隕擊天文事件與新生代全球氣候變化

傅 恒，高雁飛，肖重陽(yáng)

(成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都 610059)

新生代已確認(rèn)的隕擊天文事件至少有8次［1］［2］，根據(jù)隕擊直接證據(jù)或板塊構(gòu)造演化等推測(cè)的隕擊事件至少還有3次，這些隕擊事件都對(duì)應(yīng)了新生代程度不同的氣候變化。

氣候變化的觸發(fā)因素一直是古氣候研究的焦點(diǎn)。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，不同研究者相繼提出了多種假說(shuō)，例如將洋流變化、CO2濃度降低和全球碳循環(huán)變化、高原隆升、火山活動(dòng)、天體撞擊、地球軌道參數(shù)變化等因素與始新世－漸新世氣候轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)機(jī)制相聯(lián)系［3］。

天文事件可以引起構(gòu)造隆升、火山活動(dòng)、洋流變化、CO2濃度降低和全球碳循環(huán)變化，是新生代全球氣候變化最主要的觸發(fā)因素。

1 新生代隕擊天文事件

新生代已確認(rèn)的隕擊天文事件至少有8次，即加勒比海隕擊事件(65Ma)、北美玻璃隕石事件(34Ma)、俄羅斯西伯利亞隕擊事件(24Ma)、捷克玻璃隕石事件(15Ma)、俄羅斯南烏拉爾隕擊事件(6.2Ma)、南太平洋隕擊事件(2.4Ma)、象牙海岸玻璃隕石事件(1.1Ma)和澳-亞玻璃隕石事件(0.73Ma)［1］［2］。此外，根據(jù)隕擊直接證據(jù)或板塊構(gòu)造演化推測(cè)的隕擊事件至少還有3次，即有隕擊直接證據(jù)的55Ma隕擊事件，以及推測(cè)的日本海隕擊事件(45Ma)、德雷克海峽隕擊事件(41Ma)。

加勒比海隕擊事件(65Ma)，發(fā)生在白堊紀(jì)/第三紀(jì)(即中生代/新生代)之交。目前大部分學(xué)者都趨于認(rèn)同K/T事件為一次地外撞擊事件，直接證據(jù)是墨西哥Yucatan半島直徑約180 km的Chicxulub撞擊坑(Hildebrand，1991)［4］，以及全球 K/T 剖面已達(dá)120多個(gè)Ir正異常記錄和K/T含恐龍和菊石滅絕在內(nèi)的表層短期生物集群滅絕事件(屬滅絕率為48%，種滅絕率為60% ～80%;浮游有孔蟲(chóng)滅絕率極高，底棲有孔蟲(chóng)滅絕率相對(duì)較低)［5］。

55Ma的隕擊事件，發(fā)生在古近紀(jì)古新世/始新世之交，隕擊直接證據(jù)有玻璃質(zhì)飛濺狀玻隕石、微玻隕石、撞擊石英、焦石英、柯石英和Ir正異常［5］，以及富鐵磁性微粒［6］?？赡苡呻E擊觸發(fā)的PETM(Paleocene－Eocene Thermal Maximum)最熱事件造成了大洋環(huán)流模式的突然倒轉(zhuǎn)和海水鹽度、大氣濕度的迅速上升;海洋表層生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力迅速上升;大洋底棲微生物發(fā)生集群滅絕，哺乳動(dòng)物演化進(jìn)程發(fā)生重大改變，植物、動(dòng)物、微生物許多屬種的生活范圍向高緯區(qū)擴(kuò)大;地球表層碳循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生不同程度的碳同位素負(fù)偏移，全球碳循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模攪動(dòng)［6］。

