科技行者 3月30日 北京消息（文/科技行者）：約6000萬(wàn)年之前，地球深處的環(huán)流變化，催生了一股熾熱的巖漿流，名為“冰島羽流（the Iceland plume）”，從地幔中心涌出。隨著地幔巖石刺穿北大西洋底部，熔巖開(kāi)始進(jìn)入海水并快速冷卻，最終形成了蘇格蘭、愛(ài)爾蘭與格陵蘭島。這種極為特殊的形成過(guò)程，也帶來(lái)了壯觀的巨型石柱景觀，最終成為被人們津津樂(lè)道的「北愛(ài)爾蘭巨人堤道」與「蘇格蘭芬格爾洞穴」。

400萬(wàn)年之后，第二股巨大的地幔巖石脈沖再次襲來(lái)，又一次掀起了冰島羽流。巖漿在海床下膨脹，將格陵蘭島與歐洲大陸之間的廣闊海底層層墊高，最終形成了一座連接蘇格蘭與格陵蘭島的臨時(shí)大陸橋。

在地表之下，地幔板塊融化了，從固態(tài)巖石變?yōu)橐簯B(tài)巖漿。巖漿帶來(lái)的沉積物如同皮膚下的淤青般擴(kuò)散，形成了成千上萬(wàn)的巖床，高溫也煮熟了沉積物內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)。整個(gè)加熱過(guò)程產(chǎn)生的大量甲烷與二氧化碳?xì)怏w，通過(guò)海底的通風(fēng)口噴出。幾千年來(lái)，一層又一層的巖漿不斷滲入這塊超大面積的“淤青”，越來(lái)越多的氣體從海洋中噴出，像一口沸騰的鍋。

有證據(jù)表明，就在整個(gè)活動(dòng)周期當(dāng)中，地球的平均溫度升高了5攝氏度（9華氏度）。在這一場(chǎng)發(fā)生在遠(yuǎn)古時(shí)代被稱(chēng)為「古新世-始新世大升溫（簡(jiǎn)稱(chēng)PETM）」的“全球變暖事件”期間，陸地遭受了強(qiáng)烈的傾盆大雨，而海洋酸化與溫度升高，導(dǎo)致許多海洋物種滅絕。同時(shí)，陸地動(dòng)物也即將滅絕，取而代之的是體形矮小的物種，開(kāi)始奪取陸上霸主的地位。如今，我們已經(jīng)在北極地區(qū)發(fā)現(xiàn)大量目前常見(jiàn)于佛羅里達(dá)地區(qū)的鱷魚(yú)、巨型烏龜與植被遺跡，且當(dāng)時(shí)的海平面比現(xiàn)在高出約300英尺。

自從20世紀(jì)90年代初發(fā)現(xiàn)以來(lái)，“古新世-始新世大升溫（PETM）”便引起了氣候科學(xué)家們的高度關(guān)注。當(dāng)時(shí)的氣候變化與今天的氣候變化頗有相似之處，具體征兆包括溫度上升、海洋酸化、大氣碳水平急劇浮動(dòng)并對(duì)地球上的生命構(gòu)成深遠(yuǎn)影響等等。為了產(chǎn)生這些影響，大氣層中的碳總量無(wú)疑迎來(lái)一波快速增長(zhǎng)（最近估計(jì)總排放量約10萬(wàn)億噸）。但是，這些碳到底從何而來(lái)？它們?yōu)槭裁瘁尫诺萌绱酥?？如果大氣中的碳總量再增加，是否?huì)加劇全球變暖？

▲ 圖：在“古新世-始新世大升溫（PETM）”時(shí)期內(nèi)，二氧化碳突然噴涌并導(dǎo)致全球升溫，當(dāng)時(shí)的北極擁有著類(lèi)似于亞熱帶沼澤的氣候特征。

來(lái)自英國(guó)伯明翰大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家Stephen Jones強(qiáng)調(diào)，“如果我們能夠理解過(guò)去一億年以來(lái)曾經(jīng)出現(xiàn)的類(lèi)似狀況，就能搶先一步做出規(guī)劃，為我們這一代人可能面臨的氣候劇變做好準(zhǔn)備。”

