揭开恐龙灭绝之谜

肖恩·B.卡罗尔+晨飞

位于翁布里亚英吉诺山坡上的意大利老城古比奥因有许多保存完好的历史遗迹而闻名。它是公元前2世纪至公元前1世纪时伊特鲁里亚人建造的，古城的罗马剧场、政府官邸、各种教堂和喷泉在罗马时代、中世纪以及文艺复兴时期都是引人入胜的景观。

奇怪的K-T边界

但年轻的美国地质学家沃尔特· 阿尔瓦雷兹来到古比奥，并不是因为那些古老的建筑，而是因为城墙外的岩层，那

里保存着时代更为久远的自然史。刚出城门就是地质学家梦寐以求的去处——地球上最大的石灰岩序列。当地人把山腰

及该区域峡谷一带露出的引人注目的粉红色岩层称为斯卡格里亚·罗莎（“斯卡格里亚”的意思是鳞片或薄片，指该岩石可被轻松地凿成方块供建筑使用，罗马剧场用的就是这种石头；“罗莎”指的是它的颜色）。这种巨大的构造有许多层，总共大约400米厚。这些岩石原本是古老的海床，代表着大约5000万年的地球史。

长期以来，地质学家一直借助化石识别世界各地的岩石记录，沃尔特也是用这种方法来研究古比奥周围的岩层构造。他遍搜这里的石灰岩，试图发现微小生物的贝壳化石。这类微小生物被称为有孔虫类，是一组单细胞的原生生物，只

有通过放大镜才能看到。但是，在分隔石灰岩层的1厘米厚的黏土层中，他没有发现任何化石。而且，在这层黏土下较古老的石灰岩层中发现的有孔虫，比这层黏土上较年轻的石灰岩层中的种类多、个头大。在古比奥周围的岩层中都有这样一层黏土，黏土层上下的石灰岩层中有孔虫都有这样的区别。

沃尔特感到很疑惑。是什么造成了有孔虫的这种变化？这一变化发生得有多快？这样薄的一层不含有孔虫的黏土代

表了多长的地质时间？

平凡无奇的显微生物、近400米厚的岩床中仅1厘米厚的黏土层，围绕着它的问题看上去似乎并不重要，但在寻求这些问题的答案的过程中，沃尔特发现了生命历史上最重要的时期之一。

这一时期被叫作K-T边界。

从化石分布和其他地质学数据来看，古比奥构造涵盖了白垩纪和第三纪。地质时期的名称源于早期地质学家关于地球历史主要间隔的观点，以及一些能够代表特定时期的特征。其中的一个体系将生命历史划分为三个纪元：古生代（“古老的生命”，第一批动物）、中生代（“中间的生命”，恐龙时代）、新生代（“近期的生命”，哺乳动物时代）。白垩纪是中生代的最后1/3，其名称源于地质结构中标志性的白垩黏土沉积。第三纪（已被重新命名并划分为古近纪和新近纪）起始于6500万年前白垩纪末期，结束于260万年前第四纪开始。

沃尔特和他的同事比尔·劳瑞花了好几年时间研究古比奥构造，从那里的岩层中取样。最初，他们想通过将地球磁场翻转和化石证据相关联，来解读地球历史的时间尺度。他们通过特定沉积物中的有孔虫特征来确定岩石的形成年代，通过白垩纪和第三纪岩层的界线来辨别地质时间。对于有孔虫多样性和尺寸的急剧减少，这个界线的预测总是正确的。下方岩层是白垩纪，上方是第三纪，而中间的薄黏土层是两个世代间的断层，被称为K-T边界。

在距古比奥1000千米的西班牙东南海岸卡拉瓦卡，一位叫让·斯密特的荷兰地质学家在K-T边界两边的岩层中发现了类似的有孔虫的变化模式。斯密特知道，K-T边界标记着著名的恐龙灭绝事件。当有同事向沃尔特指出这一点时，沃尔特便对有孔虫和K-T边界更感兴趣了。

