江 瑶, 刘雪敏, 时志强, 李建亭, 王燕燕

(成都理工大学 a.地球科学学院; b.沉积地质研究院, 成都 610059)

0 引 言

在显生宙生物进化史中, 地球共发生过5次大的全球性生物灭绝事件[1]。距今最近的一次发生于白垩纪末期(约66 Ma), 造成了大约75%的物种灭亡, 包括爬行类(如恐龙)、藻类、底栖类、浮游生物类等, 对于此次大灭绝事件的起因研究一直以来都是学术界关注的热点问题之一[2-7]。目前获得最广泛认同的起因是66 Ma年前的一颗小行星撞击地球, 撞击坑位于墨西哥的尤卡坦半岛(Chicxulub), 导致地球的环境发生了重大变化, 不适宜绝大多数生物的生存, 从而灭绝[8-9]。根据计算机模型推测, 当时地球上大部分的森林都因为陨石撞击而燃烧, 撞击产生的碎石、燃烧产生的灰烬在地表逐渐沉积[10-12], 形成了K/Pg界线层, 记录了白垩纪-古近纪过渡期所发生的地质事件。

白垩纪末期“小行星撞击地球”假想的提出始于Alvarez等在意大利Gubbio地区发现的K/Pg界线铱元素(Ir)异常[13], 大陆地壳中的Ir含量为0.037×10-9, 但在K/Pg界线黏土层中的Ir含量却高达9.1×10-9[13-14], 高含量的Ir可能来自撞击地球的陨石。之后与撞击相关的冲击变质矿物、微球粒等证据也相继在全球各地发现[15-20], 且都伴随着异常高含量的Ir, K/Pg界线地质异常分布范围很广, 从地球最北端的美国阿拉斯加地区[21], 到最南端的南极海洋钻探剖面[22], 甚至影响了与撞击坑相距半个地球的中国地区[23]。研究还发现, K/Pg界线不仅有Ir元素的异常, 其他铂族元素(Ru, Rh, Pd, Os和Pt)也有异常, 且界线样品中的Os/Ir、Ru/Ir值与地外物质十分接近[24-25], 进一步证明此次灭绝事件很可能与地外物质有关。

国外对于K/Pg界线的研究大多集中于海相地层[8, 13, 18, 20, 26]。小行星撞击所引发的海啸波及了整个墨西哥湾和附近的海岸线,以及原加勒比海和古大西洋沿岸地区,海啸高达100～300 m,进入陆地的距离达300多km[27]。海啸的反冲作用使陆地上的沉积物在海沟和深海中沉积[28]; 撞击形成的高温物质冷却于海水中, 随着时间逐渐沉积在海底[29];海相环境沉积古生物层划分也相对容易[30],因此国外海相地层K/Pg界线研究成果丰硕。

中国陆相K/Pg界线相比国外海相地层研究难度大、程度低、进展缓慢, 发现的证据不甚充足, 主要原因为:(1)中国陆相白垩纪-古近纪过渡地层在时间和空间上具有很大的差异性, 晚白垩世时期除松辽盆地和中南、西南地区外, 其他地区均有不同程度的缺失[31]; 早古新世时期, 陆相地层主要分布在松辽盆地、中部和南部地区[32-34]。由于中国陆相地层的缺失, 导致晚白垩世天体撞击事件中陆相所保存的证据有限, 无法在中国大陆建立完整的生物地层学、火山岩年代地层学和磁性地层学记录[35]。(2)晚白垩世时期恶劣的气候条件造成大量的生物灭绝[36-37], 增加了中国陆相生物演化关系的分析难度。(3)不同研究区域由于沉积环境不同、保存条件各异及岩性变化大等问题在一定程度上影响了陆相K/Pg界线地层划分与对比的精度, 不易完成区域性的对比[31-32]。

中国陆相K/Pg界线研究中存在着诸多困难可能导致不同研究者在白垩纪-古近纪陆相地层的认识上发生偏差, 对白垩纪-古近纪众多问题达不成共识。因此，本文关注了近年来中国陆相K/Pg界线研究的进展, 总结了证明陆相K/Pg界线的证据, 试图为未来中国完整的陆相K/Pg界线过渡地层序列研究提供参考依据。

