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地球上一场真实的"冰与火之歌" 被科学家证实了

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凌冬已至,漫漫长夜不见天日。北境的冰原上一片寂静,只有冷风吹过茫茫冰雪的簌簌之声,一场危机正在暗暗酝酿。

突然间,一团巨大的火球在一瞬间从天而降,伴着震耳欲聋的轰响和强烈迸发的火光,整个北境都开始震颤,坚实的冰盖顷刻间四散崩塌,化为水汽。

地球上一场真实的冰与火之歌 被科学家证实了

冰与火之歌》中的场景

不过,这个为北境带来灾难的火球并非来自于《冰与火之歌》里的那条摧毁“长城”的巨龙,而是一颗刚刚被证实的,曾经砸在地球北极格林兰岛上的陨石

这颗陨石的光顾在格林兰冰架西北部留下了一个直径31千米的巨型陨坑,虽然远没有传说中6500万年前引起白垩纪大灭绝的墨西哥希克苏鲁伯陨石坑规模那么大(直径近200千米),但也足以对当时北半球的气候造成极大影响。

地球上一场真实的冰与火之歌 被科学家证实了

陨石撞击地球北极的情景还原。来源:Natural History Museum of Denmark, Cryospheric Sciences Lab, NASA Goddard Space Flight Center

然而,这个陨石坑一直以来都默默地躺在格陵兰Hiawatha冰川厚厚的冰层之下,直到近期,才被丹麦哥本哈根大学的Kj?r等团队合作发现,使它成功晋级地球已知最大陨石坑的top25,并登上了2018年11月的《科学·进展》杂志[1]。

地球上一场真实的冰与火之歌 被科学家证实了

新发现的陨石坑位置。来源: NASA NSIDC & Natural History Museum of Denmark

一、茫茫冰原,要如何找到坑?

说起来,撞击事件已经过去了数万年,Hiawatha冰川区域的表面早已被冰层完全覆盖,从外观上完全看不到明显的陨石坑形态,科学家要如何判断陨石坑的存在呢?

与前段时间发现于芬兰湖底的陨石坑情况类似(惊!科学家新发现一个旷世之“坑”!地球上,这种坑为啥这么难找?),肉眼观察肯定不行,必须借助特殊的手段来“慧眼找坑”了。

这次的Kjr团队,就是通过1997-2016年的多次机载雷达观测资料,成功地“透视”了冰原表面,在冰层之下找到了一个圆形洼陷。

地球上一场真实的冰与火之歌 被科学家证实了

机载雷达观测冰下地形并找到陨石坑洼陷的示意图。来源:NASA[2],压制:尞祡

雷达数据显示该洼陷坑直径约31千米,深约300多米,坑中央有略微的隆起以及零星中央峰的痕迹,这和大型撞击坑在高压撞击之后常有的岩石回弹特征吻合。

除了陨石坑,冰下还保留了两条古老河道的遗迹:2条约5千米宽,500米深的冰下河道在向下游(北方)流动的过程中在洼陷坑的南部汇合,然后冲破洼陷坑的东南缘流入了坑内。而在坑的另一侧(下游一侧),还有一个明显的小缺口,这是冰流从这里流出的证据。

地球上一场真实的冰与火之歌 被科学家证实了

(A)Hiawatha冰川的表面地形,(B)Hiawatha冰川下的实际地形。来源:参考文献[1]

二、如何证实坑是陨石坑?

仅仅是圆形的洼陷地形,并不能证明一定是陨石坑,许多其他地质活动也可以产生类似的圆形洼陷,比如火山喷发。那么如何证实坑是陨石坑呢?

那就需要进一步找到剧烈冲击作用的痕迹了——比如一些冲击变质作用的产物(撞击角砾岩、柯石英、斯石英、微粒钻石等),而其中最决定性的实锤,是一种叫作面状变形构造(Planardeformationfeatures,简称PDFs)的微观特征,需要在显微镜下才能看到。

经历过陨石撞击引起的高压冲击作用的硅酸盐矿物(通常是石英或长石)晶粒中可能会产生一组或多组平行于不同方向的线性裂隙,平行裂隙之间的间距在十几到几十微米量级。

这是一种只可能出现在高压冲击作用现场的产物。至少在目前的科学共识里,想要证明地球上的某个坑是陨石坑,就必须要找到PDFs才算数。

2016年7月,Kj?r团队前往Hiawatha冰川边缘对这里的地质情况进行实地考察,并对附近三处冰水沉积物进行了采样。

地球上一场真实的冰与火之歌 被科学家证实了

(A)Kurt H. Kr在Hiawatha冰川边缘的沙地上采集样本,来源:Svend Funder;(B)三处采集样本的地方HW12-2016、HW21-2016和HW13-2016(白色箭头所示),来源:参考文献[1]

在这三处样本中,只有位于冰流出口附近的HW21-2016沙土样本中发现了PDFs——这已足够证实这个圆形洼陷确实是陨石撞击形成的。

地球上一场真实的冰与火之歌 被科学家证实了

显微照片(左列)和背散射电子显微照片(右列)反映出Hiawatha陨石撞击留下的“岁月痕迹”——PDFs(白色箭头处)。来源:参考文献[1]

格林兰冰原下发现的这个直径不少于31千米的Hiawatha陨石坑是地球上已知的25个最大的陨石坑之一,而且还是地球上这一规模的陨石坑中唯一一个形态保存良好,没有完全被地质侵蚀抹平,至今尚能观察到凹陷地形的陨石坑。

三、如何得知陨石坑的年龄?

