【地球演義】大冰河

【地球演義】大冰河

來自專欄地球演義

　　也許是因為復原圖的關係吧，石炭紀給人的印象是廣袤的森林和沼澤，似乎整個地球都籠罩在潮濕溫熱的富氧大氣中，生機勃勃，無數巨蟲，巨魚和巨螈在其中橫衝直撞。

這是絕大多數人心中的石炭紀地球景色：

（圖片來源見水印）

　　然而事實是：石炭紀到二疊紀期間，這顆星球進入了自雪球地球事件（參見第二十回

成冰紀-霜穹之下）之後規模最大，持續時間最長的一次冰期。

如果真的穿越到石炭紀，你看到的更有可能這樣的景色：

（圖片來源自網路）

　　石炭紀到二疊紀期間，泛古陸（Pangea）南端的岡瓦納大陸（Gondwana）的大部分都被籠罩在巨大的冰蓋之下。我們熟悉的石炭紀復原圖是的景觀：沼澤，森林，巨蟲和四足動物其實只集中分布在赤道附近，那些相對溫暖的地帶；尤其是古特提斯海（Paleo-tethys Sea）西側的勞亞大陸（Laurussia），沐浴在和暖的熱帶海風中，孕育出繁榮的生態系統。許多著名的石炭紀特異埋藏化石群，比如美國的馬榮溪（Mazon Creek）和熊谷（The Bear Gulch），還有法國的蒙卡夫雷勒（Montceau-les-Mines）等等，都曾經是富饒的勞亞大陸的一部分。

晚石炭世的海陸分布和生態環境。岡瓦納古陸的絕大部分都是冰川（白色）和荒漠（黃色）。森林（深綠色）只集中在赤道附近的勞亞古陸和北方的西伯利亞（Siberia）的小塊區域。在未來，圖片來源見水印。

　　地球經歷的上一次大冰期是在奧陶紀末（Ordovician Ice Age），那場封凍被認為是造成大滅絕事件的元兇之一（參見第九十五回 浩劫空蹤（上））。當生態系統經過了1億年的修復和發展之後，石炭-二疊紀大冰期（Permo-Carboniferous Ice Age）再次來襲，而且持續時間和波及範圍遠遠超過前次。那麼，生物們這次又將迎來怎樣的命運呢？

顯生宙的平均氣溫和大氣二氧化碳含量變化曲線，和幾次主要冰期（奧陶紀，石炭-二疊紀，侏羅-白堊紀，第四紀）。圖片來源自網路。

　　幸運的是，大多數生物都安然承受住了寒冷的氣候。也許是因為泥盆紀末的Kellwasser事件（The Kellwasser Event）曾經引發過一次全球變冷和海退事件（參見第一百五十六回

星隕，冰封，海退）。經歷了那一輪洗牌，倖存到石炭紀的生物都能比較適應寒冷的氣候吧。

在石炭-二疊紀大冰期，地球氣候也會發生周期性的波動。當冰階（Glacial Phase）來臨，氣溫下降，海平面下降，冰川發育，從大陸延伸到海岸，邊緣斷裂形成漂浮在海上的冰山（Iceberg）。在兩次冰期之間的時間段被稱為間冰階（Interglacial Phase），間冰期氣溫小輻回升，海平面升高，冰川後退，大陸上的冰雪消融後，露出土壤，形成河湖，植物則抓緊時間生長，形成森林和濕地。當下一次冰期來臨，再次推進的冰川將把森林摧毀。生命和冰雪就這樣此進彼退，循環往複，周而復始。圖片來源自[1]。

巴西境內的石炭-二疊紀冰川遺迹。在冰磧物形成的混積岩（Diamictite）層見夾雜著薄薄的煤炭層（A圖），和混有植物根系的泥岩（B，C圖）。這裡的生命在冰雪消退的間隙里一度繁榮，隨後又被擴張的冰川摧毀。圖片來源自[2]。

　　石炭-二疊紀時期的南極冰川範圍要比今天大得多。除了整個南極洲外，深達數千米的冰雪還延伸到了現代印度，南美，非洲和澳大利亞。在這些地區留下了眾多冰川活動的地質遺迹。

石炭-二疊紀大冰期古南極冰蓋覆蓋的範圍（白色區域），和冰川流動的方向（箭頭標示）。圖片來源自網路。

　　冰蓋上不斷有新的雪花降下，凍結，壓實，在自身重力作用下，冰層會沿著一定方向流過山嶽和大陸。巨大而流動的冰體對地表岩層有著劇烈的侵蝕作用。冰雪會把岩石床基擠壓破碎，融化的雪水滲入岩縫，再次凍結膨脹，撬下大量碎石。這些碎石被冰雪裹挾，載沉載浮，一起漂流。沉降到底部的砂石被冰層拖曳著磨刮岩床，產生大量細碎的石塊和石屑。這些碎石，石塊和石屑被稱為冰磧石（Moraine），是研究古代冰川運動的重要指示物。

位於阿根廷西南部的晚古生代冰川遺迹：磨光面（Polished surface）和刮擦痕（Glacial striations）。這是石炭-二疊紀冰川底部的冰磧物划過奧陶紀形成的岩石基底時留下的痕迹。圖片來源自[3] 。

阿根廷奧塔古谷（Olta paleovalley）的混積岩沉積層（上圖）和形成機理（下圖）。冰川活動加速了岩石的崩解和跌落，不同大小，不同材質的落石（Dropstone），漂礫（Boulder），卵石（Cobble）和岩屑（Clast）分層沉積固化，形成了圖中展示的結構。圖片來源自[4]。

