综述：白垩纪温室效应下的低纬度冰川作用：回顾这种典型“温室地球”状态下的冰冻圈分布范围

《Earth-Science Reviews》：Low-latitude glaciation in the Cretaceous greenhouse: reviewing the cryosphere reach during an archetypal hothouse Earth

　　巴瑞拉冰川事件揭示晚白垩纪存在低纬度冰盖，颠覆传统温室气候模型。研究通过冰碴、浮游生物化石及同位素分析，发现西班牙35°N地区持续1.84百万年的冰川活动，包含五次冰期进退，冰碴分布与南极冰期 meltwater 同期，并验证冰缘沉积全球性影响。传统"温室-冰期"二元论需修正，强调地球气候系统的复杂性。

　　
### 晚白垩世巴里卡冰川化的发现及其对气候模型的挑战

#### 研究背景与核心发现
传统“温室-冰house”二元模型认为，白垩纪（尤其是晚白垩世）是一个持续高温的温室气候时期，冰盖仅存在于南极和格陵兰等高纬度地区。然而，西班牙巴斯克海岸的巴里卡地区发现了颠覆这一认知的地质证据——**晚白垩世巴里卡冰川化（Campanian Barrika Glaciation）**。该冰川活动发生在北纬35度的低纬度地区，持续约1.84百万年（82.8–80.96 Ma），并形成了独特的冰洋沉积记录。这一发现不仅挑战了传统气候模型，还揭示了白垩纪复杂的气候变化机制。

#### 关键地质证据
1. **冰 rafted debris（IRD）与冰 rafted dropstones（IRDp）**
研究团队在巴里卡剖面中发现了三种典型的冰缘沉积物：
- **冰 rafted debris（IRD）**：直径0.5–3毫米的棱角状矿物颗粒，表面呈现多方向 striations（刻痕）和 conchoidal fractures（贝壳状裂痕），显示其曾经历多次冰下拖曳和磨蚀。
- **冰 rafted dropstones（IRDp）**：由冰川 calving（断裂）形成的棱角状冰碴，部分尺寸超过1.5米，对底层沉积物形成圆形凹坑并破坏原有层理结构。
- **冰 rafted biodebris（IRDb）**：被冰川携带的植物碎屑，表面同样保留 striations，表明其经历了冰川接触面的强烈磨蚀。

2. **微体化石与气候指示**
通过对浮游有孔虫（如属种 *Tranolithus orionatus*、*Cribrosphaerella ehrenbergii*）的统计分析，发现其组合特征与高纬度冷水环境一致。例如：
- *Ahmullerella octoradiata*（八辐射阿姆鲁勒虫）和 *Gartnerago* 属种是典型的高纬度冷水指示生物。
- *Reinhardtites anthophorus*（安托芬罗因哈特虫）的丰度与海洋温度降低相关。
多数样本中此类冷水指示种的占比超过50%，表明冰川活动期间局部海温骤降。

3. **冰碛岩的多尺度沉积记录**
巴里卡剖面中保存了完整的冰缘沉积序列，包括：
- **外源冰洋沉积（distal glaciomarine facies）**： laminated marlstones（薄层泥灰岩）中分散的IRD和IRDp，显示冰bergs在远海沉积。
- **近源冰洋沉积（proximal glaciomarine facies）**： stratified diamictites（层状冰碛岩）与 marlstones（泥灰岩）交替出现，反映冰川前缘的动态沉积。
- **底碛沉积（subglacial till）**：包含被冰川拖曳的岩块，表面有平行于流动方向的 striations（刻痕）和 grooves（沟槽），证明冰床面的剪切作用。

#### 气候与地质模型的矛盾与调和
1. **对传统模型的挑战**
- **温室气候的冰盖矛盾**：白垩纪的高CO?浓度（模型值约700–800 ppm）与低纬度冰川活动的共存，揭示了传统气候模型（如基于 stomatal indexes的CO?重建）可能存在偏差。
- **冰期与海平面变化**：巴里卡冰川化期间，全球海平面因冰川消融和构造运动大幅波动。例如，晚白垩世的区域性侵蚀事件（如得克萨斯州Waco峡谷的侵蚀）与冰川沉积的同期性表明海平面下降超过100米。

