安地斯-撒哈拉冰河時期

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'''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>
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晚奧陶世冰川作用被廣泛認為是晚奧陶紀大滅絕的主因，並且是唯一一次似乎與重大滅絕事件同時發生的冰期，導致近61%的海洋生物滅絕。冰蓋體積的峰值估計在5000萬至2.5億立方公里之間，冰川的持續時間從3500萬年到不足100萬年。在赫南特期鼎盛之時，此次冰期被認為遠比更新世末期的末次冰盛期更加劇烈。北半球的冰川作用很小，因為當時大部分陸地集中在南半球。

## 時間線

### 赫南特期之前的冰進

最早的冰川作用可能證據來自弗洛期牙形石磷灰石氧同位素的波動，這些波動呈現出米蘭科維奇循環的周期性特徵，被解釋為極地冰蓋的周期性消長。中達瑞威爾期推測的一次冰進與MDICE正碳同位素漂移事件相對應。反映冰川性海平面變化的海平面升降在這一地質時期（約4.67億年前）已有記錄。然而，尚無已知的中奧陶世冰川沉積物能提供冰川作用的直接地質證據。桑比期的同位素證據揭示了三次可能的冰進：早桑比期冰進、中桑比期冰進和晚桑比期冰進。儘管岡瓦納大陸冰川沉積物的生物地層定年一直存在問題，但有證據顯示，至桑比期（約4.51–4.61億年前）已存在冰川作用。在 Nemacanthus gracilis 筆石生物帶所界定的時間區間內，筆石分布顯示亞熱帶和熱帶的緯度範圍與現代相似，表現為一個陡峭的動物群梯度，這與溫室期的特徵不符，表明約4.6億年前的桑比期初，地球已處於溫和的冰室狀態。凱迪期可能發生了多次短暫的冰進：早凱迪期三次極短的冰川活動、晚早凱迪期的拉克韋雷冰進、中凱迪期冰進、晚早凱迪期的早阿什極爾冰進，以及緊接赫南特冰期之前、位於 Paraorthograptus pacificus 筆石帶的一次最新凱迪期冰進，後者之後伴隨著快速變暖事件。凱迪期還記錄了底層水形成的重大變化，這通常預示著全球氣候的突變。與筆石生物地層對應的碳和釹同位素比值的偏移，進一步支持了凱迪期存在冰川型海平面升降旋迴的說法，來自肯塔基州和魁北克的牙形石磷灰石δ18O波動亦如是，它們很可能反映了冰川性海平面變化。然而，凱迪期存在冰期仍具爭議。來自辛辛那提穹隆的凱迪期腕足動物和海水δ18O值顯示了全球溫室狀態下的海洋溫度特徵。

### 赫南特冰期

在凱迪期-赫南特期界線，一次突然的變冷事件導致冰川迅速擴張，造就了顯生宙最嚴重的冰期之一，這次極端變冷事件普遍認為與晚奧陶世大滅絕的第一幕同時發生。赫南特期開始出現δ18O偏移；其幅度（+2至4‰）十分顯著。其偏移方向意味著冰川降溫及可能的冰量增加。所觀測到的δ18O指標偏移需要海平面下降100米，且熱帶海洋溫度下降10°C，才能在此次冰期中發生。沉積學數據顯示，晚奧陶世冰蓋覆蓋了庫夫拉盆地。冰蓋可能還在北非和阿拉伯半島形成了連續的冰蓋。在所有出現早志留世頁岩的北非地區，其下均伏有晚奧陶世冰川成因沉積物，這可能與這些盆地中盛行的缺氧條件有關。

赫南特期末，冰川突然消融，與晚奧陶世大滅絕的第二幕同時發生，此後在魯丹期，地球重返更為溫暖的氣候。晚赫南特期的變暖同樣表現為δ18O向更負值的快速漂移。δ13C值在志留紀之初也同樣急劇下降。

### 志留紀冰期

在相對溫暖的魯丹期之後，埃隆期早期和末期發生了冰進事件。另一次冰期發生在晚特列奇期到中申伍德期。從侯默期早期到晚期，地球又進入了一次冰期階段。早古生代大冰期的最後一次主要冰川作用發生在盧德福德期，與勞事件相關。

