堅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家Milutin Milankovitch之后，這些變化被稱為Milankovitch周期 - 影響到達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)動因素之一。我們現(xiàn)在對這些變化了解很多，因為我們可以精確地測量它們。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，日內(nèi)瓦大學和魁北克蒙特利爾大學的一個小型國際研究團隊的一員，他們仔細檢查巖石中有節(jié)奏的分層模式。然后，我們將這些與精確的年齡測定結(jié)合起來，以計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

在一個地方，在某個時間沉積的沉積物類型隨氣候而變化?？茖W家們詳細研究了沉積記錄中的這些變化，使過去的氣候變化得以準確識別。通常，用于研究這些變化的方法是光譜分析，其中統(tǒng)計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記錄循環(huán)信號的新氣候檔案，可以與地球圍繞太陽的軌道變化相關聯(lián)。圖片來源：Margriet Lantink。作者提供

一個簡單的思想實驗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，海洋的位置與到達地球表面的陽光量有關。如果地球離太陽略微遠一點，或者地球的軸指向稍遠的地方，那么氣候會更冷。海洋中的一些水將儲存在陸地上的冰川中，這將導致海平面下降。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，你就不會站在海灘上，而是在海底的某個地方，因為融化的冰川導致海平面上升。

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，火山活動更加劇烈，沒有植被或多細胞生命。盡管如此，地球軌道和軸線的波動肯定會影響當時的氣候，甚至可能影響早期生活和海洋化學。

帶狀鐵層

我們的研究團隊一直在尋找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。這些巖石類型在當今還沒有找到，科學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，即鐵的熱液源。此外，此時光合作用的演變可能在海洋的最淺部分產(chǎn)生氧氣。這會導致溶解在水中的還原鐵變得氧化和不溶，然后它會落到海底。

南非的研究地點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年相結(jié)合來計算沉積物的沉積速率來實現(xiàn)這一目標。我們的研究表明，25億年前的米蘭科維奇周期對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)了一個需要140到160萬年的周期。這個周期可能是一個現(xiàn)代的米蘭科維奇周期，最接近的當前周期需要大約240萬年。我們將時間差異解釋為由于太陽系中行星的混沌行為，這會影響一些米蘭科維奇周期的長度。

高分辨率檔案

這一激動人心的發(fā)現(xiàn)表明，BIF可以被認為是25億年前天文氣候的高分辨率檔案。這些信息將對我們理解太陽系如何隨時間演變產(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)代望遠鏡使我們能夠了解太陽系目前的樣子。目前缺少有關我們?nèi)绾螐拈_始到現(xiàn)在配置的信息。

進一步研究BIF中的循環(huán)分層將是準確理解早期地球氣候系統(tǒng)如何響應天文變化的關鍵。