石炭二叠纪冰期的形成

地球科学原理之39石炭、二叠纪冰期的形成广东海洋大学廖永岩（电子信箱：[e-mail]）当新元古宙冰期之后，由于冰川的造海和造山运动，地球上出现了较多的陆地；奥陶纪晚期冰期的冰川作用，使陆地面积进一步扩大。由于海洋藻类的不断努力，氧气不断增加，大气中出现了较厚的臭氧层；这些，都为生物成功登陆创造了条件。生物若要登陆成功，它必须适应陆地环境。首先要解决的就是水分的问题，然后要解决的是支撑的问题（因为失去了水的浮力）。地衣植物虽然作过登陆的尝试，但因为它只是单细胞的蓝藻和细菌菌丝体组成，只是一种单细胞的组合，不具有吸收水平的能力，也没有保持水分的能力，最终以失败告终。多细胞藻类出现之后，为植物登陆提供了组织上的保证。因为，多细胞的植物就有了细胞进行分工的可能。当它们在陆地上时，至少保水能力比单细胞强：就算表面的细胞因为干燥而死亡，内部的细胞，也能保证这种生物能继续生存。最早登陆的多细胞植物是苔藓，它们原可能是生存于淡水沼泽的多细胞藻类（主要是绿藻），后因水退，而在陆地生活，从而成为陆地植物。苔藓植物，只有假根，没有根的分化。茎叶也分化不明显，多为叶状体，少为茎叶体。虽然成了陆生植物，但它们还不适应陆地的干旱气候，不可能得到大发展，更不可能形成大的森林以引起第一次陆地植物冰期的形成。另一支上陆的多细胞植物，逐渐演化出了根、茎、叶，也就是出现了根、茎、叶的分化，并出现了较原始的维管组织。这就是蕨类植物。蕨类植物，因为有了根，解决了吸收水分的问题。蕨类植物有了维管组织，也解决了运输水分和支撑高大个体的问题（使植物能充分展开在空中，便于更大可能地接受阳光，进行强烈的光合作用）。所以，蕨类植物，才是真正的陆生植物。由于奥陶纪晚期冰期结束后，二氧化碳逐渐增多，气候变得越来越温暖和和潮湿，陆地上的动物相当少（如果陆地没有植物，没有食物，也就不会有动物）。蕨类植物慢慢在陆地上繁盛起来。在泥盆纪（距今4.09~3.62亿年），就形成了蕨类植物的小森林；在石炭纪（距今3.62~2.90亿年），形成了蕨类植物的大森林（宋春青和张振春，1996）。由于经过太古宙、元古宙和奥陶纪多次大冰期的冰川作用，陆地面积已相当大，陆地上大片的蕨类植物森林出现，使二氧化碳的浓度逐渐减少（当然，除蕨类植物外，苔藓植物和海洋藻类也有一定的辅助作用）。当二氧化碳浓度减少至不足以维持正常的温室效应时，就造成了主要由陆地植物引起的第一次冰川的形成。虽然陆地面积远没有海洋面积大；但由蕨类植物造成的冰川，在形成过程中，引起造海和造陆运动，大规模的蕨类植物被埋入地下，形成煤及其它矿物有机物。由于形成煤及其它矿物有机物的过程在陆地上反复进行，大量的有机碳被埋入地下，形成了大规模的二氧化碳向有机碳的转化。最后，终于形成了大规模的冰川，导致冰川期的到来。这次冰期的规模仅次于新元古宙的大冰期，远比奥陶纪晚期冰期的规模大。由于生物演化和森林大火的发生诱发二氧化碳浓度波动，冰期形成和消融时，会出现一些次一级的波动。那么，是什么原因造成这次冰期的结束呢？由于没有捕食动物能完全控制这次冰期的结束，所以，这次冰期只能是靠环境因素来结束。蕨类植物虽然具有了根、茎、叶的分化，也有了维管束，和苔藓植物比较，已能较好地适应陆地环境。但它维管束较原始，输水能力还不是太强。更重要的是，它是孢子生殖，还没有形成种子，它的生殖过程还不能离开水。同时，它的叶子保温防寒作用也比较差。所有这些缺点，说明它只能生存在温暖潮湿的环境里。随着蕨类植物的不断繁衍，大气中的二氧化碳越来越少，气候越来越寒冷。两极及高山上的冰川越来越大，特别是极地冰盖的形成和加厚，引起了四季的形成，并越来越明显。这样，大陆上的环境变得越来越寒冷和越来越干燥。当干燥和寒冷超过蕨类植物所能耐受的范围时，它慢慢从这个星球上消退。最终，蕨类植物时代终于结束了。只有少量蕨类植物，由于产生了对干燥寒冷环境的适应，得以保留下来：它们要么形成了地下茎，用以度过严寒的冬天；要么形成了角质层，用以保水和抗寒；个体都远比古蕨类植物矮小得多。大量蕨类植物死亡，被分解者分解，产生大量的二氧化碳。地球上大量动物的呼吸，也产生大量的二氧化碳。更重要的是，由于蕨类植物造成的大冰川，引起剧烈的造海和造山运动，引发大范围的火山和地震爆发，给地球大气补充了大量的二氧化碳。经过一定时期的二氧化碳积累，二氧化碳的温室效应逐渐增强。冰川熔融，气候又变得温暖和潮湿。由蕨类植物引起的大冰期，也就此宣告结束。