谁是恐龙“终结者”?火山活动触发物种大灭绝

公司        2019-10-09   来源:墙角数枝梅


谁是恐龙“终结者”?火山活动触发物种大灭绝


印度西部德干地盾坚硬的熔岩流可能是恐龙灭绝的原因之一。图片来源:GERTA KELLER

谁杀死了恐龙?自从几十年前科学家在墨西哥湾发现一个巨大的陨石坑以来,答案似乎很简单:6600万年前,一颗巨大的小行星撞击地球,引发了巨大的海啸,同时尘埃遮住了太阳,导致全球气温骤降。

但这颗小行星并不是当时唯一“造访”地球的灾难。在今天的印度,当时有数不清的火山裂缝在地下裂开,释放出大量岩浆。在100万年里,这些火山喷发产生的温室气体可能会提高全球气温,破坏海洋,使生命在小行星撞击地球之前就已处于危险状态。

然而,这个被称为德干地盾的区域发生火山喷发的时间仍不确定。科学家就其在地球上60%的动植物物种(包括大多数恐龙)灭绝过程中发挥了多大作用存在争议。

近日,在两个独立研究中,研究人员使用不同的高精度测年方法,试图找出是什么导致了生命大量消亡事件。这两项研究都承认,德干地盾的火山活动(而非单由小行星的撞击)在物种大灭绝事件中发挥着作用,但两项研究在强调火山活动触发力上存在分歧。相关论文近日刊登于《科学》。 “这两项研究是在世界一流的地质年代学实验室进行的,虽然其使用不同的技术确定德干地盾岩浆活动的记录日期,但得到了非常相似的结果。这些研究表明,在引发白垩纪—古近纪灭绝的原因中,既包括小行星冲击,也包括大型火山喷发。”未参与这些研究的美国地质调查局的Seth Burgess告诉《中国科学报》,“总的来说,这两种方法都比先前所用的方法更精确且有其独特的价值。”

再见,恐龙先生

地球的生物史存在着5次物种大灭绝事件。其中最著名的便是发生在白垩纪末期的物种大灭绝,它导致了非鸟类恐龙在地球上长期统治的结束。

然而,是什么触发了白垩纪—古近纪物种大灭绝(究竟是一颗小行星的撞击或是德干地盾火山持续数千年的大规模爆发,或两者兼有)仍然存在争议。更好地了解德干地盾火山爆发时间,尤其是与希克苏鲁伯小行星撞击进行比较,有助于解决这一争议。

理解这一重大的驱动气候变化的物种灭绝事件的研究也为了解当前人类驱动的气候变化提供信息。

“白垩纪—古近纪物种灭绝抓住了公众的想象力,因为它涉及迷人的巨型动物(恐龙)的灭绝,而且,它迫使人类思考自己的死亡。”其中一篇论文的通讯作者、美国普林斯顿大学地质年代学家Blair Schoene告诉《中国科学报》,“我们现在正面临着所谓的‘第六次大灭绝’,因此,了解过去的灭绝事件,对于我们理解当前灾难性的气候变化、生态系统破坏和潜在的大规模灭绝的可能性至关重要。”

之前的研究曾试图确定德干地盾火山爆发的时间和影响,特别是与希克苏鲁伯撞击时间相比照,但大多没有结果。英国利物浦大学地质年表学家Courtney Sprain表示,以前的研究无法确定德干地盾内的白垩纪—古近纪界线。部分原因是技术精度低,而且采样不完整。“好在地质年代学和相关技术也在不断改进,因此我们的工作受益于过去几十年的经验。”Sprain说。

目前,已有证据表明,在小行星来访之前,地球的气候一直在变化。在碰撞前约40万年,地球逐渐变暖约5摄氏度,只是在大灭绝前温度骤降。一些人认为德干地盾可能是造成全球变暖的原因,这表明80%的熔岩是在希克苏鲁伯撞击之前喷发的。

寻找火山活动时间

但是新研究反驳了旧观点。其中Sprain及同事对冷却熔岩形成的玄武岩进行了取样。他们使用氩—氩年代测定法,测定了玄武岩的形成年代,从而直接判断火山喷发的时间。

Sprain团队的测年结果表明,火山喷发在撞击之前40万年就开始了,并在撞击之后开始加速,在小行星撞击后的60万年中释放了德干熔岩中的大多数(75%)。如果德干地盾引发了全球变暖,那么它们的二氧化碳排放量必须在熔岩流真正形成之前就出现了。研究人员表示,这减少了岩浆活动作为物种灭绝主要触发因子的责任。

第二项研究使用了一种不同的方法确定火山喷发的时间。Schoene领导的一个研究小组,研究了夹在玄武岩层之间的锆石晶体。

锆石通常是在冷却的岩浆内形成的矿物,其所含的铀的放射性同位素会在该矿物结晶后立刻衰变,并缓慢但稳定地以已知的速率转变成为铅的同位素。因此,这两种同位素目前在某个锆石内的比例可被用来决定其年代,且年代的不确定性可低至±4万年。

于是,研究人员用铀—铅测年法,检测了锆石个体结晶内的铀—铅同位素比。结果表明,德干地盾发生了4次高容量喷发事件,每一次持续时间约为10万年,并向环境释放了巨量的岩浆和改变气候的温室气体。这些喷发事件开始的时间比希克苏鲁伯撞击的时间早几万年。而德干喷发时释放到大气中的甲烷、二氧化碳和二氧化硫显著改变了地球的气候和环境,并在希克苏鲁伯到达很久之前就触发了大规模的物种灭绝。

然而锆石十分罕见,Schoene表示,从岩石中筛选出锆石是一项耗时数年的工作。

求同存异

Schoene说,尽管这两项研究存在不同,但在德干火山爆发的总体时间上基本一致。“如果对比两项研究的数据,会发现几乎完全一致。”

堪萨斯大学劳伦斯分校地球化学家Noah McLean说,这场比赛代表着一场胜利。几十年来,许多地质年代学技术计算出来的年代无法一一对应。但McLean说,改进的技术和校准,“帮助我们走出百万年的不确定性,得到精密的年表”。

解开恐龙灭亡之谜不仅仅是一个学术问题。Sprain说,了解火山喷发向大气中注入的二氧化碳是如何改变地球的,不仅对揭开恐龙灭绝之谜至关重要,对研究也很重要。“这是距离我们最近的一次大规模灭绝。”Sprain说,梳理行星撞击和德干地盾的作用,可能有助于人们弄清前进方向。

但Burgess表示,为了确定哪一组的解释更准确,人们需要更好的年代。“这两项研究非常令人兴奋,因为它们提示的生物灭绝知识比我们以前所知道的要多,也告诉我们还有很多东西要学,并产生了新的问题。”他说。

Burgess告诉《中国科学报》:“新问题是广泛的,但我认为其中最令人兴奋的几个问题是:如果行星撞击和火山喷发共同触发了大规模灭绝,我们能确定哪个触发对地球系统的特定部分更致命吗?它们的一致行动是否会让其变得更加致命?是否是一个对生物圈施加压力,另一个把生物圈推向临界点?为了回答这些问题,我们需要更准确的化石灭绝记录、撞击者到达记录以及德干地盾岩浆活动的时间。”