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【地球演义】第一百九十六回 大冰河

攀缘的井蛙2018-12-05 15:35:48

  也许是因为复原图的关系吧,石炭纪给人的印象是广袤的森林和沼泽,似乎整个地球都笼罩在潮湿温热的富氧大气中,生机勃勃,无数巨虫,巨鱼和巨螈在其中横冲直撞。


这是绝大多数人心中的石炭纪地球景色:

(图片来源见水印)

 

  然而事实是:石炭纪到二叠纪期间,这颗星球进入了自雪球地球事件(参见第二十回成冰纪-霜穹之下)之后规模最大,持续时间最长的一次冰期。


如果真的穿越到石炭纪,你看到的更有可能这样的景色:


(图片来源自网络)

 

  石炭纪到二叠纪期间,泛古陆(Pangea)南端的冈瓦纳大陆(Gondwana)的大部分都被笼罩在巨大的冰盖之下。我们熟悉的石炭纪复原图是的景观:沼泽,森林,巨虫和四足动物其实只集中分布在赤道附近,那些相对温暖的地带;尤其是古特提斯海(Paleo-tethys Sea)西侧的劳亚大陆(Laurussia),沐浴在和暖的热带海风中,孕育出繁荣的生态系统。许多著名的石炭纪特异埋藏化石群,比如美国的马荣溪(Mazon Creek)和熊谷(The Bear Gulch),还有法国的蒙卡夫雷勒(Montceau-les-Mines)等等,都曾经是富饶的劳亚大陆的一部分。

 


晚石炭世的海陆分布和生态系统。冈瓦纳古陆的绝大部分都是冰川(白色)和荒漠(黄色)。森林(深绿色)只集中在赤道附近的劳亚古陆和北方的西伯利亚(Siberia)的小块区域。在未来,图片来源见水印。

 

  地球经历的上一次大冰期是在奥陶纪末(Ordovician Ice Age),那场封冻被认为是造成大灭绝事件的元凶之一(参见第九十五回浩劫空踪(上))。当生态系统经过了1亿年的修复和发展之后,石炭-二叠纪大冰期(Permo-Carboniferous Ice Age)再次来袭,而且持续时间和波及范围远远超过前次。那么,生物们这次又将迎来怎样的命运呢?

 


显生宙的平均气温和大气二氧化碳含量变化曲线,和几次主要冰期(奥陶纪,石炭-二叠纪,侏罗-白垩纪,第四纪)。图片来源自网络。

 

  幸运的是,大多数生物都安然承受住了寒冷的气候。也许是因为泥盆纪末的Kellwasser事件(The Kellwasser Event)曾经引发过一次全球变冷和海退事件(参见第一百五十六回星陨,冰封,海退)。经历了那一轮洗牌,幸存到石炭纪的生物都能比较适应寒冷的气候吧。

 


在石炭-二叠纪大冰期,地球气候也会发生周期性的波动。当冰阶(Glacial Phase)来临,气温下降,海平面下降,冰川发育,从大陆延伸到海岸,边缘断裂形成漂浮在海上的冰山(Iceberg)。在两次冰期之间的时间段被称为间冰阶(Interglacial Phase),间冰期气温小辐回升,海平面升高,冰川后退,大陆上的冰雪消融后,露出土壤,形成河湖,植物则抓紧时间生长,形成森林和湿地。当下一次冰期来临,再次推进的冰川将把森林摧毁。生命和冰雪就这样此进彼退,循环往复,周而复始。图片来源自[1]

 


巴西境内的石炭-二叠纪冰川遗迹。在冰碛物形成的混积岩(Diamictite)层见夹杂着薄薄的煤炭层(A图),和混有植物根系的泥岩(BC图)。这里的生命在冰雪消退的间隙里一度繁荣,随后又被扩张的冰川摧毁。图片来源自[2]

 

