肖恩·B.卡羅爾+晨飛

位于翁布里亞英吉諾山坡上的意大利老城古比奧因有許多保存完好的歷史遺跡而聞名。它是公元前2世紀至公元前1世紀時伊特魯里亞人建造的，古城的羅馬劇場、政府官邸、各種教堂和噴泉在羅馬時代、中世紀以及文藝復興時期都是引人入勝的景觀。

奇怪的K-T邊界

但年輕的美國地質(zhì)學家沃爾特· 阿爾瓦雷茲來到古比奧，并不是因為那些古老的建筑，而是因為城墻外的巖層，那

里保存著時代更為久遠的自然史。剛出城門就是地質(zhì)學家夢寐以求的去處——地球上最大的石灰?guī)r序列。當?shù)厝税焉窖?/p>

及該區(qū)域峽谷一帶露出的引人注目的粉紅色巖層稱為斯卡格里亞·羅莎（“斯卡格里亞”的意思是鱗片或薄片，指該巖石可被輕松地鑿成方塊供建筑使用，羅馬劇場用的就是這種石頭；“羅莎”指的是它的顏色）。這種巨大的構(gòu)造有許多層，總共大約400米厚。這些巖石原本是古老的海床，代表著大約5000萬年的地球史。

長期以來，地質(zhì)學家一直借助化石識別世界各地的巖石記錄，沃爾特也是用這種方法來研究古比奧周圍的巖層構(gòu)造。他遍搜這里的石灰?guī)r，試圖發(fā)現(xiàn)微小生物的貝殼化石。這類微小生物被稱為有孔蟲類，是一組單細胞的原生生物，只

有通過放大鏡才能看到。但是，在分隔石灰?guī)r層的1厘米厚的黏土層中，他沒有發(fā)現(xiàn)任何化石。而且，在這層黏土下較古老的石灰?guī)r層中發(fā)現(xiàn)的有孔蟲，比這層黏土上較年輕的石灰?guī)r層中的種類多、個頭大。在古比奧周圍的巖層中都有這樣一層黏土，黏土層上下的石灰?guī)r層中有孔蟲都有這樣的區(qū)別。

沃爾特感到很疑惑。是什么造成了有孔蟲的這種變化？這一變化發(fā)生得有多快？這樣薄的一層不含有孔蟲的黏土代

表了多長的地質(zhì)時間？

平凡無奇的顯微生物、近400米厚的巖床中僅1厘米厚的黏土層，圍繞著它的問題看上去似乎并不重要，但在尋求這些問題的答案的過程中，沃爾特發(fā)現(xiàn)了生命歷史上最重要的時期之一。

這一時期被叫作K-T邊界。

從化石分布和其他地質(zhì)學數(shù)據(jù)來看，古比奧構(gòu)造涵蓋了白堊紀和第三紀。地質(zhì)時期的名稱源于早期地質(zhì)學家關于地球歷史主要間隔的觀點，以及一些能夠代表特定時期的特征。其中的一個體系將生命歷史劃分為三個紀元：古生代（“古老的生命”，第一批動物）、中生代（“中間的生命”，恐龍時代）、新生代（“近期的生命”，哺乳動物時代）。白堊紀是中生代的最后1/3，其名稱源于地質(zhì)結(jié)構(gòu)中標志性的白堊黏土沉積。第三紀（已被重新命名并劃分為古近紀和新近紀）起始于6500萬年前白堊紀末期，結(jié)束于260萬年前第四紀開始。

沃爾特和他的同事比爾·勞瑞花了好幾年時間研究古比奧構(gòu)造，從那里的巖層中取樣。最初，他們想通過將地球磁場翻轉(zhuǎn)和化石證據(jù)相關聯(lián)，來解讀地球歷史的時間尺度。他們通過特定沉積物中的有孔蟲特征來確定巖石的形成年代，通過白堊紀和第三紀巖層的界線來辨別地質(zhì)時間。對于有孔蟲多樣性和尺寸的急劇減少，這個界線的預測總是正確的。下方巖層是白堊紀，上方是第三紀，而中間的薄黏土層是兩個世代間的斷層，被稱為K-T邊界。

