發生於大約6600萬年前的白堊紀-古近紀（K-Pg）生物大滅絕事件，被認爲導致了包括恐龍在內的大量生物的滅絕。自1981年美國Alvarez父子基於K-Pg界線地層中的“銥元素”異常提出小行星撞擊理論，特別是直徑數百公里的同期希克蘇魯伯（Chicxulub）撞擊坑發現以來，小行星撞擊地球導致恐龍在內的白堊紀末生物大滅絕這一理論就吸引了很多人的關注，並變得幾乎人盡皆知。

儘管人們已經知道這次撞擊事件給地球環境和生物演化帶來了毀滅性打擊，但關於這場災難發生的細節我們仍知之甚少。由於缺乏同時期形成的高精度沉積記錄，人們對小行星撞擊在最初幾小時到幾天內會對地球生命和環境造成怎樣的影響認識非常有限，而這正是理解整個災難事件的關鍵一環。

幸運的是，科學家們發現在一些特殊環境中形成的特異埋藏地層，就像是地球歷史的“時間膠囊”，記錄和保存了很多地球歷史細節，可以幫助我們更好地瞭解這次小行星撞擊和恐龍滅絕。

其中最著名的地層剖面被稱爲塔尼斯（Tanis）遺址，被認爲是近年來K-Pg界線研究的最重大發現，擁有關於這次撞擊事件豐富的生物化石和撞擊記錄，科學家們對其進行了長期的研究，並取得了非常豐富的成果。

地獄之門——塔尼斯的發現歷程

塔尼斯遺址位於美國西北部的北達科他州，距離希克蘇魯伯撞擊坑約3000公里（圖1）。與現今的陸地環境不同，6600萬年前的塔尼斯地區處於北美內陸海道西岸(WIS)附近的古老河谷之中，此時正在沉積的地層後來被命名爲地獄溪（Hell Creek）。

塔尼斯遺址古地理位置和現今地貌（左圖修改自維基百科，右圖修改自Ali Pares/BBC，站立者爲Robert DePalma）

塔尼斯遺址最初是由美國北喬治亞大學教授史蒂夫·尼克拉斯（Steve Nicklas）和古生物學家羅布·蘇拉（Rob Sula）於2008年發現的。他們在對塔尼斯的初步研究中意識到了該處地層的獨特性，便請來了堪薩斯大學的研究生羅伯特·德帕爾馬（Robert DePalma）進行深入的挖掘工作。童年時便已是狂熱古生物化石愛好者的DePalma抓住了這一機遇。從2012年開始，DePalma在幾乎完全保密的情況下對該遺址進行了系統性的挖掘和研究。

圖2. 塔尼斯遺址中撞擊相關物質。(A) Chicxulub撞擊事件產生的位於K-Pg事件沉積物頂部的銥富集的薄層（高亮）。(B) 具有面狀變形頁理的衝擊石英。（C-D）黏土化的濺射球粒。(E) 未蝕變的撞擊玻璃。

當DePalma及其研究團隊公佈在塔尼斯遺址中的發現後，震驚了科學界，其獨特程度甚至讓很多科學家懷疑其真實性。除了K-Pg界線的常客如富銥粘土、撞擊球粒和衝擊石英外（圖2），他們還在塔尼斯遺址中發現了很多動植物批量快速死亡的殘酷景象。

例如：大量未經歷腐爛過程的動植物被快速埋藏，淡水和鹹水生物混雜交錯；重重疊疊的魚類屍體，嘴巴大張，身體痙攣，很多魚鰓中吸入了撞擊微玻璃球粒；有的龜類身體被樹木直接刺穿，還有包括恐龍在內的不少動物身首分離……。這些化石均位於K-Pg富銥粘土層之下，但與撞擊濺射玻璃共生，顯示它們受海嘯襲擊突然死亡和快速埋藏發生在小行星撞擊後不到一小時之內。如此快速的海嘯不可能來自遠在3000公里外墨西哥灣的撞擊點，而只可能由撞擊觸發的地震波引起。

可以想象一下當時的場景：這本是6600萬年前塔尼斯河畔平常的一天，突然一個巨大火球掠過天際，伴隨着一道強光閃過後一切發生了改變。大地發生劇烈抖動，緊接着倒灌的高達十數米的海嘯水牆席捲河畔，附近的幾乎所有動植物在轉瞬間被水流裹挾、攪拌着帶入河谷和低地（圖3），在劫難逃。數十分鐘後，撞擊熔融形成的熾熱玻璃物質鋪天蓋地降落，撞擊產生的塵埃雲也遮天蔽日而來，日光暗淡，空氣渾濁難以呼吸，甚至連水中也充斥着不斷沉降的微小玻璃珠和其他塵埃，瞬間塔尼斯河畔“死氣沉沉”，不啻地獄般的場景。

圖3. K-Pg界線撞擊發生時塔尼斯的卡通場景（圖自Robert DePalma）

災難發生的季節

2021年12月，DePalma和他的團隊發表了塔尼斯與希克蘇魯伯小行星撞擊事件同期的魚類化石研究成果。

他們專注於這些化石的組織結構，比如骨骼生長環的厚度和間隔，以及氧、碳等特定元素的同位素比值的週期性變化，對這些魚在死亡前的生長模式和季節性變化進行了分析，從而對希克蘇魯伯災難性撞擊事件發生的季節進行了精確定位，推斷出這次撞擊事件可能發生在北半球春季或夏季。儘管後來DePalma的部分實驗數據的嚴謹性受到了其他科學家的質疑，並給他帶去了不小的麻煩，但這些並不影響文中得出的撞擊發生在北半球春季或夏季這一基本結論。

