小科普：随我看地球-XX-上集 听说过地球曾经持续“染疫发烧”20万年吗？ 章纪君 5500万年前我们的地球”染疫发烧”了？ 当然，我这里所说的“染疫发烧”不是Covid-19, 也不是什么其他任何病毒，而是地球上某种或某些特殊原因引起的气候热化。明代施耐庵有首诗，叫”赤日炎炎似火烧，野田禾稻半枯焦”，可是你可知道施耐庵讲的”赤日”仅仅是间冰期时代背景下的赤日，和我们今天要讲的”发烧”根本无法相提并论。我们今天要讲的”发烧”是自恐龙绝灭(或第五次生物大绝灭)后6500万年来，亦即新生代以来地球表面温度最高的一个时期，地质界称之为古新世-始新世极热期(Paleocene-Eocene Thermal Maximum, 简称PETM)，也有人称其为始新世极热期I期(Eocene Thermal Maximum I, 或简称ETM I), 最早还称晚古新世极热事件（Late Paleocene Thermal Maximum，简称LPTM)，此文后面称之为“发烧期“。这个发烧期（PETM）发生在古新世和始新世界线附近，大约距今 5550 万年前(见下图)：
“古新世—始新世发烧事件”主要有8个显著特征：1，这个时期的地球表面温度在整个新生代为最高，全球平均温度升高5-8°C，整个极热期持续了大约20万年；2，这一时期的特点是全球碳13稳定同位素(δ13C)记录出现明显的负偏移；海洋和陆地碳酸盐和有机碳的13C/12C 比率大幅下降。 研究表明，约12000 兆吨(Gigatons)的碳在50,000年内突然释放，平均每年释放0.24 Gt。据估计，这次碳释放持续了20,000到50,000年。陆地生物圈、海洋和大气系统都有2‰以上的碳13同位素(δ13C)负移，这表示有巨量的富12C（碳同位素的一种，即轻碳）注入其中；3，海洋酸化，碳酸盐补偿深度(CCD)变浅，导致海底碳酸盐大范围溶解; 4, 海洋底栖有孔虫，尤其深水底栖有孔虫约35-50%绝灭，而浮游有孔虫和钙质超微化石却在发烧早期大量出现；5，亚热带甲藻在全球扩张，植物多样性更加丰富；6，根据R.Butler(2005)报道，由于气候极度变暖，针叶林和热带雨林分别依次向北迁移，直到发烧期过后气温才回落，植被才得以重新回归。7，随着植被的变迁，现代哺乳动物目(包括灵长类动物)和一些奇蹄类，偶蹄类动物也乘机兴起，突然出现在欧洲和北美，从此演变成为现代哺乳动物群的基础。8，舒曼等人(2008，PNAS 105(46))在取自新泽西州的一个钻孔岩芯的发烧期海洋沉积物中发现了保存完好、形状奇特的棱柱状和箭头状的磁铁(Fe3O4)颗粒。这种物质和热液、火山或成岩成因无关，而是可能和低氧环境中的生物起源有关，包括真核生物。动物体内的生物磁铁矿在地磁场导航中起着至关重要的作用。 全球”发烧”是如何诊断的？ 在地质学上，诊断地球是不是“发烧”可以有许多方法，如地层学，岩石学，然而最常用的工具是古生物学，尤其微体古生物及其碳酸钙壳体内的化学元素和各种同位素。海洋中有一类单细胞原生生物，叫有孔虫，她广泛存在于自寒武纪以来的海洋中。她不仅虫丁兴旺，而且5亿多年来一直香火不断。有孔虫全身都是宝，她在属种多样性、组合、个体数量、形态特征、壳体的化学成份等各个方面在古海洋、古环境、古海流、古气候和古温度研究中都起着十分重要的作用，同时也相当灵敏。今天我们先谈谈有孔虫壳体(Test)中氧同位素18O/16O的比值来测定古温度的变化，因为18O代表的是重氧同位素，意喻寒冷气候，而16O则代表轻氧同位素，隐喻温暖气候，所以18O/16O的比值越大，气候越冷，比值越小代表气候越暖，通常用δ18O表示。从下图中可以看出, LPTM (即PETM)时的δ18O 值的负移最大。
上图说明在“发烧期”(即 PETM)开始时，全球平均气温在大约20,000年内增加了大约 6°C。无论是在海洋表层的浮游有孔虫，还是深水中的底栖有孔虫，及其碳酸钙壳体中的δ18O存在显着的(>1‰)负偏移。这个δ18O 的负偏移代表着海洋温度的升高。
有孔虫组合及其壳体中的镁/钙(Mg/Ca)比值升高也支持这个时期的温度蹿升。镁离子进入有孔虫壳体(即碳酸钙-CaCO3)的含量和温度成正比，温度越高，镁含量也越高，所以Mg/Ca比值也越高。这里顺便说一下镁离子的另一奇妙功能：镁离子通常在碳酸岩(Carbonate, CaCo3)的成岩作用中起到重要的作用。当镁离子(小离子)交代替换钙离子(大离子)后碳酸岩就会变成白云岩(Dolomite, CaMg(CO3)2)。由于二种离子体积的差异，交代后会留下许许多多的孔隙，并使岩石变得多孔松软，因而成为很好的石油油藏，所以她在石油勘探开发中有着重要的现实意义。 除氧稳定同位素和镁离子外，碳稳定同位素也可以用作”诊断”方法。