漫话地球冰期（1）
胡经国
一、冰期基本概念
㈠、冰期一般概念
概括而言，冰期（IceAge；GlacialPeriod或GlacialStage），又叫做冰川（河）期、冰川（河）时代或冰川（河）阶段，通常是指地球气候寒冷、其表面覆盖有大规模冰川的地质时期。在两次冰期之间气候相对温暖、冰川消退的时期称为间冰期。
冰期是地球气候酷寒、高纬度广阔区域被大陆冰川所覆盖的时期。全球气候在地球漫长的地质年代中曾经有过数次冷暖变化，而冰川作用也随之重复发生。当气候寒冷时，降雪量增加，发育大规模的冰川，巨大的冰盖掩盖地球，这一时期即为冰期；当气候变暖时，冰川大规模消退，这一时期即为间冰期。地球上最显著的冰期是石炭纪－二迭纪大冰期，其冰川遗迹残留于冈瓦纳大陆。
在地球40多亿年漫长的地质历史上曾经出现过五次大冰期，从老到新依次为：休伦冰期、瓦兰吉尔冰期、安第－撒哈拉冰期、卡鲁冰期和第四纪冰期。其中，第四纪大冰期（主要是第四纪更新世大冰期）是地球历史上最近的一次大冰期。大冰期的时间尺度至少为数百万年。在大冰期中又有多次大幅度的气候冷暖交替和冰盖规模的扩展或退缩时期，这种冰盖扩展和退缩的时期即为冰期和间冰期。
冰川是指极地或高山地区沿地面运动的巨大冰体。它由于降落在雪线以上的大量积雪在重力和巨大压力作用下而形成。冰川从源头处得到大量的冰的补给，而这些冰融化得很慢，于是冰川本身发育得又宽又深；往下流到高温处，冰的补给少了，于是冰川本身也愈来愈小；直到冰的融化量和上游的补给量互相抵消。一般冰川呈舌状；其表面往往高低不平；有的地方有很深的裂口，即冰隙。冰川可分为大陆冰川和山岳冰川两大类。
㈡、冰期定义
1、地质定义及其应用学科
冰期是指地质史上气候寒冷、冰川广泛发育的时期；每次大冰期又可以包括若干次一级冰期。
应用学科：大气科学（一级学科）；气候学（二级学科）。
2、地理定义及其应用学科
冰期是指地球表面覆盖有大规模冰川的地质时期。
应用学科：地理学（一级学科）；冰川学（二级学科）。
3、生态定义及其应用学科
冰期是指地质史上出现大规模冰川广布现象的时期。
应用学科：生态学（一级学科）；全球生态学（二级学科）。
㈢、广义冰期与狭义冰期
冰期是具有强烈冰川作用的地史时期。冰期有广义和狭义之分。
广义冰期，又叫做大冰期，是指地球上气候寒冷，极地冰盖增厚、广布，中、低纬度地区有时也有强烈冰川作用的地质时期。而狭义冰期则是指比大冰期低一个层次的冰期。在大冰期中，气候较寒冷、冰川作用较强的时期称为冰期；气候较温暖、冰川作用较弱的时期称为间冰期。
大冰期、冰期和间冰期都是依据气候冷暖和冰川作用强弱划分的地质时间单位。地质年代单位从老（大）到新（小）依次为：宙（Eon）、代（Era）、纪（Period）、世（Epoch）、期（Age）、时（Chron）。大冰期的持续时间相当于地质年代单位的“世”或大于“世”；在两个大冰期之间的时间间隔可以是地质年代单位的几个“纪”。有人根据统计资料认为，大冰期的出现有15.0亿年的周期。而冰期、间冰期的持续时间则相当于地质年代单位的“期”。
一个大冰期是由冰期和间冰期交替反复形成的冰期－间冰期旋回。大冰期的时间尺度可达107～108年。冰期和间冰期的时间尺度为数十万年。
现代地球处于第四纪大冰期（主要是第四纪更新世大冰期）。其间，50万年来出现了5次冰期。每次冰期平均持续7万多年；而每次间冰期则平均持续2万多年。目前，地球正处于1.2万年前开始的间冰期，这也是第四纪全新世的开始。
在冰期内部的冷暖交替时段分别称为冰阶（或叫做副冰期、冰段）和间冰阶（或叫做间冰段）。其时间尺度为数万年。
二、冰期标志