由于“古新世-始新世大升溫（PETM）”在北大西洋形成了大量火山（科學(xué)家們將其統(tǒng)稱(chēng)為「北大西洋火成巖省（North Atlantic Igneous Province，簡(jiǎn)稱(chēng)NAIP)」），因此不少人懷疑火山只是氣候變暖的表現(xiàn)，而非原因。但關(guān)聯(lián)性并不代表因果關(guān)系，而且我們也有充分的科學(xué)理由懷疑，火山活動(dòng)本身就是氣候變化的根源。最近，Jones與其合作者在伯明翰大學(xué)發(fā)表的一篇論文，消除了這個(gè)重要疑問(wèn)，證明“火成巖活動(dòng)”確實(shí)是氣候變暖的主要驅(qū)動(dòng)力。

▲ 圖：「北愛(ài)爾蘭巨人堤道」是一個(gè)地質(zhì)特征，由6000萬(wàn)年前火山噴發(fā)形成的數(shù)千個(gè)相互連接的玄武巖柱組成

碳排放量在攀升，但碳到底從哪里來(lái)？

盡管北大西洋火山活動(dòng)發(fā)生的時(shí)間與“古新世-始新世大升溫（PETM）”很接近，但科學(xué)家們對(duì)于前者是否會(huì)導(dǎo)致氣候變暖一直持懷疑態(tài)度。這是因?yàn)橐粋€(gè)誤導(dǎo)性因素：當(dāng)時(shí)形成的沉積層內(nèi)的碳，當(dāng)中富含“碳-12”，證明它們是有機(jī)碳源，而非火山碳源。最主要的理論是，地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的公轉(zhuǎn)軌道波動(dòng)，融化了海床下的一種名為“甲烷水合物（methane clathrates）”的“凍結(jié)甲烷”。然而，科學(xué)家們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)足夠的證據(jù)，來(lái)證明“古新世-始新世大升溫（PETM）”之前的地球上已經(jīng)存在足夠龐大的“籠形水合物（clathrates）”，也無(wú)法證明它們?nèi)诨乃俣茸銐蚩?，從而?dǎo)致氣候變暖。

北大西洋火成巖省與有機(jī)碳之間可能缺失的關(guān)聯(lián)，在2004年挪威沿海海床的地震掃描中被發(fā)現(xiàn)。來(lái)自?shī)W斯陸大學(xué)的Henrik Svensen及其同事分析了石油勘探船產(chǎn)生的爆破的回聲，發(fā)現(xiàn)了海床上確實(shí)存在“古新世-始新世大升溫（PETM）”形成的向海面上延伸的噴口。

他們推斷，這些噴口可能是由于有機(jī)碎屑在高溫作用下烘烤而成，而這些碎屑中富含碳-12，因此完全有可能產(chǎn)生大量甲烷和二氧化碳。這些氣體一步步通過(guò)海床、海洋，最終噴發(fā)到大氣中，從而推動(dòng)“古新世-始新世大升溫（PETM）”的發(fā)生。此后，科研人員大西洋兩岸發(fā)現(xiàn)了更多的噴口，還從其中一個(gè)噴口鉆取到分析樣本。更重要的是，位于西伯利亞及南非的類(lèi)似噴口，也被證明與地球歷史上不同時(shí)期的全球變暖有關(guān)——分別為“二疊紀(jì)升溫”與“侏羅紀(jì)升溫”。

盡管如此，大部分科學(xué)家并不相信“火成巖活動(dòng)”能夠在短時(shí)間內(nèi)造成全球變暖的后果。地質(zhì)學(xué)家們一直認(rèn)為，巖床的形成需要數(shù)百萬(wàn)年；而沉積物化石則表明，整個(gè)“古新世-始新世大升溫（PETM）”的誘發(fā)周期只有數(shù)千年——這明顯對(duì)不上茬。

