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都说恐龙灭绝是巨大的陨石撞击地球导致的,那这个陨石坑在哪?可有证据?

陨石坑在这里,位置在墨西哥尤卡坦半岛,这个陨石坑叫 Chicxulub crater(希克苏鲁伯陨石坑)。估计的直径大概 200 公里,地质测年的形成时间是 6600 万年。(不是墨西哥湾哈,只是图中红尖头为中心的 200 公里直径的范围)

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导致恐龙灭绝的陨石坑可能所在地

证据的话,地球物理和地球化学都提供了不少。

这个地方的勘探工作可以追溯到 1951 年,那个时候墨西哥石油公司在这里打了几个钻井,虽然没有发现石油,但是在 1.3 公里,挖到了很厚的安山岩层。

安山岩这种岩石呢,是一种中性火成岩,介于玄武岩和流纹岩之间,它通常形成火山活动区域,比如岛弧和大陆边缘,但是墨西哥尤卡坦半岛这个地方很少有火山,怎么会有这么厚的安山岩呢?

当时,地球物理学家也没有太关注这个问题,毕竟当时研究的重点在石油勘探上,所以这个安山岩的发现就暂时搁置了。

后来,到了 1970 年代,地球物理学家在航空重力勘探的结果上,发现了该地区存在大面积的低值重力异常,如下图[1]。下左图是重力异常值,下右图是重力异常的空间二阶导数,更能凸显异常边界。可以看到,明显的一个圆形构造,如右图红圈处,右图右上角的红圈是附近另一个同期形成的陨石坑。

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希克苏鲁伯陨石坑的重力异常(左)以及空间二阶导数(右)

但是,这毕竟只是形态上类似陨石坑,并不能证实就是陨石坑,所以,当时缺乏进一步的证据,当时的地球物理学家也就没能说服其他科学家接受这个陨石坑的假说。

好了,时间到了 1980 年代,地球化学家给出了有力的助攻,他们在世界多地(包括意大利,丹麦,新西兰)发现了地层中含有高丰度铱元素的薄粘土层[2],这一发现迅速引起了广泛关注,为什么呢?因为铱元素在地壳中太太太稀少了,但是居然在地壳中存在如此高浓度的一个薄层。有多高浓度呢?比背景水平高出 160 倍!注意下图的薄层铱的丰度达到了 41.6ppb,背景值在 0.26ppb

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丹麦部分酸不溶性残留物中铱的丰度

虽然地壳中铱含量少,但是在陨石中含量高啊,基于此,推测地球可能经历了一次大规模的陨石撞击,进一步通过对这个薄层的测年,表明这个陨石撞击的事件在白垩纪末期

好了,那现在就看卡坦半岛的重力异常区域是不是陨石坑了,时间上是不是能吻合了,关注的重点就在这里白垩纪 - 古近纪之间的地层。

到了 1990 年代,地球物理学家在卡坦半岛的钻探取样中,在白垩纪 - 古近纪之间发现了冲击石英。冲击石英只有在极高压和高温下才能形成。地球上只有三个地方可以找到冲击石英:陨石撞击坑、核试验场所和实验室

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冲击石英

同时,在白垩纪 - 古近纪之间的地层中,还发现了大量玻陨石,如下图,这些玻璃状物质是由于陨石撞击时产生的高温熔融岩石冷却后形成的。

这样的证据,最终确认了希克苏鲁伯陨石坑的存在。

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不同类型的玻陨石

确定了之后,大量研究跟进,也有了更详细的地震反射数据和重力测量,进而产出了陨石坑的详细结构图,估计希克苏鲁伯陨石坑直径约为 200 公里,深度约为 20 公里。下图是一个陨石坑的示意图。

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陨石坑的示意图

更详细的航空重力测量的结果如下图,白线是海岸线,同样,为了凸显边界,这里是重力异常的空间导数,这里绿色和黄色的波浪揭示了陨石坑的范围。

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重力异常的空间导数

看到评论区 @以也 ,补充下这个回答,为什么这样一个相对地球尺寸不大的陨石坑,可以导致全球的非鸟类恐龙灭绝。

这个陨石坑的直径有 200 公里,直观对比的话,在尤卡坦半岛撞出了大小超过了一个夏威夷岛大小的坑。

首先,这个撞击会直接抹杀大概 1500 公里范围内的绝大多生命,估计当时撞击的能量大概是人类最强核武器沙皇氢弹的 200 万倍;紧接着就是北美洲和南美洲的海啸。

有的研究估计了撞击后,其他溅出物质的降落地点,如下图黄色地点。这样的二次撞击,会在多地引发大火。也就是,美洲大陆上,如果没有被海啸吞噬,那么就是在着火。

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这样的撞击会在地球另一面产生多次波,也就是,地震波会反弹,像钟声一样响彻整个地球表面,所以就会有全球各地的频繁的火山和地震活动。

