是什么导致了6000万年前的全球气候变暖？

科技行者 3月30日 北京消息（文/科技行者）：约6000万年之前，地球深处的环流变化，催生了一股炽热的岩浆流，名为“冰岛羽流（the Iceland plume）”，从地幔中心涌出。随着地幔岩石刺穿北大西洋底部，熔岩开始进入海水并快速冷却，最终形成了苏格兰、爱尔兰与格陵兰岛。这种极为特殊的形成过程，也带来了壮观的巨型石柱景观，最终成为被人们津津乐道的「北爱尔兰巨人堤道」与「苏格兰芬格尔洞穴」。

400万年之后，第二股巨大的地幔岩石脉冲再次袭来，又一次掀起了冰岛羽流。岩浆在海床下膨胀，将格陵兰岛与欧洲大陆之间的广阔海底层层垫高，最终形成了一座连接苏格兰与格陵兰岛的临时大陆桥。

在地表之下，地幔板块融化了，从固态岩石变为液态岩浆。岩浆带来的沉积物如同皮肤下的淤青般扩散，形成了成千上万的岩床，高温也煮熟了沉积物内的有机物质。整个加热过程产生的大量甲烷与二氧化碳气体，通过海底的通风口喷出。几千年来，一层又一层的岩浆不断渗入这块超大面积的“淤青”，越来越多的气体从海洋中喷出，像一口沸腾的锅。

有证据表明，就在整个活动周期当中，地球的平均温度升高了5摄氏度（9华氏度）。在这一场发生在远古时代被称为「古新世-始新世大升温（简称PETM）」的“全球变暖事件”期间，陆地遭受了强烈的倾盆大雨，而海洋酸化与温度升高，导致许多海洋物种灭绝。同时，陆地动物也即将灭绝，取而代之的是体形矮小的物种，开始夺取陆上霸主的地位。如今，我们已经在北极地区发现大量目前常见于佛罗里达地区的鳄鱼、巨型乌龟与植被遗迹，且当时的海平面比现在高出约300英尺。

自从20世纪90年代初发现以来，“古新世-始新世大升温（PETM）”便引起了气候科学家们的高度关注。当时的气候变化与今天的气候变化颇有相似之处，具体征兆包括温度上升、海洋酸化、大气碳水平急剧浮动并对地球上的生命构成深远影响等等。为了产生这些影响，大气层中的碳总量无疑迎来一波快速增长（最近估计总排放量约10万亿吨）。但是，这些碳到底从何而来？它们为什么释放得如此之快？如果大气中的碳总量再增加，是否会加剧全球变暖？

▲ 图：在“古新世-始新世大升温（PETM）”时期内，二氧化碳突然喷涌并导致全球升温，当时的北极拥有着类似于亚热带沼泽的气候特征。

来自英国伯明翰大学的地质学家Stephen Jones强调，“如果我们能够理解过去一亿年以来曾经出现的类似状况，就能抢先一步做出规划，为我们这一代人可能面临的气候剧变做好准备。”

由于“古新世-始新世大升温（PETM）”在北大西洋形成了大量火山（科学家们将其统称为「北大西洋火成岩省（North Atlantic Igneous Province，简称NAIP)」），因此不少人怀疑火山只是气候变暖的表现，而非原因。但关联性并不代表因果关系，而且我们也有充分的科学理由怀疑，火山活动本身就是气候变化的根源。最近，Jones与其合作者在伯明翰大学发表的一篇论文，消除了这个重要疑问，证明“火成岩活动”确实是气候变暖的主要驱动力。

▲ 图：「北爱尔兰巨人堤道」是一个地质特征，由6000万年前火山喷发形成的数千个相互连接的玄武岩柱组成

碳排放量在攀升，但碳到底从哪里来？

尽管北大西洋火山活动发生的时间与“古新世-始新世大升温（PETM）”很接近，但科学家们对于前者是否会导致气候变暖一直持怀疑态度。这是因为一个误导性因素：当时形成的沉积层内的碳，当中富含“碳-12”，证明它们是有机碳源，而非火山碳源。最主要的理论是，地球围绕太阳运转的公转轨道波动，融化了海床下的一种名为“甲烷水合物（methane clathrates）”的“冻结甲烷”。然而，科学家们还没有发现足够的证据，来证明“古新世-始新世大升温（PETM）”之前的地球上已经存在足够庞大的“笼形水合物（clathrates）”，也无法证明它们融化的速度足够快，从而导致气候变暖。

北大西洋火成岩省与有机碳之间可能缺失的关联，在2004年挪威沿海海床的地震扫描中被发现。来自奥斯陆大学的Henrik Svensen及其同事分析了石油勘探船产生的爆破的回声，发现了海床上确实存在“古新世-始新世大升温（PETM）”形成的向海面上延伸的喷口。

他们推断，这些喷口可能是由于有机碎屑在高温作用下烘烤而成，而这些碎屑中富含碳-12，因此完全有可能产生大量甲烷和二氧化碳。这些气体一步步通过海床、海洋，最终喷发到大气中，从而推动“古新世-始新世大升温（PETM）”的发生。此后，科研人员大西洋两岸发现了更多的喷口，还从其中一个喷口钻取到分析样本。更重要的是，位于西伯利亚及南非的类似喷口，也被证明与地球历史上不同时期的全球变暖有关——分别为“二叠纪升温”与“侏罗纪升温”。

尽管如此，大部分科学家并不相信“火成岩活动”能够在短时间内造成全球变暖的后果。地质学家们一直认为，岩床的形成需要数百万年；而沉积物化石则表明，整个“古新世-始新世大升温（PETM）”的诱发周期只有数千年——这明显对不上茬。