1 中国陆相K/Pg界线研究概况

中国陆相K/Pg界线的研究进展良好, 目前国内外文献共报道了中国约30个地区发现了陆相K/Pg界线[23,34,38-90], 主要分布在中国东部地区(图1), 其中有完整证据链(2个或2个以上的证据)的界线点共9个(表1)。陆相K/Pg界线的证据主要有4大类:(1)地球化学证据, 包括恐龙蛋铱含量及碳氧同位素等;(2)岩石学证据, 主要有微球粒、黏土矿物等;(3)古生物学证据, 包括恐龙骨骼及蛋化石、介形类动物群、轮藻、孢粉等;(4)环境磁学证据。它们所反映出的气候信息相似, 地球化学元素异常呈现出等时性和普遍性。

图1 中国陆相K/Pg界线发现位置分布示意图(图中序号与表1中序号对应)

表1 中国陆相K/Pg界线研究位置及研究证据(按采样介质分类)

2 中国陆相K/Pg界线研究特点

由于中国陆相K/Pg界线研究受到地层缺失、生物演化关系及保存条件的制约, 中国陆相K/Pg界线相比国外海相地层研究难度大、程度低、进展缓慢，发现的证据不甚充足，但在国内外地质工作者的共同努力下, 2011年黑龙江嘉荫地区通过白垩世晚期和古新世早期的孢粉组合正式确定了我国完整的陆相白垩纪-古近纪过渡地层界线(K/Pg界线)[66], 标志着我国陆相K/Pg界线研究上了一个新台阶, 为中国其他地区的K/Pg界线分析及建立完整的K/Pg界线地层序列提供了参考依据。

中国陆相K/Pg界线以河湖相沉积序列为主, 沉积时温度较高, 地层中化石丰富, 大气CO2含量高，如广东南雄盆地内发现有形成于湖底沉积物表层或近表层钙质结核[91-93]; 盆地中的磁性矿物[43, 94]及恐龙蛋壳氧同位素分析表明, 在白垩纪-古近纪过渡的150 ka的时间内出现过高温天气[95]; 界线层中存在着大量介形类等化石[41], 说明当时有大量的生物死亡; δ13C亏损和δ18O正偏间接反映出大气CO2浓度有过长时间的持续升高[39]。松辽盆地明水组(K2m)跨越了晚白垩世和早古新世, 完整记录了K/Pg界线处的地质事件[34], 该地层以浅滨湖至河流相砂泥质沉积序列为主[96]; 地层中发现的化石种类丰富, 主要包括介形类、孢粉和轮藻[64-65]; 古土壤碳酸盐碳氧同位素分析表明, 当时大气温度较高且存在着大量CO2气体, 可能与小行星撞击引发的火山活动有关[97-98]。

3 中国陆相K/Pg界线地质证据

3.1 恐龙蛋

晚白垩世是恐龙生物进化历史上的关键时期, 恐龙的生物多样性达到顶峰, 数量巨大[99]。恐龙蛋作为一种能反映恐龙生活状况的遗迹化石, 一般成窝产出且呈多层分布, 兼有数量众多、保存好且类型丰富的特点, 是中国陆相白垩纪地层划分与对比的重要依据[100]。由于恐龙蛋壳中生物微晶方解石有非常薄的有机质薄膜保护, 所以蛋壳是恢复晚白垩世恐龙动物群的生活环境以及了解恐龙动物群演化与灭绝的重要证据[95]。通过测试蛋壳和围岩中的地球化学元素组成, 将元素的异常含量变化与恐龙的生活环境联系起来, 可以找出恐龙灭绝的原因, 进而还原晚白垩世恐龙灭绝时的气候环境[101-104]。目前通过研究恐龙蛋来分析K/Pg界线处异常事件的地区有安徽齐云山[38]、广东南雄盆地[40, 44]、江西于都[45]、浙江天台盆地[46]、河南西峡[53-55]、河南淅川[57]、山东莱阳[58-60]、陕西山阳盆地[69](表1)。

