| [小科普：随我看地球 – 三十四] 成冰纪：第一次全球性冰冻时代 成冰纪是前寒武纪新元古代的一个地质时期， 也是地球历史上最极端的冰期之一。它被科学界一致认为是全球完全冻结的"雪球地球"事件。成冰纪名称源自希腊语"kryos"(冰)和"genesis"(诞生)，意指这是一个以全球性冰川事件为特征的时期。成冰纪最显著的特征是发生了至少两次全球性的冰川事件, 即 斯图特冰期(Sturtian Glaciation, ~7.17-6.60亿年)和马林诺冰期(Marinoan Glaciation, ~6.50-6.35亿年)。这两次事件被认为是地球历史上最严重的冰期，导致整个地球表面被冰层覆盖 (图1)，全球平均温度可能低至-50°C。
成冰纪的绝对年龄测定主要依靠铀-铅(U-Pb)同位素测年技术，特别是对火山灰层中锆石的定年。近年来高精度定年技术的发展使得成冰纪内部事件的年代学框架更加精确。例如，斯图特冰期的开始时间被精确限定在约7.17亿年前，而马林诺冰期结束于约6.35亿年前。 成冰纪处于罗迪尼亚超大陆(Rodinia Supercontinent)裂解的关键时期。罗迪尼亚形成于约11亿年前，在成冰纪之前已经开始裂解，但主要裂解事件发生在成冰纪期间。超大陆的裂解导致大量基性岩浆强烈喷发和大规模火成岩省(Large Igneous Provinces - LIPs)的形成，如约7.2亿年前的富兰克林大型火成岩省。 超大陆裂解对全球气候产生了深远影响。一方面，大陆裂谷带的形成增加了大陆边缘长度，促进了硅酸盐风化作用，消耗大气CO2，可能导致全球变冷；另一方面，裂解伴随的火山活动释放大量CO2，又可能引起温室效应。这种复杂的相互作用被认为是触发雪球地球事件的重要因素。 古地磁研究表明，成冰纪期间各大陆块体处于低纬度地区，这为冰川沉积在赤道地区的发现提供了合理解释。大陆的低纬度分布也意味着冰川反射率反馈机制(Ice-Albedo Feedback)可能更容易导致全球冰冻，因为赤道地区的冰盖会显著增加地球反照率。 然而，有研究表明，成冰纪时中国的华南板块处于北纬60-70oN的高纬度地区，因此在湖南、湖北、贵州、江西、安徽、浙江(如浙西、浙中、浙北)等地都发现有该时期的冰川遗迹。在中国，这个冰期也称"南沱冰期"，时间正好为7.2-6.35亿年前。 成冰纪时期的天体物理环境与现今有所不同。地球自转速度比现在快，日长约21小时，一年约有420天。米兰科维奇轨道周期(地球轨道偏心率、地轴倾角和岁差的变化)仍然对气候系统产生影响，但在全球冰冻条件下，这些周期的影响可能被强烈抑制。 有学者提出，太阳系在银河系旋臂的周期性穿越可能影响地球气候。当太阳系穿越银河系旋臂时，宇宙射线通量增加，可能导致云量增多和全球变冷。虽然这一假说存在争议，但某些计算表明成冰纪冰期可能与银河系旋臂穿越事件在时间上吻合。 此外，太阳光度在成冰纪时期约为现代的94%，这被称为"微弱年轻太阳悖论 - Faint Young Sun Paradox)。 根据太阳演化模型，年轻时的太阳辐射较弱，地球本应完全冰冻，但地质记录显示成冰纪之前的地球大部分时间是无冰的。如果这个悖论是对的，那么，这就隐喻地球气候系统的内部存在着强大的温室效应调节机制。 "雪球地球"的终结机制与火山活动持续释放CO2有关。在全球冰冻条件下，硅酸盐风化和光合作用等消耗CO2的过程几乎停止，而火山活动仍在持续释放CO2。模型计算表明，经过数百万年的积累，大气CO2浓度可能达到现今水平的350倍以上，引发强烈的温室效应，最终导致冰盖迅速消融。 尽管成冰纪环境极端，但生命仍然以某种形式赤道附近的海洋里生活并演化。分子钟研究表明，真核生物的主要类群在成冰纪之前已经分化，而成冰纪的极端环境可能促进了真核生物的进一步演化。特别值得注意的是，后生动物（除原生生物外的多细胞动物）的可能祖先出现在这一时期。 化石记录显示，成冰纪生物群以微体化石为主，包括疑源类(Acritarchs，图3)和一些可能的藻类。这些生物在冰期表现出明显的体型缩小和多样性降低，而在间冰期则有所恢复。一些学者认为，成冰纪的极端环境可能促进了生物共生关系的发展，如真核细胞内的细胞器形成。