当时，沃尔特在地质学方面相对还是个新手。随着他对地磁场翻转的研究进展顺利，他意识到古比奥岩层中有孔虫

的突然变化和K-T灭绝揭示了一个更大的谜团。他决定解开这个谜团。

显然，沃尔特要回答的第一个问题就是，这一黏土层的形成经过了多长时间。为了解答这一问题，他需要获得一些

帮助。对孩子们来说，在科学项目上得到家长的帮助是很常见的，但像沃尔特这样在快40岁的时候还能得到家长的指导，是非常罕见的。沃尔特有一个伟大的父亲。

测定K-T边界的形成时间

沃尔特的父亲路易斯·阿尔瓦雷兹对地质学和古生物学知之甚少，但是他精通物理学。他是核物理学产生和发展的核心人物之一。自1936年在芝加哥大学获得物理学博士学位之后，他在欧内斯特·劳伦斯的指导下，在加利福尼亚大学伯克利分校工作。劳伦斯因为发明了回旋加速器而获得了1939年的诺贝尔物理学奖。

路易斯早期的工作被第二次世界大战打断了。在战争的第一年，他的工作是研发在能见度极低的情况下让飞机安全

着陆的雷达导航系统。他因为研发了适用于恶劣天气着陆的地面控制进场系统（GCA）而获得了航空界的至高殊荣——科利尔奖。

在战争期间，他被招募进了“曼哈顿”计划，一个旨在制造原子弹的高度机密的国家项目。路易斯和他的学生劳伦

斯· 约翰斯顿设计了原子弹的雷管系统。之后，“曼哈顿”计划的主管罗伯特· 奥本海默让他接手测量原子弹爆炸释放的能量。路易斯是目睹最初两颗原子弹爆炸的极少数人之一，他以科学目击人的身份参与了在新墨西哥州沙漠进行的第一颗原子弹引爆试验，以及随后在日本广岛投下原子弹的两次飞行。

战后，路易斯回归了物理学研究。他发明了跟踪物理粒子行为的大型液态氢气泡室。1968年，路易斯因为对粒子物

理学方面的贡献获得了诺贝尔物理学奖。

这看上去像是一个辉煌事业的顶点。但是数年之后，他的儿子沃尔特来到了他曾经工作多年的伯克利分校，加入了

地质学系。这给了父子二人谈论科学的更多机会。一天，沃尔特送给父亲一块经过抛光的古比奥K-T边界的岩石，并向

父亲阐述了其中蕴藏的谜团。当时已经快70岁的路易斯着了迷，开始思考怎样才能帮助沃尔特破解这个谜团。他们展开

了一场头脑风暴，思考如何对K-T边界周围的变化速率进行测量。他们需要找到某种原子时钟。

路易斯是放射性元素和衰变方面的专家，他首先建议测量K-T黏土中铍- 10的含量。由于宇宙射线的作用，这种铍的同位素在大气层中源源不断地产生。黏土的年代越久远，铍-10的含量就会越高。路易斯为沃尔特引见了一位知道如何测量这一数值的物理学家。就在沃尔特着手进行测量工作的时候，却得知已发表的铍-1 0的半衰期是错误的，实际的半衰期要短很多。这就意味着，经过6500万年之后，岩石中的铍- 10已经所剩无几，很可能无法测量了。

幸运的是，路易斯有了另一个主意。

路易斯认为，陨石里的铂系元素含量比地壳里高得多，达10000倍以上，而且外层空间的尘埃落向地球的速率应该是恒定的；因此，通过测量岩石样品中太空尘埃（铂系元素）的含量，就可以推算出这些岩石形成所需的时间。

这些元素的含量并不高，却是可测量的。沃尔特认为，如果黏土层是经过上千年沉积的，它里面铂系元素的含量就可以被测量到；但如果黏土层是在短期内快速沉积的，就检测不到这些元素。

后来，路易斯提出用测量铱来代替测量铂，因为铱更容易被检测到。路易斯也认识进行这类测量工作的科学家，即在伯克利分校放射实验室工作的核化学家弗兰克·阿萨罗和海伦·米歇尔。

沃尔特给阿萨罗一些古比奥K-T边界的样本。9个月后，沃尔特接到了父亲打来的电话，说阿萨罗要给他们展示实验结果。他们本来以为，这些样品中会含有0.1PPb（PPb，浓度单位，10-9克/米3）的铱元素。但结果是，阿萨罗在样品中找到了3PPb的铱元素。这是他们期待值的30倍，也是其他岩层中铱元素含量的30倍。