在距古比奧1000千米的西班牙東南海岸卡拉瓦卡，一位叫讓·斯密特的荷蘭地質(zhì)學家在K-T邊界兩邊的巖層中發(fā)現(xiàn)了類似的有孔蟲的變化模式。斯密特知道，K-T邊界標記著著名的恐龍滅絕事件。當有同事向沃爾特指出這一點時，沃爾特便對有孔蟲和K-T邊界更感興趣了。

當時，沃爾特在地質(zhì)學方面相對還是個新手。隨著他對地磁場翻轉(zhuǎn)的研究進展順利，他意識到古比奧巖層中有孔蟲

的突然變化和K-T滅絕揭示了一個更大的謎團。他決定解開這個謎團。

顯然，沃爾特要回答的第一個問題就是，這一黏土層的形成經(jīng)過了多長時間。為了解答這一問題，他需要獲得一些

幫助。對孩子們來說，在科學項目上得到家長的幫助是很常見的，但像沃爾特這樣在快40歲的時候還能得到家長的指導，是非常罕見的。沃爾特有一個偉大的父親。

測定K-T邊界的形成時間

沃爾特的父親路易斯·阿爾瓦雷茲對地質(zhì)學和古生物學知之甚少，但是他精通物理學。他是核物理學產(chǎn)生和發(fā)展的核心人物之一。自1936年在芝加哥大學獲得物理學博士學位之后，他在歐內(nèi)斯特·勞倫斯的指導下，在加利福尼亞大學伯克利分校工作。勞倫斯因為發(fā)明了回旋加速器而獲得了1939年的諾貝爾物理學獎。

路易斯早期的工作被第二次世界大戰(zhàn)打斷了。在戰(zhàn)爭的第一年，他的工作是研發(fā)在能見度極低的情況下讓飛機安全

著陸的雷達導航系統(tǒng)。他因為研發(fā)了適用于惡劣天氣著陸的地面控制進場系統(tǒng)（GCA）而獲得了航空界的至高殊榮——科利爾獎。

在戰(zhàn)爭期間，他被招募進了“曼哈頓”計劃，一個旨在制造原子彈的高度機密的國家項目。路易斯和他的學生勞倫

斯· 約翰斯頓設計了原子彈的雷管系統(tǒng)。之后，“曼哈頓”計劃的主管羅伯特· 奧本海默讓他接手測量原子彈爆炸釋放的能量。路易斯是目睹最初兩顆原子彈爆炸的極少數(shù)人之一，他以科學目擊人的身份參與了在新墨西哥州沙漠進行的第一顆原子彈引爆試驗，以及隨后在日本廣島投下原子彈的兩次飛行。

戰(zhàn)后，路易斯回歸了物理學研究。他發(fā)明了跟蹤物理粒子行為的大型液態(tài)氫氣泡室。1968年，路易斯因為對粒子物

理學方面的貢獻獲得了諾貝爾物理學獎。

這看上去像是一個輝煌事業(yè)的頂點。但是數(shù)年之后，他的兒子沃爾特來到了他曾經(jīng)工作多年的伯克利分校，加入了

地質(zhì)學系。這給了父子二人談論科學的更多機會。一天，沃爾特送給父親一塊經(jīng)過拋光的古比奧K-T邊界的巖石，并向

父親闡述了其中蘊藏的謎團。當時已經(jīng)快70歲的路易斯著了迷，開始思考怎樣才能幫助沃爾特破解這個謎團。他們展開

了一場頭腦風暴，思考如何對K-T邊界周圍的變化速率進行測量。他們需要找到某種原子時鐘。

路易斯是放射性元素和衰變方面的專家，他首先建議測量K-T黏土中鈹- 10的含量。由于宇宙射線的作用，這種鈹?shù)耐凰卦诖髿鈱又性丛床粩嗟禺a(chǎn)生。黏土的年代越久遠，鈹-10的含量就會越高。路易斯為沃爾特引見了一位知道如何測量這一數(shù)值的物理學家。就在沃爾特著手進行測量工作的時候，卻得知已發(fā)表的鈹-1 0的半衰期是錯誤的，實際的半衰期要短很多。這就意味著，經(jīng)過6500萬年之后，巖石中的鈹- 10已經(jīng)所剩無幾，很可能無法測量了。

