发⽣于⼤约6600万年前的⽩垩纪-古近纪(K-Pg)⽣物⼤灭绝事件,被认为导致了包括恐⻰在内的⼤量⽣物的灭绝。⾃1981年美国Alvarez⽗⼦基于K-Pg界线地层中的“铱元素”异常提出⼩⾏星撞击理论,特别是直径数百公⾥的同期希克苏鲁伯(Chicxulub)撞击坑发现以来,⼩⾏星撞击地球导致恐⻰在内的⽩垩纪末⽣物⼤灭绝这⼀理论就吸引了很多⼈的关注,并变得⼏乎⼈尽皆知。
尽管⼈们已经知道这次撞击事件给地球环境和⽣物演化带来了毁灭性打击,但关于这场灾难发⽣的细节我们仍知之甚少。由于缺乏同时期形成的⾼精度沉积记录,⼈们对⼩⾏星撞击在最初⼏⼩时到⼏天内会对地球⽣命和环境造成怎样的影响认识⾮常有限,⽽这正是理解整个灾难事件的关键⼀环。
幸运的是,科学家们发现在⼀些特殊环境中形成的特异埋藏地层,就像是地球历史的“时间胶囊”,记录和保存了很多地球历史细节,可以帮助我们更好地了解这次⼩⾏星撞击和恐⻰灭绝。其中最著名的地层剖⾯被称为塔尼斯(Tanis)遗址,被认为是近年来K-Pg界线研究的最重⼤发现,拥有关于这次撞击事件丰富的⽣物化⽯和撞击记录,科学家们对其进⾏了⻓期的研究,并取得了⾮常丰富的成果。
塔尼斯遗址位于美国⻄北部的北达科他州,距离希克苏鲁伯撞击坑约3000公⾥。与现今的陆地环境不同,6600万年前的塔尼斯地区处于北美内陆海道⻄岸(WIS)附近的古⽼河⾕之中,此时正在沉积的地层后来被命名为地狱溪(Hell Creek)。塔尼斯遗址最初是由美国北乔治亚⼤学教授史蒂夫·尼克拉斯(Steve Nicklas)和古⽣物学家罗布·苏拉(Rob Sula)于2008年发现的。
他们在对塔尼斯的初步研究中意识到了该处地层的独特性,便请来了堪萨斯⼤学的研究⽣罗伯特·德帕尔⻢(Robert DePalma)进⾏深⼊的挖掘⼯作。童年时便已是狂热古⽣物化⽯爱好者的DePalma抓住了这⼀机遇。从2012年开始,DePalma在⼏乎完全保密的情况下对该遗址进⾏了系统性的挖掘和研究。
当DePalma及其研究团队公布在塔尼斯遗址中的发现后,震惊了科学界,其独特程度甚⾄让很多科学家怀疑其真实性。除了K-Pg界线的常客如富铱粘⼟、撞击球粒和冲击⽯英外,他们还在塔尼斯遗址中发现了很多动植物批量快速死亡的残酷景象。这些化⽯均位于K-Pg富铱粘⼟层之下,但与撞击溅射玻璃共⽣,显示它们受海啸袭击突然死亡和快速埋藏发⽣在⼩⾏星撞击后不到⼀⼩时之内。
如此快速的海啸不可能来⾃远在3000公⾥外墨⻄哥湾的撞击点,⽽只可能由撞击触发的地震波引起。可以想象⼀下当时的场景:这本是6600万年前塔尼斯河畔平常的⼀天,突然⼀个巨⼤⽕球掠过天际,伴随着⼀道强光闪过后⼀切发⽣了改变。⼤地发⽣剧烈抖动,紧接着倒灌的⾼达⼗数⽶的海啸⽔墙席卷河畔,附近的⼏乎所有动植物在转瞬间被⽔流裹挟、搅拌着带⼊河⾕和低地,在劫难逃。
数⼗分钟后,撞击熔融形成的炽热玻璃物质铺天盖地降落,撞击产⽣的尘埃云也遮天蔽⽇⽽来,⽇光暗淡,空⽓浑浊难以呼吸,甚⾄连⽔中也充斥着不断沉降的微⼩玻璃珠和其他尘埃,瞬间塔尼斯河畔“死⽓沉沉”,不啻地狱般的场景。灾难发⽣的季节2021年12⽉,DePalma和他的团队发表了塔尼斯与希克苏鲁伯⼩⾏星撞击事件同期的⻥类化⽯研究成果。
他们专注于这些化⽯的组织结构,⽐如⻣骼⽣⻓环的厚度和间隔,以及氧、碳等特定元素的同位素⽐值的周期性变化,对这些⻥在死亡前的⽣⻓模式和季节性变化进⾏了分析,从⽽对希克苏鲁伯灾难性撞击事件发⽣的季节进⾏了精确定位,推断出这次撞击事件可能发⽣在北半球春季或夏季。
尽管后来DePalma的部分实验数据的严谨性受到了其他科学家的质疑,并给他带去了不⼩的麻烦,但这些并不影响⽂中得出的撞击发⽣在北半球春季或夏季这⼀基本结论。紧接着,荷兰阿姆斯特丹⾃由⼤学的研究⽣During及其合作者于2022年1⽉在Nature杂志发表了类似的研究成果。