45Ma的日本海隕擊事件，是作者根據(jù)板塊構(gòu)造演化和日本海形態(tài)推測(cè)的隕擊事件，還需隕擊直接證據(jù)證實(shí)［7］。隕擊地點(diǎn)位于現(xiàn)今日本海，形成的巨型隕石坑——日本海盆是歐亞、太平洋、菲律賓各大板塊匯聚的中心。此次隕擊將日本列島與東北亞大陸分離，形成東北日本逆時(shí)針、西南日本順鐘向的雙開(kāi)門式旋轉(zhuǎn)。此次隕擊還使朝鮮地塊逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)式東移，導(dǎo)致郯廬斷裂帶的第4次構(gòu)造熱事件(45Ma)。隕擊引起東北亞大陸邊緣廣泛發(fā)育玄武質(zhì)巖漿活動(dòng)。隕擊改變了太平洋板塊的運(yùn)動(dòng)方向，由原來(lái)的NNW向在43Ma時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)镹WW向。隕擊還使古太平洋板塊西部破裂形成菲律賓板塊雛形，破裂帶形成小笠原海溝-島弧系。隕擊及其后效還引起43～35Ma的阿爾金斷裂開(kāi)始新生代第一次脈沖式左行走滑，顯示華北地塊整體向東(日本海方向)移動(dòng)，可能也是后期波斯灣、紅海拉張的源動(dòng)力。隕擊及其后效還引起30～25Ma貝加爾湖裂谷的形成［7］。

41Ma的德雷克海峽(Drake Passage)隕擊事件，是作者根據(jù)德雷克海峽打開(kāi)時(shí)間和形態(tài)推測(cè)的隕擊事件，也需隕擊直接證據(jù)證實(shí)。Howie D.Scher等(2006)根據(jù)釹(Nd)同位素跟蹤洋流變化判斷，約41Ma時(shí)，較大范圍的太平洋表層洋流進(jìn)入大西洋導(dǎo)致大西洋εNd值升高，表明德雷克海峽開(kāi)啟;隨后在始新世晚期εNd值增加很可能表明海峽進(jìn)一步拓寬并加深［8］。第三紀(jì)初南美洲南部和西南極洲之間曾有一狹窄的陸地相連，由于東南太平洋沿沙克爾頓斷裂帶斷裂作用使阿盧克海嶺向東擴(kuò)展使南美-南極陸橋分離［9］。但作者根據(jù)德雷克海峽形態(tài)判斷，南美-南極陸橋分離形成德雷克海峽很可能是源于約41Ma的一次自西向東的低角度隕擊。

34Ma的北美玻璃隕石事件，發(fā)生在古近紀(jì)始新世/漸新世之交。隕擊直接證據(jù)有北美玻璃隕石、微玻璃隕石及沖擊礦物，同期還有意大利安科納沖擊石英及 Ir正異常［2］。隕擊位置 71°N、111°E，隕擊坑直徑達(dá)100km，撞擊能量相當(dāng)于8.6×107Mt TNT，平流層塵埃增量達(dá) 8.9 ×1012t［10］。隕擊引起的E/O驟冷事件是地史上重要的全球氣候加速變冷時(shí)期，深水降溫7～8℃，整個(gè)事件發(fā)生迅速而短暫，持續(xù)時(shí)間不超過(guò)20萬(wàn)年。E/O事件生物絕滅出現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn)，一是表層浮游有孔蟲(chóng)絕滅率高，底棲有孔蟲(chóng)絕滅率中等;二是絕滅持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(約4Ma)，淺水軟體動(dòng)物絕滅率達(dá)68% ～97%［5］。

24Ma的俄羅斯西伯利亞玻璃隕石事件，發(fā)生在古近紀(jì)/新近紀(jì)之交前不到1Ma，隕擊直接證據(jù)有俄羅斯西伯利亞玻璃隕石［2］。

15Ma的捷克玻璃隕石事件，發(fā)生在新近紀(jì)中中新世，隕擊直接證據(jù)有捷克莫爾達(dá)維玻璃隕石［2］。隕擊位置 49°N、11°E，隕擊坑直徑 24km，撞擊能量6.7 ×103Mt TNT，平流層塵埃增量 1.2 ×1011t［10］。MM事件深水底棲有孔蟲(chóng)絕滅率為35% ～52%，全球氣候變冷［4］。

6.2 Ma的俄羅斯南烏拉爾玻璃隕石事件，發(fā)生在新近紀(jì)上新世，隕擊直接證據(jù)有俄羅斯南烏拉爾玻璃隕石［2］。

2.4 Ma的南太平洋隕擊事件，發(fā)生在近第三紀(jì)/第四紀(jì)之交。隕擊直接證據(jù)有南太平洋小行星殘骸及Ir正異常，北太平洋微玻璃隕石及親鐵元素豐度正異常［2］。隕擊位置 58°S 90°W，隕擊坑直徑10km，撞擊能量3.4×104Mt TNT，平流層塵埃增量8.9 × 109t［10］。

