安地斯-撒哈拉冰河时期

```
'''赫南特期冰川事件'''<ref></ref>，又称'''安第斯-撒哈拉冰期'''、'''早古生代大冰期'''，<ref name="EPIA"></ref> '''早古生代冰室'''，<ref name="GlacioeustasyBlackShalesEarlyPalaeozoicIcehouse"></ref> '''晚奥陶世冰期'''，或'''奥陶纪末冰期'''，发生于[[古生代]]，大约在4.6亿至4.2亿年前，横跨[[晚奥陶世]]与[[志留纪]]。过去认为这一时期的冰川作用仅限于赫南特期本身，但现在已认识到这是一次更长、更渐进的降温事件，<ref></ref><ref></ref><ref name="Munnecke2010"></ref> 最早可能始于[[达瑞威尔期]]，<ref name="EPIA" /> 甚至可追溯到[[弗洛期]]。<ref name="MayaElrick"></ref> 此次冰川作用的证据可见于[[阿拉伯半岛]]、[[北非]]、[[南非]]、[[巴西]]、[[秘鲁]]、[[玻利维亚]]、[[智利]]、[[阿根廷]]及[[怀俄明州]]等地。<ref name="Díaz-MartínezGrahn2007"></ref><ref></ref><ref></ref><ref name="Bighorn Dolomite, Wyoming"></ref> 来自同位素数据的更多证据表明，晚奥陶世热带海洋温度比现今低约5°C，这可能是促成冰川作用的主要因素。<ref name="Magnitude and Duration"></ref>
```

晚奥陶世冰川作用被广泛认为是晚奥陶纪大灭绝的主因，并且是唯一一次似乎与重大灭绝事件同时发生的冰期，导致近61%的海洋生物灭绝。冰盖体积的峰值估计在5000万至2.5亿立方公里之间，冰川的持续时间从3500万年到不足100万年。在赫南特期鼎盛之时，此次冰期被认为远比更新世末期的末次冰盛期更加剧烈。北半球的冰川作用很小，因为当时大部分陆地集中在南半球。

## 时间线

### 赫南特期之前的冰进

最早的冰川作用可能证据来自弗洛期牙形石磷灰石氧同位素的波动，这些波动呈现出米兰科维奇循环的周期性特征，被解释为极地冰盖的周期性消长。中达瑞威尔期推测的一次冰进与MDICE正碳同位素漂移事件相对应。反映冰川性海平面变化的海平面升降在这一地质时期（约4.67亿年前）已有记录。然而，尚无已知的中奥陶世冰川沉积物能提供冰川作用的直接地质证据。桑比期的同位素证据揭示了三次可能的冰进：早桑比期冰进、中桑比期冰进和晚桑比期冰进。尽管冈瓦纳大陆冰川沉积物的生物地层定年一直存在问题，但有证据显示，至桑比期（约4.51–4.61亿年前）已存在冰川作用。在 Nemacanthus gracilis 笔石生物带所界定的时间区间内，笔石分布显示亚热带和热带的纬度范围与现代相似，表现为一个陡峭的动物群梯度，这与温室期的特征不符，表明约4.6亿年前的桑比期初，地球已处于温和的冰室状态。凯迪期可能发生了多次短暂的冰进：早凯迪期三次极短的冰川活动、晚早凯迪期的拉克韦雷冰进、中凯迪期冰进、晚早凯迪期的早阿什极尔冰进，以及紧接赫南特冰期之前、位于 Paraorthograptus pacificus 笔石带的一次最新凯迪期冰进，后者之后伴随着快速变暖事件。凯迪期还记录了底层水形成的重大变化，这通常预示着全球气候的突变。与笔石生物地层对应的碳和钕同位素比值的偏移，进一步支持了凯迪期存在冰川型海平面升降旋回的说法，来自肯塔基州和魁北克的牙形石磷灰石δ18O波动亦如是，它们很可能反映了冰川性海平面变化。然而，凯迪期存在冰期仍具争议。来自辛辛那提穹隆的凯迪期腕足动物和海水δ18O值显示了全球温室状态下的海洋温度特征。