3.1.1 恐龙蛋种属及特征 1975年赵资奎[105]研究了广东南雄盆地恐龙蛋的显微结构, 将5种恐龙蛋划分为3个属、1个科。科为长形蛋科，属分别为巨型蛋属、长形蛋属、南雄蛋属。5种恐龙蛋分别为粗皮巨形蛋、瑶屯巨形蛋、安氏长形蛋、长形长形蛋、主田南雄蛋(表2)，其中长形蛋科的蛋化石为长条形, 其长径和横径之比约为2∶1, 蛋壳外表面具有瘤状小突和链条状棱纹的纹饰, 蛋壳由乳突层和层状棱柱层组成, 乳突一般为圆锥形, 层状棱柱层呈波浪形, 相对较厚；巨型蛋属的蛋化石比较大, 蛋壳外表面具有粗糙的瘤状小突和链条状的棱纹纹饰, 乳突层和层状棱柱层之间有明显的分界, 气孔道直, 弦切面近乎圆形, 如粗皮巨形蛋; 长形蛋属蛋壳外表面的链条状棱纹纹饰比巨型蛋属的细长, 蛋壳也比较薄, 乳突层和层状棱柱层之间没有明显分界, 层状棱柱层呈波浪形, 气孔道直, 弦切面近乎圆形, 如安氏长形蛋和长形长形蛋; 南雄蛋属蛋壳外表面的链条状棱纹纹饰不很明显, 一般比较光滑, 乳突层呈浅棕灰色, 层状棱柱层略呈波浪形, 棕红色, 其中的棱柱体彼此界限分明, 气孔道形状不规则, 一般呈裂隙形, 如主田南雄蛋[105-106]。

表2 广东南雄盆地恐龙蛋种属[105]

3.1.2 恐龙蛋中的铱 铱(Ir)在地壳中的含量(0.037×10-9)远低于其在碳质球粒陨石中的平均含量(481×10-9)[14, 24]。由于Ir不是生物生命所必须的元素, 因此在正常情况下, 恐龙的蛋壳和骨组织中Ir的含量非常低[107]。蛋壳中Ir含量异常高的原因可能是食物、水源以及空气等环境中较高的Ir进入恐龙母体内, 从而在其胚胎及蛋壳中富集[40, 44]。当恐龙体内的Ir含量增大时, 可能由于铂族金属元素而中毒, 其正常生理活动受到影响, 同时会造成恐龙蛋的结构异常, 影响胚胎的形成及早期发育, 出现病理结构(图2), 从而不利于恐龙的正常孵化, 使其逐渐趋于灭绝。目前关于撞击后沉积环境中Ir含量超高的原因有两种解释: 突变因素(如小行星撞击)和渐变因素(如环境变化)[13, 108-109]。

图2 广东南雄盆地K/Pg界线处的病理蛋壳(据文献[44]修改)

目前研究中国陆相K/Pg界线地层中蛋壳及其周围介质中Ir含量的界线点如表3所示, 虽然蛋壳和围岩中的Ir含量差异较大, 但与大陆地壳背景值0.037×10-9对比大多偏高。在河南西峡晚白垩世赵营组(K2zh)[54]采集的恐龙蛋壳样品中, Ir含量的平均值为235.5×10-12, 最大值为860.0×10-12; 围岩(砂岩, 恐龙蛋赋存层)的Ir含量(14 500.0×10-12)比恐龙蛋壳中的含量高得多。赵资奎等[95]在广东南雄盆地的K/Pg界线地层、界线之上的古近纪上湖组(Esh)、界线之下的晚白垩世浈水组(Kzs)都采集了恐龙蛋壳样品, 研究发现K/Pg界线地层中的蛋壳有最高的Ir含量(118.0×10-12), 明显高于界线之上上湖组(Esh)的值, 但在界线之下浈水组(Kzs)也出现了高值(117.6×10-12), 反映出在K/Pg过渡的大约150 ka时间里出现了多次干燥气候。在江西于都晚白垩世河口组(K2h)[45]采集的蛋壳样品中, Ir含量最大值为480.8×10-12, 平均值为305.6×10-12, 均远小于内侧围岩(平均值2 381.3×10-12, 恐龙蛋赋存层)和外侧围岩(平均值7 550.3×10-12, 恐龙蛋赋存层)中的Ir含量。安徽齐云山剖面沉积岩(晚白垩世小岩组(K2x), 恐龙脚印赋存层的泥质粉砂岩)、围岩(晚白垩世徽州组(K1h), 恐龙蛋赋存层)、蛋核及蛋壳中的Ir含量均呈现出异常或超高异常，8个蛋壳样品中Ir含量的平均值为79.23×10-12, 最高值高达152.9×10-12, 而围岩中的最高值为254.5×10-12, 说明离K/Pg界线越近, Ir含量就越高[38]。