但伯明翰團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)縮小了這一差距。他們發(fā)現(xiàn)，正如Jones的初步猜測(cè)，冰島羽流“能夠在五千年到一萬(wàn)年之內(nèi)形成這些噴口”。

氣候變暖vs碳排放

在早期對(duì)冰島附近的V形熔巖脊進(jìn)行的勘探工作中，Jones已經(jīng)證明了熱地幔脈沖會(huì)周期性地沿著冰島羽流上升，進(jìn)而推動(dòng)鄰近的構(gòu)造板塊。Jones稱(chēng)這些山脊為“確鑿的證據(jù)”，證明這種脈沖確實(shí)存在。但遺憾的是，這些熔巖脊的形成年代與“古新世-始新世大升溫（PETM）”相去甚遠(yuǎn)。

為了尋找更多線索，Jones和他的同事們轉(zhuǎn)向蘇格蘭地區(qū)的Forties Sandstone Member協(xié)會(huì)。出于石油鉆探目的，該協(xié)會(huì)曾經(jīng)進(jìn)行廣泛的研究、鉆探與地震掃描石油產(chǎn)業(yè)，因此地質(zhì)學(xué)家們得以確定這部分砂巖確實(shí)源自蘇格蘭與格陵蘭之間原本大陸橋的侵蝕殘骸。而該殘骸早于5600萬(wàn)年之前從大西洋底部升起，與“古新世-始新世大升溫（PETM）”的時(shí)間節(jié)點(diǎn)相吻合。研究合著者Tom Dunkley Jones指出，“可以看到，海洋沉積物被一路抬升并暴露在海平面之上。”

▲ 圖：氣體（可能包含二氧化碳）從太平洋底部的硫磺熱液噴口處不斷涌出

這種隆升痕跡，是地幔巨大脈沖到達(dá)地殼下的明顯跡象，而不同位置的隆起時(shí)間的差異，則讓伯明翰團(tuán)隊(duì)得以判斷地下巖漿“淤青”的擴(kuò)散速度究竟有多快。

但是，要弄清楚整個(gè)過(guò)程到底會(huì)產(chǎn)生多少有機(jī)物可供“蒸煮”，科學(xué)家們必須用測(cè)量數(shù)據(jù)說(shuō)話。這項(xiàng)任務(wù)落在了Stephen Jones的前研究生Murray Hoggett與Karina Fernandez手中。他們認(rèn)真檢查了覆蓋數(shù)萬(wàn)平方公里的地震掃描圖，并推斷出該地區(qū)可能存在1.1萬(wàn)至1.8萬(wàn)個(gè)巖穴。

聯(lián)合作者Sarah Greene指出，“直到我們把這些基巖的形狀與尺寸整理到數(shù)據(jù)庫(kù)中之前，我們根本無(wú)法判斷引發(fā)‘大升溫’到底需要怎樣的碳排放速度或者排放總量。”

在整理完成后，科學(xué)家們將標(biāo)準(zhǔn)石油行業(yè)模型（用于計(jì)算單一基巖的氣體產(chǎn)生速率）與一種稱(chēng)為蒙特卡洛模擬的統(tǒng)計(jì)技術(shù)相結(jié)合，借此計(jì)算基巖的總體氣體排放速率。

Greene解釋道，“每塊基巖都不大，只會(huì)產(chǎn)生少量的碳排放。必須有大量基巖同時(shí)活動(dòng)，才能造成我們?nèi)缃裼^察到的‘大升溫事件’。”

“火成巖活動(dòng)”主導(dǎo)了氣候變暖？

需要強(qiáng)調(diào)的是，該研究小組計(jì)算出的碳排放總量，與5600萬(wàn)年前“古新世-始新世大升溫（PETM）”從沉積物內(nèi)計(jì)算出的獨(dú)立碳排放估算值高度一致。Greene指出，“這相當(dāng)于兩種途徑共同證明了同一結(jié)論。”

