Hiawatha 撞击作用是新仙女木事件的诱因吗? |《科学通报》解读

肖 龙

岩石学及行星地质学家, 现任中国地质大学(武汉)教授、澳门科技大学特聘教授。长期从事岩石学和行星地质学教学和科研工作。在类地行星火山作用及表面地质过程、火星与地球的对比研究、月球地质研究、地幔柱岩浆作用、火成岩成因等方面, 取得了多项重要成果。

Science 公布的2018 年十大科学突破之一, 是在地球北极圈格陵兰岛西北部的Hiawatha 冰川下, 发现了一个直径约31 km 的大型撞击坑(https://vis.sciencemag.org/breakthrough2018/finalists/#cell-development)。该项成果由丹麦哥本哈根大学Kjr 为首的国际科学家团队完成, 于2018年11 月发表在Science Advances 上。

该团队利用1997~2016 年间的机载雷达测声探测资料, 对格陵兰岛冰盖区域冰层和冰下地形进行研究时, 在西北部Hiawatha 冰层之下发现了一个圆形洼陷区域, 直径约31 km, 深约800 m, 中间有个微小的隆起以及零星、类似中央峰环的痕迹。这和大型复杂撞击坑的形貌特征较为吻合, 由此提出这可能是一个被冰川掩盖的撞击坑。随后, 该团队开展了实地地质调查, 并在圆形洼陷北部冰河沉积物中找到了冲击变质证据, 即发现了石英的高压变形现象——发育面状变形构造这一诊断性证据。作者还在沉积物样品中发现含量较高的镍、钴、铂系元素等亲铁元素, 从而认为这是一个铁陨石或铁质小行星碎片撞击而形成的复杂撞击坑。尽管缺乏其他撞击作用的证据, 如发育在靶岩上的震裂锥、撞击溅射物和撞击形成的重力异常等, 但文章根据其形貌和高压冲击变质矿物等证据, 将这个圆形洼陷解释为撞击作用所致是合理的。

这一发现, 使之成为第一个冰层之下被发现的撞击坑, 是地球上25 个最大的撞击坑之一, 而且是这类大型撞击坑中初始形态保存最好的。因此可以用于研究地球撞击坑的形成机制, 对于开展类地天体撞击作用的对比研究, 也有重要的意义。

那么, 需要多大的陨石撞击地球, 才能形成这么大的撞击坑呢? 该团队认为, 如果当时这一带没有冰层覆盖, 这个撞击体的直径约为1500 m, 以每秒十几千米的高速撞击地表后, 会首先产生一个直径约20 km, 深约7 km的瞬时坑。随后, 瞬时坑会由于重力平衡作用, 迅速坍塌, 形成这个直径约31 km, 深约800 m, 有中央峰的复杂撞击坑。如果该地当时已经被冰层覆盖, 就应该是一个直径更大的小行星撞击, 才能形成这么大的撞击坑。有关这次撞击事件发生的时间, 作者综合多种地形地貌及宏观地质判别标志, 认为最有可能形成于更新世。同时, 作者认为这次大撞击会释放出巨大的能量, 可能对北半球甚至全球环境造成巨大的影响。

大型撞击作用对地球生态环境造成破坏性影响是公众和科学家共同关注的重大问题之一。例如, 地球历史上的5 次生物大灭绝事件, 以及更多小规模的生物快速灭绝事件, 都被怀疑过可能与外星体的撞击有关。尽管目前较为公认的只有第五次生物大灭绝事件最有可能是外星体撞击导致的, 即6600 万年前导致了恐龙灭绝的希克苏鲁伯(Chicxulub)撞击事件。这次撞击事件在墨西哥湾形成了一个直径约200 km 的撞击坑。Kjr 等人新发现的Hiawatha 撞击事件发生在北极圈, 可能与地球历史上导致末次冰期后的新仙女木生态环境变化事件有关, 而受到高度关注。这可能也是被Science 列为2018 年度十大科学突破之一的原因。

第四纪地质研究表明, 自冰河世纪结束以后, 地球气候于大约17000 年前开始变暖, 气温逐渐回升。两极、北美和北欧的冰川开始消融, 海平面逐渐上升, 渤海、黄海、挪威海的草原被水淹没。到了13000 年前, 北美和北欧的冰雪已经融化了相当大一部分, 南北半球春暖花开, 一片繁荣景象。但是, 就在这时(大约在12640 年前), 气温又骤然下降了, 世界各地转入严寒, 两极和阿尔卑斯、青藏高原等地的冰盖扩张, 许多本来迁移到高纬度地区的动植物大批死亡, 包括长毛猛犸象和其他生物的灭绝, 也让美国印第安克洛维斯人从此消失。这一次降温很突然, 降温幅度也很大, 直到11500 年前, 气温才又突然回升。这就是地球历史上著名的新仙女木事件, 时间为距今12900~11500 年期间。