在此期間，阿拉伯、撒哈拉、西非、亞馬遜南部及安第斯山脈均發現有冰川作用，且已知冰川作用中心從奧陶紀（4.5–4.4億年前）的撒哈拉地區遷徙至志留紀（4.4–4.2億年前）的南美洲。據Eyles和Young所述，「約4.4億年前的一次主要冰期記錄於西非（撒哈拉的塔馬傑爾特組）、摩洛哥（廷杜夫盆地）及沙烏地阿拉伯中西部等當時極地緯度地區的晚奧陶世地層（主要為阿什極爾階）。從晚奧陶世到早志留世，冰川作用中心從北非遷移至南美洲西南部。」非洲和巴西東部發育了大陸冰川，而安第斯山脈則形成了山嶽冰川。在南美洲西部（秘魯、玻利維亞和阿根廷北部）發現了冰川-海相雜礫岩，與濁積岩、頁岩、泥流和碎屑流互層，年代為早志留世（蘭多維列世），向南延伸至阿根廷北部和巴拉圭西部，並可能向北延伸至秘魯、厄瓜多和哥倫比亞。

安第斯-撒哈拉大冰期之前是成冰紀冰期（7.2–6.3億年前，斯圖特冰期和馬里諾冰期），常被稱為雪球地球，其後則是卡魯冰期（3.5–2.6億年前）。

## 證據

### 岩石學證據

- 比格霍恩白雲岩（代表奧陶紀末期）的地層序列與冰川的逐漸累積一致。比格霍恩白雲岩的序列顯示出其組成旋迴的系統性變化，這些旋迴的變化被解釋為從溫室氣候向過渡性冰室氣候的轉變。

## 可能的原因

### 二氧化碳濃度的降低

阻礙早古生代冰川作用的一個因素是大氣的CO2濃度，當時為工業化前水平的8到20倍。然而，晚奧陶世的太陽輻照度明顯較低；4.5億年前地球的太陽輻照度約為1312.00 W·m−2，而現今為1360.89 W·m−2。此外，赫南特期的CO2濃度被認為大幅下降，這可能在整體變冷趨勢下誘發了廣泛的冰川作用。這一時期CO2的去除機制尚不明確，至今仍爭論不休。陸生植物的輻射演化、海洋有機碳埋藏的增強、以及火山作用排放二氧化碳的減少等機制均曾被提出。在高CO2水平下也有可能啟動冰川作用，但這很大程度上取決於大陸的分布格局。

#### 矽酸鹽風化

長期的矽酸鹽風化是將大氣CO2轉化並封存進海洋沉積物的重要機制。這常與塔科尼造山運動——發生在勞倫大陸（現今北美）東海岸的造山事件——聯繫在一起。另一個假說是凱迪期一個假設的大火成岩省導致了該時期強烈的大陸火山活動引發的玄武岩溢流。短期內，這會向大氣釋放大量CO2，或許可以解釋凱迪期的變暖脈衝。但長期來看，溢流玄武岩會留下大片玄武岩平原，取代了花崗岩露頭。玄武岩的風化速度遠快於花崗岩，因而會比火山活動之前更快地從大氣中移除CO2。陸生非維管植物的擴張也可能因其加速矽酸鹽風化而導致CO2水平下降。維管植物是在冰期之後1500萬年才出現的。

#### 有機碳埋藏

同位素證據顯示赫南特期δ13C發生全球性正漂移，幾乎與海相碳酸鹽δ18O的正漂移同時發生。這一漂移稱為赫南特期碳同位素漂移事件（HICE）。δ13C的正漂移意味著碳循環發生變化，導致更多的有機碳埋藏，不過也有研究者持相反觀點，認為這一δ13C變化是由於海平面下降暴露的碳酸鹽台地風化增強所致。有機碳埋藏增強導致大氣CO2水平下降及反溫室效應，使得冰川作用更易發生。

#### 伽馬射線暴

有研究者認為伽馬射線暴（GRB）可能是赫南特期初突然冰期的起因。一個持續十秒的GRB若發生在距地球兩千秒差距以內，將帶來每平方米100千焦的注量。這會導致大量硝酸降落到地球表面，引發受硝酸鹽限制的光合作用生物大量繁殖，從而從大氣中封存大量二氧化碳。此外，GRB還會通過氮分子解離以及隨後氮原子與氧的反應產生一氧化氮，進而與另一種強效溫室氣體臭氧反應，導致臭氧大量消耗。