伯明翰小組的工作結(jié)果，改變了幾位主張“籠形水合物論”的科學(xué)家觀點(diǎn)。來(lái)自賓夕法尼亞州立大學(xué)的地球科學(xué)家Lee Kump正是其中之一，他稱(chēng)這項(xiàng)新研究帶來(lái)了“有力的證據(jù)”，表明“北大西洋火成巖正是‘古新世-始新世大升溫（PETM）’碳排放的觸發(fā)因素與主要機(jī)制，并不需要甲烷水合物的參與”。同樣，來(lái)自加利福尼亞大學(xué)圣克魯斯分校的James Zachos也放棄了將“大升溫”歸結(jié)于甲烷水合物的想法，他表示“火成巖活動(dòng)才是觸發(fā)碳排放的原因與主要來(lái)源”。烏得勒支大學(xué)的Appy Sluijs亦贊同稱(chēng)，“肯定是火山活動(dòng)觸發(fā)了‘大升溫事件’。”

他們表示，「籠形水合物（clathrates）」或「永凍層（permafrost）」可能加劇了全球變暖，但新研究有力表明，「火成巖活動(dòng)」主導(dǎo)了氣候變暖。

▲ 圖：羅科爾盆地部分區(qū)域的二維地震掃描結(jié)果。“羅科爾地貌”為蘇格蘭西北部地區(qū)的一種顯著地質(zhì)特征。

相比之下，夏威夷大學(xué)馬諾阿分校的Richard Zeebe則堅(jiān)持他先前的觀點(diǎn)，即“古新世-始新世大升溫（PETM）”的引發(fā)原因復(fù)雜多樣，包括當(dāng)時(shí)恰巧出現(xiàn)的地球繞日公轉(zhuǎn)位置變化。他指出，“古新世-始新世大升溫（PETM）之后，還曾出現(xiàn)一連串全球升溫，雖然可能是由其中一項(xiàng)最終完成了觸發(fā)步驟——例如大升溫時(shí)期的火山活動(dòng)，但其他觸發(fā)因素同樣合乎邏輯且發(fā)揮著重要作用。”

其他科學(xué)家則認(rèn)為，這些后期“升溫事件”只是整個(gè)地質(zhì)時(shí)期的內(nèi)在沉積物中發(fā)現(xiàn)的正常軌道振動(dòng)，而“古新世-始新世大升溫（PETM）”的振幅是其兩倍大，且極為劇烈，軌道不同步，因此其中必然有著不同尋常的觸發(fā)原因。

對(duì)于“古新世-始新世大升溫（PETM）”的火成巖起源發(fā)現(xiàn)，對(duì)于研究現(xiàn)代氣候變化具有重要意義。

例如，與以往發(fā)表的研究結(jié)果不同，最新論文得出的結(jié)論在于，甲烷水合物（Methane clathrate）與永凍層（permafrost）可能并不會(huì)像一些科學(xué)家們擔(dān)心的那樣，給全球帶來(lái)更嚴(yán)重的氣候影響。關(guān)于“古新世-始新世大升溫（PETM）”的研究結(jié)果同時(shí)證明，上至6000萬(wàn)年前、下至可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，人類(lèi)對(duì)于地球如何應(yīng)對(duì)大量增加的碳排放的理解仍然基本可靠。

但在氣候的短期影響層面，我們?nèi)匀恍枰?jǐn)慎而行。盡管“大升溫期間”的碳排放總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人類(lèi)活動(dòng)所能排出的碳總量，但其長(zhǎng)達(dá)千年的均勻釋放給了地球生態(tài)充分適應(yīng)的周期，從而避免了更為極端的變暖效應(yīng)。

Greene表示，“與‘大升溫時(shí)期’的碳排放速率相比，人類(lèi)活動(dòng)目前的排放速率要快上一個(gè)數(shù)量級(jí)。”

[注1]伯明翰大學(xué)關(guān)于“氣候變暖”的研究論文《大火成巖省產(chǎn)生的溫室氣體通量可能引發(fā)了“古新世-始新世大升溫”的氣候變化》獲取方式：關(guān)注科技行者公眾號(hào)（ID：itechwalker），回復(fù)關(guān)鍵詞「氣候變暖」即可獲取。