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星期五的地質

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星期五的地質

2016-05-13

恐龍輓歌 – 壓垮白堊紀末生物生存的最後一根稻草

文字:林立虹 (台灣大學地質科學系;lhlin@ntu.edu.tw)

插圖:陳品璇 (台灣大學地質科學系)

由中生代地層挖掘出來的恐龍化石,除了為電影製片創造出形形色色的螢幕角色,更是許多人對過去的地球絕大部分的想像與認識。然而,一旦跨過了白堊紀與第三紀的地層交界 (66.043 百萬年前),這些 “迷人” 的生物,便於地球上驟然消失;不僅於此,約有 75% 的動物與植物伴隨恐龍而滅絕,這個時間 (或地層) 的界面代表了地球第二大生物滅絕事件,同時也為哺乳動物的出現拉開了前奏曲。

造成這樣生物大滅絕主要有兩個可能的機制,其一為隕石撞擊地球,另一個則是在印度大陸上的 Deccan Traps 所代表的大規模的岩漿噴發事件。其中隕石撞擊地球的概念,於 80 年代由 Alvarez 博士提出,大概是最廣為人知且具說服力的;經由過去許多的觀察、測量發現,最強而有力的支持證據,即為於這時間界面上,廣布全球的沉積岩層中均含有高 Ir 元素的含量;由於 Ir 是親鐵性質的 (siderophile),因此在行星分化的過程中較容易富集於類似地核的環境,或存在於其他分化程度較小的星體。在白堊紀–第三紀交界處沉積岩的 Ir 元素濃度,可達地球地殼平均濃度數百倍,因此最為可能的解釋,即為隕石撞擊所產生的隕石與地殼岩石的粉塵,進入大氣層循環,而飄散至世界各地沉積而成。另外衝擊石英 (shocked quartz;是由 coesite 以及 stishovite 所構成) 以及球狀玻璃質的 tektite 的出現與分布,均指示隕石撞擊的發生。後續的研究顯示,造成這樣的撞擊,需要一個直徑約十公里的隕石,而最為可能的撞擊地,即為位於墨西哥東南方 Yucatán 半島,直徑達 180 公里的 Chicxulub crater。為了深入了解造成這地球第二大生物滅絕的撞擊事件與機制、接續的生物圈回復速度與演化、現生獨特的深部生物圈,科學家們已於今年三月啟動鑽井,希望能於 650–1500 公尺的深度,鑽取撞擊層以及被撞擊的岩石進行研究;關於此鑽井規劃與目標,請參考 Hand (2016) 的報導。

另一個可能造成此生物滅絕事件的機制為大規模的岩漿噴發。位於印度西方的 Deccan Traps 為大陸洪流式玄武岩 (continental flood basalt) 所構成,涵蓋面積達五十萬平方公里,總體積達五十餘萬立方公里,屬於目前已知、為數不多的大型火成岩區 (large igneous province;涵蓋面積須達十萬平方公里以上,形成通常與地函熱柱有關)。由於其噴發主要時間與白堊紀–第三紀界面十分接近,因此也成為一個重要的候選機制。然而其噴發時序,可自 68 Ma 即開始,持續至 65 Ma,因此並無法提供一個驟時、毀滅性的機制,解釋生物快速滅絕的地層紀錄,此機制因此逐漸淪為配角,提供輔助隕石撞擊造成生物滅絕的額外成因。

地球的故事當然沒有如此簡單就寫下完結篇。柏克萊大學的 Renne 等人利用高精度的 Ar-Ar 與 U-Pb 定年技術,配合地球化學資料的對比、野外實察,檢視 Deccan Traps 的年代、分布與特徵,發現生物大規模的滅絕並無法單純歸因於隕石撞擊或岩漿大規模噴發,並推測兩種機制可能有成因上的關聯。Deccan Traps 上的地層,由老至新大致可區分成 Kalsubai 、 Lonavana 與 Wai 三個次群,其中最為年輕的 Wai 次群,分布面積最廣、體積最大,並於熔岩流間,出現了遠遠高於於另外兩個較老次群地層頻率的氧化、紅色層狀物質。這些紅層代表古土壤,並指示了熔岩冷凝後長時間的風化作用,因此也反應了岩漿的噴發是間歇性的,每次噴發事件間的時間間距是較長的;另外,Lonavana 與 Wai 次群的地球化學的特徵、主岩脈侵入的方向是不同的。種種的觀察皆顯示了,岩漿活動的特徵於這兩個次群界面所代表的時間前後有顯著的不同,而少量或不夠精確的定年資料顯示,這時間界面可能與白堊紀–第三紀界面十分接近。

為了釐清 Deccan Traps 每一次群地層所經歷的時間,並進一步推算不同時間間距的岩漿噴發速率,Renne 與其實驗室成員近年來分析了玄武岩分離出的斜長石,透過高密度的標準品校正,可以使得年代的誤差降至 30 萬年之內;他們並統整了過去分析所得的鋯石年代,對比噴出岩的地球化學特徵,建立每一次群於特定時間的分布與岩漿噴發體積,配合年代的資料,計算岩漿噴發體積速率隨著時間的變化。他們的計算結果顯示,於白堊紀–第三紀界面之前,Kalsubai 次群所得得到的噴發體積速率為 0.4 km3/yr;而於白堊紀–第三紀界面之後的 Wai 次群的噴發體積速率,則可達到 0.9 km3/yr;位於其間的 Lonavana 次群,為約 0.6 km3/yr 的噴發體積速率。噴發體積速率於白堊紀–第三紀界面後的倍增,可對應至代表古土壤的紅層出現頻率大幅增加、較高地函貢獻比例的岩漿成分,這些證據均指示了岩漿的產生與流通系統,於這時間界面上發生顯著的改變。綜合上述,較大的岩漿噴發速率、較大的熔岩涵蓋面積與體積、較多的地函貢獻比例等證據,指示了較大體積且較深的岩漿庫 (可能深至莫合面深度),而岩漿庫於單一噴發事件後的補注時間間距勢必增加,因而導致較長的噴發間歇期。若將這噴發速率的轉變對應噴發時間進行內插計算,前述岩漿系統的改變,發生於隕石撞擊 Chicxulub 後的五萬年以內。雖然無法由此直接建立隕石撞擊如何改變岩漿系統的特徵,然而時間的高度雷同,指示了這兩個機制的重要關聯性。

Deccan Traps 的高精度定年分析顯示,於白堊紀–第三紀界面發生的隕石撞擊,可能啟動了低頻卻高速率的岩漿噴發活動,此岩漿活動持續了五十萬年,並延遲了第三紀海洋生態系統的回復。

主題資料來源:

Renne et al. (2015) State shift in Deccan volcanism at the Cretaceous-Paleogene boundary, possibly induced by impact. Science, 350, 76-78. http://science.sciencemag.org/content/350/6256/76
其他參考資料:
Hand (2016) Scientists gear up to drill into 'ground zero' of the impact that killed the dinosaurs. Science Latest News: http://www.sciencemag.org/news/2016/03/scientists-gear-drill-ground-zero-impact-killed-dinosaurs

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