表3 与中国陆相K/Pg界线相关的恐龙蛋壳及其围岩中的铱含量

晚白垩世时期的蛋壳及其围岩中的Ir含量高于大陆地壳(0.037×10-9)[38, 45, 54], 异常高含量的Ir可能来源于地外物质, K/Pg界线与其上下地层的Ir含量对比[95]也充分说明了这一点。白垩纪末期, 小行星撞击地球, 引发全球性的灾变事件, 导致环境恶化, 突然的撞击及某些环境条件的突变(如温度)是许多生物无法承受的, 会造成大批的动物死亡, 由于时间较短, 并不会使物种完全灭绝[110], 但撞击所引发的地震、海啸、大火以及烟尘会存在几十甚至几百年, 生物的生存环境发生了极大改变, 生物的正常生长受到了影响, 生态系统崩溃, 生物逐渐灭绝。环境中较高的Ir进入恐龙母体内, 进而富集在恐龙胚胎及蛋壳中影响胚胎的形成及早期发育, 这对其繁衍生息极其不利[40,44-45]。恐龙体内的Ir富集相比于沉积物较小, 所以围岩和恐龙蛋壳中的Ir含量虽然都高, 但也存在明显的差异[38, 45, 54]。

3.1.3 碳氧同位素 碳氧同位素可以作为恢复晚白垩世古气候环境的证据[39, 95], 如广东南雄盆地K/Pg界线剖面中恐龙蛋壳δ13C降低, 反映出恐龙主要食用的C3型植物中δ13C值发生了变化, C3型植物主要生长在富含CO2的环境中且光合作用优先吸收12C, 因此, δ13C亏损间接说明当时大气中的CO2浓度偏高[39, 111-113]; 松辽盆地[98]和新疆连木沁[114]地层剖面中的碳同位素发生偏移, 反映出大气温度先降低后升高; 分析安徽齐云山[38]、广东南雄盆地[39]和山东莱阳[59]恐龙蛋壳中的氧同位素, 发现δ18O都有明显富集, 表明晚白垩世时期发生了升温事件, 当时至少出现过3次年平均气温在27 ℃以上的干燥气候; 松辽盆地[65]介形类碳氧同位素分析发现, 晚白垩世时期发生了短暂降温事件, 原因可能与小行星撞击引发的火山活动有关[98], 火山喷发会释放大量的CO2气体, 导致大气中的含量发生变化[115-116]。

3.2 恐龙骨骼及牙齿化石

化石在研究地球发展历史和生命演化过程中具有独特的作用和意义, 如通过恐龙化石的研究可以还原恐龙生活的古地理环境和古环境变化[117]。晚白垩世是恐龙生存的最后一个时代, 在黑龙江嘉荫[68]、内蒙古二连浩特[87]、河南栾川[61-62]、湖南株洲[78]、浙江天台盆地[46]、山东诸城[56]、四川开江[75]、四川自贡[77]等地(表1)都发现了大量晚白垩世时期的恐龙化石。

鸭嘴龙是晚白垩世鸟臀类的一个主要类群, 巨龙-鸭嘴龙动物群是该时期的代表恐龙动物群[118]。在黑龙江嘉荫地区发现了该恐龙类群的骨骼和牙齿[68], 其中牙齿分为6种类型, 分别代表霸王龙类、驰龙类、白鲨齿龙、福井盗龙、新的兽脚类恐龙以及新的肉食龙类, 并且在内蒙古二连浩特地区也发现了这种恐龙的痕迹[87], 充分说明晚白垩世时期其数量多, 分布范围广。2016年姜杨等[46]和安伟等[56]分别对浙江天台盆地和山东诸城的恐龙化石层进行锆石定年, 结果显示化石形成于晚白垩世时期, 并且在河南栾川[61]、湖南株洲[78]K/Pg界线研究以及四川开江[75]和四川自贡[77]的恐龙化石元素分析中都表明晚白垩世时期有大量的恐龙死亡。恐龙的突然死亡暗示着晚白垩世地球环境发生了重大变化, 但不能从恐龙化石中找到直接证据来证明这种变化是由“小行星撞击地球”所导致。

