这里是通往恐龙灭绝的地狱之门
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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龙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龙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龙灭绝。
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长期的研究，并取得了非常丰富的成果。
地狱之门——塔尼斯的发现历程
塔尼斯遗址位于美国西北部的北达科他州，距离希克苏鲁伯撞击坑约3000公里（图1）。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西岸(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）。
图1. 塔尼斯遗址古地理位置和现今地貌（左图修改自维基百科，右图修改自Ali Pares/BBC，站立者为Robert DePalma）
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·德帕尔马（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。
图2. 塔尼斯遗址中撞击相关物质。(A) Chicxulub撞击事件产生的位于K-Pg事件沉积物顶部的铱富集的薄层（高亮）。(B) 具有面状变形页理的冲击石英。（C-D）黏土化的溅射球粒。(E) 未蚀变的撞击玻璃。
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（图2），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。
例如：大量未经历腐烂过程的动植物被快速埋藏，淡水和咸水生物混杂交错；重重叠叠的鱼类尸体，嘴巴大张，身体痉挛，很多鱼鳃中吸入了撞击微玻璃球粒；有的龟类身体被树木直接刺穿，还有包括恐龙在内的不少动物身首分离……。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公里外墨西哥湾的撞击点，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（图3），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。
图3. K-Pg界线撞击发生时塔尼斯的卡通场景（图自Robert DePalma）
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鱼类化石研究成果。
他们专注于这些化石的组织结构，比如骨骼生长环的厚度和间隔，以及氧、碳等特定元素的同位素比值的周期性变化，对这些鱼在死亡前的生长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鱼类化石的骨骼组织和同位素组成进行了研究（图4）。通过分析鱼类化石所记录的年度生长周期和碳、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。
图4. 鲟鳃CT扫描重建图及骨骼成分分带图
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角，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，特别是恐龙这一昔日“地球霸主”灭亡的原因提供了新的视角。
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长达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（图5）。
图5. 白垩纪末期 2 年到撞击后 25 年的硅酸盐尘埃、硫、烟尘和组合情景的时间演变曲线图。（a）全球平均地表温度变化；（b）全球细颗粒喷出物质量。
温度的急剧下降本身就会对恐龙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，从而引发一系列的食物链连锁反应。这种环境的剧变加上食物的缺乏，很容易使恐龙等处于食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龙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龙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。
来自塔尼斯遗址的最新研究
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西部内陆海道(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，海浪将如何在西部内陆海道（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长周期海浪，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。
结语
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龙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门，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。
参考文献
[1]LeVeque et al., 2024. J. Geophys. Res. 129(5), e2023JB027643.
[2]Alvarez et al., 1981. Science. 208, 1095-1108 (1980).
[3]DePalma et al., 2019. Proc. Natl. Acad. Sci. 116(17), 8190-8199.
[4]DePalma et al., 2021. Sci Rep. 11, 23704.
[5]During et al., 2022. Nature. 603, 91-94.
[6]Senel et al., 2023. Nat. Geosci. 16, 1033-1040.
作者简介
张 桃：中国科学院紫金山天文台硕士研究生，主要从事天体化学和微陨石研究。
廖世勇：中国科学院紫金山天文台副研究员，研究方向为陨石学和天体化学。
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