歷史地質/冰河時代
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在本文中，我們將探討什麼是冰河時代，導致冰河時代的原因，以及我們如何在地質記錄中識別冰河時代的證據。
讀者可能覺得在進一步閱讀之前回顧一下關於冰川的主要文章很有用。
一個冰河時代，或者使用更專業的術語，冰川作用，可以定義為大陸冰川存在的時期。當然，這意味著我們目前正處於冰河時代，因為南極洲和格陵蘭島存在著大陸冰川。更準確地說，我們生活在一個間冰期：冰河時代中一個溫暖的間隔，在這個間隔中，冰川已經退縮到兩極。
地質學家在地質記錄中識別並確定了多個冰河時代
- 休倫冰川作用（或馬卡尼恩冰川作用）從 24 億年前到 21 億年前。
- 成冰紀冰川作用持續了 8.5 億年前到 6.35 億年前。
- 安第斯-撒哈拉冰川作用是從 4.6 億年前到 4.3 億年前。
- 卡魯冰河時代持續了 3.6 億年前到 2.6 億年前。
- 上新世-第四紀冰河時代是目前正在進行的冰河時代，始於大約 260 萬年前。
年代測定方法已經在其他文章中解釋過；在本文的後面，我們將討論我們如何識別冰河時代。
我們對當前冰河時代的原因有相當好的瞭解，可以由大陸漂移影響海洋環流來解釋。先前冰河時代的原因更加模糊和有爭議。
這是因為因果關係本身在地質記錄中沒有儲存下來。我們可能能夠看到事件 A 發生並隨後是事件 B，但事件 A 導致事件 B 的事實（如果它是事實）必須在理論基礎上建立，透過理解該型別事件之間的關係。例如，推斷恐龍的腳與恐龍腳印之間的因果關係並不難，因為我們對腳與腳印之間的關係有一個良好的總體理解。但我們對氣候影響的理解遠不如安全。
另一個需要考慮的點是：冰河時代在地質記錄中是罕見的和不規則的。這表明冰河時代可能沒有單一的原因。如果有恆定的原因導致冰河時代發生，那麼它們將成為地質記錄的永久特徵，或者至少作為迴圈事件出現；它們是零星的事實表明它們有單一的原因。我們調查冰河時代原因的最佳方法是檢視導致它的事件，並檢視其中哪些事件原則上可能是造成特定冰河時代的原因。
例如，考慮休倫冰河時代。人們對這種冰河時代提出了兩種解釋。
(1) 有一些證據（如在關於條帶狀鐵建造的文章中討論過）表明，在休倫冰河時代來臨之前，氧氣含量急劇上升。豐富的遊離氧將與大氣中的甲烷(CH4) 結合，將其轉化為二氧化碳和水。甲烷是一種強效溫室氣體；也就是說，它有助於保持氣候溫暖。二氧化碳也是一種溫室氣體，但比甲烷弱得多。因此，氧氣含量上升和甲烷含量下降的結果應該是全球氣溫下降。
(2) 在 24.5 億年前到 22 億年前之間，火山活動非常少。這可以透過分析鋯石來證明，鋯石對風化和侵蝕具有抵抗力，比它們形成的火成岩更持久，並且可以如關於鈾基年代測定方法的文章中所解釋的那樣，進行準確的年代測定。與它們在之前和之後的相對丰度相比，在 24.5 億年前到 22 億年前之間形成的鋯石的稀缺性強烈表明了火山活動減少的時期。
現在，火山容易釋放溫室氣體二氧化碳；如果火山活動幾乎停止，而化學風化過程繼續從大氣中去除二氧化碳，這將導致溫室效應減弱和全球氣溫下降。
當然，兩種機制一起工作以產生休倫冰川作用絕對沒有理由；但雖然這有可能，但兩種機制中的一種可能具有更大的意義，以至於可以將其稱為休倫冰川作用的原因。
