NO.2394-大冲击与大灭绝

作者:Phynix

校稿:辜汉膺 / 编辑:金枪鱼

尤卡坦半岛,中美洲最为神秘和充满传奇色彩的地方。

它西拥墨西哥湾,东临加勒比海。热带温暖的海风带来了丰沛的雨水,丛生的热带雨林是动物的乐园。海盗曾在阳光明媚的海滩上埋藏他们的宝藏,玛雅人在密林中的石头祭坛上刻下天象变化的预言。真实与虚幻,秘密与证言,都隐藏在这一片碧海绿荫之中。

然而这众多秘密之中,有一个曾以撼天动地之力,改变了地球生命演化历史的走向,并在地表留下了一个壮观却隐匿的印记——希克苏鲁伯陨石坑。

希克苏鲁伯陨石坑位置和场景效果图

从太空看的话,范围大到连地球弧度都能看到

(图源:Flickr)▼

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希克苏鲁伯陨石坑,全球第二大陨石坑,其名称来源于撞击中心点附近村子的名字。其位于尤卡坦半岛的西北缘,直径长达180公里,深度达20公里。由于陨石坑一半在陆地上,另一半在海底,因此在陆地上难以窥探其全貌。

希克苏鲁伯陨石坑形成于6600万年之前,是一颗巨大的小行星撞击地球后留下的遗迹。这一次撞击意义非凡,它引发的连锁反应导致了地球上75%的生物绝灭,终结了恐龙对陆地的统治。

恐龙宁静的生活被突如其来的意外打破

(图:shutterstock)▼

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而这一段尘封秘密的揭开,则要从一层薄薄的黏土说起。

20世纪70年代,地质学家沃尔特·阿尔瓦雷兹(Walter Alvarez)和他身为物理学家的父亲\诺贝尔奖得主路易斯·沃尔特·阿尔瓦雷兹(Luis Walter Alvarez)提出了一个在当时十分大胆的假说:白垩纪末导致恐龙绝灭的原因是一次巨大的小行星撞击。

造成陨石坑的撞击物体,直径推测至少有10公里

(图:图虫创意)▼

父子二人的依据是,在意大利古比奥距今6600万年前的白垩系与古近系地层界限中,发现了一层铱元素含量异常高的黏土层。铱元素在地球上的平均含量非常少,但在小行星中的含量则非常多。

这一层黏土中铱元素的含量是地球正常均值的160倍。由于这种异常的富集不可能由地球自身的活动规律生成,阿尔瓦雷兹父子推测,这层铱元素异常层的出现,应该是一次小行星撞击事件留下的痕迹。

铱是地球地壳中最稀有的元素之一

高浓度的铱几乎可以确定是小行星带来的

(世界上第六大的陨石,图:维基百科)▼

由于白垩系古近系地层界限的前后,出现了生物大绝灭的记录,因此这次生物绝灭很可能是由这次大撞击导致的。

这一假说发表在了1980年的学术界顶刊《科学》(Science)杂志上,引起学界震动。全球不同国家的研究人员都开始在这一界限处寻找铱元素异常高的黏土层,并成功地证实了阿尔瓦雷兹父子的检测结果。

阿尔瓦雷兹父子在古比奥的地层界限处

(图:壹图网)▼

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这说明,这一小行星撞击事件的影响范围甚广,是一次波及全球的事件。“恐龙绝灭由小行星撞击导致”成为了学界关注的焦点。

产生如此重磅影响的小行星,必定会在地表留下一个巨大的陨石坑。但在当时,在学界已知的陨石坑中,都没有与这次撞击事件规模相当或时间吻合的。寻找符合条件的陨石坑成为了证实该假说最为关键的一环。

在那之前发现的陨石坑对应的撞击事件

都不足以引发全球规模的气候灾害

(图:图虫创意)▼

显然,这样的搜寻工作需要全球科学家的通力合作。1981年,一场专题研讨会在美国犹他州举行。来自世界各地的科学家们分享了他们关于白垩纪末陨击事件的研究成果,但均未发现能与这次撞击相符合的陨石坑。