### 赫南特冰期

<image>

在凯迪期-赫南特期界线，一次突然的变冷事件导致冰川迅速扩张，造就了显生宙最严重的冰期之一，这次极端变冷事件普遍认为与晚奥陶世大灭绝的第一幕同时发生。赫南特期开始出现δ18O偏移；其幅度（+2至4‰）十分显著。其偏移方向意味着冰川降温及可能的冰量增加。所观测到的δ18O指标偏移需要海平面下降100米，且热带海洋温度下降10°C，才能在此次冰期中发生。沉积学数据显示，晚奥陶世冰盖覆盖了库夫拉盆地。冰盖可能还在北非和阿拉伯半岛形成了连续的冰盖。在所有出现早志留世页岩的北非地区，其下均伏有晚奥陶世冰川成因沉积物，这可能与这些盆地中盛行的缺氧条件有关。

赫南特期末，冰川突然消融，与晚奥陶世大灭绝的第二幕同时发生，此后在鲁丹期，地球重返更为温暖的气候。晚赫南特期的变暖同样表现为δ18O向更负值的快速漂移。δ13C值在志留纪之初也同样急剧下降。

### 志留纪冰期

在相对温暖的鲁丹期之后，埃隆期早期和末期发生了冰进事件。另一次冰期发生在晚特列奇期到中申伍德期。从侯默期早期到晚期，地球又进入了一次冰期阶段。早古生代大冰期的最后一次主要冰川作用发生在卢德福德期，与劳事件相关。

在此期间，阿拉伯、撒哈拉、西非、亚马逊南部及安第斯山脉均发现有冰川作用，且已知冰川作用中心从奥陶纪（4.5–4.4亿年前）的撒哈拉地区迁徙至志留纪（4.4–4.2亿年前）的南美洲。据Eyles和Young所述，“约4.4亿年前的一次主要冰期记录于西非（撒哈拉的塔马杰尔特组）、摩洛哥（廷杜夫盆地）及沙特阿拉伯中西部等当时极地纬度地区的晚奥陶世地层（主要为阿什极尔阶）。从晚奥陶世到早志留世，冰川作用中心从北非迁移至南美洲西南部。” 非洲和巴西东部发育了大陆冰川，而安第斯山脉则形成了山岳冰川。在南美洲西部（秘鲁、玻利维亚和阿根廷北部）发现了冰川-海相杂砾岩，与浊积岩、页岩、泥流和碎屑流互层，年代为早志留世（兰多维列世），向南延伸至阿根廷北部和巴拉圭西部，并可能向北延伸至秘鲁、厄瓜多尔和哥伦比亚。

安第斯-撒哈拉大冰期之前是成冰纪冰期（7.2–6.3亿年前，斯图特冰期和马里诺冰期），常被称为雪球地球，其后则是卡鲁冰期（3.5–2.6亿年前）。

## 证据

### 岩石学证据

- 比格霍恩白云岩（代表奥陶纪末期）的地层序列与冰川的逐渐累积一致。比格霍恩白云岩的序列显示出其组成旋回的系统性变化，这些旋回的变化被解释为从温室气候向过渡性冰室气候的转变。

## 可能的原因

### 二氧化碳浓度的降低

阻碍早古生代冰川作用的一个因素是大气的CO2浓度，当时为工业化前水平的8到20倍。然而，晚奥陶世的太阳辐照度明显较低；4.5亿年前地球的太阳辐照度约为1312.00 W·m−2，而现今为1360.89 W·m−2。此外，赫南特期的CO2浓度被认为大幅下降，这可能在整体变冷趋势下诱发了广泛的冰川作用。这一时期CO2的去除机制尚不明确，至今仍争论不休。陆生植物的辐射演化、海洋有机碳埋藏的增强、以及火山作用排放二氧化碳的减少等机制均曾被提出。在高CO2水平下也有可能启动冰川作用，但这很大程度上取决于大陆的分布格局。

#### 硅酸盐风化

长期的硅酸盐风化是将大气CO2转化并封存进海洋沉积物的重要机制。这常与塔科尼造山运动——发生在劳伦大陆（现今北美）东海岸的造山事件——联系在一起。另一个假说是凯迪期一个假设的大火成岩省导致了该时期强烈的大陆火山活动引发的玄武岩溢流。短期内，这会向大气释放大量CO2，或许可以解释凯迪期的变暖脉冲。但长期来看，溢流玄武岩会留下大片玄武岩平原，取代了花岗岩露头。玄武岩的风化速度远快于花岗岩，因而会比火山活动之前更快地从大气中移除CO2。陆生非维管植物的扩张也可能因其加速硅酸盐风化而导致CO2水平下降。维管植物是在冰期之后1500万年才出现的。