幸運的是，路易斯有了另一個主意。

路易斯認為，隕石里的鉑系元素含量比地殼里高得多，達10000倍以上，而且外層空間的塵埃落向地球的速率應該是恒定的；因此，通過測量巖石樣品中太空塵埃（鉑系元素）的含量，就可以推算出這些巖石形成所需的時間。

這些元素的含量并不高，卻是可測量的。沃爾特認為，如果黏土層是經(jīng)過上千年沉積的，它里面鉑系元素的含量就可以被測量到；但如果黏土層是在短期內(nèi)快速沉積的，就檢測不到這些元素。

后來，路易斯提出用測量銥來代替測量鉑，因為銥更容易被檢測到。路易斯也認識進行這類測量工作的科學家，即在伯克利分校放射實驗室工作的核化學家弗蘭克·阿薩羅和海倫·米歇爾。

沃爾特給阿薩羅一些古比奧K-T邊界的樣本。9個月后，沃爾特接到了父親打來的電話，說阿薩羅要給他們展示實驗結(jié)果。他們本來以為，這些樣品中會含有0.1PPb（PPb，濃度單位，10-9克/米3）的銥元素。但結(jié)果是，阿薩羅在樣品中找到了3PPb的銥元素。這是他們期待值的30倍，也是其他巖層中銥元素含量的30倍。

為了防止過度猜測，弄清如此高水平的銥元素含量是古比奧四周巖石的特例還是更為普遍的現(xiàn)象是非常重要的。沃

爾特出發(fā)了，去尋找另一個可以采集樣品的裸露的K- T邊界。在丹麥哥本哈根南部一個叫史蒂文斯克林特的地方，他找到了。他察看了當?shù)氐酿ね翆?，立刻認為當這一層黏土沉積的時候，“丹麥海底發(fā)生了一些不太愉快的事情”。這里的

巖層斷面幾乎完全是由白堊巖構(gòu)成的，充滿了各種化石。但是K-T邊界的那一層薄薄的黏土是黑色的，有硫黃的刺鼻氣味，并且在其中只能看到魚骨。沃爾特推測，在這一層黏土沉積的時期，海洋是缺氧的，就像一片墳場。他采集了樣品，并將它們寄給了弗蘭克·阿薩羅。

測量的結(jié)果是，這層黏土中銥元素的含量是背景的160倍。

于是，沃爾特建議斯密特對他采集的黏土樣品中的銥元素含量也進行測量。結(jié)果是，在西班牙采集到的黏土樣品中同樣出現(xiàn)了銥元素的峰值，在新西蘭的K-T 邊界采集的黏土樣品也一樣。這就說明，這一現(xiàn)象是全球性的。

在K-T邊界形成的時期必定發(fā)生了非常不尋常、非常糟糕的事情。有孔蟲、黏土、銥元素、恐龍滅絕，這些都是信號——但是，這些信號揭示了什么？

K-T邊界是怎么產(chǎn)生的

阿爾瓦雷茲父子認為銥元素來自外太空。他們認為這是一起超新星爆發(fā)事件，一顆恒星的爆炸會將自己的元素碎片

灑向地球。這一觀點之前曾經(jīng)在古生物學和天體物理學界流行過。如果這一觀點是正確的，那么在K-T邊界的黏土層中，

除銥之外的其他元素含量也會顯示出非正常。需要測量的關鍵同位素是钚-244，它的半衰期是7500萬年。黏土層中應當含有一定量的钚-244，而普通巖石中的钚-244應該早已衰減掉了。但經(jīng)過嚴密的測量，他們并沒有檢測到高含量的钚。每個人都覺得很喪氣，但是勘察還在繼續(xù)。

路易斯仍然在思考，什么樣的情況可以產(chǎn)生全球范圍的滅絕。他考慮了好幾種可能的場景，但都沒能站得住腳。伯克利的一位天文學家克里斯·麥基提示，或許是一顆小行星撞擊了地球。最初，路易斯認為這種情況只能產(chǎn)生潮汐，而且他無法想象潮汐怎么可能讓蒙大拿或者蒙古的恐龍滅絕。

