“了解我们如何解读《岩石之书》中记载的伟大历史事件
可能和活动本身一样有趣。”
沃尔特·阿尔瓦雷斯
B古比奥古城坐落在翁布里亚因格诺山的山坡上，以许多保存完好的建筑而自豪，这些建筑记录了它的辉煌历史。由伊特鲁里亚人在公元前二世纪和一世纪之间建立，它的罗马剧院、执政官宫殿和各种教堂和喷泉是罗马、中世纪和文艺复兴时期壮观的纪念碑。它是吸引游客到这个意大利著名地区的特殊目的地之一。
把年轻的美国地质学家沃尔特·阿尔瓦雷斯(Walter Alvarez)带到古比奥的，不是古老的建筑，而是城墙外岩层中保存的更长的自然历史。就在小镇的外面，坐落着地质学家的梦想——地球上最广泛、最连续的石灰岩岩层之一(参见《父子》)。“Scaglia rossa”是当地对沿着山坡和峡谷露出的迷人的粉红色岩石的叫法(“Scaglia”的意思是鳞片或薄片，指的是这些岩石如何很容易地被切割成用于建筑的方形石块，比如罗马剧院。“Rossa”指的是粉色)。这个巨大的地层由许多层组成，总共跨度约400米。这些岩石曾经是古老的海床，代表了大约5000万年的地球历史。
长期以来，地质学家一直使用化石来帮助识别来自世界各地的部分岩石记录，沃尔特在研究古比奥周围的地层时就采用了这种策略。在整个石灰岩中，他发现了微小生物的壳化石，这些生物被称为有孔虫或简称为“有孔虫”，是一群只能用放大镜才能看到的单细胞原生生物。但在两层石灰石之间相隔一厘米的粘土中，他根本没有发现化石。此外，在粘土下面较老的地层中，有孔虫的种类更丰富，而且比粘土上面较年轻的地层中大得多(见有孔虫类)。他环顾古比奥的每一处，都发现了薄薄的一层黏土，以及黏土上面和下面的有孔虫之间的相同差异。
沃尔特是困惑。有孔虫发生了什么变化?它发生的有多快?那个没有有孔虫的薄层代表了多长时间?
在意大利1300英尺厚的岩石床上，这些看似平凡的微生物和1厘米厚的粘土的问题可能显得微不足道。但他们的追求让沃尔特有了一个真正惊天动地的发现关于生命历史上最重要的一天之一。
k - t边界的
从化石分布和其他地质资料可知，古比奥组横跨白垩纪和第三纪。这些和其他地质时期的名称来自于早期地质学家对地球历史上主要时期的看法，以及一些标志着特定时期的特征。在一种方案中，生命的历史被分为三个阶段——古生代(“古代生命”，第一种动物)，中生代(“中期生命”，恐龙时代)和新生代(“近代生命”，哺乳动物时代)。白垩纪，以典型的白垩矿床命名，形成中生代的最后三分之一。第三纪(已被重新命名并细分为古近纪和新近纪)开始于6500万年前的白垩纪末期，结束于260万年前的第四纪初期。
沃尔特和他的同事比尔·劳里花了几年时间研究古比奥的形成，从第三纪到白垩纪都进行了取样。他们首先感兴趣的是试图将地球磁场的逆转与化石记录联系起来，以此来破译地球历史的时间尺度。他们学会了通过某些沉积物的有孔虫特征，以及识别白垩纪和第三纪岩石的边界，来确定自己在岩层中的位置。这个界限总是有孔虫多样性大小急剧减少的地方。下面的岩石为白垩纪，上面的岩石为第三纪，薄薄的粘土层位于两者之间的空隙(见Gubbio的K-T边界)。这种边界称为K-T边界。
在距古比奥一千公里的西班牙东南海岸的卡拉瓦卡，荷兰地质学家扬·斯密特注意到K-T边界附近岩石中的有孔虫也有类似的变化模式。斯密特知道K-T界限标志着最著名的恐龙灭绝。当一位同事向沃尔特指出这一事实时，他对这些小有孔虫和K-T边界更加感兴趣了。
沃尔特对学术地质学还比较陌生。获得博士学位后，他在利比亚一家跨国石油公司的勘探部门工作，直到卡扎菲上校将所有美国人驱逐出境。他在磁场逆转方面的工作进展顺利，但他意识到古比生物有孔虫的突变和K-T灭绝呈现了一个更大的谜，他决心要解决。