为了防止过度猜测，弄清如此高水平的铱元素含量是古比奥四周岩石的特例还是更为普遍的现象是非常重要的。沃

尔特出发了，去寻找另一个可以采集样品的裸露的K- T边界。在丹麦哥本哈根南部一个叫史蒂文斯克林特的地方，他找到了。他察看了当地的黏土层，立刻认为当这一层黏土沉积的时候，“丹麦海底发生了一些不太愉快的事情”。这里的

岩层断面几乎完全是由白垩岩构成的，充满了各种化石。但是K-T边界的那一层薄薄的黏土是黑色的，有硫黄的刺鼻气味，并且在其中只能看到鱼骨。沃尔特推测，在这一层黏土沉积的时期，海洋是缺氧的，就像一片坟场。他采集了样品，并将它们寄给了弗兰克·阿萨罗。

测量的结果是，这层黏土中铱元素的含量是背景的160倍。

于是，沃尔特建议斯密特对他采集的黏土样品中的铱元素含量也进行测量。结果是，在西班牙采集到的黏土样品中同样出现了铱元素的峰值，在新西兰的K-T 边界采集的黏土样品也一样。这就说明，这一现象是全球性的。

在K-T边界形成的时期必定发生了非常不寻常、非常糟糕的事情。有孔虫、黏土、铱元素、恐龙灭绝，这些都是信号——但是，这些信号揭示了什么？

K-T边界是怎么产生的

阿尔瓦雷兹父子认为铱元素来自外太空。他们认为这是一起超新星爆发事件，一颗恒星的爆炸会将自己的元素碎片

洒向地球。这一观点之前曾经在古生物学和天体物理学界流行过。如果这一观点是正确的，那么在K-T边界的黏土层中，

除铱之外的其他元素含量也会显示出非正常。需要测量的关键同位素是钚-244，它的半衰期是7500万年。黏土层中应当含有一定量的钚-244，而普通岩石中的钚-244应该早已衰减掉了。但经过严密的测量，他们并没有检测到高含量的钚。每个人都觉得很丧气，但是勘察还在继续。

路易斯仍然在思考，什么样的情况可以产生全球范围的灭绝。他考虑了好几种可能的场景，但都没能站得住脚。伯克利的一位天文学家克里斯·麦基提示，或许是一颗小行星撞击了地球。最初，路易斯认为这种情况只能产生潮汐，而且他无法想象潮汐怎么可能让蒙大拿或者蒙古的恐龙灭绝。

然后，他想到了1883年印度尼西亚喀拉喀托岛上的火山爆发，想起数千米厚的岩层被炸得粉碎，细碎的粉末颗粒在

全球范围内飘浮了2年多。路易斯还知道，原子弹爆炸产生的放射性元素会在半球之间迅速混合。或许一次大撞击会让大

量尘埃遮天蔽日，在若干年中使地球暗无天日、持续降温，并且阻断了所有的光合作用？

如果是这样，这颗小行星需要有多大？

利用黏土层的铱元素含量、球粒陨石的铱元素含量，以及地球表面积，路易斯推算出，这颗小行星的质量大约在3000亿吨，也就是说，它的直径是10±4千米。

跟地球13000千米的直径相比，这颗小行星的直径看上去似乎并不大。但想想撞击释放的能量：这颗小行星进入大气层的速度大约是25千米/秒——超过80000千米/时。它会在大气层中“凿”出一个直径10千米的洞，并以相当于1.08亿吨TNT的能量撞击地球。（目前引爆的最大的原子弹释放的能量大约是100万吨TNT当量，这颗小行星撞击释放的能量是它的100倍。）以这种能量，撞击坑应该有200千米宽、40千米深，撞击释放的物质颗粒是不计其数的。

小行星高速穿过大气层，将它前方的空气加热到太阳温度的若干倍。撞击时，小行星蒸发，无数火球喷向宇宙空间，岩石颗粒随之被喷射，远至地月距离的一半。巨大的冲击波穿透基岩，反射至地表，将熔化的岩石块抛向大气层边缘，甚至更远。被撞击的石灰岩基岩因承受太大压力，喷射出第二个火球。撞击地点周围数百千米内的生命灭绝了。更远处，喷向宇宙空间的物质高速落向地球表面，就像数以万亿计的陨石，在重新进入大气层时被加热，使空气升温，点燃火苗。海啸、滑坡、地震进一步将撞击点附近的地表撕裂。