冰期最重要的标志是全球性大幅度气温下降、气候变冷，在中、高纬（包括极地）及高山区广泛形成大面积的冰盖和山岳冰川。由于水分由海洋向冰盖区转移，大陆冰盖不断扩大增厚，因而引起海平面大幅度下降。所以，冰期盛行时的气候表现为干冷。冰盖的存在和海陆形势变化，气候带也相应移动，大气环流和洋流都发生变化。这些都直接影响动植物生长、演化和分布。
在第四纪大冰期以后，距今大约1.2万年以来的时期称为冰后期。在这个时期中，气候仍有过多次低量级的冷暖波动。例如，在距今4000～6000年期间曾经出现的较明显的寒冷期，使全球冰川一度扩展前进，而被称为新冰期。
近一次较明显的小规模冰川推进出现在13～14世纪至20世纪初（有的文献主要指16～19世纪），大约在18世纪中期至19世纪中期达到最盛，通称其为小冰期。
三、冰期划分依据
㈠、新生代以前的大冰期
新生代以前的大冰期由于时代古老，可辨认的冰川遗迹零散残缺，研究程度也较差，因而冰期划分多依据地层中所含带冰川擦痕的混碛岩、页岩中的燧石结核和带冰川擦痕的基岩底盘等。
㈡、新生代大冰期
新生代大冰期的冰川遗迹保存普遍较为完整，尤以晚新生代冰期的研究较为深入，如沉积连续性好的深海沉积岩芯、黄土等，能较完整地记录全球气候和环境的变化。
20世纪70年代以来，各国学者用氧同位素分析、放射性年代测定及古地磁等方法，力图恢复和重建晚新生代的全球气候变化和沉积环境，作为划分冰期的重要依据。除此以外，包含海洋生物、哺乳动物、植物孢粉化石的生物地层学，地貌分析，沉积岩石学以及古土壤等方法，也常作为研究晚新生代环境和冰期划分的依据。
四、大冰期历史纪录
在地球发展史上有冰期的时间只占整个地球历史时期的1/10，而绝大部分时间都处于温暖期。下面是目前已经被确认的几个大冰期的历史纪录。
㈠、前寒武纪晚期大冰期
前寒武纪晚期大冰期是发生在大约9.5～6.15亿年前的一次影响广泛的大冰期。其遗迹除了南极大陆尚未发现以外，世界各大陆的许多地方都有其遗迹保存，并且多被非冰川沉积岩层所隔开。这表明该大冰期是多阶段性的。最早发现于苏格兰、挪威；此后在中国、澳大利亚、非洲、格陵兰和北美也相继被发现。并且，以挪威北部芬马克的冰碛岩为其代表。而在中国则以震旦系底部带擦痕的南沱冰碛层为其代表，主要分布在长江中下游等处。
㈡、早古生代大冰期
早古生代大冰期是发生在奥陶纪晚期至志留纪早期的大冰期。其发生在大约4.6～4.4亿年前；有人认为可能延续到泥盆纪晚期（3.6亿年前）。其混碛岩见于法国、西班牙、加拿大、南美、北非及苏联新地岛。北非的冰碛岩露头极佳，并且保存有若干冰川地貌的遗迹，如保存极好的冰壅构造、鼓丘、蛇形丘和砂楔等冰川地形。
㈢、晚古生代大冰期
晚古生代大冰期是发生在石炭纪中期至二叠纪初期的一次大冰期。当时，全球气温普遍下降，形成大面积的冰盖和冰川，持续时间长达8000万年。这是地球历史上影响最为深远的一次大冰期。它见于印度、澳大利亚、南美、非洲及南极大陆的边缘。澳大利亚东南部和塔斯马尼亚岛是这次大冰期冰川作用最强的地区。
㈣、晚新生代大冰期
晚新生代大冰期是地球历史上最近的一次大冰期。自新第三纪出现冰期与间冰期交替，一直延续至今。早在渐新世，南极就开始出现冰盖；中新世中期冰盖已初具规模，南极是最早进入冰期的地区。第四纪初期的冰期环境已波及全球，到第四纪中期达到鼎盛，所以晚新生代大冰期主要是指第四纪大冰期。当时，北半球有两个大冰盖，即：斯堪的纳维亚冰盖和北美劳伦冰盖。前者的南界到达北纬50°，后者的南界到达北纬38°附近。此外，在中、低纬的一些高山区还发育了山麓冰川或小冰帽。大约在8000～10000年前，全球气候又普遍转暖，大量冰川和冰盖消失或收缩，地球进入冰后期。但是，诸大陆的冰川和冰盖并未完全消失。
五、五大冰期
㈠、概述
地球从诞生之初起一共出现和经历了五次大冰期。
第一次大冰期是出现在大约24亿年前至21亿年前元古宙的成铁纪和层侵纪的休伦大冰期，其总共持续了3亿多年的漫长岁月。
