在地球漫長的演化史中，出現過許多令我們感到驚奇的遠古生物，比如恐龍。但可惜的是，這些遠古生物中的絕大多數早已在地球大大小小的生物滅絕事件中消失了，恐龍就滅絕於大約6600萬年前的白堊紀末期生物大滅絕事件中。

雖然因爲以往的諸多電影和科普宣傳，公衆們都認爲白堊紀生物大滅絕是因爲一顆小行星撞擊到了地球上，但實際上科學界對此依然還存在巨大爭議。科學家們也在不斷地尋找着“真兇”的蛛絲馬跡。

最近的新發現是：導致恐龍滅絕的“兇手”不止一個，可能是“團伙作案”。

滅絕真兇：火山爆發還是小行星撞擊？

1978年，美國Dewey McLean教授最早提出他對白堊紀末期生物大滅絕原因的看法：可能是由於地球上規模巨大的火山噴發事件導致的，這種規模巨大的火山噴發事件會形成大火成岩省，並很容易被地質學家們觀察到。

大火成岩省（Large igneous province，LIP）是在地殼中規模巨大的火成岩的堆積，包括侵入或噴出。1992年，研究者首次用此術語描述面積大於100,000平方千米的火成岩堆積，在幾百萬年甚至更短的地質時間間隔內，發生基性火成岩噴出或深處侵入。

德干大型火成岩省（DLIP）是白堊紀/古近紀（K/Pg）界線處主要玄武岩熔岩大量噴出的產物，構成了世界上已知最大的火成岩省之一（Bryan et al. 2010），覆蓋超過 500 000 km2（Watts & Cox 1989; Deshpande 1998; Chandrasekharam 2003; Vaidhyanadhan & Ramakrishnan 2008; Philpotts & Ague 2009）。傳統的觀點認爲德干大火成岩省噴發出大量溫室氣體導致了當時氣候變暖並有可能由此引起了恐龍滅絕，通過對德干玄武岩火山灰的高精度鋯石U-Pb定年進一步支持了這一觀點。

但是很快，不同的聲音提了出來。來自美國的物理學家Luis Alvarez（曾獲1968年諾貝爾物理學獎）和他的兒子Walter Alvarez發現意大利古比奧K/Pg界線地層裏含有異常高的銥元素含量。銥作爲一種鉑族元素的貴金屬，在地殼中含量並不高，反而在小行星等“天外來客”裏含量豐富，於是他們提出了影響至今的小行星撞擊說。這一極具戲劇性的假說很快就吸引到了大衆的關注，隨後科學家們也不斷髮現了更多相關證據，比如在K/Pg界線之交的地層中的魚鰓和琥珀化石中都能發現玻隕石這種小行星撞擊的證據。

科學家們還確定了撞擊地點，位於現今墨西哥的尤卡坦半島上，被命名爲希克蘇魯伯隕石坑（Chicxulub Crater）。這是一顆直徑約爲10~15千米的小行星，在撞擊後形成了這個直徑約爲180千米，深度約爲20千米的大型隕石坑。

諾獎獲得者Luis Alvarez（左）和兒子Walter Alvarez（右）於1981年在意大利K/Pg界線前合影（圖片來源：wikipedia.org）

一份來自中國的新線索

來自中國科學院南京地質古生物研究所副研究員李莎多年來一直從事對這次“滅門案件”的研究，其所帶領的研究團隊與中國地質大學（北京）教授萬曉樵等合作，對案發當時一種特殊的線索——汞進行了跟蹤研究，將（K/Pg）界線附近的海相（海洋環境中形成的沉積相的總稱）和陸相（陸地環境中形成的沉積相的總稱）地層中的汞記錄進行了綜合對比。

汞（Hg），俗稱水銀，是常溫常壓下唯一的以液態存在的金屬。火山活動是地質歷史上重要的自然汞源，並且汞同位素可以爲追蹤汞源提供有效信息，所以它常常被科學家用來追蹤地質史上的大型火山噴發活動。

汞有7種穩定同位素（196Hg, 198Hg, 199Hg, 200Hg, 201Hg, 202Hg, 204Hg），汞是少數具有顯著質量分餾（簡稱Hg-MDF, 常用δ202Hg表示）和非質量分餾（簡稱Hg-MIF, 常用Δ199Hg表示）的金屬元素。汞同位素的分餾分爲質量分餾（MDF）和非質量分餾（MIF）。Hg-MDF與一系列的物理、化學和生物過程有關，而Hg-MIF主要與二價汞（HgII）的光致還原過程有關。

火山來源的汞同位素接近於零（Zambardi 等，2009）。陸生植物通過氣孔吸收大氣中的汞，可能導致葉子中保留光還原信號（MIF負偏）（Blum et al., ，2014），這些過程往往會在大陸系統（包括植物、煤炭、土壤、沉積物）中產生MIF負值（Shen et al., 2019）。科學家可以通過分析Hg-MIF中汞同位素的數值大小，從而追蹤汞的來源（Blum et al., 2014; Štrok et al., 2015; Kwon et al., 2020; Jiskra et al., 2021）。

研究人員整合了分佈於全球各地26個關鍵剖面和鑽孔資料，發現德干玄武岩噴發導致K/Pg界線之前或界線處的汞值與顯生宙其他大滅絕事件界線處的汞數據具有相似的趨勢。

鑑於火山活動在歷史上多次與大規模的生物滅絕事件聯繫在一起，德干玄武岩的噴發尤其受到科學家的密切關注。這些噴發通常與顯著的環境變化和生物多樣性的大幅下降相關聯，使得德干玄武岩在白堊紀末期滅絕事件中的角色顯得尤爲重要。