3.3 微球粒

小行星撞击地球的另外一个证据是微球粒。微球粒是当陨石撞击地球时, 撞击面上的岩石在高温高压下熔融, 溅射到大气中快速冷却后又落回地面所形成的[119]。微球粒的形态多为球粒状和椭球状, 圆度、球度较好, 表面大体光滑, 但有时会呈现出毛玻璃状, 可见圆形或不规则的凹坑, 以及撞击形成的细线状流动构造等, 大小一般为0.1～0.25 mm[120]，其中不透明的微球粒以棕褐色、黑色为主, 还可见棕黑色、棕黄色、浅棕色、浅黄色等; 透明的微球粒大多以无色、淡黄色、黄色为主, 呈现玻璃光泽。微球粒的成分大多为石英、长石、辉石、橄榄石、尖晶石等[121]。

中国陆相K/Pg界线地层研究中, 在山东胶莱盆地鲁科1井岩心中发现的玻璃质微球粒最典型, 数量巨大, 共计707颗，大小在0.34～1.20 mm, 平均大小约为0.50 mm, 其形态特征明显不同于火山玻璃, 是撞击产生的高温高压使岩石熔融、汽化、溅射, 并冷却固化后所形成的[23]。白垩纪末期小行星撞击地球的撞击坑位于墨西哥湾, 撞击点距离中国大陆比较远, 但在中国山东胶莱盆地却发现了与之密切相关的微球粒, 这些微球粒可能是由于陨石撞击使其溅射进入大气平流层, 被运移至中国陆区沉积于陆相环境。

3.4 黏土矿物

中国陆相白垩纪-古近纪地层十分发育, 如四川盆地和广东南雄盆地都发育有完整的陆相红层, 并且沉积连续, 化石丰富, 受到了国内地质工作者的高度关注[122-123]。2008年曹珂等[122]在研究四川盆地的古气候时发现, 雅安-成都分区发育有晚白垩世时期的沉积物, F/Q>L/Q(其中F代表长石，Q代表石英，L代表岩屑), 以气候控制为主。其中晚白垩世灌口组黏土矿物组合变化较大, 伊利石的结晶度指数和化学指数与黏土矿物组合变化趋势一致, 说明气候变化趋势为干冷—暖湿—干冷。雅安古近纪名山组黏土矿物组合变化也大, 在K/Pg界线附近没有发现蒙脱石, 但伊利石含量却达到最高值, 在那之后很短的时间内蒙脱石升高到晚白垩世中期的水平, 之后又突然消失, 充分说明名山组沉积时期气候发生了多次变化, 在K/Pg界线附近先变冷, 再变暖湿, 最后变为干冷, 与晚白垩世时期灌口组伊利石所反映气候信息相似(表4)。王尹等[123]研究广东南雄盆地的黏土矿物组成特点, 将K/Pg界线过渡时期的气候划为了3个阶段:(1)晚白垩世马斯特里赫特期, 气候以干旱-半干旱为主;(2)古新世丹尼期早期, 为半干旱—湿热交替性气候;(3)古新世丹尼期晚期, 此时为半干旱气候。

表4 四川盆地K/Pg界线处的气候变化[122]

3.5 介形类动物群

中国陆相介形类化石的研究比国外起步晚, 但目前已在许多地方都找到了介形类的证据, 包括松辽盆地[65]、山东胶莱盆地[23, 52]、平邑盆地[48, 50]、广东南雄盆地[41]、广西合浦盆地[47]、四川雅安[72]等地(表1), 通过介形类动物群化石的研究可以建立完整K/Pg界线沉积序列, 恢复白垩纪末期—古近纪早期的气候环境。

类女星介科(Talicyprididae)是一个绝灭的介形类动物类群, 最早出现在早白垩纪时期的冈瓦纳大陆, 紧接着传入欧洲, 随后迁移到亚洲地区, 并在晚白垩世的坎潘期-马斯特里赫特期数量达到其演化史上的顶峰(图3)。但进入古近纪却遭受了巨大的重创而使其分布范围迅速缩小, 仅中国和蒙古的个别地区有所发现, 最后在全世界范围内逐渐消失[52], 类女星介科数量的骤减可能与白垩纪末期发生的重大气候变化有着某种联系。因此在K/Pg界线地层研究中, 介形类动物群化石可以作为恢复晚白垩世古气候、古环境重要的证据, 其在K/Pg界线处的数量变化可以对K/Pg界线处发生的异常事件进行很好地制约。