然后，他想到了1883年印度尼西亞喀拉喀托島上的火山爆發(fā)，想起數(shù)千米厚的巖層被炸得粉碎，細碎的粉末顆粒在

全球范圍內(nèi)飄浮了2年多。路易斯還知道，原子彈爆炸產(chǎn)生的放射性元素會在半球之間迅速混合?；蛟S一次大撞擊會讓大

量塵埃遮天蔽日，在若干年中使地球暗無天日、持續(xù)降溫，并且阻斷了所有的光合作用？

如果是這樣，這顆小行星需要有多大？

利用黏土層的銥元素含量、球粒隕石的銥元素含量，以及地球表面積，路易斯推算出，這顆小行星的質(zhì)量大約在3000億噸，也就是說，它的直徑是10±4千米。

跟地球13000千米的直徑相比，這顆小行星的直徑看上去似乎并不大。但想想撞擊釋放的能量：這顆小行星進入大氣層的速度大約是25千米/秒——超過80000千米/時。它會在大氣層中“鑿”出一個直徑10千米的洞，并以相當于1.08億噸TNT的能量撞擊地球。（目前引爆的最大的原子彈釋放的能量大約是100萬噸TNT當量，這顆小行星撞擊釋放的能量是它的100倍。）以這種能量，撞擊坑應該有200千米寬、40千米深，撞擊釋放的物質(zhì)顆粒是不計其數(shù)的。

小行星高速穿過大氣層，將它前方的空氣加熱到太陽溫度的若干倍。撞擊時，小行星蒸發(fā)，無數(shù)火球噴向宇宙空間，巖石顆粒隨之被噴射，遠至地月距離的一半。巨大的沖擊波穿透基巖，反射至地表，將熔化的巖石塊拋向大氣層邊緣，甚至更遠。被撞擊的石灰?guī)r基巖因承受太大壓力，噴射出第二個火球。撞擊地點周圍數(shù)百千米內(nèi)的生命滅絕了。更遠處，噴向宇宙空間的物質(zhì)高速落向地球表面，就像數(shù)以萬億計的隕石，在重新進入大氣層時被加熱，使空氣升溫，點燃火苗。海嘯、滑坡、地震進一步將撞擊點附近的地表撕裂。

在其他地方，死亡來得要慢一些。

大氣中的殘骸和碎渣將太陽遮蔽起來，地球上的黑暗可能持續(xù)了數(shù)月。這種情形阻斷了光合作用，從底部終止了食

物鏈。對植物化石和花粉粒的分析表明，在某些地點，多半的植物種類都消失了。處于食物鏈上端的動物不得不向死亡屈服。K-T邊界不僅僅標記著恐龍的終結(jié)，其他一些物種，比如箭石、菊石以及海洋爬行動物，都走到了終點。古生物學家估計，地球上一多半物種都滅絕了。陸地上，所有體重超過25千克的生物都滅絕了。

這是中生代的終結(jié)。

小行星撞擊產(chǎn)生的坑在哪里？

路易斯、沃爾特、弗蘭克·阿薩羅以及海倫·米歇爾將整個故事串聯(lián)起來：古比奧有孔蟲、銥元素含量異常、小行星撞擊產(chǎn)生的殺傷力。這個故事令人嘆服地結(jié)合了數(shù)個科學領域，在現(xiàn)代科學文獻史上，其包含的范疇可能是其他任何一篇論文也無法比擬的。讓·斯密特和讓·赫托根在《自然》雜志上發(fā)表的對西班牙K-T邊界巖石的研究，得到了相似結(jié)論。

他們擔心科學界沒有做好準備接受這一撞擊假說。在過去150年中，從現(xiàn)代地質(zhì)學發(fā)端起，地質(zhì)學界的觀點都著眼在逐漸演變上，地質(zhì)科學已經(jīng)排除了《圣經(jīng)》故事中描繪的巨大災難場景。地球上發(fā)生過如此重大的災難性事件的想法，不僅僅是令人不安的，更被認為是不科學的。在這篇有關小行星撞擊假說的文章發(fā)表之前，科學界對恐龍滅絕的解釋通常都是氣候或者食物鏈的逐漸變化導致動物無法適應。