第二次大冰期是出现在大约8.5亿年前至6.35亿年前元古宙的成冰纪的瓦兰吉尔大冰期；其地质年代属于前寒武纪，是意义十分重大的大冰期；其持续时间长达1亿多年，但是相较于第一次大冰期已经在时间上大大缩短了很多。
第三次大冰期是发生在大约4.5亿年前至4.2亿年前古生代的奥陶纪和志留纪的安第－撒哈拉大冰期，其持续时间仅仅3千万年。
第四次大冰期是发生在大约3.6亿年前至2.6亿年前古生代的石炭纪和二叠纪卡鲁大冰期，其持续时间为1亿年。
第五次大冰期与我们人类的进化息息相关，那就是出现在大约200～300万年前（或大约258万年前）、结束于1万年前的第四纪大冰期，其持续时间仅仅只有几百万年。
在五次大冰期期间还发生过数不清的小冰期。现在的我们人类正处在间冰期，并且很快就会进入下一个寒冷的冰期。
大冰期如同一个神秘的“门客”，他一定会来拜访，但是终究不知他何时会来，以及他为何而来。从在地质历史上出现的次数和情况来看，大冰期总体上呈现出持续时间越来越短、影响范围越来越小的特点。
㈡、成因分析
冰期虽然是神秘的“门客”，但是它却并不是地球的“常客”。在地球历史的90%的时间里两极都不存在冰川；也就是说，在九成的时间里，地球上看不到洁白的冰雪。两亿年前的恐龙时代，就不会感受到极地冰川的清凉。总的来说，地球的冰期成因很复杂。第一次，第二次和第四次大型冰川的形成原因都是因为“大氧化事件”；“大氧化事件”容易造成漫长的大冰期。空气中氧气与二氧化碳的比例失去平衡，氧气浓度飙升，而大气中的氧气不能够留住空气中的热量，导致地球的温度越来越低。幸好，地球内部的火山爆发会喷发出大量的二氧化碳，可以慢慢调和地球的气候。但是，第三次大冰期，却是因为宇宙中伽马射线爆发，地球不幸被其击中。地球的大气被强有力的伽马射线击碎，从而生成了有色气体二氧化氮，遮挡了大量的阳光。此次也造成了大量物种灭绝。第四纪冰期强度并不是很大，寒冷和温暖的气候往往交替出现。第四纪冰期是由于地球黄道交角发生改变而造成的。
㈢、分述
1、休伦冰期
休伦冰期（HuronianGlaciation），或称Makganyene冰期，出现在大约24亿年前至21亿年前，在地质年代上位于古元古代的成铁纪与层侵纪之间；在此期间伴随有大氧化事件（GreatOxygenationEvent,GOE）发生。
休伦冰期是影响最为严重的一次大冰期。其持续时间长达3亿年之久，而且冰冠从两极延伸至赤道，整个地球都被厚厚的冰层所覆盖。这一时期被称为“雪球时期”。休伦冰期让整个地球变成了一个雪球；太阳光被全部反射回了太空。寒冷的气候在持续了3亿年以后，地球内部的热终于无从释放，于是大量火山爆发，几亿吨二氧化碳释放到大气之中。二氧化碳是一种能够留住热量的气体，地球盖上了二氧化碳这一层“棉被”，开始慢慢变热，最终从冰封中解脱出来。
“大氧化事件”使空气中的温室气体甲烷以氧化的方式被大量消耗。这是地质史上最严重而且持续时间最长的一次大冰期，与成冰纪出现的相对短暂的“雪球地球事件”很相似。成冰纪是在大约8.5亿年前至6.35亿年前之间的一个地质时期。休伦冰期命名的由来，是因为相关的地质学证据是从北美的休伦湖地区搜集而来的。在此地能发现有3处彼此分隔的冰期沉积地层被非冰期沉积物所分隔开来。休伦冰期可能是由“大氧化事件”造成的，或者是由长达2.5亿年的火山活动的死寂造成的，也有可能是由这二种因素共同造成的。这些可能的原因都最终导致二氧化碳水平变得更低以及温室效应减弱。然而，对于此次事件的准确成因还没有一致认可的说法。
2、瓦兰吉尔冰期
第二次大冰期瓦兰吉尔冰期（VarangerGlaciation）出现在前寒武纪，也是意义十分重大的一次大冰期。在大约8亿多年前地球的成冰纪，海洋中的蓝细菌（蓝藻）大量繁殖，大量氧气从海洋中释放出来，改变了大气的气体结构，二氧化碳被大量消耗，氧气浓度不断攀升。“大氧化事件”基本上可以被确定为第二次大冰期发生的主要原因。
