地球的力量——是誰謀殺了恐龍？

6600萬年前，地球上橫行著一種史上最恐怖的龐然巨獸——霸王龍（Tyrannosaurus rex）。它們身高超過3.5米，長12.3米，重達14公噸，牢牢地佔據著恐龍世界中的王者地位。然而，無論這一曾經的王者威力如何了得——它們，以及與它們同時代的75％的物種，在面對地球的威力時，是如此的渺小，毫無與之對抗的資格。

我們從所有的岩石記錄中一共觀察到五次物種大滅絕事件，分別是4.39億年前的奧陶紀物種滅絕，3.64億年前的泥盆紀大滅絕，2.51億年前的二疊紀-三疊紀滅絕，1.49億至2.14億年前的三疊紀-侏羅紀大滅絕，和最著名的發生在6600萬年前的白堊紀-古近紀滅絕事件。

其中最嚴重的一次滅絕事件是二疊紀-三疊紀，它導致了地球上96％的物種的消失，消滅了絕大多數體重大於25公斤的翼足類動物，其中就包括我們熟悉的非鳥類恐龍。但在這五次滅絕事件中，白堊紀-古近紀（K-Pg）滅絕事件吸引了最多的注意力。因為此次的滅絕事件有我們最關心的問題：是什麼殺死了恐龍？不僅非鳥類恐龍從地球上消失了，無數的陸地和海洋棲息物種為何也不見了蹤影？在好奇心和人類自我保護的本能驅使下，我們一直想要一個能解釋造成這種滅絕的理論。然而，對這一滅絕事件的觸發機制的不同理解至今仍然廣受爭議，於此同時，對與其相關的研究也與現代社會有著日趨緊密的聯繫。

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大碰撞說

撞擊事件。| 圖片來源：NASA/DON DAVIS

其中最著名的「隕石撞擊地球」理論是由物理學家 Luis Alvarez（1968年諾貝爾物理學獎得主）和他身為地質學家的兒子 Walter Alvarez 所創立的。學術能力一流的 Alvarez 父子從1970年代開始，在義大利、丹麥和紐西蘭三地開展了這項開創性的研究。他們關注的重點是深海石灰岩礦床，它恰好與生物群的大規模滅絕事件同期發生。在收集到大量的沉積物後，父子二人回到加州伯克利大學，對樣品進行地球化學成分分析。他們將主要注意力放在稀土元素的分布上，得到了驚人的結果——在白堊紀-古近紀範圍內的所有樣品中都觀察到了銥元素富集異常。義大利、丹麥和紐西蘭的樣品分別顯示出30、160和20倍的銥元素富集。新的問題就此產生了：是什麼機製造成了銥元素的富集異常？這與同時期發生的大規模滅絕是否有聯繫？

關於銥元素的來源問題現已然得到了較為全面的解答。在這三處地點發現的銥元素含量水平顯然太高，以至於無法將其與地球上的自然形成相聯繫。地殼岩石中銥元素的平均含量約0.1ppb（十億分率），但這些部分的銥元素顯示高達9ppb。地外星體的含銥量在100ppb的範圍內，因此 Alvarez 認為，這種異常必須與非地球天體有關。儘管硫化鎳和鉻鐵礦的形成也可能造成銥元素在局部的集中產生，但要在同一時期在全球範圍內出現這種情況的機會幾乎渺茫。因此這種可能基本上被排除，為更可行的思路讓路，即銥的外部來源是什麼？

有一個有趣的理論認為這或許與附近的超新星有關，銥元素與其他重元素一同被超新星釋放。然而，這是缺乏根據的，首先因為樣品中缺少鈈-244，而鈈-244僅在超新星爆發過程中形成，因此鈈-244的不足可能與超新星來源的微粒流入不足有關。再者，測量發現銥-191與銥-193的同位素比值為37.3/62.7，而太陽系材料的銥元素同位素比就是穩定的37.3/62.7，但理論上來說超新星的銥元素同位素比應與其不同。由於在樣品中觀察到比值與太陽系的一致，因此超新星是銥元素來源的可能也能被排除。所以最後，剩下的假設就是將觀測到的銥異常歸因於小行星的撞擊，從而誕生了「大碰撞說」。