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之后,撞击产生的大量碎石会在欧亚大陆降落,点燃这里的植被。所以,这时候全球基本都在燃烧,大量的尘埃和碳排放,导致几年之内地球的黑暗,所以,植被慢慢死去,进而导致非鸟类恐龙的灭绝。


评论区不少关心,比如 @giaogiaogiao@sheepherder 等,如果现在地球同样遭受了这样的陨石撞击,现代文明会何去何从。

其实,人类已经做过这样的“陨石撞击防御测试”。 2022 年,NASA 做了一个双小行星重定向测试,全名叫 Double Asteroid Redirection Test,简称 DART,测试的目的是避免近地天地对地球的撞击,任务从地球发射了一个无人探测器,故意使其撞向一个小行星 Dimorphos,如下图。

测试结果,正确撞击了目标,并且使得被撞后的小行星偏离了原来的轨道。所以,大可放心,如果真有陨石撞击,人类现在的航空航天技术是可以抵御的。

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陨石撞击防御测试

评论区 @梦或一生@xiaoxin 提到了“为什么陨石撞击导致重力异常”,这里进一步解释一下。

重力勘探是地球物理勘探中的常用手段,主要反映的是地下岩石的密度差异或者是该点一下岩石的整体引力。如下图,如果有低密度岩石侵入,如左图,就会现实低重力异常值,反之就如中间图所示。重力勘探的纵向分辨率很低,主要是横向分辨。

可想而知,如果都是横向均匀的介质,那么看不出重力异常的。

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重力勘探

但陨石撞击后,会直接形成中央破碎区,这些破碎区因为孔隙大往往比周围没有被撞击的区域密度更低。进一步,在撞击中心极高的温度会使得岩石熔融,冷却后会形成跟周围岩石密度不同的火成岩。随着时间的推移,陨石坑会被泥沙等沉积物填充,这些沉积物的密度通常低于周围的基岩。


评论区 @无名 说“既然是陨石坑,那不应该是凹下去的吗,怎么会有岛”。

是这样,如果这个陨石坑是发生在月球上,你说没错,因为月球已“死”,或者说月球内部的地质活动和火山活动已经停止。但是,在地球就不一样了,原因是因为地球表面是动态的且不断变化的。有人类活动,不停的改造地表;也有植物不断生长覆盖陨石坑;更有板块的不断运动以及地表风化作用,重塑地表形态,还有沉积作用等等。

所以,很多时候地球上的陨石坑是很难被直接观察到的,或者通过遥感图像是不容易发现的。这就是为什么,这个希克苏鲁伯陨石坑最早是在航空重力测量中,通过重力异常的二阶偏导数发现的。

举个例子,下面这个陨石坑比希克苏鲁伯陨石坑要年轻三千多万年。但是如果直接看地形,是很难发现这样的陨石坑的。

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波皮盖陨石坑 (Popigai Crater)

这个陨石坑叫波皮盖陨石坑 (Popigai Crater),位于俄罗斯西伯利亚,形成于距今约 3500 万年前的晚始新世,直径约 100 公里,现在几乎已经很难识别出来。


评论区 @无边落木 提了一个有趣的问题,“计算多大的陨石可以把地壳击穿”。

虽然这个题目跟原题目有点距离,但是依然相关,考虑到比较有趣,且会涉及简单的物理公式的介绍,我这里就把这个问题的理解附在这个回答上了。

这个问题,其实比较复杂,因为要考虑到陨石的质量,陨石的撞击角度,还有被撞地壳的物性等等。这里为了起到示意性的解释目的,将问题简化成垂直入射。

我们先了解一个参数,抗压强度,它表征了材料抵抗突然高强度冲击的能力。在这个问题中,这个参数就代表地壳在陨石撞击时的抗破坏能力

好了,那下面,我们来计算。假设陨石的质量是 m,是一个球形,密度是

千克 / 立方米,速度是 20km/s(这个速度是来自于 wiki 上对于希克苏鲁伯陨石坑撞击陨石的估计)。当然,如果质量不同,这个速度也有有差别,这里不做过多分析,就用 20km/s 来做速度分析。