1.1 Ma的象牙海岸玻璃隕石事件，發(fā)生在第四紀(jì)更新世。隕擊直接證據(jù)有微玻璃隕石、Ir正異常、低187Os/186Os比［2］。隕擊位置 6°N、10°W，隕擊坑直徑10.5km，撞擊能量4.0 ×104Mt TNT，平流層塵埃增量 1.0 ×1010t［10］。

0.73 Ma的澳-亞玻璃隕石事件，發(fā)生在第四紀(jì)更新世。隕擊直接證據(jù)有澳大利亞玻璃隕石、微玻璃隕石、沖擊礦物及 Ir正異常［2］。隕擊位置49°N、61°E，隕擊坑直徑 10km，撞擊能量 3.4 ×104Mt TNT，平流層塵埃增量 8.9 × 109t［10］。同期，我國(guó)陜西發(fā)現(xiàn)了微玻璃隕石及鐵質(zhì)微球粒，危地馬拉蒂卡爾發(fā)現(xiàn)了 0.8Ma 的玻璃隕石［2］。

2 新生代氣候變化

反映新生代全球氣候變化分辨率較高的指標(biāo)為深海底棲有孔蟲(chóng) δ18O［11］［12］，新生代全球氣候變化與大氣溫室氣體 CO2濃度具有一致性［12］［13］(圖1)，圖中反映CO2濃度大尺度變化的指標(biāo)Φ(CO2)系依據(jù)海洋浮游植物δ13C、海洋δ11B、維管植物化石葉孔指數(shù)、古土壤成壤碳酸鹽δ13C及地錢植物化石δ13C重建［12］。多數(shù)情況下，CO2濃度較高時(shí)期對(duì)應(yīng)于氣候溫暖期［12］。將新生代隕擊天文事件發(fā)生時(shí)間與新生代全球氣候變化對(duì)比發(fā)現(xiàn)，天文事件對(duì)應(yīng)了程度不同的氣候變化。

65Ma的加勒比海隕擊事件，K/T界線附近δ13C明顯正偏，歐洲δ18O增加2‰～3‰，溫度下降8～13℃［5］。撞擊降溫最低至 225K(-48℃)，降溫階段持續(xù)近1000d，緩緩升溫至正常需近5000d，整個(gè)溫度效應(yīng)持續(xù)5000 d(近14a)［15］。撞擊作用還使海洋pH值增大，海洋中CO2溶解度增大，直接導(dǎo)致大氣中CO2含量的下降，大氣和海洋CO2重新平衡需103 ～ 105a［5］。

55Ma的隕擊事件，可能觸發(fā)了 PETM(Paleocene－Eocene Thermal Maximum)最熱事件，δ13C、δ18O劇烈波動(dòng)，反映溫度在約2Ma內(nèi)至少經(jīng)歷了兩次降溫-升溫過(guò)程(圖1)。地球表層碳循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生不同程度的δ13C負(fù)偏，全球碳循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模攪動(dòng)［6］。底棲有孔蟲(chóng)δ18O下降2.0‰，深水浮游中間類型δ18O下降1.5‰，淺水浮游型δ18O下降1.0‰，說(shuō)明溫度發(fā)生差異性下降。表層水溫升高5～6℃，最高20℃;底層水溫升高4℃，最高15℃。整個(gè)溫度更替不超過(guò)1萬(wàn)年，隨后10萬(wàn)年內(nèi)逐漸降溫。底層水迅速變暖是導(dǎo)致底棲有孔蟲(chóng)大規(guī)模絕滅的主要原因，40%深水生物分類單元在不到1萬(wàn)年內(nèi)迅速絕滅，33% ～65%深水底棲有孔蟲(chóng)消失，浮游絕滅率極低，為中深水短期集群滅絕事件［5］。全球高緯度海區(qū)的表層海水溫度在PETM事件開(kāi)始不到30 ka時(shí)間內(nèi)上升8～10℃，北極地區(qū)表層海水平均溫度高達(dá)24℃ ;熱帶亞熱帶海區(qū)表層海水溫度上升約4～5℃，全球底層海水溫度上升4～5℃左右;高低緯海區(qū)間溫度升高幅度的不平衡造成極地與熱帶地區(qū)溫度差減小，從而使全球底層水形成中心由南半球轉(zhuǎn)移到了北半球;大洋底層水形成中心的轉(zhuǎn)移造成全球大洋環(huán)流模式發(fā)生了倒轉(zhuǎn)，整個(gè)倒轉(zhuǎn)的發(fā)生只是在不到5 ka的時(shí)間內(nèi)完成的，而之后卻花了將近200 ka恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)［6］。

