堅(jiān)如磐石的檔案記錄了地球軌道的變化

圍繞太陽的地球軌道的形狀及其軸的方向經(jīng)歷數(shù)千至數(shù)百萬年的規(guī)律變化。在塞爾維亞地球物理學(xué)家Milutin Milankovitch之后，這些變化被稱為Milankovitch周期 - 影響到達(dá)行星表面的太陽光量。

米蘭科維奇周期是我們氣候的主要驅(qū)動(dòng)因素之一。我們現(xiàn)在對(duì)這些變化了解很多，因?yàn)槲覀兛梢跃_地測(cè)量它們。在過去的幾億年中，地質(zhì)記錄中存在由于地球軌道變化引起的氣候變化的證據(jù)。證據(jù)表現(xiàn)為巖石沉積層厚度和成分的變化。

然而，考慮到地球已有45億年的歷史，幾乎沒有人知道這些氣候變化的時(shí)間。到目前為止，我們以前從未能夠了解這些米蘭科維奇周期如何在地球歷史中發(fā)生變化。

我們是來自烏特勒支大學(xué)，日內(nèi)瓦大學(xué)和魁北克蒙特利爾大學(xué)的一個(gè)小型國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)的一員，他們仔細(xì)檢查巖石中有節(jié)奏的分層模式。然后，我們將這些與精確的年齡測(cè)定結(jié)合起來，以計(jì)算沉積物沉積的速率。這使我們能夠揭示數(shù)十億年前地球的氣候秘密。

深刻的歷史

在一個(gè)地方，在某個(gè)時(shí)間沉積的沉積物類型隨氣候而變化。科學(xué)家們?cè)敿?xì)研究了沉積記錄中的這些變化，使過去的氣候變化得以準(zhǔn)確識(shí)別。通常，用于研究這些變化的方法是光譜分析，其中統(tǒng)計(jì)工具確定巖層中是否存在周期性變化。

25億年前的帶狀鐵層是一個(gè)記錄循環(huán)信號(hào)的新氣候檔案，可以與地球圍繞太陽的軌道變化相關(guān)聯(lián)。圖片來源：Margriet Lantink。作者提供

一個(gè)簡(jiǎn)單的思想實(shí)驗(yàn)可以幫助理解氣候變化如何影響搖滾記錄。

例如，如果您站在海灘上，海洋的位置與到達(dá)地球表面的陽光量有關(guān)。如果地球離太陽略微遠(yuǎn)一點(diǎn)，或者地球的軸指向稍遠(yuǎn)的地方，那么氣候會(huì)更冷。海洋中的一些水將儲(chǔ)存在陸地上的冰川中，這將導(dǎo)致海平面下降。那么你將更加內(nèi)陸，沉積在你腳下的沉積物將與沙灘沙子完全不同。如果地球稍微靠近太陽，你就不會(huì)站在海灘上，而是在海底的某個(gè)地方，因?yàn)槿诨谋▽?dǎo)致海平面上升。

數(shù)十億年前，地球上的狀況與目前的情況根本不同：大氣中沒有自由氧，火山活動(dòng)更加劇烈，沒有植被或多細(xì)胞生命。盡管如此，地球軌道和軸線的波動(dòng)肯定會(huì)影響當(dāng)時(shí)的氣候，甚至可能影響早期生活和海洋化學(xué)。

帶狀鐵層

我們的研究團(tuán)隊(duì)一直在尋找25億年前帶狀鐵結(jié)構(gòu)(BIF)中循環(huán)氣候變化的證據(jù)。BIFs是富含鐵質(zhì)的獨(dú)特層狀巖石，廣泛沉積在海底，現(xiàn)在可以在地殼現(xiàn)存最古老的部分找到。這些巖石類型在當(dāng)今還沒有找到，科學(xué)家們一直在努力了解它們的形成和它們的帶狀外觀。

到目前為止，科學(xué)家已經(jīng)解釋了這些鐵質(zhì)層的沉積及其規(guī)則分層，主要是由于海底火山活動(dòng)，即鐵的熱液源。此外，此時(shí)光合作用的演變可能在海洋的最淺部分產(chǎn)生氧氣。這會(huì)導(dǎo)致溶解在水中的還原鐵變得氧化和不溶，然后它會(huì)落到海底。

南非的研究地點(diǎn)顯示出帶狀鐵層形成層次的周期性變化。作者提供

我們的研究首次將BIF中的常規(guī)變化與圍繞太陽的地球軌道的周期性變化聯(lián)系起來，其周期為405,000年和140至160萬年。我們通過將南非沉積層的光譜分析 與非常精確的鈾鉛測(cè)年相結(jié)合來計(jì)算沉積物的沉積速率來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。我們的研究表明，25億年前的米蘭科維奇周期對(duì)地球的氣候和海洋中的鐵沉積都有重要影響。

我們發(fā)現(xiàn)目前的405，000年周期發(fā)生在25億年前。我們還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)需要140到160萬年的周期。這個(gè)周期可能是一個(gè)現(xiàn)代的米蘭科維奇周期，最接近的當(dāng)前周期需要大約240萬年。我們將時(shí)間差異解釋為由于太陽系中行星的混沌行為，這會(huì)影響一些米蘭科維奇周期的長(zhǎng)度。

高分辨率檔案

這一激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)表明，BIF可以被認(rèn)為是25億年前天文氣候的高分辨率檔案。這些信息將對(duì)我們理解太陽系如何隨時(shí)間演變產(chǎn)生重大影響。到目前為止，天體物理模型顯示太陽系如何形成，現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡使我們能夠了解太陽系目前的樣子。目前缺少有關(guān)我們?nèi)绾螐拈_始到現(xiàn)在配置的信息。

進(jìn)一步研究BIF中的循環(huán)分層將是準(zhǔn)確理解早期地球氣候系統(tǒng)如何響應(yīng)天文變化的關(guān)鍵。