最近一次大冰期结束于1万多年前，在那次大冰期，冰川从两极一直向赤道地区延伸，在纽约这样纬度的地区，冰层竟厚达1公里。那是个很寒冷的时代，我们人类的祖先就亲眼见证过这个时代。但是，在遥远的过去，在人类最古老的脊索动物祖先还没出现的时代，曾经有过一次持续时间更长、气候更加寒冷、冰川更为壮观宏大的大冰期，整个地球在那个时代都被冻结成一个巨大的雪球。这次大冰期的就是瓦兰吉尔冰期（VarangerGlaciation）。JosephKirschvink在1992年给地球取了一个形象的名字——雪球地球（SnowballEarth）。这次大冰期是在上世纪60年代由剑桥地质学家W.BrianHarland发现的。他在研究7亿年前的岩石时发现，它们都与冰川冰有过接触，有些上面有冰川擦痕，而其他的则从冰山底部落入洋底；并且这些岩石来自世界各地，包括那些非常靠近赤道的地方。这很奇怪，因为很难想象在赤道的海平面地区居然也会出现冰。他虽然通过研究很快得出结论，在大约7.5亿年前至5.8亿年前发生过大规模冰川运动。但是，根据过去的经验，其他时代的冰川从来都不会遍及所有大陆，即使在最严重的冰期赤道附近的大陆上也很难找到冰。
Harland由此提出了现在被称为“雪球地球”的假说，并且由他和Rudwick、Hambrey、Kirschvink和Hoffman等人在其后的几十年中不断加以深化。该假说认为，地球在大约7.5亿年至5.8亿年前，经历了一次极其严重而漫长的大冰期。当时，不仅陆地全部被冰川覆盖，而且海洋也被完全冻结；只是靠来自地球核心的热量才使得液态水在1公里厚的冰层下存在，为古老的原核生物和原生生物保留了一片生存的空间。从太空看，地球已经完全成为一个巨大的雪球。
就在Harland开始创立他的假说的时期，苏联科学家M.I.Budyko也通过对地球气候模型的模拟演化验证提出，如果冰帽从极地延伸到纬度60度，也就是说到赤道的1/3的路程时，那么会很快往后退缩回去。但是，如果冰帽能延伸至到赤道的2/3的路程，也就是说纬度30度的话，那么就会触发失控的链式反应。因为，冰雪是一种良好的反光体。当冰帽延伸到纬度30度时，就基本上是直着面对太阳；同高纬度的倾斜角度相比，会大大增加反射回去的太阳能量，从而使地球冷下去，增加冰雪的覆盖范围；然后再进一步加剧这个过程，直到冰帽从南北两个方向汇合到赤道。
3、安第－撒哈拉冰期
第三次大冰期安第－撒哈拉冰期（Andean-SaharanGlaciation）出现的原因更加离奇。在奥陶纪早期，其实是继承了寒武纪的气候——温暖湿润，很适合物种的繁衍。可是，很不幸的是，位于6000光年外的黑洞与中子星发生相撞，产生了很强的伽马射线，而且地球很不幸地被其中一束伽马射线击中。伽马射线破坏了三分之一的臭氧层，并且击碎了大气分子。这些破碎的大气分子在10年的时间内组成了一种二氧化氮的气体（棕色气体），遮天蔽日，气温迅速下降，一个浩大的冰期接踵而来。但是，它仅仅持续了3千万年。
4、卡鲁冰期
第四次大冰期卡鲁冰期（KarooGlaciation）出现在大气富含氧气的石炭纪末期。在石炭纪前期，气候温和湿润，随处可见高大幽深的森林。这些森林“死亡”以后埋藏地下，经过亿万年的“锤炼”最后形成煤炭。但是，到了石炭纪末期，由于大气中氧气含量的爆发式增加，气温开始下降，第四次大冰期就这样到来了。大氧化事件引发的大冰期持续时间往往很长；这次大冰期持续了1亿年。但是，相较于前两次“大氧化事件”在时间上有所缩短。
2021年5月21日编写于重庆
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