### 小行星撞擊

#### 奧陶紀隕石事件

L球粒隕石母體的解體導致大量地外物質降落地球，即所謂的奧陶紀隕石事件。該事件使平流層塵埃增加了3到4個數量級，可能通過將陽光反射回太空而觸發了冰期。

#### 德尼利昆撞擊構造

2023年的一篇論文提出，赫南特期冰期可能是由形成現今澳大利亞東南部德尼利昆多環構造的撞擊所引發的撞擊冬天所致，不過這一假說目前尚未得到驗證。

### 碎片環

2024年的一項研究認為，L球粒隕石母體並非完全碎裂或直接撞擊，而可能是與地球近距離擦過，導致其中一部分在引力作用下脫離。這些碎片可能形成了行星環，而從環中墜落的碎片遮蔽了太陽光線，引發了顯著的變冷。證據在於奧陶紀隕石事件形成的撞擊坑似乎集中在地球周圍一個獨特的帶狀區域內，而非隨機分布，這可能是環中碎片墜落的產物。該環可能持續了將近4000萬年。

### 火山氣溶膠

儘管火山活動經常通過釋放溫室氣體導致變暖，但也可能通過產生氣溶膠（即阻光顆粒）而導致變冷。基於許多地區異常高的汞（Hg）濃度，有充分證據表明赫南特期火山活動增強。二氧化硫和其他含硫火山氣體在平流層中轉化為硫酸鹽氣溶膠，短期、周期性的大火成岩省噴發或許能以此方式解釋變冷現象。儘管尚無直接證據證明赫南特期存在大火成岩省，但火山活動仍可能是一個重要因素。定期將碎屑和揮發分送入平流層的爆炸性火山噴發，在產生硫酸鹽氣溶膠方面甚至更為有效。晚奧陶世廣泛存在火山灰層，而赫南特期黃鐵礦記錄到與平流層噴發相符的硫同位素異常。特別是形成戴克斑脫岩層的特大噴發，因其與一次重大氧同位素正漂移及斑脫岩層中觀測到的高硫濃度同時發生，被認為與全球變冷有關。

### 海平面變化

此次降溫的可能原因之一是海平面下降。海平面必須在廣袤冰蓋形成之前下降，才能成為潛在的觸發因素。海平面下降使更多陸地暴露，有利於冰蓋的生長。關於海平面變化的時間軸存在廣泛爭議，但有證據表明海平面下降在阿什極爾期之前即已開始，這使其成為冰川作用的一個促成因素。

### 古地理

4.6億至4.4億年前這一時期的古地理格局，介於卡拉多剋期和阿什極爾期之間。格局的選擇至關重要，因為卡拉多剋期格局更可能在高CO2濃度下產生冰川冰，而阿什極爾期格局則更可能在低CO2濃度下產生冰川冰。

陸地高於海平面的高度也發揮著重要作用，尤其是在冰蓋建立之後。較高的海拔使冰蓋能更穩定地維持，但較低的海拔更利於冰蓋的初始發展。卡拉多剋期的地表海拔被認為較低，雖然這有利於高CO2條件下冰期的啟動，但將更難維持冰川覆蓋。

根據我們對構造運動的了解，岡瓦納大陸需要向南極移動的時間跨度太長，不足以觸發這次冰期。構造運動通常需要幾百萬年，但此次冰期的規模似乎發生在不到一百萬年之內，不過冰期的確切時限範圍從不足一百萬年到三千五百萬年不等，因此構造運動仍有可能觸發了這次冰期。此外，也可能是真極移而非傳統的板塊運動觸發了赫南特期冰期的開始。4.5億至4.4億年前的古地磁數據表明，真極移約為~50°，最高速度約為每年~55厘米，這比傳統板塊構造更能解釋大陸的快速運動。