一些地質(zhì)學家對這一災難性場景嗤之以鼻，一些古生物學家完全沒有被小行星假說說服。有人指出，保存恐龍化石

最多的巖層在K-T邊界下方3米；有人認為在小行星撞擊的時候，恐龍已經(jīng)滅絕了；還有古生物學家說，恐龍化石太過稀少，不可能指望在K-T邊界輕松找到。他們認為，有孔蟲和其他生物化石是更有說服力的證據(jù)，并且有孔蟲和菊石化石確實一直持續(xù)到K-T邊界。

當然，還有一個更大的問題需要解釋——那個巨大的撞擊坑到底在哪里？對懷疑者和支持者來說，這都是最關鍵的

一環(huán)。因此，對這個撞擊坑的搜尋開始了。

當時，地球上已知的直徑大于100千米的隕石坑只有三個，但沒有一個的形成年代是吻合的。如果小行星的撞擊點是覆蓋地球表面2/3還要多的海洋，那這些搜尋者就沒什么好運氣了——深海地形并沒有得到很好的繪制，而且第三紀之前的海底有很大一部分已經(jīng)在板塊運動中消失了。

在小行星假說提出后的10年中，很多線索和蹤跡最后都走進了死胡同。越來越多的搜尋失敗的例子讓沃爾特開始相

信，撞擊確實發(fā)生在海洋中。

正在此時，得克薩斯的一處河床出現(xiàn)了一絲線索。布拉索斯河匯入墨西哥灣，沙質(zhì)河床正好處在K-T邊界上。熟悉海嘯后沉積模式的地質(zhì)學家經(jīng)過仔細考察，發(fā)現(xiàn)該沙質(zhì)河床擁有只可能由巨型海嘯造成的特點，當時的海嘯可能比100米還高。并且，跟海嘯殘留物混在一起的還有熔融石（從撞擊坑以熔化形式噴射出的玻璃狀巖石），它們重新降落到地表時

已經(jīng)冷卻了。

很多科學家在搜尋撞擊地點，亞利桑那大學的研究生艾倫·希爾德布蘭德是其中最執(zhí)著的一位。艾倫認為布拉索斯河的海嘯河床是尋找隕石坑的重要線索，這個隕石坑應該在墨西哥灣或者加勒比海。他察看了已有的地圖，在哥倫比亞北部海底找到了一處圓形地貌。他聽說在墨西哥尤卡坦半島的海岸上有一些圓形的重力異常區(qū)域，這些區(qū)域內(nèi)的質(zhì)量、

密度是變化的。

艾倫努力地搜尋其他線索，以證明自己的推測在正確的軌道上。艾倫注意到一篇關于在海地白堊紀晚期的巖石中發(fā)現(xiàn)熔融石的報道。他拜訪了撰寫這篇報道的實驗室，并且立刻認出那些樣品是撞擊熔融石。之后他去了海地，發(fā)現(xiàn)那里的沉積物中有非常大的熔融石，以及被震碎的石英顆粒——這是大撞擊的另一個標志。因此，他和他的導師威廉·博因頓推測撞擊點在海地附近1000千米以內(nèi)。

當他們在一個學術會議上宣布這一發(fā)現(xiàn)的時候，《休斯敦紀事報》的記者卡洛斯·比亞爾斯聯(lián)系了他們。比亞爾斯

告訴他們，為墨西哥國有石油公司PEMEX 工作的地質(zhì)學家或許在許多年前就發(fā)現(xiàn)了這個隕石坑。格倫·彭菲爾德和安東尼奧·卡瑪格研究了尤卡坦地區(qū)的重力異常現(xiàn)象，但PEMEX公司不允許他們公布研究數(shù)據(jù)。不過，在1981年的一次會議上

（也就是阿爾瓦雷茲提出小行星撞擊假說后的第二年），他們提到他們測繪的地形或許就是那個隕石坑，彭菲爾德還曾寫信給沃爾特指出這一點。

1991年，艾倫、博因頓、彭菲爾德、卡瑪格及其同事正式提出，位于尤卡坦半島?？颂K魯伯村下方500米、直徑180千米（幾乎跟阿爾瓦雷茲團隊推算出的直徑一致）的隕石坑，就是大家一直在尋找的K-T撞擊坑。