成冰纪地球系统各组成部分之间存在复杂的相互作用。板块构造运动通过控制大陆分布、火山活动和风化作用影响气候；气候变化又通过海平面变化、风化速率等反馈影响板块运动。生物演化受到环境变化的强烈选择，同时生物活动也开始对全球环境产生越来越大的影响。 一个典型的例子是生物地球化学循环与气候的耦合。冰川扩展导致海洋生产力下降，有机碳埋藏减少，从而影响大气氧气含量；而氧气含量的变化又会影响生物群落结构。同样，冰川消融导致大量营养物质输入海洋，可能引发藻类的勃发，进一步影响碳循环。这些相互作用的结果是地球系统表现出阈值(临界值)行为和突变特征。在达到某个临界点之前，系统可能相对稳定；一旦超过临界点，系统状态就会发生快速转变。成冰纪的"雪球地球"事件及其突然终结正是这种非线性系统行为的典型表现。 总之，成冰纪的极端气候环境与罗迪尼亚超大陆裂解、火山活动加剧、太阳系变化、大气CO2浓度变化等因素密切相关，同时这一时期的极端环境也推动了真核生物的适应性演化，为后来寒武纪生命大爆发奠定了基础。 成冰纪研究为我们理解地球系统运作提供了独特视角。这一时期展示了地球气候可以有多么极端，以及生命如何在这种极端条件下坚持并演化。现代全球变化背景下，成冰纪研究尤其具有启示意义。它提醒我们地球系统可能存在我们尚未完全理解的临界点和反馈机制。如成冰纪生物在极端环境中寻求生存之道一样，人类文明也面临着如何与地球系统和谐共处的挑战。 作者简介：章纪君博士，1982年12月赴美国纽约哥伦比亚大学拉蒙特地质研究所(Lamont-Doherty Geological Observatory)研究海洋浮游有孔虫；1984年赴美国田纳西州Vanderbilt 大学学习海洋钙质超微浮游生物; 自1987年至2013年在美国自然历史博物馆微体古生物出版社和拉蒙特地质研究所从事特殊出版物编辑，海洋古生物及生物地层学和天外物质的研究。1991年进入加拿大哈里法克斯的达尔豪斯(Dalhousie)大学深造，1996年取得博士学位。在学期间获奖情况：1996-1999年：美国弗罗里达大学美国国家科学基金会 (NSF) 的博士后资助。1993-1996年连续四年获达尔豪斯大学研究生 Izaak Walton Killam 纪念奖学金。1994年获美国地质学会 (GSA) 学生研究奖。1993年获美国全球一年一度一人的Cushman 基金会学生奖。1991-1993年连续二次获达尔豪斯大学研究生奖学金。1991-1996仼达尔豪斯大学助教。 1997年在法国Anger大学地质系做访问教授。2000年后在利比亚－美国合营公司－”绿州石油公司”任实验室主任，从事古生物，地层和古盆地重建工作， 同时担任石油公司的地质，古生物学的教育培训工作。 出版物二部书，中文版一部由”海洋出版社”出版, 合著1988, 438pp; 另一部英文版由Springer-Verlag 出版社出版, 合著, 1985, 370pp. 1985-1986期间曾参与中国的“辞海”汇编。 在”海洋出版社”1988年专著一书中，命名了16个第四纪底栖有孔虫新物种. 另外在美国 ”Micropaleontology”1995年一文中，命名了一个渐新世(Oligocene)的浮游有孔虫一个新属(Protentelloides) 和二个新种(Protentelloides primitiva 和Protentelloides dalhousiei). 出版文章20余篇，发表于各种科学杂志上, 如Palaios,Deep Sea Research, Marine Micropaleontology, Micropaleontology, Paleoceanography, Geology, Oceanography Acta Sinica等.为绿洲石油公司撰写内部专业报告20余篇. |