这样的陨石对应的动能是:

然后,我们再看被撞击的地壳, 地壳的厚度差别很大,大陆地壳平均厚度在 35 公里,海洋地壳平均在 17 公里,青藏高原的话地壳可以达到 70 公里。我们这里就以大陆地壳为例还计算。

另外,我们假设大陆地壳的抗压强度是 200 MPa。

想要击穿 35 公里的地壳,就要满足陨石撞击地壳时所产生的冲击压力:

,A 是陨石的横截面积,d 是地壳厚度 35 公里。横截面皆 A 可以按照密度将其转换成关于质量 m 的表达式。

最终就可以求出质量 m,感兴趣的可以自己算一下哈~


@许一帆 提了一个有趣的问题,岛屿的形成是否是由于陨石撞击后岩石由于弹性效应反弹形成的。wiki 上做过一个模拟,引用如下[3]

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陨石坑撞击后的地层响应模拟

这种演示介质的迅速反弹是很快的,回弹的最高处会超过周边介质,但是稳定后陨石坑依然是明显低于周边介质的,岛屿的形成还是长期的地质作用的结果。跟撞击处的快速反弹关系不是很大哈~


评论区 @人间鬼才@TIGER KING 等不少人提到了“以为墨西哥湾是陨石撞击的结果”。我们可以讨论下,如果陨石撞击形成的陨石坑跟现在墨西哥湾的大小是一样的,那么这个陨石会有多大?对现在的地球又有啥影响呢?

墨西哥湾形成于大约两亿年前,北美洲和其他大陆开始分离,北美洲内部出现了裂谷;大约在 1.6 亿年前,随着裂谷作用的进行,这一区域持续扩展凹陷,海水间歇性地进入这一大陆区域,这一过程形成了大量的盐和蒸发岩沉积,这些沉积物今天在墨西哥湾的中北部和中南部仍然可以找到。从约 1.6 亿年前到 1.35 亿年前,伴随着大陆漂移,墨西哥湾的中央盆地形成了海洋地壳。所以,墨西哥湾的形成是板块构造的结果。

现在的墨西哥湾,面积约为 S= 160 万平方千米,平均深度 D=1615 米

如果这样体积的墨西哥湾是由陨石撞击形成的,它需要多少能量呢?

抗压强度可以用来代表地壳在陨石撞击时的抗破坏能力,因为它表征了材料抵抗突然高强度冲击的能力。考虑到墨西哥湾主要是沉积岩,我们采用砂岩的抗压强度来做下面计算,假设此处大陆地壳的抗压强度是 150 MPa。

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不同岩石的抗压强度

那么的能量是

假设陨石的质量是 m,是一个球形,密度是

千克 / 立方米,速度是 20km/s(这个速度是来自于 wiki 上对于希克苏鲁伯陨石坑撞击陨石的估计)。当然,如果质量不同,这个速度也有有差别,这里不做过多分析,就用 20km/s 来做速度分析。

这样的陨石对应的动能是:

,就能算出陨石的质量

如果陨石是一个球体,对应的直径是 10.7 公里。

这个尺寸的陨石其实跟之前讨论的希克苏鲁伯陨石坑的陨石大小十分相近。希克苏鲁伯陨石坑大概是一个直径为 10 公里的陨石以 20km/s 的速度撞击形成。

可能有人会说,墨西哥湾这么大,为什么对应的陨石跟希克苏鲁伯陨石坑的陨石差不多一样大。那是因为墨西哥湾浅,平均深度才 1.6 公里,撞出这样体积的坑体需要的能量就少了。与之对比,希克苏鲁伯陨石坑的深度在 20 公里,直径在 200 公里。

所以,如果在 1.6 亿年前墨西哥湾的形成初期,一个陨石撞击形成墨西哥湾目前的尺寸,那么陨石的能量跟 6600 万年前导致恐龙灭绝的那个陨石差不多,直径大概在 10.7 公里。

所以,这么看,如果墨西哥湾是被陨石撞击产生的,那么陨石会在 1.6 亿年前就致使恐龙灭绝,对应的哺乳动物也会早日崛起,今日的我们可能早已经走出太阳系,抑或出现了新的一轮文明吧~

当然,大家可能会说,墨西哥湾大而浅,陨石坑也不可能是这个样子的啊。其实这是有可能的,因为陨石坑的大小跟入射角度有很大关系,如果入射角度尽可能的平行于地表,也有可能出现像如今墨西哥湾一样大而浅的陨石坑。

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