但伯明翰团队的发现缩小了这一差距。他们发现，正如Jones的初步猜测，冰岛羽流“能够在五千年到一万年之内形成这些喷口”。

气候变暖vs碳排放

在早期对冰岛附近的V形熔岩脊进行的勘探工作中，Jones已经证明了热地幔脉冲会周期性地沿着冰岛羽流上升，进而推动邻近的构造板块。Jones称这些山脊为“确凿的证据”，证明这种脉冲确实存在。但遗憾的是，这些熔岩脊的形成年代与“古新世-始新世大升温（PETM）”相去甚远。

为了寻找更多线索，Jones和他的同事们转向苏格兰地区的Forties Sandstone Member协会。出于石油钻探目的，该协会曾经进行广泛的研究、钻探与地震扫描石油产业，因此地质学家们得以确定这部分砂岩确实源自苏格兰与格陵兰之间原本大陆桥的侵蚀残骸。而该残骸早于5600万年之前从大西洋底部升起，与“古新世-始新世大升温（PETM）”的时间节点相吻合。研究合著者Tom Dunkley Jones指出，“可以看到，海洋沉积物被一路抬升并暴露在海平面之上。”

▲ 图：气体（可能包含二氧化碳）从太平洋底部的硫磺热液喷口处不断涌出

这种隆升痕迹，是地幔巨大脉冲到达地壳下的明显迹象，而不同位置的隆起时间的差异，则让伯明翰团队得以判断地下岩浆“淤青”的扩散速度究竟有多快。

但是，要弄清楚整个过程到底会产生多少有机物可供“蒸煮”，科学家们必须用测量数据说话。这项任务落在了Stephen Jones的前研究生Murray Hoggett与Karina Fernandez手中。他们认真检查了覆盖数万平方公里的地震扫描图，并推断出该地区可能存在1.1万至1.8万个岩穴。

联合作者Sarah Greene指出，“直到我们把这些基岩的形状与尺寸整理到数据库中之前，我们根本无法判断引发‘大升温’到底需要怎样的碳排放速度或者排放总量。”

在整理完成后，科学家们将标准石油行业模型（用于计算单一基岩的气体产生速率）与一种称为蒙特卡洛模拟的统计技术相结合，借此计算基岩的总体气体排放速率。

Greene解释道，“每块基岩都不大，只会产生少量的碳排放。必须有大量基岩同时活动，才能造成我们如今观察到的‘大升温事件’。”

“火成岩活动”主导了气候变暖？

需要强调的是，该研究小组计算出的碳排放总量，与5600万年前“古新世-始新世大升温（PETM）”从沉积物内计算出的独立碳排放估算值高度一致。Greene指出，“这相当于两种途径共同证明了同一结论。”

伯明翰小组的工作结果，改变了几位主张“笼形水合物论”的科学家观点。来自宾夕法尼亚州立大学的地球科学家Lee Kump正是其中之一，他称这项新研究带来了“有力的证据”，表明“北大西洋火成岩正是‘古新世-始新世大升温（PETM）’碳排放的触发因素与主要机制，并不需要甲烷水合物的参与”。同样，来自加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的James Zachos也放弃了将“大升温”归结于甲烷水合物的想法，他表示“火成岩活动才是触发碳排放的原因与主要来源”。乌得勒支大学的Appy Sluijs亦赞同称，“肯定是火山活动触发了‘大升温事件’。”

他们表示，「笼形水合物（clathrates）」或「永冻层（permafrost）」可能加剧了全球变暖，但新研究有力表明，「火成岩活动」主导了气候变暖。

▲ 图：罗科尔盆地部分区域的二维地震扫描结果。“罗科尔地貌”为苏格兰西北部地区的一种显著地质特征。

相比之下，夏威夷大学马诺阿分校的Richard Zeebe则坚持他先前的观点，即“古新世-始新世大升温（PETM）”的引发原因复杂多样，包括当时恰巧出现的地球绕日公转位置变化。他指出，“古新世-始新世大升温（PETM）之后，还曾出现一连串全球升温，虽然可能是由其中一项最终完成了触发步骤——例如大升温时期的火山活动，但其他触发因素同样合乎逻辑且发挥着重要作用。”

其他科学家则认为，这些后期“升温事件”只是整个地质时期的内在沉积物中发现的正常轨道振动，而“古新世-始新世大升温（PETM）”的振幅是其两倍大，且极为剧烈，轨道不同步，因此其中必然有着不同寻常的触发原因。

对于“古新世-始新世大升温（PETM）”的火成岩起源发现，对于研究现代气候变化具有重要意义。

例如，与以往发表的研究结果不同，最新论文得出的结论在于，甲烷水合物（Methane clathrate）与永冻层（permafrost）可能并不会像一些科学家们担心的那样，给全球带来更严重的气候影响。关于“古新世-始新世大升温（PETM）”的研究结果同时证明，上至6000万年前、下至可预见的未来，人类对于地球如何应对大量增加的碳排放的理解仍然基本可靠。

但在气候的短期影响层面，我们仍然需要谨慎而行。尽管“大升温期间”的碳排放总量远远超过人类活动所能排出的碳总量，但其长达千年的均匀释放给了地球生态充分适应的周期，从而避免了更为极端的变暖效应。

Greene表示，“与‘大升温时期’的碳排放速率相比，人类活动目前的排放速率要快上一个数量级。”

[注1]伯明翰大学关于“气候变暖”的研究论文《大火成岩省产生的温室气体通量可能引发了“古新世-始新世大升温”的气候变化》获取方式：关注科技行者公众号（ID：itechwalker），回复关键词「气候变暖」即可获取。