然而他们不知道的是,符合条件的陨石坑已经被发现,但是却出现在同一周的另外一个大会上。

1978年,墨西哥石油公司的格伦·彭菲尔德(Glen Penfield)和安东尼奥·卡玛戈(Antonio Camargo)正在尤卡坦半岛进行地球物理学探测,他们的目的是寻找适于石油钻井的点位

早在1951年,墨西哥石油公司Pemex

就已经在尤卡坦半岛开钻了数个钻井

(图:壹图网)▼

在完成浅海区域进行地磁探测后,格伦调取了此前陆地区域重力探测的结果,并将各区域整合形成完整的区域探测图。将海陆的数据对比后,格伦发现,这两个区域的重力地磁异常值点可拼合为一个直径180公里的圆形地貌,具备明显的陨石坑的特征。

希克苏鲁伯陨石坑的地震法探测结果示意图

一半陆地一半浅海底,合围成一个圆形的地貌

(图:维基百科)▼

格伦将他发现的结论报告给了公司,但公司拒绝接受他认为那是陨石坑的说法,认为那是火山活动引起的。此外,虽然格伦拥有地球物理的探测结果,他当时却没能对石油公司的岩芯进行检测。如果岩芯中可以找到撞击后生成的矿物和岩石,就可以确认格伦的发现。

通过化学方法,分析岩芯的同位素等手段

可以确定某一个深度岩石的构造成分和更多信息

(图:Flickr)▼

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由于涉及商业机密,格伦和安东尼奥获得的数据不能公开,但公司允许二人参加1981年的勘探地球物理学家协会的大会,并汇报他们的发现。

格伦公布了在尤卡坦半岛发现陨石坑的结论,但并未引起广泛关注——众多科学家正在参加同一周的陨击事件研讨会,并未出席这次会议。

白垩纪末陨击事件的证据,就这样阴差阳错的与学界擦肩而过

墨西哥的尤卡坦半岛由小行星撞击直接产生的天坑

(图:Flickr)▼

一转眼,十年过去。1991年,亚利桑那大学的研究生阿兰·R·海布兰德(Alan·R··Hildebrand)与其导师威廉·A·博因顿(William V. Boynton)也在寻找白垩纪末陨石坑的线索。他们在寻找撞击发生后的主要副产物——玻璃陨石。

从美国得克萨斯州到海地,也即尤卡坦半岛周围500公里的范围内,他们发现了不少玻璃陨石,这表明在加勒比海附近,曾经存在过一次大规模的陨石撞击。

小行星撞击到地面后溅射的残骸快速冷却

就形成了外表和黑曜石很相似的玻璃陨石

(图:Flickr)▼

但是,撞击坑在哪里?

或许是命运的安排,卡洛斯·拜尔斯(Carlos Byars),一名曾在1981年报导过格伦发现陨石坑消息的记者,联系到了阿兰。阿兰立即与格伦取得了联系,二人合作对墨西哥石油公司几十年前钻取的岩芯进行检测

结果令人振奋,从岩芯里白垩系与古近系界限处的层位中清晰观察到了在陨石撞击作用下形成的柯石英和玻璃陨石。尤卡坦半岛上的圆形地貌结构,正是科学家寻觅了十年之久的导致恐龙绝灭的陨石坑

K-T界限清晰的显示了地质分层

研究人员依靠这些线索揭示亿万年前的发生的事情

(图:shutterstock)▼

希克苏鲁伯陨石坑的发现,填补了白垩纪末撞击假说的关键一环,提供了最为直接的实证依据。此后,对于该陨石坑与白垩纪末绝灭事件的研究进入了高潮。而随着研究的不断深入和科学家们的推演,关于这次撞击事件的细节和其造成的毁灭灾难,逐渐水落石出……