2. **冰川动力学的现代类比**
研究通过对比南极库克冰盖（Kerguelen）和南乔治亚冰盖的现代冰川活动，发现巴里卡冰川的规模可能达到现代冰盖的5倍（300,000 km2 vs. 现代南极冰盖的2,800,000 km2）。其冰bergs的尺寸（米级）和沉积特征（如层状冰碛岩）与南极冰缘沉积高度相似。

3. **全球冰川活动的证据链**
- **南极冰源信号**：南极 Blake鼻的火山玻璃中检测到巴里卡冰川期（82.8–80.96 Ma）的冰碴残留，δD（氢同位素）数据表明冰融水来自南极冰盖。
- **其他大陆的间接证据**：
- 中国二叠纪-三叠纪的冰碛岩中同样发现低纬度冰川活动的痕迹（如四川盆地）。
- 南极Drewnik Formation（早白垩世）和巴西Carajás Group（元古宙）的类似沉积序列，支持冰川活动的全球同步性。

#### 气候机制再探讨
1. **冰盖形成的触发因素**
- **构造热力作用**：巴里卡冰川所在的伊比利亚半岛，在晚白垩世因与非洲的碰撞导致大陆隆起，形成冰盖的天然基底。类似机制可能解释了二叠纪西伯利亚冰盖的形成。
- **大气CO?与辐射平衡**：尽管CO?浓度较高，但冰盖可能通过以下机制形成：
- **局部冷却**：大陆隆起导致地形抬升，增强局地辐射冷却（如格陵兰岛冰川）。
- **冰- algebraic正反馈**：冰川反射率增加（albedo effect）可能加速区域降温，形成正反馈循环。

2. **冰川活动的周期性**
巴里卡冰川记录显示，冰川进退周期为360,000年（与米兰科维奇循环一致），每次循环伴随海平面升降约10米。这种周期性可能由地球轨道参数（偏心率、岁差）或冰盖质量变化触发。

#### 结论与意义
1. **对传统气候模型的修正**
巴里卡冰川化的发现表明，晚白垩世的气候并非单一温室状态，而是存在“冰-热”交替的复杂模式。这一结论要求重新评估：
- 白垩纪冰期是否由CO?浓度峰值驱动（如火山活动增加大气CO?）。
- 低纬度冰川活动的触发机制（如构造隆起、洋流改变）。

2. **地质记录的多学科验证**
该研究通过整合微体化石、同位素地球化学、沉积微构造和年代学数据，建立了冰川活动的多维证据链。例如：
- 同位素δ1?O数据显示，晚白垩世海洋温度下降约3°C（与现代南极冰盖期相当）。
- 微CT扫描技术揭示了冰碴的微观 striations（刻痕），其方向与冰流运动一致，为冰期动力机制提供了直接证据。

3. **对未来气候研究的启示**
- **冰盖监测的必要性**：低纬度地区（如印度洋-南极区域）的冰盖活动可能对全球碳循环和降水模式产生重大影响。
- **沉积记录的保存条件**：巴里卡剖面所在的伊比利亚半岛在晚白垩世因构造活动形成稳定的沉积盆地，为研究冰期-间冰期沉积提供了理想样本库。

#### 补充说明
- **技术方法创新**：研究团队开发了高分辨率的SEM和同步辐射CT技术，用于分析冰碴的微观形貌（如 striations 和 conchoidal fractures），并通过纳米CT重建冰床面的三维形貌。
- **数据局限性**：部分冰期沉积可能因后期构造破坏（如地震活动）或海平面上升被掩埋，导致记录不完整。未来需结合更多地区的沉积序列（如南美洲、澳大利亚）进行验证。

该研究不仅修正了白垩纪气候史，还为理解现代极地冰川（如南极冰盖）与温室气候的相互作用提供了关键依据。其方法论（多 proxy数据交叉验证、现代冰川类比）为深时气候重建树立了新标杆。