汞示蹤徳幹大火成岩省的全球記錄

（圖片來源：南京古生物研究所）

研究人員綜合對比中國的膠萊盆地和松遼盆地、印度德干高原地區Meghalaya、丹麥StevnsKlin和意大利Bottaccione剖面和鑽孔樣品中的汞同位素值，發現Hg-MIF接近於0，說明這些汞是由火山直接從地幔帶出而沒有經歷光致還原過程（光激發產生化學還原作用）。

此外，研究人員還對比了中國平邑盆地、法國Bidart、意大利Padriciano和阿根廷Bajada del Jagüel的剖面和鑽孔樣品中的汞同位素值，發現Hg-MIF偏正，主要代表二價汞沉積，與汞的光致還原相關；而在印度德干高原地區Jhilmili剖面，Hg-MIF偏負，推測與火山造成的陸源物質的輸入有關，由於陸地物質（例如土壤和植被）主要通過大氣中的Hg(0)沉積來接收汞，因此汞同位素通常爲負值（Blum et al., 2014）。

火山活動造成的不同汞異常所代表的地質環境示意圖（圖片來源：南京古生物研究所）

白堊紀末期生物大滅絕的兇手不止一個

Schoene等人（2019）使用鈾-鉛鋯石定年方法，發現在徳幹玄武岩噴發期間發生了四次高量噴發期——這被稱爲德干玄武岩的四次幕式活動。

而汞研究表明，全球分佈的剖面/鑽孔的汞記錄與徳幹火山活動的前兩幕相對應：第一幕德干玄武岩噴發事件，時間約爲6630萬年—6615萬年。正是因爲此次噴發，導致了大量的二氧化碳和其他溫室氣體的釋放，從而導致了白堊紀末期變暖事件（LMWE：Latest Maastrichtian warming event馬斯特裏赫特期末期變暖事件），這也使得海洋浮游有孔蟲屬種則發生部分滅絕、侏儒化、災難物種盛行（災難物種是指那些在生態系統受到重大擾動或災難事件之後，如大規模滅絕事件之後，能夠迅速擴散並佔據主導地位的物種）。

然而，第二幕德干玄武岩噴發事件更爲恐怖，時間約爲6610—6600萬年，海量的噴發不僅引起了巨大的氣候波動，還造成了大面積的海洋酸化。在“過山車”一樣的氣候變化和極度惡劣且不穩定的環境下，生物界開始連鎖性逐漸崩潰，各物種開始了萎縮和滅亡。在此背景之下，小行星的撞擊就像壓倒駱駝的最後一根稻草，給白堊紀生物們帶來了致命一擊。

德干火山肆掠下的生物滅絕（圖片來源：National Science Foundation, Zina Deretsky）

小行星的撞擊對地球造成了極端的環境影響。在撞擊發生的瞬間，高溫和衝擊波在可能瞬間消滅了撞擊區域附近的大量生命，甚至連微生物都無法倖存。

在這一劇烈的撞擊在地表形成了直徑近180千米的巨大隕石坑後，巨大的海嘯和連鎖地震進一步擴大了災難的範圍，導致更多生物的死亡。緊接着，隨着被揚起的撞擊物的落下，地球下起了火雨。大片的植物被點燃，地球被真正意義上的燃燒了起來，海量的二氧化碳和硫化物也被拋入大氣，形成的硫酸氣溶膠瀰漫全球。與此同時，由撞擊產生的大量塵埃和碎片遮蔽了太陽——地球可能在長達數年的時間內都處於暗無天日的狀態。

這種長期的陽光阻斷嚴重影響了海洋和陸地上的初級生產者，如浮游植物和植被，進而導致整個食物鏈的崩潰。隨着初級生產者的減少，生物圈陷入了一段漫長的饑荒時期，進一步加劇了生物多樣性的喪失。

由AI生成的6600百萬年前在撞擊發生後不久的Chicxulub隕石坑（圖片來源：DALL·E）

最終，中國科學家依據汞數據復原出來的白堊紀生物大滅絕過程是，首先由印度德干高原劇烈火山活動引發了全球生物多樣性衰退，然後由小行星撞擊帶來了致命一擊。

雖然這個案子破了，可德干火山活動第三幕（約65.9至65.8Ma）和第四幕（約65.6至65.5 Ma）的汞記錄尚未發現，還有待未來的科學家們再接再厲。

注：文中196Hg, 198Hg, 199Hg, 200Hg, 201Hg, 202Hg, 204Hg等，數字均爲上角標

參考文獻：

[1]Li, S.*, Grasby, S.E., Zhao, X., Chen, J., Zheng, D., Wang, H., Fang, Y., Zhang, Q., Yu, T., Tian, J., Du, S., Jarzembowski, E.A., Wang, Q., Zhang, H., Wan, X., Wang, B.*, 2022. Mercury evidence of Deccan volcanism driving the Latest Maastrichtian warming event. Geology 50, 1140–1144.

[2]Li, S. *, Grasby, S.E., Xing, Y., Jarzembowski, E.A., Wang, Q., Zhang, H. Wan, X., Wang, B., 2024. Mercury contents and isotope ratios in marine and terrestrial archives across the Cretaceous/Paleocene boundary. Earth-Science Reviews 248, 104635.

作者：王冠羣劉芸李莎

作者單位：中國科學院南京地質古生物研究所