位于翁布里亚英吉诺山坡上的意大利老城古比奥因有许多保存完好的历史遗迹而闻名。它是公元前2世纪至公元前1世纪时伊特鲁里亚人建造的,古城的罗马剧场、政府官邸、各种教堂和喷泉在罗马时代、中世纪以及文艺复兴时期都是引人入胜的景观。
奇怪的K-T边界
但年轻的美国地质学家沃尔特· 阿尔瓦雷兹来到古比奥,并不是因为那些古老的建筑,而是因为城墙外的岩层,那
里保存着时代更为久远的自然史。刚出城门就是地质学家梦寐以求的去处——地球上最大的石灰岩序列。当地人把山腰
及该区域峡谷一带露出的引人注目的粉红色岩层称为斯卡格里亚·罗莎(“斯卡格里亚”的意思是鳞片或薄片,指该岩石可被轻松地凿成方块供建筑使用,罗马剧场用的就是这种石头;“罗莎”指的是它的颜色)。这种巨大的构造有许多层,总共大约400米厚。这些岩石原本是古老的海床,代表着大约5000万年的地球史。
个人都觉得很丧气,但是勘察还在继续。路易斯仍然在思考,什么样的情况可以产生全球范围的灭绝。他考虑了好几种可能的场景,但都没能站得住脚。伯克利的一位天文学家克里斯·麦基提示,或许是一颗小行星撞击了地球。最初,路易斯认为这种情况只能产生潮汐,而且他无法想象潮汐怎么可能让蒙大拿或者蒙古的恐龙灭绝。
然后,他想到了1883年印度尼西亚喀拉喀托岛上的火山爆发,想起数千米厚的岩层被炸得粉碎,细碎的粉末颗粒在
全球范围内飘浮了2年多。路易斯还知道,原子弹爆炸产生的放射性元素会在半球之间迅速混合。或许一次大撞击会让大
量尘埃遮天蔽日,在若干年中使地球暗无天日、持续降温,并且阻断了所有的光合作用?
如果是这样,这颗小行星需要有多大?
利用黏土层的铱元素含量、球粒陨石的铱元素含量,以及地球表面积,路易斯推算出,这颗小行星的质量大约在3000亿吨,也就是说,它的直径是10±4千米。
跟地球13000千米的直径相比,这颗小行星的直径看上去似乎并不大。但想想撞击释放的能量:这颗小行星进入大气层的速度大约是25千米/秒——超过80000千米/时。它会在大气层中“凿”出一个直径10千米的洞,并以相当于1.08亿吨TNT的能量撞击地球。(目前引爆的最大的原子弹释放的能量大约是100万吨TNT当量,这颗小行星撞击释放的能量是它的100倍。)以这种能量,撞击坑应该有200千米宽、40千米深,撞击释放的物质颗粒是不计其数的。
小行星高速穿过大气层,将它前方的空气加热到太阳温度的若干倍。撞击时,小行星蒸发,无数火球喷向宇宙空间,岩石颗粒随之被喷射,远至地月距离的一半。巨大的冲击波穿透基岩,反射至地表,将熔化的岩石块抛向大气层边缘,甚至更远。被撞击的石灰岩基岩因承受太大压力,喷射出第二个火球。撞击地点周围数百千米内的生命灭绝了。更远处,喷向宇宙空间的物质高速落向地球表面,就像数以万亿计的陨石,在重新进入大气层时被加热,使空气升温,点燃火苗。海啸、滑坡、地震进一步将撞击点附近的地表撕裂。
在其他地方,死亡来得要慢一些。
大气中的残骸和碎渣将太阳遮蔽起来,地球上的黑暗可能持续了数月。这种情形阻断了光合作用,从底部终止了食
物链。对植物化石和花粉粒的分析表明,在某些地点,多半的植物种类都消失了。处于食物链上端的动物不得不向死亡屈服。K-T边界不仅仅标记着恐龙的终结,其他一些物种,比如箭石、菊石以及海洋爬行动物,都走到了终点。古生物学家估计,地球上一多半物种都灭绝了。陆地上,所有体重超过25千克的生物都灭绝了。
这是中生代的终结。
小行星撞击产生的坑在哪里?