在其他地方，死亡来得要慢一些。

大气中的残骸和碎渣将太阳遮蔽起来，地球上的黑暗可能持续了数月。这种情形阻断了光合作用，从底部终止了食

物链。对植物化石和花粉粒的分析表明，在某些地点，多半的植物种类都消失了。处于食物链上端的动物不得不向死亡屈服。K-T边界不仅仅标记着恐龙的终结，其他一些物种，比如箭石、菊石以及海洋爬行动物，都走到了终点。古生物学家估计，地球上一多半物种都灭绝了。陆地上，所有体重超过25千克的生物都灭绝了。

这是中生代的终结。

小行星撞击产生的坑在哪里？

路易斯、沃尔特、弗兰克·阿萨罗以及海伦·米歇尔将整个故事串联起来：古比奥有孔虫、铱元素含量异常、小行星撞击产生的杀伤力。这个故事令人叹服地结合了数个科学领域，在现代科学文献史上，其包含的范畴可能是其他任何一篇论文也无法比拟的。让·斯密特和让·赫托根在《自然》杂志上发表的对西班牙K-T边界岩石的研究，得到了相似结论。

他们担心科学界没有做好准备接受这一撞击假说。在过去150年中，从现代地质学发端起，地质学界的观点都着眼在逐渐演变上，地质科学已经排除了《圣经》故事中描绘的巨大灾难场景。地球上发生过如此重大的灾难性事件的想法，不仅仅是令人不安的，更被认为是不科学的。在这篇有关小行星撞击假说的文章发表之前，科学界对恐龙灭绝的解释通常都是气候或者食物链的逐渐变化导致动物无法适应。

一些地质学家对这一灾难性场景嗤之以鼻，一些古生物学家完全没有被小行星假说说服。有人指出，保存恐龙化石

最多的岩层在K-T边界下方3米；有人认为在小行星撞击的时候，恐龙已经灭绝了；还有古生物学家说，恐龙化石太过稀少，不可能指望在K-T边界轻松找到。他们认为，有孔虫和其他生物化石是更有说服力的证据，并且有孔虫和菊石化石确实一直持续到K-T边界。

当然，还有一个更大的问题需要解释——那个巨大的撞击坑到底在哪里？对怀疑者和支持者来说，这都是最关键的

一环。因此，对这个撞击坑的搜寻开始了。

当时，地球上已知的直径大于100千米的陨石坑只有三个，但没有一个的形成年代是吻合的。如果小行星的撞击点是覆盖地球表面2/3还要多的海洋，那这些搜寻者就没什么好运气了——深海地形并没有得到很好的绘制，而且第三纪之前的海底有很大一部分已经在板块运动中消失了。

在小行星假说提出后的10年中，很多线索和踪迹最后都走进了死胡同。越来越多的搜寻失败的例子让沃尔特开始相

信，撞击确实发生在海洋中。

正在此时，得克萨斯的一处河床出现了一丝线索。布拉索斯河汇入墨西哥湾，沙质河床正好处在K-T边界上。熟悉海啸后沉积模式的地质学家经过仔细考察，发现该沙质河床拥有只可能由巨型海啸造成的特点，当时的海啸可能比100米还高。并且，跟海啸残留物混在一起的还有熔融石（从撞击坑以熔化形式喷射出的玻璃状岩石），它们重新降落到地表时

已经冷却了。

很多科学家在搜寻撞击地点，亚利桑那大学的研究生艾伦·希尔德布兰德是其中最执着的一位。艾伦认为布拉索斯河的海啸河床是寻找陨石坑的重要线索，这个陨石坑应该在墨西哥湾或者加勒比海。他察看了已有的地图，在哥伦比亚北部海底找到了一处圆形地貌。他听说在墨西哥尤卡坦半岛的海岸上有一些圆形的重力异常区域，这些区域内的质量、

密度是变化的。

艾伦努力地搜寻其他线索，以证明自己的推测在正确的轨道上。艾伦注意到一篇关于在海地白垩纪晚期的岩石中发现熔融石的报道。他拜访了撰写这篇报道的实验室，并且立刻认出那些样品是撞击熔融石。之后他去了海地，发现那里的沉积物中有非常大的熔融石，以及被震碎的石英颗粒——这是大撞击的另一个标志。因此，他和他的导师威廉·博因顿推测撞击点在海地附近1000千米以内。