这个“深藏不露”的陨石坑,究竟有多少年历史了呢?

判断一个陨石坑的形成时间,最直接的方式是通过放射性元素定年。

然而,通过对三处沉积物样本成分的进一步分析表明,HW21-2016样本之外的其他两处样本应当和当时的撞击事件无关;而HW21-2016样本虽然和撞击事件有关,但不太可能来自陨石坑内部的撞击熔融层,而更可能来自撞击挖掘出的溅射物——也就是说, HW21-2016样本沉积物没有经历过撞击之后的成岩过程(也就是熔融之后再次结晶),不适合用来通过放射性定年直接判断Hiawatha陨石坑的形成年龄。

但通过其他地质证据,还是可以对Hiawatha陨石坑的大致形成年代进行一定的推测,例如:

(1)一方面,雷达观测数据揭示了覆盖在Hiawatha陨石坑之上厚达900多米的冰层结构,通过与之前的格林兰冰芯钻孔结果进行对比判定不同冰层的形成年代。

结果表明Hiawatha陨石坑之上主要覆盖了三层不同的冰层:最上层是年轻而且连续分布的全新世(1.17万年至今)冰层;而中间和下层是较老的、充满碎屑而且分布分散的末次冰期冰层(11.5万年-1.28万年前)和基层冰层。少量区域在全新世冰层和末次冰期冰层之间还可以发现一些新仙女木冰期(1.28万年-1.17万年前)的冰层。

但也不能因此认为Hiawatha陨石坑一定形成于末次冰期之前,因为这些较老的冰可能是陨石坑形成之后从河道里流进坑内的。

(2)另一方面,Hiawatha陨石坑明显切割了下游(北部)的一些河道,还让一些河道改变了方向,因此Hiawatha陨石坑应当形成于这些河道之后,而这些河道据推测应当形成与更新世开始(260万年前)之前。

(3)再加上Hiawatha陨石坑至今还没有被各种侵蚀作用所抹平,Kj?r团队倾向于认为Hiawatha陨石坑应该相当年轻,最起码不太可能早于更新世开始(260万年前)的时候。

四、真·冰与火之歌

你可能会问,砸出这么大个坑的“肇事陨石”究竟是何来头?虽然陨石的主体早就灰飞烟灭,但依然会留下些“蛛丝马迹”——

Kj?r团队通过分析HW21-2016样本发现,它们富含镍、钴、铂系元素等亲铁元素,于是排除了碳质球粒陨石、普通球粒陨石、顽火球粒陨石等岩质陨石的可能性,而是指向了更为罕见的铁陨石——表明当时的撞击体是一颗铁质小行星或者小行星碎片。

这个小行星多大呢?根据陨石坑的大小推断,如果这颗陨石是砸在普通地表,它的直径大约有1.5千米,以时速几十千米每秒撞击地表,释放出相当于4700万颗广岛原子弹的能量(不过很大一部分能量都传入了地下)。

但在更新世开始时,格林兰冰原应当也已形成,Hiawatha一带绝大部分时间都被冰层所覆盖。所以更加可能的情况是,这个铁陨石是撞在冰层之上的。如果是这样的话,那么实际的撞击体和撞击规模都应当比前面的估计还要大。

也就是说,在几万到200多万年前的格林兰岛上,很可能曾经发生过这样壮观的场景:一个直径1.5千米以上的铁陨石从天而降,高速撞向了格林兰冰层。

地球上一场真实的冰与火之歌 被科学家证实了

陨石撞击冰原的情景还原。来源:NASA[3],压制:尞祡

撞击迅速释放了大量的能量,产生了剧烈的光和热,融化和气化了附近的一大片冰层和岩石,并最终形成了如今格林兰冰原之下的这个大型陨石坑。

地球上一场真实的冰与火之歌 被科学家证实了

陨石撞击冰原之后的情景还原。来源:NASA[3],压制:尞祡

溅射物和气化的岩石经过空中传播到更远的地方,而大量融化的冰水则流入了北大西洋。

地球上一场真实的冰与火之歌 被科学家证实了

格林兰冰原融化的情景还原。来源:NASA[3],压制:尞祡

之后,这场冰与火的交锋慢慢归于平静,留下的陨石坑也再次被冰层所覆盖,直到这次被人类发现。

地球上一场真实的冰与火之歌 被科学家证实了

格林兰冰层下的陨石坑。来源:NASA[2],压制:尞祡

可以说,研究者们通过本次发现,还原了一场发生在数百万年前地球北极的壮烈“冰与火之歌”。不过,这个新发现的Hiawatha陨石坑背后依然有很多谜题——它确切的形成时间是什么时候?它的形成对北半球造成了多大程度的影响?它的撞击溅射物哪里去了?为什么在之前格林兰冰原多处冰芯钻孔记录中都没有发现过……

这些问题都需要科学家们展开进一步调查研究来解答。我们期待他们可以通过后续研究带给我们精彩的答案。

地球上一场真实的冰与火之歌 被科学家证实了

铁陨石撞上格林兰冰架,奏响一场真实的“冰与火之歌”(假想图)。来源:Carl Toft

参考文献

[1]http://advances.sciencemag.org/content/4/11/eaar8173

[2]NASA | The Hiawatha Impact Crater

https://svs.gsfc.nasa.gov/4572

[3]NASA | Massive Crater Discovered under Greenland Ice

https://svs.gsfc.nasa.gov/12941

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