从“发烧期”初期开始，由于大量富-12C同位素(轻碳)或贫-13C同位素(重碳)的碳注入或添加,导致大部地区的碳同位素成分(δ13C)发生明显的负偏移(Carbon Isotope Excursion, 简称 CIE)，从而引发PETM期全球发烧。根据全球碳循环模型估计负偏移的持续时间约为200,000年，发烧比δ13C负偏移要早3,000 年左右。同时由于全球大幅升温，海洋的初级生产力也明显减弱，甚至导致物种灭绝。负偏移在海洋中的幅度大致为7‰。在发烧期期间碳释放的总量可达7000-12000兆吨，甚至更高。此外，贫-13C同位素的碳添加还会导致“发烧期”的海洋产生明显的碳酸盐溶解现象，这同时也说明当时的海洋还趋于酸性。 ”发烧”对地球带来什么影响？ 这次”发烧”对地球和地球上的生命带来了一个综合和深刻的影响。 对全球气候及海洋的影响 随着”发烧”所产生的蒸发率增加使全球气候变得更为潮湿，水分比正常气候高出很多。在极地地区出现满江红(Azolla)漂浮蕨类植物化石，表明两极呈亚热带温度（Speelman,E.N.et al,2009, Geobiology. 7-2）。当时的德国南部也一度处于热带雨林环境（Grein, M.et al., 2011, Neues Jahrbuch für Geologie und Paläontologie, Abhandlungen. 260-3）。
”发烧”期在部分海洋洋底，尤其是北大西洋海底一度造成缺氧环境，导致底棲生物无法安身立命而大批死亡。”缺氧环境”一词听起来有几分生涩，其实很简单，就是那些水流不通的封闭，半封闭的环境，如海底盆地，泻湖，池塘，最典型就是我们日常生活中经常遇到的“阴沟环境”。缺氧环境并非完全没有生物生长，通常还会有厌氧生物，厌氧细菌生活在那里，只是属种单调，丰度低下而己。因此，这种环境下的沉积物通常会缺乏明显的生物扰动。 由于“发烧”导致全球冰川缺乏，海平面明显上升。水体因热膨胀也可导致海平面上升。海面上升使海洋有机质升高，陆地有机质减少。 Zachos等人报道（Science. 2005, 308-5728），在”发烧”期间，大洋一度加速酸化。大洋酸化会直接影响大洋中碳酸盐的起始溶解深度(即速溶层-Lysocline)及碳酸盐补偿深度(即CCD)变浅。在速溶层以上，碳酸盐是过饱和的。目前大洋的速溶层深度在2000米-4000米之间变化。这个深度取决于温度和溶解于海洋中二氧化碳的数量。CO2添加越多速溶层深度越浅。深水酸化现象可以造成海洋沉积物从灰色碳酸盐软泥变为不含碳酸盐的红色粘土。这种现象在“发烧”期的北大西洋岩芯中比其他地方更为明显，这表明那里的酸化更加集中，与速溶层深度变浅有关。在东南大西洋的某些地区，速溶层深度在短短几千年里上升了2000米。 根据Nunes和Norris (Nature, 2006)的研究，在”发烧”期间，大洋环流在不到5000年的时间里，由于从南半球到北半球的洋流反转切换，使全球的海流方向发生了急剧的逆转。这种“倒退”的流动持续了40,000年。这一变化将温水输送到深海，从而进一步加剧全球变暖。 对全球生命的影响 如上所述，在发烧期大约1000年的时间里底栖有孔虫,尤其是深水区的底栖有孔虫经历大规模的灭绝，而浮游有孔虫种类繁多，甲藻等大量繁殖，哺乳动物在这个时候都在广泛衍生。深海的底栖有孔虫灭绝很难解释，因为深海的许多底栖有孔虫种类是世界性的，它们是有机会可以找到避难所来抵御灭绝的。海洋酸化也可能在钙质有孔虫的灭绝中发挥了作用，更高的温度会增加新陈代谢率，因此需要更高的食物供应。如此高的食物供应可能不会实现，因为变暖和海洋分层增加可能导致生产力下降和/或在到达海底底栖有孔虫之前，水柱中有机物质的再矿化机会会增加。北大西洋的区域性灭绝可归因于深海缺氧加剧。在较浅的水域，二氧化碳含量的增加会导致海洋pH 值的降低，于是对珊瑚产生了深远的负面影响。钙质超微浮游生物（如球石藻）的分布没有变化可归因于发烧期间海洋的酸化（Wikipedia）。
温湿的条件导致现代亚洲哺乳动物向北迁移。二氧化碳含量的增加可能促进了哺乳动物的矮化。许多主要的哺乳动物，包括偶蹄目、马和灵长类动物，在发烧期开始后的13,000至22,000年出现并在全球范围内繁衍传播。在怀俄明州，植物范围随着气温的升高，向北推移了数百公里。针叶林已经基本上从怀俄明州消失殆尽了，直到发烧事件结束后气温回落，针叶林才又重现。植物的变化也伴随着动物的变化。有研究显示，现代灵长类动物以及包括马的祖先在内的奇蹄类动物，是在发烧事件开始阶段出现，并繁衍传播开来。 (下集继续) 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. |