當然，為了確認這一點，還有重要的測試要做。首先是巖石的年代，想知道這一點并不是一項簡單的任務，因為隕石坑是被埋起來的。最好的方法是通過PEMEX公司幾十年前在該地區(qū)鉆的礦井來采集并分析鉆芯的巖石樣本。測定結(jié)果讓

人嘆為觀止，一個實驗室得出的數(shù)據(jù)是6503萬年，另一個得出的數(shù)據(jù)是6560萬年——與K-T邊界的年代吻合。

在海地發(fā)現(xiàn)的熔融石的形成年代也是這一時期，它們是因撞擊而噴射出的物質(zhì)的沉積。精細化學分析表明，?？颂K魯伯的熔體巖石中高含量的銥-9，與海地的熔融石來源相同。此外，海地的熔融石中水含量極低，內(nèi)部的氣體壓力也幾

乎為零，這表明這些玻璃質(zhì)巖石是在大氣層外做彈道飛行時固化的。

在很長一段時間中一度被認為激進的，甚至古怪的觀點，得到了一系列間接證據(jù)的支持，最終獲得了直接證據(jù)的確

認。接下來，地質(zhì)學家確認噴射物質(zhì)覆蓋了尤卡坦半島的絕大部分地區(qū)，并且在世界各地上百個K-T邊界處沉積。我們終

于知道，地球生命的歷史并不完全像自萊伊爾和達爾文以來歷代地質(zhì)學家設想的那樣，是一個穩(wěn)定漸變的演進過程。

雖然對巨大隕石坑的位置的確定在小行星撞擊理論上是一個重大進展，沃爾特卻是悲喜參半。路易斯·阿爾瓦雷茲于1988年過世，未能目睹這一重大發(fā)現(xiàn)。

一次沖擊還是兩次沖擊？

K-T小行星撞擊坑的發(fā)現(xiàn)引起了科學界對其他物種滅絕原因的廣泛考察。雖然過去5億年間其他四次主要的物種滅絕

看起來跟撞擊并無關系，但同一時期地球上確實出現(xiàn)過一些規(guī)?？捎^的小行星或彗星的撞擊坑，盡管規(guī)模沒有K-T撞擊坑這樣大。既然絕大多數(shù)小行星撞擊并不會造成物種滅絕，而且絕大多數(shù)物種滅絕無法歸因為撞擊事件，那么，K-T小行星撞擊的毀滅性為什么會如此巨大？

一些科學家認為，小行星撞擊的地點很可能非常關鍵，被撞擊的高溫蒸發(fā)的巖石中包含大量石膏，這些石膏釋放出

大量硫黃氣溶膠，使得太陽被遮蔽的現(xiàn)象更加嚴重，并且形成酸雨，改變了水體和土壤性質(zhì)。此外，撞擊還釋放了大量氯氣，足以破壞臭氧層。

有證據(jù)表明，在K-T撞擊之前，地球的生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)被一系列大型火山噴發(fā)削弱。在K- T撞擊之前的幾十萬年當中，印度西部的德干地盾周期性地向大氣層中噴發(fā)了大量的二氧化碳和二氧化硫。事實上，很多年以來，科學界一直對造成物種滅絕的主要原因是德干地盾還是K-T撞擊爭論不休。因為K-T撞擊和物種滅絕之間的時序相關，目前的共識是，K-T撞擊是造成物種滅絕的主要原因。就在最近，新的地質(zhì)學證據(jù)提供了一個可能的場景，能夠?qū)⑦@兩個原因聯(lián)系起來。證據(jù)顯示，最大的一次德干火山噴發(fā)離K-T撞擊的時間非常近，這使得一些科學家推測，撞擊產(chǎn)生的地震波很可能導致了地幔的晃動，足以觸發(fā)一次規(guī)模巨大、能夠?qū)е颅h(huán)境巨變的火山噴發(fā)。在這種情況下，小行星造成了第一次沖擊，火山噴發(fā)則揮出了致命一拳。