圖1 隕擊天文事件與新生代全球氣候變化Fig.1 Relationship between the meteorite-impact astronomical events and global climatic changes during the Cenezoic

推測(cè)的45Ma日本海隕擊事件，對(duì)應(yīng)了一次持續(xù)約1Ma的δ13C小規(guī)模正偏，δ18O由早始新世氣候適宜期緩慢上升過(guò)渡到中始新世氣候適宜期急劇上升，結(jié)束了持續(xù)約8Ma的新生代全球溫度最高的早始新世氣候適宜期，反映氣候在整體適宜的背景下持續(xù)降溫(圖1)。由于45Ma的日本海隕擊事件發(fā)生在當(dāng)時(shí)歐亞大陸東北部，推測(cè)對(duì)海洋生態(tài)的影響可能不大。

41Ma的推測(cè)的德雷克海峽隕擊事件，對(duì)應(yīng)了54～32Ma的 δ13C最低值，δ18O出現(xiàn)了一次約0.4‰、持續(xù)約1Ma的明顯負(fù)偏，結(jié)束了持續(xù)約4Ma的中始新世氣候適宜期，對(duì)應(yīng)了一次規(guī)模不大的降溫-升溫-降溫過(guò)程(圖1)。41Ma的德雷克開(kāi)啟及其后海峽進(jìn)一步拓寬并加深對(duì)新生代全球氣候改變的意義深遠(yuǎn)。根據(jù)Kennett等(1976、1977)的熱隔離假說(shuō)，由于德雷克海峽的開(kāi)啟以及始新世末澳大利亞與南極大陸之間的塔斯馬尼亞海道開(kāi)啟，環(huán)南極流開(kāi)始形成，阻隔了赤道地區(qū)向南極的熱傳輸而導(dǎo)致南極地區(qū)變冷并在約37Ma形成南極冰席，最終到34Ma形成南極冰蓋。

34Ma的北美玻璃隕石事件，觸發(fā)了(E/O)驟冷事件即漸新世冰期早期變冷事件(Oi-1)，δ18O整體驟然上升約1.5‰，反映全球表層溫度驟然降低約4℃，南極冰蓋形成(圖1)，地球從此由兩極無(wú)冰狀態(tài)過(guò)渡到單極冰蓋狀態(tài)［11］。δ13C、δ18O 均發(fā)生正偏，δ13C 增加 0.4‰ ～0.8‰，最高值達(dá) 1.3‰ ～1.7‰，δ18O增加3‰，深水降溫7～8℃，整個(gè)事件發(fā)生迅速而簡(jiǎn)短，持續(xù)時(shí)間不超過(guò)20萬(wàn)年［5］。Oi-1驟冷事件使全球表層海水溫度明顯下降，赤道附近均溫僅20℃ ±，兩極則在2℃ ±，對(duì)應(yīng)了約50m的平均海平面下降和相當(dāng)于現(xiàn)在南極冰蓋85%～95% 的冰量已在南極海域出現(xiàn)［16］。

24Ma的俄羅斯西伯利亞玻璃隕石事件，使δ13C、δ18O明顯波動(dòng)，結(jié)束了持續(xù)約3Ma的晚漸新世暖期，反映在其后約1Ma內(nèi)經(jīng)歷了一次顯著的降溫-升溫過(guò)程，可能觸發(fā)了其后23Ma的變冷事件(Mi-1)(圖1)。赤道太平洋地區(qū)底棲有孔蟲(chóng)氧同位素在23.7Ma和22.9Ma出現(xiàn)了兩次正偏和碳同位素輕微正偏，每次持續(xù)時(shí)間200～300ka，其殼體鈣鎂溫度計(jì)顯示底層水溫至少下降了2℃［16］。Mi-1變冷事件持續(xù)時(shí)間約為400ka，南極冰蓋相當(dāng)于現(xiàn)今冰蓋的120%，并伴隨約50m的海平面下降［16］。