#### 向極地的海洋熱量輸送

海洋熱量輸送是使極地變暖的主要驅動力，它將暖水從赤道輸送到高緯度地區。如果這一熱量輸送減弱，可能使極地足夠冷卻，從而在高CO2條件下形成冰。由於當時的古地理格局，晚奧陶世的全球海洋熱量輸送被認為更強。然而，研究表明，為了冰川作用的發生，向極地的熱量輸送必須降低，這造成了認知上的矛盾。

### 軌道參數

軌道參數可能結合上述某些因素共同觸發了冰川作用。地球的歲差和偏心率的變化可能設定了冰川作用觸發臨界點的開關。當時的軌道被認為處於南半球的冷夏軌道配置。這種軌道配置類型是指軌道歲差發生變化，導致半球向太陽傾斜的夏季期間地球離太陽最遠；同時軌道偏心率的變化使軌道更扁長，從而增強歲差效應。

耦合模型表明，要在南半球的極地保持冰層，地球必須處於冷夏配置。冰期最有可能在冷夏期間開始，因為這種配置增加了冰雪在夏季存留下來的可能性。

## 事件的結束

晚奧陶世冰川作用結束的原因是一個深入研究的熱點，但證據顯示赫南特期末的冰消作用可能發生得十分突然，因為志留紀地層與晚奧陶世留下的冰川沉積物有著顯著的不同。儘管赫南特冰期迅速結束，但在隨後的志留紀仍持續發生較為溫和的冰川作用，最後一次冰期階段發生在晚志留世。

### 冰蓋的崩塌

導致赫南特冰期結束的可能原因之一是，在盛冰期，冰蓋伸展過遠並開始自行崩潰。冰蓋最初向北推進到利比亞的加特後趨於穩定，並發育了一個巨大的冰前衝積扇三角洲系統。冰川反覆的小規模波動開始形成冰川構造褶皺和逆沖帶。這最終導致了冰蓋的崩塌以及冰川退縮至加特以南。在加特以南穩定後，冰蓋又開始向北進。這種循環隨時間推移每次都會比之前向南退縮更多，從而導致進一步的消融和冰川環境的瓦解。這種遞歸過程使得冰蓋融化、海平面上升。這一假說得到了在利比亞加特發現的冰川沉積物和大型地貌的支持，該地屬於邁爾祖格盆地的一部分。

### 二氧化碳

隨著冰蓋開始增加，對碳封存至關重要的矽酸鹽岩和玄武岩的風化作用（矽酸鹽通過碳酸鹽-矽酸鹽循環，玄武岩通過形成碳酸鈣）減弱，導致CO2水平重新上升，這反過來又促進了冰川的消融。冰川消融使得暴露在空氣中的矽酸鹽（從而有機會與CO2結合）和玄武岩的風化作用重新開始，進而再次觸發了冰川作用。

## 意義

即使在奧陶紀末的大滅絕之前，幾丁蟲的多樣性在安第斯-撒哈拉冰期開始時已受到不利影響。在達瑞威爾期晚期物種豐富度達到頂峰後，幾丁蟲的多樣性隨著晚奧陶世的推進而下降。由於處於低緯度且氣候較暖，勞倫大陸的幾丁蟲多樣性並未呈現這種下降趨勢。

晚奧陶世冰期與五大滅絕事件中的第二大規模滅絕重合，即晚奧陶世大滅絕。這是已知唯一一次與大規模滅絕事件同時發生的冰期。這次滅絕事件由兩個獨立的幕組成。第一幕的滅絕被認為是由於快速變冷和水體含氧量增加造成的。這是規模較大的一次，導致了大部分淺海和深海海洋動物物種的滅絕。第二幕的滅絕與劇烈的海平面上升有關，並且由於當時的大氣條件（氧含量處於或低於現今水平的50%），缺氧水體普遍存在。這種缺氧環境殺死了許多第一幕滅絕中的倖存者。總的來說，晚奧陶世滅絕事件導致85%的海洋動物物種和26%的動物科消失。

侯默期冰川間冰段的冰消作用與三縫孢植物首次大規模輻射演化同步，預示著志留紀-泥盆紀陸地革命的到來。後來的中盧德福德期冰期引發的海平面下降創造了廣闊的陸地新生境，迅速被陸生植物占據，進一步促進了其多樣化。普里道利世的變暖標誌著安第斯-撒哈拉冰期的終結，並帶來了植物群的進一步擴張。