图3 类女星介科分异度变化曲线(据文献[52]修改)

3.6 轮藻、孢粉

白垩纪晚期至古近纪早期是轮藻的最大繁盛期之一, 化石种类和类型都很丰富, 湖北当阳存在着全球所知最为连续且丰富的陆相白垩纪-古近纪过渡时期的轮藻生物地层记录[76], 成为了建立陆相K/Pg界线地层的理想地区。2019年杜圣贤等[49]通过研究卞桥组上下亚段的轮藻-孢粉-介形类生物群化石组合, 确定了K/Pg界线的准确位置。李莎等[63]在松科1井中建立了4个轮藻化石组合带, 分别为Atopocharaulanensis-Hornicharaanguangensis组合带、Atopocharaulanensis延限带、Hornicharaprolixa-Gobicharadeserta组合带和Grovesicharachangzhouensis-Neocharasinuolata组合带, 并且证明其为晚白垩世-古近纪过渡时期生物群, 不仅确定了K/Pg界线的位置, 而且还建立了完整的K/Pg界线古生物演化序列。2008年新疆准噶尔盆地发现了丰富的轮藻化石, 其中包含20属1亚属63种1亚种3变种2比较种1新型2未定种, 在确定白垩纪地层序列及地层对比中起到了至关重要的作用[80]。

孢粉是孢子和花粉的简称, 包括苔藓类、蕨类孢子和种子植物的花粉[124]。孢粉是K/Pg界线地层识别的重要标志, 孢粉分析就是通过地层中的孢粉进行离析、分离、识别、鉴定、分类并统计所含种类的百分含量等途径, 来研究它们的组合特征以及演化规律等。孢粉在K/Pg界线地层研究中主要有3个方面的应用:(1)进行地层划分及对比，即根据化石层序规律来确定孢粉的组合类型, 进而推断地层时代, 如山东平邑盆地地层研究中通过轮藻-孢粉-介形类化石群组合分析, 确定了K/Pg界线的位置[49];(2)恢复古气候，即通过孢粉组合、植物群以及自然地理条件的关系来推断气候的变化过程, 如湖北江汉盆地孢粉组合研究, 认为K/Pg界线过渡时期该地区属于偏干旱的亚热带气候[74];(3)恢复古植被，即通过研究植被的分布以及演变来了解孢粉组合与植被的关系, 从而进一步确定气候的变化特征, 如松辽盆地LD17井晚白垩世-古近纪地层中的孢粉组合分析, 发现该时期属于半湿润的亚热带气候面貌, 植被以针阔混生林和草丛为主[64]。

3.7 环境磁学

中国陆相K/Pg界线地层的磁学研究已经取得了突破性的进展, 2019年彭超[43]综合分析广东南雄盆地大塘剖面的磁化率数据(图4a)、化学风化指数CIA(图4b)、同时期的海平面变化[125]和海水表层温度(SST)[126](图4c)、沉积物中伊利石的结晶度、风化指数[123](图4d)数据, 将该地区晚白垩世-古近纪的气候分成了3个阶段:(1)第1阶段为72～71.5 Ma, 马斯特里赫特早期, 气候以湿热为主;(2)第2阶段为71.5～66 Ma, 马斯特里赫特中晚期, 此时气候总体表现为温暖干燥;(3)第3阶段为66～61.5 Ma, 古近纪丹麦期, 该时期气候表现为湿热。王海龙等[70]分析黑龙江东部地区白垩纪-古近纪的古地磁结果, 发现晚白垩世牡丹江断裂东侧的佳木斯地块内部的穆棱、鸡西、七台河和桦南地区整体发生了30°～40°的逆时针旋转, 可能是小行星撞击地球后引发的全球地震所导致。尹济云等[82]在云南兰坪思茅地区通过白垩纪-古近纪的古地磁研究, 确定南新组与虎头寺组所属时代为晚白垩世, 并进一步证明晚白垩世华南与印度支那地块存在明显的纬度差。

