【科普文稿】恐龙到底是被谁“灭门”的？有了新证据

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在地球漫长的演化史中，出现过许多令我们感到惊奇的远古生物，比如恐龙。但可惜的是，这些远古生物中的绝大多数早已在地球大大小小的生物灭绝事件中消失了，恐龙就灭绝于大约6600万年前的白垩纪末期生物大灭绝事件中。

虽然因为以往的诸多电影和科普宣传，公众们都认为白垩纪生物大灭绝是因为一颗小行星撞击到了地球上，但实际上科学界对此依然还存在巨大争议。科学家们也在不断地寻找着“真凶”的蛛丝马迹。

最近的新发现是：导致恐龙灭绝的“凶手”不止一个，可能是“团伙作案”。

1978年，美国Dewey McLean教授最早提出他对白垩纪末期生物大灭绝原因的看法：可能是由于地球上规模巨大的火山喷发事件导致的，这种规模巨大的火山喷发事件会形成大火成岩省，并很容易被地质学家们观察到。

大火成岩省（Large igneous province，LIP）是在地壳中规模巨大的火成岩的堆积，包括侵入或喷出。1992年，研究者首次用此术语描述面积大于100,000平方千米的火成岩堆积，在几百万年甚至更短的地质时间间隔内，发生基性火成岩喷出或深处侵入。

德干大型火成岩省（DLIP）是白垩纪/古近纪（K/Pg）界线处主要玄武岩熔岩大量喷出的产物，构成了世界上已知最大的火成岩省之一（Bryan et al. 2010），覆盖超过 500 000 km²（Watts & Cox 1989; Deshpande 1998; Chandrasekharam 2003; Vaidhyanadhan & Ramakrishnan 2008; Philpotts & Ague 2009）。传统的观点认为德干大火成岩省喷发出大量温室气体导致了当时气候变暖并有可能由此引起了恐龙灭绝，通过对德干玄武岩火山灰的高精度锆石U-Pb定年进一步支持了这一观点。

但是很快，不同的声音提了出来。来自美国的物理学家Luis Alvarez（曾获1968年诺贝尔物理学奖）和他的儿子Walter Alvarez发现意大利古比奥K/Pg界线地层里含有异常高的铱元素含量。铱作为一种铂族元素的贵金属，在地壳中含量并不高，反而在小行星等“天外来客”里含量丰富，于是他们提出了影响至今的小行星撞击说。这一极具戏剧性的假说很快就吸引到了大众的关注，随后科学家们也不断发现了更多相关证据，比如在K/Pg界线之交的地层中的鱼鳃和琥珀化石中都能发现玻陨石这种小行星撞击的证据。

科学家们还确定了撞击地点，位于现今墨西哥的尤卡坦半岛上，被命名为希克苏鲁伯陨石坑（Chicxulub Crater）。这是一颗直径约为10~15千米的小行星，在撞击后形成了这个直径约为180千米，深度约为20千米的大型陨石坑。

诺奖获得者Luis Alvarez（左）和儿子Walter Alvarez（右）于1981年在意大利K/Pg界线前合影（图片来源：wikipedia.org）

来自中国科学院南京地质古生物研究所副研究员李莎多年来一直从事对这次“灭门案件”的研究，其所带领的研究团队与中国地质大学（北京）教授万晓樵等合作，对案发当时一种特殊的线索——汞进行了跟踪研究，将（K/Pg）界线附近的海相（海洋环境中形成的沉积相的总称）和陆相（陆地环境中形成的沉积相的总称）地层中的汞记录进行了综合对比。

汞（Hg），俗称水银，是常温常压下唯一的以液态存在的金属。火山活动是地质历史上重要的自然汞源，并且汞同位素可以为追踪汞源提供有效信息，所以它常常被科学家用来追踪地质史上的大型火山喷发活动。

汞有7种稳定同位素（¹⁹⁶Hg, ¹⁹⁸Hg, ¹⁹⁹Hg, ²⁰⁰Hg, ²⁰¹Hg, ²⁰²Hg, ²⁰⁴Hg），汞是少数具有显著质量分馏（简称Hg-MDF, 常用δ²⁰²Hg表示）和非质量分馏（简称Hg-MIF, 常用Δ¹⁹⁹Hg表示）的金属元素。汞同位素的分馏分为质量分馏（MDF）和非质量分馏（MIF）。Hg-MDF与一系列的物理、化学和生物过程有关，而Hg-MIF主要与二价汞（HgII）的光致还原过程有关。

火山来源的汞同位素接近于零（Zambardi 等，2009）。陆生植物通过气孔吸收大气中的汞，可能导致叶子中保留光还原信号（MIF负偏）（Blum et al., ，2014），这些过程往往会在大陆系统（包括植物、煤炭、土壤、沉积物）中产生MIF负值（Shen et al., 2019）。科学家可以通过分析Hg-MIF中汞同位素的数值大小，从而追踪汞的来源（Blum et al., 2014; Štrok et al., 2015; Kwon et al., 2020; Jiskra et al., 2021）。