在隨後基於「大碰撞說」進行的調查中，科學家獲取了更多的關鍵證據。他們驚訝的發現在白堊紀-古近紀範圍內，沉積物是衝擊石英（一種微結構和一般石英不同的變形石英）顆粒。重要的是，衝擊石英顆粒含有重要的平面變形特徵（或震動薄片），這些特徵是高壓的證明，而這種高壓通常是由外星天體撞擊地球時會引起的。或許更重要的一大發現是在墨西哥尤卡坦半島的直徑達180公里的Chicxulub隕石坑。這種隕石的威力在調查墨西哥灣近岸的白堊紀-古近紀沉積物時得到了證實，這些沉積物都顯示出典型的海嘯沉積特徵。從卡爾·薩根（Carl Sagan）和他在康奈爾大學的研究團隊完成的測量和計算得知，那顆在6600萬年前撞擊地球的小行星，直徑約為10公里，撞擊地球的速度在16到32公里/秒之間。這種巨大的衝擊產生了無可想像的能量，將大量的碎片噴射到大氣中，從而觸發了「死亡機制」。

經藝術重塑的6600百萬年前在撞擊發生後不久的Chicxulub隕石坑。| 圖片來源：DETLEV VAN RAVENSWAAY/SCIENCE SOURCE

正如「死亡機制」的字面描述那樣，小行星的撞擊很可能是導致當時地球上75％的物種滅絕的機制。這個機制可以按順序被分解成以下步驟：

小行星撞擊地球，將動能轉化為爆炸能，並將大量的碎片送入大氣和太空中。

懸浮在大氣中的碎片阻擋了大量的陽光，成功地關閉了生物群里的光合作用。

由於無法進行光合作用，因此海洋和陸地上需進行光合作用的生物遭遇全體滅絕。

隨著大多數海洋和陸地植物的滅絕，食物鏈的基礎被打破，食草動物的滅絕也隨之而來。

隨著絕大多數的光合生物和草食動物的滅絕，賴其生存的其他生物也隨之滅絕。

這五步「致死機制」不僅突顯了小行星的撞擊威力，還突顯了地球生態系統的易碎本質。

2

德干火山的噴發

「大碰撞說」的故事完整而引人入勝，但這一理論未必一定正確，或者至少說它不是白堊紀-古近紀滅絕事件的唯一始作俑者。當我們研究白堊紀-古近紀滅絕的觸發時，總是有兩個對立的理論。就像英超的曼市德比，紐約的棒球地鐵大戰，洛杉磯的美式足球對抗賽……這兩種理論都研究的是同樣的學術問題，但是思維和想法卻截然不同。這就是我們接下來要講的，認為引發白堊紀-古近紀滅絕的是象徵著地球力量的理論——德干暗色岩火山區爆發的大規模火山噴發。

印度德干暗色岩。| 圖片來源：MikeWiddowson

德干暗色岩是地球上最大的火山區域之一。它由一種被稱為「地幔柱火山活動」的過程形成的，這絕對是一種神秘而迷人的過程。地幔柱火山活動是我們在地球表面可觀看到的最氣勢恢宏的過程之一。它源自於地球的核心，大量的原始岩漿湧上地球表面約3000公里的高度。據估計，在德干高原50萬平方公里的覆蓋面上噴湧出了總量達100萬立方公里的岩漿，產生了大量的氣溶膠和溫室氣體。這個火山事件正發生在白堊紀-古近紀範圍之前和之後數百萬年，然而一半以上的火山源來自於德干火山的一個重要部分的火山活動，名叫Wai。

Wai火山的噴發時間可追溯到白堊紀-古近紀滅絕事件發生的10萬年內。科學家利用磁層學和微觀古生物學進行的年代測定法對這一時間範圍進行了很好的控制。磁層學是一種地球物理學的常用技術，它的原理依賴於地球磁極隨時間變化的特性。這些磁極的轉換會使得樣品中的磁感礦物所保留的剩餘磁性在給定的時間點具有特徵取向。因此，通過測量德干暗色岩樣品的磁性，可以得到一個相對準確的時間。微觀古生物學則是對特定歷史時期的地球化石進行觀測，可用來鎖定岩石的沉積日期。德干火山的微體化石被困在了熔岩內，因而為我們提供了確切的時期年限。

Wai在德干火山中所具有的極其龐大的體積，以及與白堊紀-古近紀大滅絕地層的相關時機，意味著這一火山事件可被認作是觸發了白堊紀-古近紀死亡機制的另一理論。讓一個火山活動為如此大規模的滅絕事件負責並非沒有根據，許多更早的滅絕事件也是由地幔柱火山學觸發的。

然而，與小行星撞擊地球而造成的死亡機制不同的是，與地幔柱相關的火山活動的致死機制要稍微複雜一點。最簡單的說法是它將大量硫酸氣溶膠和塵埃顆粒釋放到大氣中。就像上面描述的死亡機制的5個步驟一樣，這些氣溶膠和粉塵破壞食物鏈的光合作用基礎，引發一系列後續反應。