图4 大塘剖面质量磁化率(a)、化学风化指数CIA(b)，全球海平面高度变化及中纬度(～35°N)海水表层温度(c)，南雄盆地伊利石结晶度、风化指数(d)随时间变化曲线(据文献[43,123，125-128]修改)

4 国内外证据对比

国外主要开展海相地层的K/Pg界线研究, 且证据丰富。在意大利的Gubbio剖面[13]、丹麦的Stevns Klint剖面[18]、西班牙的Caravaca剖面[19]和新西兰的Woodside Creek剖面[20]等地都发现有异常的铂族元素含量, 其中Ir含量分别为9.1×10-9、87×10-9、56.9×10-9、70×10-9, 都远高于大陆地壳(0.037×10-9)的含量, 并且丹麦Stevns Klint剖面中的Pt/Ir值为2.01±0.07, 与碳质球粒陨石中的值(Pt/Ir=2.10)十分接近, 间接说明有地外物质的参与; 在太平洋[129]、突尼斯的Elles II剖面[26]以及科罗拉多[130]等地运用Re-Os、C、O、U-Pb同位素地球化学元素分析, 证明K/Pg界线处有异常事件发生; 在西班牙的Caravaca剖面[131]、蒙达那州[132]、中太平洋深处[133]发现了与撞击直接相关的微球粒, 进一步证明K/Pg界线处的灭绝事件可能与地外物质有关; Lewis等[134]、Prinn等[135]和Zahnle[136]运用计算机模拟, 推测出大气可能由于撞击事件的冲击而被加热形成硝酸雨, 对生物的正常生长会产生严重的影响; Wolbach等在研究丹麦、西班牙、新西兰的K/Pg界线地层时发现其中存在黑碳[10-12], 说明撞击会引发大火, 形成恶劣环境; 在土耳其的Haymana盆地[137]、美国的蒙大拿州[138]和波兰[139]等地的K/Pg界线处都发现有大量的底栖有孔虫、介形类动物群死亡, 生物的死亡暗示着晚白垩世的古气候环境发生了重大变化。

中国陆相K/Pg界线的研究证据(按采样介质分类)主要包括恐龙蛋铱含量及碳氧同位素、恐龙牙齿及蛋化石、微球粒、黏土矿物、介形类动物群、轮藻、孢粉和环境磁学变化, 多为古生物方面的研究, 中国发现的大部分K/Pg界线点论据不甚充足, 有2个或2个以上证据链的界线点只有9个。

5 存在问题与研究展望

中国大陆距小行星撞击地球的撞击点(墨西哥湾)比较远, 却也发现了一些与之密切相关的证据。目前与国外海相地层对比, 中国陆相K/Pg界线研究难度大、程度低, 且进展缓慢, 但要研究此次撞击事件对中国大陆的气候、环境及生物的影响, 中国陆相K/Pg界线研究必不可少。为了建立完整的中国陆相K/Pg界线地层序列, 恢复撞击事件对中国大陆的影响, 未来可以从以下几方面开展进一步的研究工作:

(1)加强生物地层学研究。在现有证据的基础上, 提高生物地层对比的精度, 同时识别重要生物的演化节点, 建立完整、精确的白垩纪-古近纪中国陆相古生物年代地层序列。

(2)以生物地层学为基础, 综合同位素年代学、旋回地层学、磁性矿物学等方法, 开展中国陆相K/Pg界线地层的划分与对比研究。

(3)在研究中国陆相K/Pg界线地层的同时, 要注意与国外海相K/Pg界线地层研究之间的相互联系, 力求在精确古生物年代学的基础上, 寻找与海相相对应的生物或其他标志。

(4)中国陆相地层主要集中于传统同位素的研究, 缺乏非传统同位素的研究, 今后可利用非传统同位素证据, 来获得更加准确的地层界线信息。

(5)撞击会造成火山喷发和森林燃烧, 通过火山灰夹层和燃烧碳(即黑碳), 可进行高精度同沉积期的锆石同位素定年, 准确获取撞击事件发生的时间。

(6)继续加强对中国东部地区陆相K/Pg界线研究, 同时注意对中国西部和西北部地层界线及有关证据的寻找, 以便丰富和完善中国陆相K/Pg界线的研究证据。