路易斯、沃尔特、弗兰克·阿萨罗以及海伦·米歇尔将整个故事串联起来:古比奥有孔虫、铱元素含量异常、小行星撞击产生的杀伤力。这个故事令人叹服地结合了数个科学领域,在现代科学文献史上,其包含的范畴可能是其他任何一篇论文也无法比拟的。让·斯密特和让·赫托根在《自然》杂志上发表的对西班牙K-T边界岩石的研究,得到了相似结论。
他们担心科学界没有做好准备接受这一撞击假说。在过去150年中,从现代地质学发端起,地质学界的观点都着眼在逐渐演变上,地质科学已经排除了《圣经》故事中描绘的巨大灾难场景。地球上发生过如此重大的灾难性事件的想法,不仅仅是令人不安的,更被认为是不科学的。在这篇有关小行星撞击假说的文章发表之前,科学界对恐龙灭绝的解释通常都是气候或者食物链的逐渐变化导致动物无法适应。
一些地质学家对这一灾难性场景嗤之以鼻,一些古生物学家完全没有被小行星假说说服。有人指出,保存恐龙化石
最多的岩层在K-T边界下方3米;有人认为在小行星撞击的时候,恐龙已经灭绝了;还有古生物学家说,恐龙化石太过稀少,不可能指望在K-T边界轻松找到。他们认为,有孔虫和其他生物化石是更有说服力的证据,并且有孔虫和菊石化石确实一直持续到K-T边界。
当然,还有一个更大的问题需要解释——那个巨大的撞击坑到底在哪里?对怀疑者和支持者来说,这都是最关键的
一环。因此,对这个撞击坑的搜寻开始了。
当时,地球上已知的直径大于100千米的陨石坑只有三个,但没有一个的形成年代是吻合的。如果小行星的撞击点是覆盖地球表面2/3还要多的海洋,那这些搜寻者就没什么好运气了——深海地形并没有得到很好的绘制,而且第三纪之前的海底有很大一部分已经在板块运动中消失了。
在小行星假说提出后的10年中,很多线索和踪迹最后都走进了死胡同。越来越多的搜寻失败的例子让沃尔特开始相
信,撞击确实发生在海洋中。
正在此时,得克萨斯的一处河床出现了一丝线索。布拉索斯河汇入墨西哥湾,沙质河床正好处在K-T边界上。熟悉海啸后沉积模式的地质学家经过仔细考察,发现该沙质河床拥有只可能由巨型海啸造成的特点,当时的海啸可能比100米还高。并且,跟海啸残留物混在一起的还有熔融石(从撞击坑以熔化形式喷射出的玻璃状岩石),它们重新降落到地表时
已经冷却了。
很多科学家在搜寻撞击地点,亚利桑那大学的研究生艾伦·希尔德布兰德是其中最执着的一位。艾伦认为布拉索斯河的海啸河床是寻找陨石坑的重要线索,这个陨石坑应该在墨西哥湾或者加勒比海。他察看了已有的地图,在哥伦比亚北部海底找到了一处圆形地貌。他听说在墨西哥尤卡坦半岛的海岸上有一些圆形的重力异常区域,这些区域内的质量、
密度是变化的。
艾伦努力地搜寻其他线索,以证明自己的推测在正确的轨道上。艾伦注意到一篇关于在海地白垩纪晚期的岩石中发现熔融石的报道。他拜访了撰写这篇报道的实验室,并且立刻认出那些样品是撞击熔融石。之后他去了海地,发现那里的沉积物中有非常大的熔融石,以及被震碎的石英颗粒——这是大撞击的另一个标志。因此,他和他的导师威廉·博因顿推测撞击点在海地附近1000千米以内。
当他们在一个学术会议上宣布这一发现的时候,《休斯敦纪事报》的记者卡洛斯·比亚尔斯联系了他们。比亚尔斯