研究人员整合了分布于全球各地26个关键剖面和钻孔资料，发现德干玄武岩喷发导致K/Pg界线之前或界线处的汞值与显生宙其他大灭绝事件界线处的汞数据具有相似的趋势。

鉴于火山活动在历史上多次与大规模的生物灭绝事件联系在一起，德干玄武岩的喷发尤其受到科学家的密切关注。这些喷发通常与显著的环境变化和生物多样性的大幅下降相关联，使得德干玄武岩在白垩纪末期灭绝事件中的角色显得尤为重要。

汞示踪徳干大火成岩省的全球记录 

（图片来源：南京古生物研究所）

研究人员综合对比中国的胶莱盆地和松辽盆地、印度德干高原地区Meghalaya、丹麦StevnsKlin和意大利Bottaccione剖面和钻孔样品中的汞同位素值，发现Hg-MIF接近于0，说明这些汞是由火山直接从地幔带出而没有经历光致还原过程（光激发产生化学还原作用）。

此外，研究人员还对比了中国平邑盆地、法国Bidart、意大利Padriciano和阿根廷Bajada del Jagüel的剖面和钻孔样品中的汞同位素值，发现Hg-MIF偏正，主要代表二价汞沉积，与汞的光致还原相关；而在印度德干高原地区Jhilmili剖面，Hg-MIF偏负，推测与火山造成的陆源物质的输入有关，由于陆地物质（例如土壤和植被）主要通过大气中的Hg(0)沉积来接收汞，因此汞同位素通常为负值（Blum et al., 2014）。

火山活动造成的不同汞异常所代表的地质环境示意图 （图片来源：南京古生物研究所）

Schoene等人（2019）使用铀-铅锆石定年方法，发现在徳干玄武岩喷发期间发生了四次高量喷发期——这被称为德干玄武岩的四次幕式活动。

而汞研究表明，全球分布的剖面/钻孔的汞记录与徳干火山活动的前两幕相对应：第一幕德干玄武岩喷发事件，时间约为6630万年—6615万年。正是因为此次喷发，导致了大量的二氧化碳和其他温室气体的释放，从而导致了白垩纪末期变暖事件（LMWE：Latest Maastrichtian warming event马斯特里赫特期末期变暖事件），这也使得海洋浮游有孔虫属种则发生部分灭绝、侏儒化、灾难物种盛行（灾难物种是指那些在生态系统受到重大扰动或灾难事件之后，如大规模灭绝事件之后，能够迅速扩散并占据主导地位的物种）。

然而，第二幕德干玄武岩喷发事件更为恐怖，时间约为6610—6600万年，海量的喷发不仅引起了巨大的气候波动，还造成了大面积的海洋酸化。在“过山车”一样的气候变化和极度恶劣且不稳定的环境下，生物界开始连锁性逐渐崩溃，各物种开始了萎缩和灭亡。在此背景之下，小行星的撞击就像压倒骆驼的最后一根稻草，给白垩纪生物们带来了致命一击。

德干火山肆掠下的生物灭绝（图片来源：National Science Foundation, Zina Deretsky）

小行星的撞击对地球造成了极端的环境影响。在撞击发生的瞬间，高温和冲击波在可能瞬间消灭了撞击区域附近的大量生命，甚至连微生物都无法幸存。

在这一剧烈的撞击在地表形成了直径近180千米的巨大陨石坑后， 巨大的海啸和连锁地震进一步扩大了灾难的范围，导致更多生物的死亡。紧接着，随着被扬起的撞击物的落下，地球下起了火雨。大片的植物被点燃，地球被真正意义上的燃烧了起来，海量的二氧化碳和硫化物也被抛入大气，形成的硫酸气溶胶弥漫全球。与此同时，由撞击产生的大量尘埃和碎片遮蔽了太阳——地球可能在长达数年的时间内都处于暗无天日的状态。

这种长期的阳光阻断严重影响了海洋和陆地上的初级生产者，如浮游植物和植被，进而导致整个食物链的崩溃。随着初级生产者的减少，生物圈陷入了一段漫长的饥荒时期，进一步加剧了生物多样性的丧失。

由AI生成的6600百万年前在撞击发生后不久的Chicxulub陨石坑（图片来源：DALL·E）

最终，中国科学家依据汞数据复原出来的白垩纪生物大灭绝过程是，首先由印度德干高原剧烈火山活动引发了全球生物多样性衰退，然后由小行星撞击带来了致命一击。

虽然这个案子破了，可德干火山活动第三幕（约65.9至65.8Ma）和第四幕（约65.6至65.5 Ma）的汞记录尚未发现，还有待未来的科学家们再接再厉。

作者：王冠群 刘芸 李莎

作者单位：中国科学院南京地质古生物研究所

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