科技行者 3月30日 北京消息（文/科技行者）：約6000萬年之前，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，熔巖開始進入海水并快速冷卻，最終形成了蘇格蘭、愛爾蘭與格陵蘭島。這種極為特殊的形成過程，也帶來了壯觀的巨型石柱景觀，最終成為被人們津津樂道的「北愛爾蘭巨人堤道」與「蘇格蘭芬格爾洞穴」。

400萬年之后，第二股巨大的地幔巖石脈沖再次襲來，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。巖漿帶來的沉積物如同皮膚下的淤青般擴散，形成了成千上萬的巖床，高溫也煮熟了沉積物內(nèi)的有機物質(zhì)。整個加熱過程產(chǎn)生的大量甲烷與二氧化碳氣體，通過海底的通風(fēng)口噴出。幾千年來，一層又一層的巖漿不斷滲入這塊超大面積的“淤青”，越來越多的氣體從海洋中噴出，像一口沸騰的鍋。

有證據(jù)表明，就在整個活動周期當(dāng)中，地球的平均溫度升高了5攝氏度（9華氏度）。在這一場發(fā)生在遠古時代被稱為「古新世-始新世大升溫（簡稱PETM）」的“全球變暖事件”期間，陸地遭受了強烈的傾盆大雨，而海洋酸化與溫度升高，導(dǎo)致許多海洋物種滅絕。同時，陸地動物也即將滅絕，取而代之的是體形矮小的物種，開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)大量目前常見于佛羅里達地區(qū)的鱷魚、巨型烏龜與植被遺跡，且當(dāng)時的海平面比現(xiàn)在高出約300英尺。

自從20世紀90年代初發(fā)現(xiàn)以來，“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并對地球上的生命構(gòu)成深遠影響等等。為了產(chǎn)生這些影響，大氣層中的碳總量無疑迎來一波快速增長（最近估計總排放量約10萬億噸）。但是，這些碳到底從何而來？它們?yōu)槭裁瘁尫诺萌绱酥?？如果大氣中的碳總量再增加，是否會加劇全球變暖?/p>

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

來自英國伯明翰大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家Stephen Jones強調(diào)，“如果我們能夠理解過去一億年以來曾經(jīng)出現(xiàn)的類似狀況，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)稱為「北大西洋火成巖?。∟orth Atlantic Igneous Province，簡稱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，消除了這個重要疑問，證明“火成巖活動”確實是氣候變暖的主要驅(qū)動力。

▲ 圖：「北愛爾蘭巨人堤道」是一個地質(zhì)特征，由6000萬年前火山噴發(fā)形成的數(shù)千個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？

盡管北大西洋火山活動發(fā)生的時間與“古新世-始新世大升溫（PETM）”很接近，但科學(xué)家們對于前者是否會導(dǎo)致氣候變暖一直持懷疑態(tài)度。這是因為一個誤導(dǎo)性因素：當(dāng)時形成的沉積層內(nèi)的碳，當(dāng)中富含“碳-12”，證明它們是有機碳源，而非火山碳源。最主要的理論是，地球圍繞太陽運轉(zhuǎn)的公轉(zhuǎn)軌道波動，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)家們還沒有發(fā)現(xiàn)足夠的證據(jù)，來證明“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)。來自奧斯陸大學(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海床、海洋，最終噴發(fā)到大氣中，從而推動“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似噴口，也被證明與地球歷史上不同時期的全球變暖有關(guān)——分別為“二疊紀升溫”與“侏羅紀升溫”。

盡管如此，大部分科學(xué)家并不相信“火成巖活動”能夠在短時間內(nèi)造成全球變暖的后果。地質(zhì)學(xué)家們一直認為，巖床的形成需要數(shù)百萬年；而沉積物化石則表明，整個“古新世-始新世大升溫（PETM）”的誘發(fā)周期只有數(shù)千年——這明顯對不上茬。

但伯明翰團隊的發(fā)現(xiàn)縮小了這一差距。他們發(fā)現(xiàn)，正如Jones的初步猜測，冰島羽流“能夠在五千年到一萬年之內(nèi)形成這些噴口”。

氣候變暖vs碳排放

在早期對冰島附近的V形熔巖脊進行的勘探工作中，Jones已經(jīng)證明了熱地幔脈沖會周期性地沿著冰島羽流上升，進而推動鄰近的構(gòu)造板塊。Jones稱這些山脊為“確鑿的證據(jù)”，證明這種脈沖確實存在。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。

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。出于石油鉆探目的，該協(xié)會曾經(jīng)進行廣泛的研究、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5600萬年之前從大西洋底部升起，與“古新世-始新世大升溫（PETM）”的時間節(jié)點相吻合。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地殼下的明顯跡象，而不同位置的隆起時間的差異，則讓伯明翰團隊得以判斷地下巖漿“淤青”的擴散速度究竟有多快。

但是，要弄清楚整個過程到底會產(chǎn)生多少有機物可供“蒸煮”，科學(xué)家們必須用測量數(shù)據(jù)說話。這項任務(wù)落在了Stephen Jones的前研究生Murray Hoggett與Karina Fernandez手中。他們認真檢查了覆蓋數(shù)萬平方公里的地震掃描圖，并推斷出該地區(qū)可能存在1.1萬至1.8萬個巖穴。

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)庫中之前，我們根本無法判斷引發(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)家們將標準石油行業(yè)模型（用于計算單一基巖的氣體產(chǎn)生速率）與一種稱為蒙特卡洛模擬的統(tǒng)計技術(shù)相結(jié)合，借此計算基巖的總體氣體排放速率。

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

“火成巖活動”主導(dǎo)了氣候變暖？

需要強調(diào)的是，該研究小組計算出的碳排放總量，與5600萬年前“古新世-始新世大升溫（PETM）”從沉積物內(nèi)計算出的獨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。來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，他稱這項新研究帶來了“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)因素與主要機制，并不需要甲烷水合物的參與”。同樣，來自加利福尼亞大學(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“火成巖活動才是觸發(fā)碳排放的原因與主要來源”。烏得勒支大學(xué)的Appy Sluijs亦贊同稱，“肯定是火山活動觸發(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」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則堅持他先前的觀點，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最終完成了觸發(fā)步驟——例如大升溫時期的火山活動，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)家則認為，這些后期“升溫事件”只是整個地質(zhì)時期的內(nèi)在沉積物中發(fā)現(xiàn)的正常軌道振動，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。

對于“古新世-始新世大升溫（PETM）”的火成巖起源發(fā)現(xiàn)，對于研究現(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）可能并不會像一些科學(xué)家們擔(dān)心的那樣，給全球帶來更嚴重的氣候影響。關(guān)于“古新世-始新世大升溫（PETM）”的研究結(jié)果同時證明，上至6000萬年前、下至可預(yù)見的未來，人類對于地球如何應(yīng)對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斏鞫?。盡管“大升溫期間”的碳排放總量遠遠超過人類活動所能排出的碳總量，但其長達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‘大升溫時期’的碳排放速率相比，人類活動目前的排放速率要快上一個數(shù)量級。”

[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（ID：itechwalker），回復(fù)關(guān)鍵詞「氣候變暖」即可獲取。