距今6600万年前,一颗直径约10公里的小行星从东北方向,以每秒20公里的速度、大约45-60°角倾斜着撞击在尤卡坦半岛的西北角上,撞击中心正位于今日的希克苏鲁伯港。

希克苏鲁伯港口今天就建立在这个

由小行星撞击出来的天然浅海湾里

(图:壹图网)▼

撞击产生的能量高达10兆吨TNT所产生的效果。人类历史上制造的威力最大的武器为前苏联的沙皇氢弹,其破坏力为5000万吨TNT当量。希克苏鲁伯小行星撞击产生的破坏力为其200万倍,是二战期间投掷在广岛和长崎的“小男孩”原子弹破坏力的760亿倍。

沙皇氢弹的爆炸甚至引发了北美洲地壳3厘米的位移

(图:bilibili)▼

这颗小行星一部分撞击到了地面,一部分撞在了海底,在撞击中心引发了约9-11级的地震。8级的汶川地震已造成了巨大的人员伤亡和地貌的改变,而希克苏鲁伯小行星的撞击则直接将撞击点40公里范围内、地表下厚达20公里的地壳像犁地一样翻了个底朝天。

撞击引发了巨大的海啸,海浪高度可达100米,平均高度也有16米;而20世纪以来记录过的最大海啸,浪高最大为25米。

2004年造成22.6万人死亡的印度尼西亚海啸

海浪高度为10米(图:维基百科)▼

2500公里外的陆地生物都受到此次撞击的直接影响而死亡。这一范围以内的区域则被完全毁灭,一切生物可以说是被瞬间消灭,尸骨无存,其在地球表面的存在痕迹被全然抹去。

小行星在撞击地表时即因高温而融化成为岩浆。飞溅的岩浆直接抛射到了大气层之外,在飞行的过程中冷却形成玻璃陨石。

天外来客在进入大气层时就会燃烧,升至一个很高的温度

还会在下落过程中不断炸裂,增大了破坏范围

(图:shutterstock)▼

一部分因速度过快直接飞出大气层的边界,飞向了宇宙深处,而大部分抛射物则在地球引力的作用下再次落下,并在下落过程中迅速升温,形成了一场全球范围的火焰雨,其破坏力不亚于撞击直接造成的破坏。

炽热的陨石密集地砸向地面,点燃了森林并迅速蔓延。据估计,当时70%的森林都在这场火焰雨之中化为焦土。

天降陨石将一切化为焦土

恐龙这样的庞然大物在这场灾难面前亦显得微不足道

(图:shutterstock)▼

雪上加霜的是,由于撞击点恰位于浅海岸边,而希克苏鲁伯港旁边的浅海海底中沉积着两种物质:灰岩和石膏。撞击一方面将陆地上的岩石化为齑粉抛向天空,另一方面也将海底的灰岩和石膏碎屑撒向了大气

这颗小行星不偏不倚地

以能造成最大破坏力的角度砸在了尤卡坦半岛

(图:shutterstock)▼

由于灰岩的成分中绝大部分是碳酸盐,高温使得其赋存形式改变,释放出天量二氧化碳——温室气体的主要成分。

石膏是一种硫酸盐,而飘散在大气中的石膏颗粒则形成了硫酸盐气溶胶——这正是形成酸雨的主要成分。

先是火焰从天而降,又是酸雨

丝毫不给地面生物喘息的机会

(图:shutterstock)▼

遮天蔽日的灰尘冲进平流层,如一面黑幕将地表与温暖的太阳光隔绝。地球进入了长达数十年暗无天日的核冬天,气温骤降。二氧化碳释放形成的温室效应又如一层高效的隔热罩,维持着地球表面的寒冷状态。

而累积在大气中的硫酸盐气溶胶则形成酸雨落回地面,对垂死挣扎的森林体系赶尽杀绝

以上这一切都发生在撞击的那一天

(图:shutterstock)▼

然而这仅仅是个开始。无尽的黑暗摧毁了生态系统的根基:植物。由于失去太阳光,植物因无法进行光合作用而迅速衰亡。加之森林大火和酸雨的破坏,存活的植物也不过是苟延残喘。

