陸，幾乎沒有煤系的形成。因此，因煤系形成（即陸地上的有機碳埋藏）導致二氧化碳降低一說，也是不成立的。
最終，陳吉濤及其合作者提出假說：大冰期的最高峰是在大陸風化整體減緩及熱帶雨林植被更替的背景下，有機碳埋藏由大陸轉向海洋導致的。
現代阿拉伯海由浮游生物形成的水華（圖片來源：NASA）
這樣的猜測，也符合當時一些地質作用的背景。例如，當時乾旱作用很嚴重，鐵等營養元素容易被帶入海洋，從而海洋生物得以繁盛，最終導致海洋有機碳的埋藏增高。
3、對鍶同位素的研究，重新釐定並填補了石炭紀–早二疊世的海水鍶同位素變化趨勢，為該時期全球地層對比提供了較為精確的鍶同位素地層依據，這也是我國申請石炭系相關層位"金釘子"的重要依據之一。
石炭系地層還有多個"金釘子"尚未確立
同時，該研究為晚古生代大冰期全球古氣候變化與古海洋循環提供了有力的生物地球化學證據，是我國對晚古生代大冰期進行多學科交叉研究的綜合性成果，也是國際上探討當時環境演變過程和控制因素的標誌性成果之一。
相關研究由中科院南古所與美國加州大學戴維斯分校合作完成，得到了中國科學院、國家自然科學基金委和美國國家科學基金會的聯合支持。
論文信息:
Jitao Chen*, Isabel P. Montañez, Yuping Qi, Shuzhong Shen, Xiangdong Wang, 2018. Strontium and carbon isotopic evidence for decoupling of pCO2 from continental weathering at the apex of the late Paleozoic glaciation. Geology. 46 (5): 395-398.
（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）
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