新仙女木事件发生得非常突然, 至今仍未有足够的证据阐明其产生的原因。有关仙女木事件的触发机制的主要观点包括融冰淡水驱动假说、彗星撞击假说、气候自然变化假说、大气驱动假说、低纬驱动假说和太阳活动变化等。

作为比较流行的假说之一, 彗星撞击假说首先是由Firestone 等人于2007 年提出的。Firestone 等人在北美一套形成于12900 年的黑色碳质岩层之下, 发现了已经灭绝的更新世巨型动物的原地骨骼, 以及克洛维斯人的工具组合, 其成果发表在Proc Natl Acad Sci USA。在这篇论文中, 作者将克洛维斯期的多处高铱沉积、磁性颗粒、磁性微球、木炭、碳小球、含纳米金刚石的玻璃碳等现象, 归结为一个或多个大的、低密度的天体(如碳质球粒陨石、彗星)在北美北部上空爆炸, 部分破坏了劳伦泰德冰原的稳定, 并引发了新仙女木期的降温。冲击波、热脉冲和与事件相关的环境影响(例如, 大规模的生物质燃烧和食物短缺)促成了北美古美洲人在更新世末期的大灭绝和适应性转变。

这一观点一经提出, 就被高度关注且备受争议。支持者继续补充了多个与撞击作用有关的证据, 包括同时期形成的纳米钻石、冲击变质石英、焦石英、炉渣状物质等。而反对者也提出了很多质疑, 否认撞击事件导致了新仙女木事件的发生。例如, 所谓的碳质球体可能是真菌菌核, 并且在加州Channel 岛更新世-全新世地层中普遍存在, 先前被报道的纳米钻石也没有被再次找到, 边界层中所谓的高浓度铱元素异常没有得到确认等。Van Hoesel 等人认为, 支持陨石爆炸和由此引起大面积森林大火和大型动物突然灭绝的证据都已经基本被否定或质疑, 而且, 即使有撞击作用发生, 不同地点沉积物记录的时间差异也不支持是由单一撞击事件所致。

那么, 本项成果对解决上述争议有何贡献呢? 从论文提供的研究结果来看, 笔者认为并没有提供更多诊断性的新证据来支持Hiawatha 撞击诱发了新仙女木事件。首先, 原文作者没有获得这次撞击事件的准确时间, 仅仅依据基底冰川的扰动是不能确定其形成年龄的, 况且撞击事件会彻底摧毁和融化撞击点的冰层, 而不仅仅是扰动。作者将该撞击事件的时间大致推测为更新世, 也还需要更多直接证据去支持。值得注意的是, 如果这次事件形成于13000 年左右, 那么所产生的撞击溅射物应该被保存在周边第四纪沉积物中, 尤其是冰芯中。然而, 格陵兰岛其他地方的冰芯记录了过去10 万年的信息, 却没有发现任何撞击碎片的迹象。其次, 对本次撞击事件的环境与生态影响评估都尚未进行。因此, 目前还没有找到二者存在因果关系的关键证据。

尽管Science 似乎有意将这次撞击事件的时间与新仙女木事件进行关联, 并以“Ice age impact”为题对该成果进行了评述(https://vis.sciencemag.org/breakthrough2018/finalists/#cell-development), 但是该项研究的成果尚不足以证明二者存在必然联系。如果要继续查证该撞击事件与新仙女木事件之间的关系, 以下工作值得重点关注: (1) 确定Hiawatha 撞击事件发生的时间; (2) 确定撞击溅射物的分布区域, 评估气候环境影响强度和范围; (3) 开展与北美及其他地区新仙女木事件相关地质记录的对比研究, 确定其因果关系; (4) 模拟本次撞击过程及其气候环境效应, 评估导致新仙女木事件的可能性等。

在地球的形成和后期演化历史中, 撞击作用一直扮演着重要的角色, 因此备受公众和科学界所关注。迄今为止, 地球表面被证实的撞击坑有197 个, 其中, 南美洲13 个、北美洲62 个、非洲20 个、欧洲43 个、大洋洲28 个、亚洲31 个(其中中国境内仅有一个)(http://www.meteorimpactonearth.com/meteorite.html)。Hiawatha 撞击坑的发现, 提供了一个新的、形态保存最好的地球大型复杂撞击坑范例, 为开展类地天体撞击作用研究提供了极好的对照样本。考虑到撞击作用本身的重要性及其对气候和生态环境的影响, 撞击坑的寻找和确认是一项十分重要的工作, 在此基础上的深入研究可以帮助回答地球历史中的很多存疑问题。

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肖龙. Hiawatha 撞击作用是新仙女木事件的诱因吗? 科学通报, 2019, 64（22）: 2270 ~ 2273

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