#### 有机碳埋藏

同位素证据显示赫南特期δ13C发生全球性正漂移，几乎与海相碳酸盐δ18O的正漂移同时发生。这一漂移称为赫南特期碳同位素漂移事件（HICE）。δ13C的正漂移意味着碳循环发生变化，导致更多的有机碳埋藏，不过也有研究者持相反观点，认为这一δ13C变化是由于海平面下降暴露的碳酸盐台地风化增强所致。有机碳埋藏增强导致大气CO2水平下降及反温室效应，使得冰川作用更易发生。

#### 伽马射线暴

有研究者认为伽马射线暴（GRB）可能是赫南特期初突然冰期的起因。一个持续十秒的GRB若发生在距地球两千秒差距以内，将带来每平方米100千焦的注量。这会导致大量硝酸降落到地球表面，引发受硝酸盐限制的光合作用生物大量繁殖，从而从大气中封存大量二氧化碳。此外，GRB还会通过氮分子解离以及随后氮原子与氧的反应产生一氧化氮，进而与另一种强效温室气体臭氧反应，导致臭氧大量消耗。

### 小行星撞击

#### 奥陶纪陨石事件

L球粒陨石母体的解体导致大量地外物质降落地球，即所谓的奥陶纪陨石事件。该事件使平流层尘埃增加了3到4个数量级，可能通过将阳光反射回太空而触发了冰期。

#### 德尼利昆撞击构造

2023年的一篇论文提出，赫南特期冰期可能是由形成现今澳大利亚东南部德尼利昆多环构造的撞击所引发的撞击冬天所致，不过这一假说目前尚未得到验证。

### 碎片环

2024年的一项研究认为，L球粒陨石母体并非完全碎裂或直接撞击，而可能是与地球近距离擦过，导致其中一部分在引力作用下脱离。这些碎片可能形成了行星环，而从环中坠落的碎片遮蔽了太阳光线，引发了显著的变冷。证据在于奥陶纪陨石事件形成的撞击坑似乎集中在地球周围一个独特的带状区域内，而非随机分布，这可能是环中碎片坠落的产物。该环可能持续了将近4000万年。

### 火山气溶胶

尽管火山活动经常通过释放温室气体导致变暖，但也可能通过产生气溶胶（即阻光颗粒）而导致变冷。基于许多地区异常高的汞（Hg）浓度，有充分证据表明赫南特期火山活动增强。二氧化硫和其他含硫火山气体在平流层中转化为硫酸盐气溶胶，短期、周期性的大火成岩省喷发或许能以此方式解释变冷现象。尽管尚无直接证据证明赫南特期存在大火成岩省，但火山活动仍可能是一个重要因素。定期将碎屑和挥发分送入平流层的爆炸性火山喷发，在产生硫酸盐气溶胶方面甚至更为有效。晚奥陶世广泛存在火山灰层，而赫南特期黄铁矿记录到与平流层喷发相符的硫同位素异常。特别是形成戴克斑脱岩层的特大喷发，因其与一次重大氧同位素正漂移及斑脱岩层中观测到的高硫浓度同时发生，被认为与全球变冷有关。

### 海平面变化

此次降温的可能原因之一是海平面下降。海平面必须在广袤冰盖形成之前下降，才能成为潜在的触发因素。海平面下降使更多陆地暴露，有利于冰盖的生长。关于海平面变化的时间轴存在广泛争议，但有证据表明海平面下降在阿什极尔期之前即已开始，这使其成为冰川作用的一个促成因素。

### 古地理

4.6亿至4.4亿年前这一时期的古地理格局，介于卡拉多克期和阿什极尔期之间。格局的选择至关重要，因为卡拉多克期格局更可能在高CO2浓度下产生冰川冰，而阿什极尔期格局则更可能在低CO2浓度下产生冰川冰。

陆地高于海平面的高度也发挥着重要作用，尤其是在冰盖建立之后。较高的海拔使冰盖能更稳定地维持，但较低的海拔更利于冰盖的初始发展。卡拉多克期的地表海拔被认为较低，虽然这有利于高CO2条件下冰期的启动，但将更难维持冰川覆盖。

根据我们对构造运动的了解，冈瓦纳大陆需要向南极移动的时间跨度太长，不足以触发这次冰期。构造运动通常需要几百万年，但此次冰期的规模似乎发生在不到一百万年之内，不过冰期的确切时限范围从不足一百万年到三千五百万年不等，因此构造运动仍有可能触发了这次冰期。此外，也可能是真极移而非传统的板块运动触发了赫南特期冰期的开始。4.5亿至4.4亿年前的古地磁数据表明，真极移约为~50°，最高速度约为每年~55厘米，这比传统板块构造更能解释大陆的快速运动。