15Ma的捷克玻璃隕石事件，δ13C偏移不明顯，δ18O在不到1Ma的時(shí)間內(nèi)急劇正偏約2.0‰，結(jié)束了持續(xù)約2Ma的中中新世氣候適宜期，對(duì)應(yīng)了中中新世氣候變冷事件，東南極冰蓋形成標(biāo)志南極冰蓋永久性形成(圖1)。

6.2 Ma的俄羅斯南烏拉爾玻璃隕石事件，δ18O劇烈波動(dòng)，在不到1Ma的時(shí)間內(nèi)急劇正偏或負(fù)偏約0.5‰，反映了短期時(shí)間內(nèi)的降溫-升溫-降溫過(guò)程，對(duì)應(yīng)了西南極冰蓋形成(圖1)。同期及其后1Ma(中新世/上新世)全球海平面明顯下降，地中海、日本海干涸，中國(guó)沿海渤海-黃海-東海-南海經(jīng)歷了一次廣泛的暴露剝蝕夷平。

2.4 Ma的南太平洋隕擊事件，在北太平洋也有隕擊記錄。δ18O在不到1Ma的時(shí)間內(nèi)急劇正偏約2.0‰，大致對(duì)應(yīng)了2.588Ma新近紀(jì)/第四紀(jì)的降溫事件(圖1)。約8Ma開(kāi)始的北極冰蓋最終在此時(shí)完全形成，地球由單極有冰過(guò)渡到兩極都發(fā)育冰蓋，從此地球進(jìn)入新生代以來(lái)的冰室狀態(tài)，地表氣候由幅度變化顯著的冰期、間冰期旋回主導(dǎo)［11］。

1.1 Ma的象牙海岸玻璃隕石事件和0.73Ma的澳-亞玻璃隕石事件，δ18O波動(dòng)明顯，大致對(duì)應(yīng)了0.90～0.92Ma的中更新世氣候周期轉(zhuǎn)型(Mid Pleistocene climatic transition，MPT)，MPT 是指全球氣候主導(dǎo)周期從早更新世40ka轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈率酪院蟮?100ka周期［14］。

3 討論

新生代冰期開(kāi)始的原因，究竟是南極周圍塔斯曼尼亞海道和德雷克海峽的開(kāi)啟使得環(huán)南極洋流形成，還是喜馬拉雅山脈和青藏高原隆升導(dǎo)致大氣環(huán)流改組［13］。新生代全球氣候變化的觸發(fā)因素一直是古氣候研究的焦點(diǎn)。

全球氣候變化的觸發(fā)因素分地外和地內(nèi)因素兩大類。地外因素主要包括隕擊天文事件和地球軌道參數(shù)變化;地內(nèi)因素主要包括CO2濃度降低和全球碳循環(huán)變化、海洋及大氣系統(tǒng)大量甲烷水合物釋放、洋流變化及全球規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(如構(gòu)造隆升、超地幔柱、大規(guī)?；鹕交顒?dòng))。顯然，地內(nèi)因素不可能是地外因素的觸發(fā)因素。

由于偏心率最大值與碳同位素最小值周期在氣候事件期間不一致應(yīng)有其它軌道應(yīng)力機(jī)制或碳源作用，因此運(yùn)用地球軌道參數(shù)變化來(lái)解釋第四紀(jì)之前大尺度氣候變化還面臨諸多挑戰(zhàn)［16］。此外，地球軌道參數(shù)變化一般也不會(huì)引起全球規(guī)模的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及洋流變化。

但足夠大的隕擊天文事件可以直接觸發(fā)超地幔柱和大規(guī)?；鹕交顒?dòng)，可以大量(瞬間)釋放海洋及大氣系統(tǒng)中的甲烷水合物，可以對(duì)洋流變化產(chǎn)生影響，最終改變?nèi)蛱佳h(huán)導(dǎo)致CO2濃度降低，觸發(fā)全球氣候變化。新生代8～11次隕擊天文事件都對(duì)應(yīng)了新生代程度不同的氣候變化。

因此，隕擊天文事件是全球氣候變化最主要的觸發(fā)因素。

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