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地球科學 1980

《白堊紀—第三紀滅絕的地外成因》

路易斯·W·阿爾瓦雷斯、沃爾特·阿爾瓦雷斯、法蘭克·阿薩羅與海倫·V·米歇爾

一層富銥的薄黏土揭示:終結恐龍時代的是一次小行星撞擊,而非緩慢的衰落。

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In depth · the introduction

終結恐龍的那塊石頭沒有留下任何目擊者——卻留下了一枚化學指紋,藏在三大洲都能找到的一薄層黏土裡。

把這個想法拆開看

在恐龍時代的岩石與其上方的岩石之間,夾著一薄層黏土。1980 年,由路易斯與沃爾特·阿爾瓦雷斯領銜的團隊發現,這層黏土裡滿是銥——一種在地表岩石中幾乎絕跡、卻在小行星與彗星中很常見的金屬。同一道富銥的條帶,在義大利、丹麥和紐西蘭都出現了,時間恰好就在那場大滅絕的當口。

他們的解釋是:約 6600 萬年前,一顆有山那麼大、直徑約十公里的小行星撞上了地球。撞擊把足夠多的粉碎岩石拋進高空,讓整顆行星被塵埃裹了好幾年。天空暗了下來,植物與浮游生物停止生長,食物鏈從底部開始崩塌——恐龍也隨之而去。

一對父子,與一座壞掉的鐘

沃爾特·阿爾瓦雷斯是地質學家,在義大利古比奧研究那層界線黏土;他想知道它用了多少年才形成。他的父親路易斯·阿爾瓦雷斯是位獲過諾貝爾獎的物理學家,出了個主意:既然太空塵埃以恆定速率落下,黏土裡的銥就能當一座鐘。兩位柏克萊的化學家——法蘭克·阿薩羅與海倫·米歇爾——做了測量。這座鐘沒用:銥多得離譜。但這座「壞鐘」恰恰就是發現本身。那麼多銥,只可能一次性來自太空。這個想法被攻擊了十年,尤其來自那些從化石裡讀出緩慢衰退的古生物學家。後來,1991 年,那座埋藏的撞擊坑在墨西哥外被找到了——大小相稱,年齡分毫不差。

它為何重要

在 1980 年以前,地質學由赫頓和萊伊爾傳下來的「緩慢而穩定」之見所主宰:以今證古,巨變皆由漸進而來。阿爾瓦雷斯的論文表明,僅僅一瞬——一塊來自太空的石頭——就能改寫生命的歷史。它讓「災變」重新變得可敬,卻是立足於確鑿的證據,而非神話。它也重新定義了我們自身的存在:倘若那顆小行星擦肩而過,哺乳類或許永遠無緣繼承地球,也就不會有人在這裡讀到這一切。

一封蓋著天空郵戳的信

把岩層想成一摞信,每一封是地球某一年的郵件,最老的在最底下。幾乎每一頁都是普通的石灰岩。但在某個確切的日期,這摞信裡夾進了一張紙,上面撒著一種屬於外太空的金屬——在三塊不同的大陸上,是同一種金屬、同一種塵埃。一封蓋著「來自天空」郵戳的信,在恐龍死去的那一天,被塞進了世界的檔案。

一根岩石柱:上方是淺色的第三紀石灰岩,中間是一薄層深色的界線黏土,下方是淺色的白堊紀石灰岩;旁邊是一條銥—深度廓線,在石灰岩中又低又平,到界線黏土處驟然尖起。按鈕選擇採樣點(義大利、丹麥、紐西蘭),決定尖峰升得多高;滑桿移動一條水平的深度探針,讀數給出該深度處的銥濃度。

之前與之後

赫頓(1788)與萊伊爾(1830)教導說,地球變化得很慢;達爾文(1859)也把演化建立在同樣耐心的節奏之上。阿爾瓦雷斯的撞擊是那個大例外——它證明,偶然,一樁來自太空的意外,能像競爭一樣有力地左右生命的歷史。它還開闢了一個新領域:地質學家如今在別的滅絕界線上也尋找銥與衝擊礦物,天文學家則繪製那些軌道與地球相交的小行星。

The original document
Original source text
Luis W. Alvarez, Walter Alvarez, Frank Asaro & Helen V. Michel · Science 208(4448): 1095–1108 · 6 June 1980
The measurement (from the abstract)
The paper opens by noting that the platinum-group metals are depleted in the Earth's crust relative to their cosmic abundance, so an excess in deep-sea sediment can flag extraterrestrial input. It then reports the boundary measurements at three sites:
Deep-sea limestones exposed in Italy, Denmark, and New Zealand show iridium increases of about 30, 160, and 20 times, respectively, above the background level at precisely the time of the Cretaceous-Tertiary extinctions, 65 million years ago.
The hypothesis (from the abstract)
Having argued that this iridium is of extraterrestrial origin and did not come from a nearby supernova, the authors propose the impact mechanism:
Impact of a large earth-crossing asteroid would inject about 60 times the object's mass into the atmosphere as pulverized rock; a fraction of this dust would stay in the stratosphere for several years and be distributed worldwide. The resulting darkness would suppress photosynthesis, and the expected biological consequences match quite closely the extinctions observed in the paleontological record.
What the body of the paper supplies (paraphrase)
(Paraphrase.) The iridium was measured by neutron-activation analysis. The paper marshals the chemical case that the element is meteoritic — its crustal scarcity, its chondritic abundance, the rejection of a supernova source — and works the mass balance from the measured iridium to an impactor roughly 10 kilometres across. It closes by matching the predicted darkness-driven collapse of photosynthesis to the selectivity of the observed extinctions.
[ … ]
Lawrence Berkeley Laboratory, University of California · 1980