一個更為複雜的解釋是，德干火山活動是通過氣體排放和隨之而來的溫室氣體效應導致了滅絕事件。這種二氧化碳的突然性大規模釋放，大大的增加了溫室氣體效應，從而提高了全球氣溫。通過測量古代海相微體化石的δ18O（氧-18和氧-16的比例）同位素丰度，我們可觀測到這一溫度變化。經過大量的調查研究，古熱帶的平均氣溫為28-32°C，明顯高於現在的平均值（15-23°C）。這種高溫為不同的致死機制提供了基礎。這種複雜的致死機制不僅可被解釋為物種對高溫的耐受不良，還可以理解為對後續物種間的相互作用的破壞。

3

新的理論：兩種舊理論的結合

我們已經介紹了這兩種截然不同的滅絕機制，多年來這兩方觀念很少相容。雖然他們都認同這兩種情況都可提供合理的觸發致死機制的證據，但在根本上他們並不認同對方的觀點。但是不用擔心，這篇文章並不是想要探討究竟這進退兩難的學術難題哪方才是對的。而是想要告訴大家，我們還有第三種希望。

有一個非常新的理論，把大碰撞說作為德干火山的觸發原因。在2015年，這一理論被發表在了《科學》雜誌。當我第一次讀到這些論文時，腦海中出現的是一系列問號——「什麼？一個小行星的撞擊能造成世界另一端的火山爆發？這想法太瘋了吧？怎麼可能？」但不得不承認的是，這是一個很酷的理論。我們來簡單概述一下「大碰撞說」與地幔柱火山學在這一問題上的學術聯姻。

根據基本的假設我們知道，小行星的撞擊會造成非常劇烈的地震，而地震會與德乾地幔柱相互作用，導致了巨大的熔岩生成。將地震和火山活動聯繫起來並不罕見，在許多事件中都有此類記錄。但是將小行星撞擊與隨後發生在另一遙遠地方的巨大地震聯繫起來卻很少見。小行星撞擊地球產生的3x1023焦耳的能量而導致的地震，被認為能傳播到遙遠如德干火山的地方。地震所產生的能量則通過增加向上流動的岩漿的水頭、或增加岩漿遷移系統的滲透性，增加了岩漿的堆積率。

位於墨西哥灣附近的Chicxulub隕石坑。| 圖片來源：Google Maps/UT Jackson School of Geosciences

目前，這一理論仍存有許多問題使其尚不能稱得上完備。首先，對與6600萬年前白堊紀-古近紀滅絕事件時期相吻合的德干火山活動進行的年代測定仍存在較大的誤差。再者（也是最重要的）是從Chicxulub隕石坑到德乾地幔柱的能量傳輸機制也存在不確定性。如果重現6600萬年的大陸架結構，會看到德干火山與Chicxulub隕石坑的距離約為13000公里。在這麼遠的距離上，有多少能量被傳輸了？又是通過哪種機制傳輸的？現在，加州大學伯克利分校的研究人員正在探尋這些問題。被視為傳奇的 Alvarez 父子也正是在這間高校開始了他們奇幻之旅，那是一段有著許多備受尊敬的地質學家和物理學家加入的旅程，他們一次又一次的出發，只為了為人類解答「到底是什麼殺死了恐龍？」這一問題。

這個問題為我們了解強大的地球提供了重要的洞見——從外星天體的撞擊事件，到恢弘的地幔柱火山活動，再到兩者之間的潛在聯繫。無比強大的巨獸曾在地球走過，而我們從中學到的一個重要教訓是：地球可以賦予我們生命，也能瞬間將我們統統消滅。

文：James Crosby（劍橋大學地球科學系博士生，「原理」特邀撰稿人）

譯：不二北斗

參考文獻：

[1] Alvarez, W., 2008. T. rex and the Crater of Doom. Princeton University Press.

[2] Becker, L., 2002. Repeated blows. Scientific American, 286(3), pp.76-83.

[3] Hartmann, W.K. and Davis, D.R., 1975. Satellite-sized planetesimals and lunar origin. Icarus, 24(4), pp.504-515.

[4] Richards, M.A., Alvarez, W., Self, S., Karlstrom, L., Renne, P.R., Manga, M., Sprain, C.J., Smit, J., Vanderkluysen, L. and Gibson, S.A., 2015. Triggering of the largest Deccan eruptions by the Chicxulub impact. Geological Society of America Bulletin, 127(11-12), pp.1507-1520.

[5] Renne, P.R., Sprain, C.J., Richards, M.A., Self, S., Vanderkluysen, L. and Pande, K., 2015. State shift in Deccan volcanism at the Cretaceous-Paleogene boundary, possibly induced by impact. Science, 350(6256), pp.76-78.

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