石笋藏着气候哪些秘密

如题所述

第1个回答  2022-10-28

石笋的学名叫“钟乳石”,是在漫长的地质历史时期内由比较纯净的碳酸钙形成的。

它们生长在地面、地下,甚至深海的洞穴里,看上去像是从平地往上生长着的笋尖,但实际上是从上面滴下富含碳酸钙的水在下面“沉淀”而成的。

这种石笋在中国的北方与南方的许多大型洞穴内都可以见到,比如北京附近的周口店、房山的云水洞等,南方的洞穴中就更多见了。

国内外的地球科学家从20世纪50年代确定了碳酸盐矿物内包含的氧同位素组成可以表征过去的气候变迁后,石笋就格外受到关注。

1991年,一位名叫法布里齐奥·安东尼奥从事古气候与地质学关系研究的科学家,在位于意大利西海岸一带一个为当地居民称为阿根塔罗拉的小岛附近潜水——那是他的业余爱好。

在水下约30米处,他无意中发现了一个迷宫似的洞穴,当他看到洞底一根根隆起的灰白色石笋时,立即意识到这些岩石曾经露出过海面。

因为石笋只能是由落在洞底的溶解在水滴中的碳酸钙形成,不可能在含有丰富的钙离子的海水中析出而形成。

安东尼奥认为这些石笋可能会告诉人们过去海平面的变化,但当时未在意。

8年之后,当他向国际岩石年龄测定专家爱德华·巴德提起这个海底洞穴和里面的石笋时,巴德确信他能够解开这些岩石的秘密,于是二人决定下潜去采集标本。

在水下“采集”可不是件容易的事情,他们费了九牛二虎之力终于设法砍下了一块30厘米高的石笋并拖出了水面。

这个石笋曾静静地安生在深海的洞穴里,千万年来,守望着潮起潮落,现在终于被运到了位于罗马的意大利替代能源研究所。

当两位科学家把这块石笋沿中轴线切开时,他们惊呆了——“笋心”内棕黄色的岩石层与洁白的沉积物层相交错。

毫无疑问,这个石笋见证了这一带海洋的升高与下降。

海平面下降时,石笋暴露在新鲜的空气中,含有石灰质的水滴从洞顶落下来,形成了黄色的岩石层。

当海平面上升时,石笋内的岩石层被淹没,微小的海洋钙质生物寄生于岩石表面,便形成了白色沉积层。

这样,这个石笋就完美地记录了海平面的上升与下降的变化。

两位科学家意识到,如果能精确地测定出白色沉积层与黄色岩石层交界处的形成时间,就可能推算出海平面的上升与下降发生的时间。

他们决定使用巴德改进了的方法来测定黄色岩石层形成的时间,这需要测定残存在岩石中的铀和钍的同位素比值。

原因是水里总是会有微量的可溶解的铀元素。

石笋形成时,从水中沉积出来的岩石也会含有少量的铀238。

这种铀同位素会逐渐衰减,先变成铀234,然后再变成极不易溶解,可长期存留在岩石内的钍230。

随着时间的推移,钍的含量增加。

岩石越老,钍230与铀238之间的比率就越高。

通过高精度的质谱仪检测铀与钍的同位素,就可以精确地测定出岩石各个部位形成的年龄。

他们发现,这个石笋在20.6万年前开始生长。

通过测定白色沉积层和黄色岩石层的交界处,他们确定出海平面达到最高和最低点的时期。

第一个白色沉积层在20.2万年前开始形成,经过1.2万年生长停止,这一阶段,是石笋被海水淹没的时期。

然后,海平面再次降低——那是又一次冰期来临。

大量的海水被封冻到地球的南、北两极,此时,岩石露出了海面。

接着,从14.5万年前至今,冰层开始融化,海水上升,石笋再度被淹没,直到被科学家拖出水面。

安东尼奥和巴德相信,他们测算出的年龄误差不会超过2000年。

这比过去主要依靠珊瑚化石或生着钙质壳的海洋微生物化石来测定海平面变化的方法要精确得多,这两种方法测出的结果误差都在4000年左右。

而且,由于不同种类的生物体内的“生命效应”不同,所测算出的结果之间也有明显的差异。

这个在海底偶然发现的石笋,20万年来感受着海水冷暖的变化,观望着海平面的升高与回落,完美地记录了长达20万年间海平面的变化,足足涵盖了地球最近两个冰期的时间。

许多世界著名的科学家认为,这是一个伟大的发现,石笋所涵盖的这段时期对人类理解地球气候变化非常重要,而人类以前对这方面几乎一无所知。

法布里齐奥·安东尼奥与爱德华·巴德砍下的石笋

塞尔维亚的地球物理学家米兰科维奇在20世纪20年代就发现,地球冰期产生的根本原因是由于地球公转轨道形状和自转角度的自然变化,导致太阳辐射到地球上的热量发生周期性变化。

当时的天文学家已能十分精确地推算出过去几百万年间地球轨道的变化,并能预测出地球何时会处于冰期或间冰期阶段。

这一发现被称为“米兰科维奇旋回”。

但这并不意味着米氏周期与地球气候的变化会完全吻合,因为地球的气候还会受到一系列其他因素的影响,最主要的是大气层中二氧化碳的含量和冰层的反射。

即使有这么复杂的影响因素,它们在石笋中也有所反映。

由石笋测定出的14万年前的那次冰期结束以后,海平面上升的时间要比“米兰科维奇旋回”推算出的时间早了几千年。

为了查清这种差异的原因,巴德与安东尼奥将由石笋测定出的海平面变化与南极地区冰层中保存的二氧化碳含量作了精确的对比,发现海平面的这次升高与当时大气中的二氧化碳含量突然增加了1/10000有关。

但海平面在20.2万年前升高时,大气中的二氧化碳含量只增加了0.2/10000。

尽管石笋中所记录的这两次海平面的升高都受到了米兰科维奇旋回的影响,但最近的这次由于二氧化碳的温室效应,使其比天文学测定的时间提前了。

但是,当时并没有人类的“工业革命”,是什么原因导致二氧化碳含量的升高,迄今还没人作出可靠的解释。

有科学家认为,石笋测定的年代对于研究冰期发生的原因有很大贡献,在讨论冰层反射及二氧化碳含量对冰期的形成与结束是否重要时,这种精确定年方法很有用,找出其中的关联可使我们更好地理解二氧化碳排放可能带来的后果。

但在阿根塔罗拉找到的石笋并不能完全解开这个秘密,因为它所包含的时间尚未长到可以显示“米兰科维奇旋回”完整变化的程度,若要显示这个完整的旋回,需要44万年的时间。

这些令人振奋的分析结果,令许多科学家格外地关注那个海底像迷宫一样的洞穴,他们希望精心准备以后,去寻找更为古老的石笋,以便解读历史更长的“地球气候记录仪”。

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