当他们在一个学术会议上宣布这一发现的时候，《休斯敦纪事报》的记者卡洛斯·比亚尔斯联系了他们。比亚尔斯

告诉他们，为墨西哥国有石油公司PEMEX 工作的地质学家或许在许多年前就发现了这个陨石坑。格伦·彭菲尔德和安东尼奥·卡玛格研究了尤卡坦地区的重力异常现象，但PEMEX公司不允许他们公布研究数据。不过，在1981年的一次会议上

（也就是阿尔瓦雷兹提出小行星撞击假说后的第二年），他们提到他们测绘的地形或许就是那个陨石坑，彭菲尔德还曾写信给沃尔特指出这一点。

1991年，艾伦、博因顿、彭菲尔德、卡玛格及其同事正式提出，位于尤卡坦半岛希克苏鲁伯村下方500米、直径180千米（几乎跟阿尔瓦雷兹团队推算出的直径一致）的陨石坑，就是大家一直在寻找的K-T撞击坑。

当然，为了确认这一点，还有重要的测试要做。首先是岩石的年代，想知道这一点并不是一项简单的任务，因为陨石坑是被埋起来的。最好的方法是通过PEMEX公司几十年前在该地区钻的矿井来采集并分析钻芯的岩石样本。测定结果让

人叹为观止，一个实验室得出的数据是6503万年，另一个得出的数据是6560万年——与K-T边界的年代吻合。

在海地发现的熔融石的形成年代也是这一时期，它们是因撞击而喷射出的物质的沉积。精细化学分析表明，希克苏鲁伯的熔体岩石中高含量的铱-9，与海地的熔融石来源相同。此外，海地的熔融石中水含量极低，内部的气体压力也几

乎为零，这表明这些玻璃质岩石是在大气层外做弹道飞行时固化的。

在很长一段时间中一度被认为激进的，甚至古怪的观点，得到了一系列间接证据的支持，最终获得了直接证据的确

认。接下来，地质学家确认喷射物质覆盖了尤卡坦半岛的绝大部分地区，并且在世界各地上百个K-T边界处沉积。我们终

于知道，地球生命的历史并不完全像自莱伊尔和达尔文以来历代地质学家设想的那样，是一个稳定渐变的演进过程。

虽然对巨大陨石坑的位置的确定在小行星撞击理论上是一个重大进展，沃尔特却是悲喜参半。路易斯·阿尔瓦雷兹于1988年过世，未能目睹这一重大发现。

一次冲击还是两次冲击？

K-T小行星撞击坑的发现引起了科学界对其他物种灭绝原因的广泛考察。虽然过去5亿年间其他四次主要的物种灭绝

看起来跟撞击并无关系，但同一时期地球上确实出现过一些规模可观的小行星或彗星的撞击坑，尽管规模没有K-T撞击坑这样大。既然绝大多数小行星撞击并不会造成物种灭绝，而且绝大多数物种灭绝无法归因为撞击事件，那么，K-T小行星撞击的毁灭性为什么会如此巨大？

一些科学家认为，小行星撞击的地点很可能非常关键，被撞击的高温蒸发的岩石中包含大量石膏，这些石膏释放出

大量硫黄气溶胶，使得太阳被遮蔽的现象更加严重，并且形成酸雨，改变了水体和土壤性质。此外，撞击还释放了大量氯气，足以破坏臭氧层。

有证据表明，在K-T撞击之前，地球的生态系统已经被一系列大型火山喷发削弱。在K- T撞击之前的几十万年当中，印度西部的德干地盾周期性地向大气层中喷发了大量的二氧化碳和二氧化硫。事实上，很多年以来，科学界一直对造成物种灭绝的主要原因是德干地盾还是K-T撞击争论不休。因为K-T撞击和物种灭绝之间的时序相关，目前的共识是，K-T撞击是造成物种灭绝的主要原因。就在最近，新的地质学证据提供了一个可能的场景，能够将这两个原因联系起来。证据显示，最大的一次德干火山喷发离K-T撞击的时间非常近，这使得一些科学家推测，撞击产生的地震波很可能导致了地幔的晃动，足以触发一次规模巨大、能够导致环境巨变的火山喷发。在这种情况下，小行星造成了第一次冲击，火山喷发则挥出了致命一拳。