告诉他们,为墨西哥国有石油公司PEMEX 工作的地质学家或许在许多年前就发现了这个陨石坑。格伦·彭菲尔德和安东尼奥·卡玛格研究了尤卡坦地区的重力异常现象,但PEMEX公司不允许他们公布研究数据。不过,在1981年的一次会议上
(也就是阿尔瓦雷兹提出小行星撞击假说后的第二年),他们提到他们测绘的地形或许就是那个陨石坑,彭菲尔德还曾写信给沃尔特指出这一点。
1991年,艾伦、博因顿、彭菲尔德、卡玛格及其同事正式提出,位于尤卡坦半岛希克苏鲁伯村下方500米、直径180千米(几乎跟阿尔瓦雷兹团队推算出的直径一致)的陨石坑,就是大家一直在寻找的K-T撞击坑。
当然,为了确认这一点,还有重要的测试要做。首先是岩石的年代,想知道这一点并不是一项简单的任务,因为陨石坑是被埋起来的。最好的方法是通过PEMEX公司几十年前在该地区钻的矿井来采集并分析钻芯的岩石样本。测定结果让
人叹为观止,一个实验室得出的数据是6503万年,另一个得出的数据是6560万年——与K-T边界的年代吻合。
在海地发现的熔融石的形成年代也是这一时期,它们是因撞击而喷射出的物质的沉积。精细化学分析表明,希克苏鲁伯的熔体岩石中高含量的铱-9,与海地的熔融石来源相同。此外,海地的熔融石中水含量极低,内部的气体压力也几
乎为零,这表明这些玻璃质岩石是在大气层外做弹道飞行时固化的。
在很长一段时间中一度被认为激进的,甚至古怪的观点,得到了一系列间接证据的支持,最终获得了直接证据的确
认。接下来,地质学家确认喷射物质覆盖了尤卡坦半岛的绝大部分地区,并且在世界各地上百个K-T边界处沉积。我们终
于知道,地球生命的历史并不完全像自莱伊尔和达尔文以来历代地质学家设想的那样,是一个稳定渐变的演进过程。
虽然对巨大陨石坑的位置的确定在小行星撞击理论上是一个重大进展,沃尔特却是悲喜参半。路易斯·阿尔瓦雷兹于1988年过世,未能目睹这一重大发现。
一次冲击还是两次冲击?
K-T小行星撞击坑的发现引起了科学界对其他物种灭绝原因的广泛考察。虽然过去5亿年间其他四次主要的物种灭绝
看起来跟撞击并无关系,但同一时期地球上确实出现过一些规模可观的小行星或彗星的撞击坑,尽管规模没有K-T撞击坑这样大。既然绝大多数小行星撞击并不会造成物种灭绝,而且绝大多数物种灭绝无法归因为撞击事件,那么,K-T小行星撞击的毁灭性为什么会如此巨大?
一些科学家认为,小行星撞击的地点很可能非常关键,被撞击的高温蒸发的岩石中包含大量石膏,这些石膏释放出
大量硫黄气溶胶,使得太阳被遮蔽的现象更加严重,并且形成酸雨,改变了水体和土壤性质。此外,撞击还释放了大量氯气,足以破坏臭氧层。
有证据表明,在K-T撞击之前,地球的生态系统已经被一系列大型火山喷发削弱。在K- T撞击之前的几十万年当中,印度西部的德干地盾周期性地向大气层中喷发了大量的二氧化碳和二氧化硫。事实上,很多年以来,科学界一直对造成物种灭绝的主要原因是德干地盾还是K-T撞击争论不休。因为K-T撞击和物种灭绝之间的时序相关,目前的共识是,K-T撞击是造成物种灭绝的主要原因。就在最近,新的地质学证据提供了一个可能的场景,能够将这两个原因联系起来。证据显示,最大的一次德干火山喷发离K-T撞击的时间非常近,这使得一些科学家推测,撞击产生的地震波很可能导致了地幔的晃动,足以触发一次规模巨大、能够导致环境巨变的火山喷发。在这种情况下,小行星造成了第一次冲击,火山喷发则挥出了致命一拳。