而彼时,恐龙的体型已经演化至极致,大型植食性恐龙每日都需要大片树林的供给。这一场浩劫直接造成了毁灭性的饥荒。大型植食性恐龙率先因食物短缺而死。

核冬天后,地表暗无天日

所有生物无论强弱,在死亡面前都一贯平等

(图:壹图网)▼

紧接着,以大型植食性恐龙为食的大型肉食性恐龙,也在饥寒交迫中走向死亡。整个生态链遭遇毁灭,包括恐龙在内的大型动物宣告绝灭。

与之相对地,消耗量小、善于保暖和寻找庇护的鸟类和哺乳动物,以及能够忍饥挨饿的鳄类与龟类则存活了下来,熬过了漫长的灾难岁月,并最终得以在新生代迎来蓬勃的发展。

我们的祖先,制胜的秘诀就是苟

(来源:Nature ©Davide Bonadonna)▼

对于白垩纪末大绝灭事件的研究仍在继续,相关的细节还在不断明晰,但关于这场陨击的时间、地点和产生的影响,目前暂不存在显著的争议。希克苏鲁伯小行星撞击事件,就是造成白垩纪末生物大绝灭的主要原因,是压死恐龙的最后一根稻草。

解决了这个问题后,大家关注的另一个问题则是:盛极一时的恐龙,真的是因为这一次事件而绝灭的吗?

有研究表明,大型植食性恐龙的多样性和生态适应性在小行星撞击事件发生前,已经出现了下降的趋势。而恐龙家族中的“异端”,带羽毛的恐龙家族,则在向鸟类演化的道路上越走越远,适应性不断增强。

体型较小,善于攀援树栖的带羽恐龙

在这场无差别袭击中幸存了下来

(始祖鸟的化石,图:shutterstock)▼

可见,多样性下降的非鸟恐龙(也即传统印象中的那些恐龙,如霸王龙、三角龙、鸭嘴龙等等)已经处在不可避免的衰落之中,小行星撞击不过加速了他们早已注定的灭亡。

生命不息,演化不止。适者生存才是铭刻在DNA中的不变法则。毁天灭地的灾难袭来,无人可以预知,唯有适应瞬息万变的环境,才能等来万象更新的崭新时代。

没有什么可以永世长存

人类要时刻警惕自我的膨胀

(图:shutterstock)▼

参考资料:

1.Alvarez, Luis; Alvarez, Walter; Asaro, Frank; Michel, Helen. 1980. Extraterrestrial Cause for the Cretaceous-Tertiary Extinction".Science.208(4408): 1095–1108.

2.Hildebrand, Alan R.; Penfield, Glen T.; Kring, David A.; et al. 1991. Chicxulub Crater; a possible Cretaceous/Tertiary boundary impact crater on the Yucatan Peninsula, Mexico. Geology. 19 (9): 867–871.

3.Schulte, Peter; Alegret, Laia; Arenillas, Ignacio; et al. 2010. "The Chicxulub Asteroid Impact and Mass Extinction at the Cretaceous-Paleogene Boundary". Science. 327 (5970): 1214–1218.

4.Kinsland, Gary L.; Egedahl, Kaare; Strong, Martell Albert; Ivy, Robert. 2021. Chicxulub impact tsunami megaripples in the subsurface of Louisiana: Imaged in petroleum industry seismic data. Earth and Planetary Science Letters. 570: 117063

5.Pope KO; Ocampo AC; Kinsland GL; Smith R. 1996. Surface expression of the Chicxulub crater. Geology. 24 (6): 527–530.

6.Condamine, F.L., Guinot, G., Benton, M.J. et al. 2021. Dinosaur biodiversity declined well before the asteroid impact, influenced by ecological and environmental pressures. Nat Commun 12, 3833.

*本文内容为作者提供,不代表地球知识局立场

封面:《甜蜜的死亡》