紋泥（Varve）是冰川附近的湖底的層狀沉積物。夏季增多的冰雪融水把沙粒帶入冰水湖中，形成顏色較淺的層次；冬季融水減少，細小的黏土顆粒沉積，形成顏色較深的層次。經年累月，就形成了書頁狀的紋泥。上圖中的紋泥位於沙特，形成於石炭紀，已經硅化成岩。圖片來源自[5]。

　　在阿曼的一處石炭系地層發現的瀝青碎塊（Bitumen clast）中，包裹著一些細碎的節肢動物殘體。它們是一些類似現代劍水溞的小型甲殼動物的附肢。在3億年前，這些遠古水溞就遊盪在冰蓋下的深寒湖水中。

保存在阿曼石炭紀瀝青碎片中的微型甲殼類附肢。這些甲殼類可能屬於橈足類（Copepod），這也是橈足類最早的化石證據。圖片來源自[6]，標尺長度50微米。

這些石炭紀橈足類的生活環境：巨大的冰蓋從它們生存的湖面上流過。瀝青從湖底的岩層縫隙間湧出，包裹住一些甲殼動物的殘骸，穿越了3億年的歲月。圖片來源自[6]。

　　雖然中間有冷暖交替，冰川進退，但總的來說，古生代的地球變得越來越冷了。冰川鎖住了大量淡水，改變了季風和洋流，氣候變得寒冷而乾燥。在幾重打擊下，高大的石松和節蕨類組成的茂密叢林逐漸萎縮，崩解成大陸上的綠色孤島。這一事件被稱為「石炭紀雨林崩潰（Carboniferous Rainforest Collapse，CRC）」。

地球平均氣溫變化簡單示意圖。注意在石炭紀中期，氣溫發生了一次驟降，寒冷的氣候一直持續到二疊紀末期（紅框內），之後氣溫猛然回升。這兩次氣溫突變都給地球生態帶來了深遠的影響，尤其是後者造成了生命演化史上最大的滅絕事件。圖片來源自網路。

　　隨著泥炭森林和濕地的消失，巨型節肢動物失去了最後的棲身之所，古兩棲類則被禁錮在河湖附近。而對那些生殖和發育不依賴水環境的生物，乾旱的內陸成為它們大顯身手的新世界：種子蕨類和裸子植物組成了新的季節性森林，小巧的昆蟲和蛛形類活躍其中。羊膜類大放異彩，合弓綱和蜥形綱打響了地球霸主的爭奪戰。

古生代晚期冰川活動（Glacials）和生物群系（Biomes）的變化情況。在雨林崩潰事件後，二疊紀早期的地球已經是另一副面貌。圖片來源自[7]。

雨林崩潰事件（虛線）對四足動物的影響。（a）為所有四足動物，（b）為非羊膜類，（c）為羊膜類物種數量的變化情況。非羊膜類在二疊紀再也沒能恢復到石炭紀的高位，而羊膜類則迎來了大發展的時代。圖片來源自[8]。

二疊紀早期的陸地生態系統和典型的四足動物類群。離片椎類（如圖中的Dvinosaurian和引螈Eryopid）憑藉體型優勢依然統治著狹小的水域。而羊膜類，尤其是合弓綱（如圖中的楔齒龍Sphenacodontid和基龍Edaphosaurid）已經成為陸地的霸主。圖片來源自[9]。

地球名片

事件名稱：石炭紀雨林崩潰事件

發生時間：晚石炭世卡西莫夫期到格舍爾期（約3.05億年前）

持續時間：600萬年左右

發生原因：全球變冷，冰川發育，氣候乾燥

事件影響：大片泥炭雨林和沼澤消失，變成互相隔離的小片孤島；季節性的針葉林發育

波及生物：石松類和節蕨類衰落，種子蕨和裸子植物興起，羊膜類和昆蟲大發展

後續事件：無

參考文獻：

[1] Mary Elizabeth Cerruti Bernardes-de-Oliveira, Pauline Sabina Kavali, Sandra Eiko Mune a, Mahesh Shivanna, et al., Pennsylvanian - Early Cisuralian interglacial macrofloristic succession in Paraná Basin of the State of S?o Paulo. Journal of South American Earth 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-central Gondwana. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 2018

[3] E.L. Gulbranson, I.P. Monta?ez, M.D. Schmitz, et al., High-precision U-Pb calibration of Carboniferous glaciation and climate history, Paganzo Group, NW Argentina. Geological Society of America Bulletin, 2010, doi: 10.1130/B30025.1

[4] Levi D. Moxnessa, John L. Isbella, Kathryn N. Paulsa, et al., Sedimentology of the

mid-Carboniferous fill of the Olta paleovalley, eastern Paganzo Basin, Argentina: Implications for glaciation and controls on diachronous deglaciation in western Gondwana during the late Paleozoic Ice Age. Journal of South American Earth Sciences, 84 (2018), 127–148

[5] Martin Keller, Matthias Hinderer, Hussain Al-Ajmi, et al., Palaeozoic glacial depositional environments of SW Saudi Arabia: process and product. Geological Society, London, Special Publications 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 glacial diamictite extend fossil record of copepods. NATURE COMMUNICATIONS, 1:50, DOI: 10.1038/ncomms1049

[7] Isabel Patricia Monta?ez, A Late Paleozoic climate window of opportunity. PNAS, vol. 113 (2016), no. 9, 2334–2336

[8] Dunne EM, Close RA, Button DJ, et al., Diversity change during the rise of tetrapods

and 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, Rainer Schoch, et al., A unique tetrapod fauna from the Carboniferous-Permian boundary of the Saar-Nahe Basen, SW Germany. Dresden, September 11-15, 2016

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