  石炭-二叠纪时期的南极冰川范围要比今天大得多。除了整个南极洲外,深达数千米的冰雪还延伸到了现代印度,南美,非洲和澳大利亚。在这些地区留下了众多冰川活动的地质遗迹。



石炭-二叠纪大冰期古南极冰盖覆盖的范围(白色区域),和冰川流动的方向(箭头标示)。图片来源自网络。

 

  冰盖上不断有新的雪花降下,冻结,压实,在自身重力作用下,冰层会沿着一定方向流过山岳和大陆。巨大而流动的冰体对地表岩层有着剧烈的侵蚀作用。冰雪会把岩石床基挤压破碎,融化的雪水渗入岩缝,再次冻结膨胀,撬下大量碎石。这些碎石被冰雪裹挟,载沉载浮,一起漂流。沉降到底部的砂石被冰层拖曳着磨刮岩床,产生大量细碎的石块和石屑。这些碎石,石块和石屑被称为冰碛石(Moraine),是研究古代冰川运动的重要指示物。

 


位于阿根廷西南部的晚古生代冰川遗迹:磨光面(Polished surface)和刮擦痕(Glacial striations)。这是石炭-二叠纪冰川底部的冰碛物划过奥陶纪形成的岩石基底时留下的痕迹。图片来源自[3]

 



阿根廷奥塔古谷(Olta paleovalley)的混积岩沉积层(上图)和形成机理(下图)。冰川活动加速了岩石的崩解和跌落,不同大小,不同材质的落石(Dropstone),漂砾(Boulder),卵石(Cobble)和岩屑(Clast)分层沉积固化,形成了图中展示的结构。图片来源自[4]

 


纹泥(Varve)是冰川附近的湖底的层状沉积物。夏季增多的冰雪融水把沙粒带入冰水湖中,形成颜色较浅的层次;冬季融水减少,细小的黏土颗粒沉积,形成颜色较深的层次。经年累月,就形成了书页状的纹泥。上图中的纹泥位于沙特,形成于石炭纪,已经硅化成岩。图片来源自[5]

 

  在阿曼的一处石炭系地层发现的沥青碎块(Bitumen clast)中,包裹着一些细碎的节肢动物残体。它们是一些类似现代剑水溞的小型甲壳动物的附肢。在3亿年前,这些远古水溞就游荡在冰盖下的深寒湖水中。

 


保存在阿曼石炭纪沥青碎片中的微型甲壳类附肢。这些甲壳类可能属于桡足类(Copepod),这也是桡足类最早的化石证据。图片来源自[6],标尺长度50微米。

 


这些石炭纪桡足类的生活环境:巨大的冰盖从它们生存的湖面上流过。沥青从湖底的岩层缝隙间涌出,包裹住一些甲壳动物的残骸,穿越了3亿年的岁月。图片来源自[6]

 

  虽然中间有冷暖交替,冰川进退,但总的来说,古生代的地球变得越来越冷了。冰川锁住了大量淡水,改变了季风和洋流,气候变得寒冷而干燥。在几重打击下,高大的石松和节蕨类组成的茂密丛林逐渐萎缩,崩解成大陆上的绿色孤岛。这一事件被称为石炭纪雨林崩溃(Carboniferous Rainforest CollapseCRC

 


地球平均气温变化简单示意图。注意在石炭纪中期,气温发生了一次骤降,寒冷的气候一直持续到二叠纪末期(红框内),之后气温猛然回升。这两次气温突变都给地球生态带来了深远的影响,尤其是后者造成了生命演化史上最大的灭绝事件。图片来源自网络。

 

  随着泥炭森林和湿地的消失,巨型节肢动物失去了最后的栖身之所,古两栖类则被禁锢在河湖附近。而对那些生殖和发育不依赖水环境的生物,干旱的内陆为它们提供了大显身手的舞台:种子蕨类和裸子植物组成了新的季节性森林,小巧的昆虫和蛛形类活跃其中。羊膜类大放异彩,合弓纲和蜥形纲打响了地球霸主的争夺战。