他们通过⾼分辨率的同步辐射断层扫描技术(PPC-SRμCT)和显微X射线荧光光谱(M-XRF)对塔尼斯遗址沉积物中⻥类化⽯的⻣骼组织和同位素组成进⾏了研究。通过分析⻥类化⽯所记录的年度⽣⻓周期和碳、氧同位素变化,他们认为希克苏鲁伯⼩⾏星撞击发⽣在北半球春季,这与DePalma的研究结论吻合,⽽且更精确地限定了这次撞击发⽣的时间范围。
DePalma和During等⼈对塔尼斯的研究对于我们理解希克苏鲁伯撞击造成的K-Pg灭绝事件、地球环境以及⽣态系统的演化模式具有重要意义。此外,科研⼈员对塔尼斯遗址的研究还为我们提供了关于全球⽓候变化对⽣物多样性影响的重要历史视⻆,推动了对⽩垩纪末期地球⽓候和⽣态转变的重建。
塔尼斯记录的⽣物⼤灭绝原因除了撞击季节的记录,塔尼斯遗址也为我们探索K-Pg界线⽣物灭绝,特别是恐⻰这⼀昔⽇“地球霸主”灭亡的原因提供了新的视⻆。2023年10⽉,来⾃⽐利时的Senel及其研究团队结合激光衍射粒径分析、古⽓候和计算机模拟等⽅法研究了塔尼斯遗址的沉积层,发现这些6600万年前在希克苏鲁伯撞击事件中产⽣的硅酸盐尘埃远⽐我们想象的更为细⼩。
它们的粒径主要分布在0.8~8.0微⽶,这种微⽶级的硅酸盐尘埃颗粒在⼤⽓中的漂浮寿命可能⻓达15年。这些尘埃颗粒,连同撞击产⽣的硫和野⽕产⽣的烟雾等可能导致全球表⾯平均温度下降达25°C。温度的急剧下降本身就会对恐⻰的⽣命活动造成致命性打击,加上⼤⽓中弥漫的尘埃遮蔽了阳光,使得植物的光合作⽤停⽌,导致K-Pg边界时期陆地和海洋初级⽣产⼒崩溃,从⽽引发⼀系列的⻝物链连锁反应。
这种环境的剧变加上⻝物的缺乏,很容易使恐⻰等处于⻝物链顶端的⽣物灭亡,并引发全球⼤规模的⽣物灭绝。Senel等⼈的研究揭示了希克苏鲁伯⼩⾏星撞击产⽣的尘埃对恐⻰和其他⽣物⼤规模灭绝的关键影响,显示正是这些综合的环境压⼒和⽣存条件的改变导致了K-Pg边界的⼤规模⽣物灭绝。这⼀研究也为⽩垩纪-古近纪界线⽓候变化和恐⻰灭绝是如何受到地外天体撞击事件的影响提供了新的解读。
今年五⽉初,著名的⾏星科学杂志JGR上线了来⾃美国华盛顿⼤学LeVeque教授团队的⼀项最新研究成果。他们以极⾼的时间分辨率为我们讲述了⼩⾏星撞击地球之初的1-2个⼩时内发⽣的故事细节。地质记录显示,⼀个位于当时存在的美国⻄部内陆海道(WIS)上游的洲坝上(塔尼斯遗址⼀部分),希克苏鲁伯撞击后的1-2⼩时内发⽣了两次⾼达⼗⽶的巨浪,形成了⼀套具有双向(流⼊和回流)沉积特征的地层。
正如前⾯所提到,从撞击地点传来的海啸波浪不可能在如此短的时间内到达,所以这⼀特殊沉积发⽣的原因难以通过传统的海啸机制进⾏解释。他们根据遗址中的淡⽔、咸⽔化⽯混合情况和历史海啸观测记录,基于地震激发⽔波传播的理论,构建了数学模型研究了在希克苏鲁伯撞击后,海浪将如何在⻄部内陆海道(WIS)中⽣成并传播到塔尼斯。
他们认为,撞击相关地震波或者冲击波均不⾜以激发塔尼斯遗址所记录的巨⼤⻓周期海浪,进⽽探讨了撞击地震波引发的局部海盆的垂向位移,海底或沿岸⼤型滑坡引发海啸的可能性。尽管由于存在诸多变量,尚⽆法判断具体机制,但这些⼯作表明,塔尼斯遗址不单是古⽣物的宝库,还是⼈们了解在⼩⾏星撞击的极端场景下可能发⽣的地质灾害的实验场。
尽管仍有很多谜团尚未解开,但塔尼斯遗址⽆疑提供了这次惊天⼤撞击和恐⻰等⽣物灭绝的最开始那短暂⼀瞬的快照,为⼈们开启了⼀窥诸多关于⼩⾏星撞击和⽣物⼤灭绝过程细节的⼤⻔,包括撞击产⽣的直接影响(如强烈的地震波、地震引发的海啸和快速的沉积埋藏等)、撞击引发事件的时间序列、⽣物灭绝的可能原因等。相信随着研究的不断深⼊,塔尼斯遗址有望为地外撞击事件与地球环境和⽣物演化等之间的关联提供更丰富的解答。