#### 向极地的海洋热量输送

海洋热量输送是使极地变暖的主要驱动力，它将暖水从赤道输送到高纬度地区。如果这一热量输送减弱，可能使极地足够冷却，从而在高CO2条件下形成冰。由于当时的古地理格局，晚奥陶世的全球海洋热量输送被认为更强。然而，研究表明，为了冰川作用的发生，向极地的热量输送必须降低，这造成了认知上的矛盾。

### 轨道参数

轨道参数可能结合上述某些因素共同触发了冰川作用。地球的岁差和偏心率的变化可能设定了冰川作用触发临界点的开关。当时的轨道被认为处于南半球的冷夏轨道配置。这种轨道配置类型是指轨道岁差发生变化，导致半球向太阳倾斜的夏季期间地球离太阳最远；同时轨道偏心率的变化使轨道更扁长，从而增强岁差效应。

耦合模型表明，要在南半球的极地保持冰层，地球必须处于冷夏配置。冰期最有可能在冷夏期间开始，因为这种配置增加了冰雪在夏季存留下来的可能性。

## 事件的结束

晚奥陶世冰川作用结束的原因是一个深入研究的热点，但证据显示赫南特期末的冰消作用可能发生得十分突然，因为志留纪地层与晚奥陶世留下的冰川沉积物有着显著的不同。尽管赫南特冰期迅速结束，但在随后的志留纪仍持续发生较为温和的冰川作用，最后一次冰期阶段发生在晚志留世。

### 冰盖的崩塌

导致赫南特冰期结束的可能原因之一是，在盛冰期，冰盖伸展过远并开始自行崩溃。冰盖最初向北推进到利比亚的加特后趋于稳定，并发育了一个巨大的冰前冲积扇三角洲系统。冰川反复的小规模波动开始形成冰川构造褶皱和逆冲带。这最终导致了冰盖的崩塌以及冰川退缩至加特以南。在加特以南稳定后，冰盖又开始向北进。这种循环随时间推移每次都会比之前向南退缩更多，从而导致进一步的消融和冰川环境的瓦解。这种递归过程使得冰盖融化、海平面上升。这一假说得到了在利比亚加特发现的冰川沉积物和大型地貌的支持，该地属于迈尔祖格盆地的一部分。

### 二氧化碳

随着冰盖开始增加，对碳封存至关重要的硅酸盐岩和玄武岩的风化作用（硅酸盐通过碳酸盐-硅酸盐循环，玄武岩通过形成碳酸钙）减弱，导致CO2水平重新上升，这反过来又促进了冰川的消融。冰川消融使得暴露在空气中的硅酸盐（从而有机会与CO2结合）和玄武岩的风化作用重新开始，进而再次触发了冰川作用。

## 意义

即使在奥陶纪末的大灭绝之前，几丁虫的多样性在安第斯-撒哈拉冰期开始时已受到不利影响。在达瑞威尔期晚期物种丰富度达到顶峰后，几丁虫的多样性随着晚奥陶世的推进而下降。由于处于低纬度且气候较暖，劳伦大陆的几丁虫多样性并未呈现这种下降趋势。

晚奥陶世冰期与五大灭绝事件中的第二大规模灭绝重合，即晚奥陶世大灭绝。这是已知唯一一次与大规模灭绝事件同时发生的冰期。这次灭绝事件由两个独立的幕组成。第一幕的灭绝被认为是由于快速变冷和水体含氧量增加造成的。这是规模较大的一次，导致了大部分浅海和深海海洋动物物种的灭绝。第二幕的灭绝与剧烈的海平面上升有关，并且由于当时的大气条件（氧含量处于或低于现今水平的50%），缺氧水体普遍存在。这种缺氧环境杀死了许多第一幕灭绝中的幸存者。总的来说，晚奥陶世灭绝事件导致85%的海洋动物物种和26%的动物科消失。

侯默期冰川间冰段的冰消作用与三缝孢植物首次大规模辐射演化同步，预示着志留纪-泥盆纪陆地革命的到来。后来的中卢德福德期冰期引发的海平面下降创造了广阔的陆地新生境，迅速被陆生植物占据，进一步促进了其多样化。普里道利世的变暖标志着安第斯-撒哈拉冰期的终结，并带来了植物群的进一步扩张。