無論這些機制中哪一個是最主要的原因，它都是一個一次性事件的例子。從幾乎沒有遊離氧的大氣轉變為富含遊離氧的大氣發生過，並且實際上只能在地球歷史上發生一次。但 2.5 億年的低火山活動在地球歷史上同樣罕見。由此可見，研究這種冰河時代可能的原因，並不能告訴我們其他冰河時代的原因，同樣，研究我們目前正在經歷的冰河時代的原因，也無法告訴我們休倫冰河時代的原因。
雖然可能很難說某個特定的冰河時代為什麼發生，但確定它是否發生相對容易。現在我們將注意力轉向證據的性質。
如關於冰川的主要文章中所解釋的那樣，我們可以觀察到與當今存在的冰川或在人們記錄其位置的時間內融化的冰川相關的沉積和侵蝕特徵：包括條痕、冰磧、冰川泥的沉積物、冰水沉積物、湖泊中的冰漂礫等。
當我們檢視最近冰川前進的證據時，我們看到了相同的沉積和侵蝕跡象，但比當前間冰期冰蓋的南部邊界更南。透過觀察葉狀終磧的位置，我們可以找到冰蓋的南部範圍。
這些觀察結果本身就足夠了；但除此之外，我們還可以使用代理來調查冰川的前進和後退。生物地理代理（如花粉）特別有用；由於這些事件在時間上非常接近，我們可以識別出現代物種的花粉，並確切地知道它們在什麼條件下繁盛。
另一個資訊來源是宇宙成因地表年代測定。 冰川是一種強大的侵蝕力量，而且，正如擦痕所示，它們將沉積物刮到基岩。當冰川在間冰期撤退時，基岩暴露於宇宙射線中，因此我們可以利用宇宙成因地表年代測定來測定冰川的撤退時間。
最近冰川退縮的一個有趣的遺蹟是所謂的“天空島嶼”的存在。這些是位於美國南部和墨西哥的山脈，它們擁有獨特的動植物，並且周圍環繞著乾燥的草原或灌木叢，天空島嶼的動物無法穿越：因此得名天空島嶼。但如果物種不能從一座山遷移到另一座山，那麼這些物種是如何實現其當前分佈範圍的呢？在古氣候學的背景下，解決方案變得顯而易見。當美國南部的氣候比現在更冷的時候，平原的氣候對現在生活在天空島嶼上的物種來說是宜人的。但是當間冰期氣溫升高時，它們無處可去，只能到山上的寒冷潮溼的避難所。
最近冰川進退的另一個跡象是均衡回彈。回想一下我們在討論地球結構時提到的，岩石圈實際上是漂浮在密度更大的軟流圈之上的。當地球上的某個區域承受著大陸冰川的重量時，這應該會將岩石圈推入軟流圈。當冰川消退時，重量被減輕，岩石圈應該非常緩慢地反彈回來。地質學家可以測量到這種現象正在發生，速率約為每年 1 釐米，在那些（根據沉積物和其他跡象）在當前間冰期之前被冰蓋覆蓋的地區。
舉一個冰蓋的負荷對地形的影響的例子，請考慮右邊的地圖：它顯示瞭如果冰蓋不存在，格陵蘭島現在的海拔。正如你所看到的，格陵蘭島中心部分低於海平面，那裡冰蓋最厚。
當我們進一步回顧過去時，我們應該預計許多這些跡象都會消失：例如，均衡回彈不會持續四分之三億年，因此不會作為卡魯冰河時代的證據保留下來。同樣，正如關於生物地理替代指標的文章中所解釋的，這些替代指標越往過去，其用途就越小。
然而，我們仍然有冰磧、擦痕、冰漂石等等。這些足以診斷冰河時代嗎？可以肯定地說，是的：因為我們發現這些與現存的冰川有關，我們也發現它們與上面列出的其他跡象（天空島嶼、均衡回彈、替代指標、宇宙成因地表年代測定）有關，當冰磧的沉積年代足夠近，使得這些以前冰川存在的額外跡象能夠倖存到今天。如果在缺乏這些補充資訊的情況下，沉積和侵蝕的冰川作用跡象是由其他過程產生的，那就真的令人驚訝了；可以合理地得出結論，它們是冰河時代的跡象，這既是因為它們與現在的冰河時代有經驗上的聯絡，也是因為（除了鼓丘之外）我們對冰川如何以及為什麼產生這些影響有明確的瞭解。