 


古生代晚期冰川活动(Glacials)和生物群系(Biomes)的变化情况。在雨林崩溃事件后,二叠纪早期的地球已经是另一副面貌。图片来源自[7]

 


雨林崩溃事件(虚线)对四足动物的影响。(a)为所有四足动物,(b)为非羊膜类,(c)为羊膜类物种数量的变化情况。非羊膜类在二叠纪都没能恢复到石炭纪的高位,而羊膜类则迎来了大发展的时代。图片来源自[8]

 


二叠纪早期的陆地生态系统和典型的四足动物类群。和统治水域的离片椎类(图中的Dvinosaurian和引螈Eryopid)依然统治着狭小的水域。而羊膜类,尤其是合弓纲(图中的楔齿龙Sphenacodontid和基龙Edaphosaurid)已经成为陆地的霸主。图片来源自[9]

 

 

地球名片

事件名称:石炭纪雨林崩溃事件

发生时间:晚石炭世卡西莫夫期到各舍尔期(约3.05亿年前)

持续时间:600万年左右

发生原因:全球变冷,冰川发育,气候干燥

事件影响:大片泥炭雨林和沼泽消失,变成互相隔离的小片孤岛;季节性的针叶林发育

波及生物:石松类和节蕨类衰落,种子蕨和裸子植物兴起,羊膜类和昆虫大发展

后续事件:无

 

 

参考文献:

[1] Mary Elizabeth CerrutiBernardes-de-Oliveira, Pauline Sabina Kavali, Sandra Eiko Mune a, MaheshShivanna, et al., Pennsylvanian - Early Cisuralian interglacial macrofloristicsuccession in Paraná Basin of the State of São Paulo. Journal of South AmericanEarth Sciences, 72 (2016), 1-24

[2] Nicholas D. Fedorchuk, John L. Isbell,Neil P. Griffis, et al., Origin of paleovalleys on the Rio Grande do Sul Shield(Brazil): Implications for the extent of late Paleozoic glaciation in west-centralGondwana. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 2018

[3] E.L. Gulbranson, I.P. Montañez, M.D.Schmitz, et al., High-precision U-Pb calibration of Carboniferous glaciationand climate history, Paganzo Group, NW Argentina. Geological Society of AmericaBulletin, 2010, doi: 10.1130/B30025.1

[4] LeviD. Moxnessa, John L. Isbella, Kathryn N. Paulsa, et al., Sedimentology of themid-Carboniferous fill of the Olta paleovalley, eastern Paganzo Basin,Argentina: Implications for glaciation and controls on diachronous deglaciationin western Gondwana during the late Paleozoic Ice

Age. Journalof South American Earth Sciences, 84 (2018), 127–148

[5] Martin Keller, Matthias Hinderer,Hussain Al-Ajmi, et al., Palaeozoic glacial depositional environments of SWSaudi Arabia: process and product. Geological Society, London, SpecialPublications 2011; v. 354; p. 129-152, doi: 10.1144/SP354.8

[6] Paul A. Selden, Rony Huys, Michael H.Stephenson, et al., Crustaceans from bitumen clast in Carboniferous glacialdiamictite extend fossil record of copepods. NATURE COMMUNICATIONS, 1:50, DOI:10.1038/ncomms1049

[7] Isabel Patricia Montañez, A LatePaleozoic climate window of opportunity. PNAS, vol. 113 (2016), no. 9,2334–2336

[8] DunneEM, Close RA, Button DJ, et al., Diversity change during the rise of tetrapodsand the impact of the ‘Carboniferous rainforest collapse’. Proc. R. Soc., B 285:20172730,  http://dx.doi.org/10.1098/rspb.2017.2730,2018

[9] Sebastian Voigt, Jan Fscher, RainerSchoch, et al., A unique tetrapod fauna from the Carboniferous-Permian boundaryof the Saar-Nahe Basen, SW Germany. Dresden, September 11-15, 2016

 


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