緊接着，荷蘭阿姆斯特丹自由大學的研究生During及其合作者於2022年1月在Nature雜誌發表了類似的研究成果。

他們通過高分辨率的同步輻射斷層掃描技術（PPC-SRμCT）和顯微X射線熒光光譜（M-XRF）對塔尼斯遺址沉積物中魚類化石的骨骼組織和同位素組成進行了研究（圖4）。通過分析魚類化石所記錄的年度生長週期和碳、氧同位素變化，他們認爲希克蘇魯伯小行星撞擊發生在北半球春季，這與DePalma的研究結論吻合，而且更精確地限定了這次撞擊發生的時間範圍。

圖4. 鱘鰓CT掃描重建圖及骨骼成分分帶圖

DePalma和During等人對塔尼斯的研究對於我們理解希克蘇魯伯撞擊造成的K-Pg滅絕事件、地球環境以及生態系統的演化模式具有重要意義。此外，科研人員對塔尼斯遺址的研究還爲我們提供了關於全球氣候變化對生物多樣性影響的重要歷史視角，推動了對白堊紀末期地球氣候和生態轉變的重建。

塔尼斯記錄的生物大滅絕原因

除了撞擊季節的記錄，塔尼斯遺址也爲我們探索K-Pg界線生物滅絕，特別是恐龍這一昔日“地球霸主”滅亡的原因提供了新的視角。

2023年10月，來自比利時的Senel及其研究團隊結合激光衍射粒徑分析、古氣候和計算機模擬等方法研究了塔尼斯遺址的沉積層，發現這些6600萬年前在希克蘇魯伯撞擊事件中產生的硅酸鹽塵埃遠比我們想象的更爲細小。它們的粒徑主要分佈在0.8~8.0微米，這種微米級的硅酸鹽塵埃顆粒在大氣中的漂浮壽命可能長達15年。這些塵埃顆粒，連同撞擊產生的硫和野火產生的煙霧等可能導致全球表面平均溫度下降達25°C（圖5）。

圖5. 白堊紀末期 2 年到撞擊後 25 年的硅酸鹽塵埃、硫、煙塵和組合情景的時間演變曲線圖。（a）全球平均地表溫度變化；（b）全球細顆粒噴出物質量。

溫度的急劇下降本身就會對恐龍的生命活動造成致命性打擊，加上大氣中瀰漫的塵埃遮蔽了陽光，使得植物的光合作用停止，導致K-Pg邊界時期陸地和海洋初級生產力崩潰，從而引發一系列的食物鏈連鎖反應。這種環境的劇變加上食物的缺乏，很容易使恐龍等處於食物鏈頂端的生物滅亡，並引發全球大規模的生物滅絕。

Senel等人的研究揭示了希克蘇魯伯小行星撞擊產生的塵埃對恐龍和其他生物大規模滅絕的關鍵影響，顯示正是這些綜合的環境壓力和生存條件的改變導致了K-Pg邊界的大規模生物滅絕。這一研究也爲白堊紀-古近紀界線氣候變化和恐龍滅絕是如何受到地外天體撞擊事件的影響提供了新的解讀。

來自塔尼斯遺址的最新研究

今年五月初，著名的行星科學雜誌JGR上線了來自美國華盛頓大學LeVeque教授團隊的一項最新研究成果。他們以極高的時間分辨率爲我們講述了小行星撞擊地球之初的1-2個小時內發生的故事細節。

地質記錄顯示，一個位於當時存在的美國西部內陸海道(WIS)上游的洲壩上（塔尼斯遺址一部分），希克蘇魯伯撞擊後的1-2小時內發生了兩次高達十米的巨浪，形成了一套具有雙向（流入和迴流）沉積特徵的地層。正如前面所提到，從撞擊地點傳來的海嘯波浪不可能在如此短的時間內到達，所以這一特殊沉積發生的原因難以通過傳統的海嘯機制進行解釋。

他們根據遺址中的淡水、鹹水化石混合情況和歷史海嘯觀測記錄，基於地震激發水波傳播的理論，構建了數學模型研究了在希克蘇魯伯撞擊後，海浪將如何在西部內陸海道（WIS）中生成並傳播到塔尼斯。他們認爲，撞擊相關地震波或者衝擊波均不足以激發塔尼斯遺址所記錄的巨大長週期海浪，進而探討了撞擊地震波引發的局部海盆的垂向位移，海底或沿岸大型滑坡引發海嘯的可能性。儘管由於存在諸多變量，尚無法判斷具體機制，但這些工作表明，塔尼斯遺址不單是古生物的寶庫，還是人們瞭解在小行星撞擊的極端場景下可能發生的地質災害的實驗場。

結語

儘管仍有很多謎團尚未解開，但塔尼斯遺址無疑提供了這次驚天大撞擊和恐龍等生物滅絕的最開始那短暫一瞬的快照，爲人們開啓了一窺諸多關於小行星撞擊和生物大滅絕過程細節的大門，包括撞擊產生的直接影響（如強烈的地震波、地震引發的海嘯和快速的沉積埋藏等）、撞擊引發事件的時間序列、生物滅絕的可能原因等。相信隨着研究的不斷深入，塔尼斯遺址有望爲地外撞擊事件與地球環境和生物演化等之間的關聯提供更豐富的解答。

參考文獻

[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.

作者簡介

張桃：中國科學院紫金山天文臺碩士研究生，主要從事天體化學和微隕石研究。

廖世勇：中國科學院紫金山天文臺副研究員，研究方向爲隕石學和天體化學。