沃尔特想要回答的第一个问题是，很自然地，那层薄薄的粘土花了多长时间才形成?要回答这个问题，他需要一些帮助。孩子们在科学项目上得到父母的帮助是很常见的。然而，非常不寻常的是，就像沃尔特的情况一样，“孩子”都快30岁了。但是，几乎没有哪个年龄段的孩子有沃尔特这样的父亲。
从原子弹到宇宙射线
路易斯·阿尔瓦雷斯对地质学或古生物学知之甚少，但他懂一门科学很多关于物理。他是核物理学诞生和发展的中心人物。他获得了博士学位。1936年毕业于芝加哥大学，在加州大学伯克利分校任教于欧内斯特·劳伦斯，他因发明回旋加速器而获得1939年诺贝尔物理学奖。
他早期的物理学工作因第二次世界大战的爆发而中断。在战争的最初几年里，路易斯致力于雷达和系统的开发，以帮助飞机在低能见度下安全着陆。他因为开发了用于恶劣天气着陆的地面控制进场(GCA)系统而获得了科利尔奖，这是航空界的最高荣誉。
在战争期间，他被招募加入了曼哈顿计划，这是国家研发核武器的绝密计划。阿尔瓦雷斯和他的学生劳伦斯·约翰斯顿设计了炸弹的雷管。后来，曼哈顿计划的负责人罗伯特·奥本海默(Robert Oppenheimer)让他负责测量炸弹释放的能量。路易斯是为数不多的见证了前两次原子弹爆炸的人之一。他以科学目击者的身份飞到新墨西哥沙漠，见证了第一次原子弹试验，不久之后又飞到日本广岛。
战后，路易斯回到物理研究领域。他开发了使用大型液态氢气泡室来跟踪粒子的行为。1968年，路易斯因其在粒子物理学方面的工作而获得诺贝尔物理学奖。
这似乎是他辉煌职业生涯的一个很好的顶点。但几年后，他的儿子瓦尔特(Walter)搬到了路易斯工作多年的伯克利，加入了大学的地质系。这给了父子经常谈论科学的机会。有一天，沃尔特给了他爸爸一个小的古比奥K-T边界岩石的抛光横截面，并解释了其中的奥秘。当时快60岁的路易斯迷上了它，并开始思考如何帮助沃尔特破解它。他们开始集思广益，讨论如何测量K-T边界的变化率。他们需要某种原子计时器。
路易斯显然是放射性和衰变方面的专家，他首先建议测量铍-10 (10Be)在K-T粘土中。在大气中，宇宙射线对氧气的作用不断地产生这种同位素。粘土代表的时间越长，就越多10他会在场的。路易斯让沃尔特与一位知道如何进行测量的物理学家取得了联系。但就在沃尔特开始工作的时候，他了解到10Be错了，实际的半衰期更短，而且太少10将在6500万年后留下来测量它。
幸运的是，路易斯有了另一个主意。
太空尘埃
路易斯记得，陨石中铂族元素的含量是地壳的10000倍。他计算出，平均而言，来自外层空间的尘埃雨应该以恒定的速率下降。因此，通过测量岩石样本中空间尘埃（铂元素）的数量，可以计算出它们形成的时间。
这些元素并不丰富，但它们是可测量的。沃尔特认为，如果粘土层沉积了几千年，它将含有可检测数量的铂族物质，但如果沉积得更快，它将不含这些元素。
路易斯认为铱是最好的测量元素，而不是铂本身，因为它更容易被检测到。他还认识进行测量的物理学家，伯克利辐射实验室的两位核化学家弗兰克·阿萨罗和海伦·米歇尔。
沃尔特给了阿萨罗一组来自古比奥K-T边界的样本。几个月来，他杳无音信。阿萨罗使用的分析技术很慢，他的设备不能工作，而且他还有其他项目要做。
九个月后，沃尔特接到了他父亲的电话。阿萨罗想向他们展示他的成果。他们原本预计样本中的铱含量为十亿分之一(ppb)。Asaro在粘土层的部分发现了3 ppb的铱，大约是预期的30倍，也比在岩石层的其他层发现的水平多。
为什么这么薄的一层会有这么多铱呢?
在他们沉迷于推测之前，重要的是要知道高含量的铱是古比奥周围岩石的异常现象，还是一种更普遍的现象。沃尔特去寻找另一个暴露的K-T边界地点以便他们取样。他在丹麦哥本哈根南部找到了一个叫史蒂芬斯·克林特的地方。沃尔特参观了那里的粘土层，马上就能看出粘土沉积时“丹麦海底发生了一些不愉快的事情”。悬崖表面几乎全是白色的粉笔，到处都是各种各样的化石。但是薄薄的K-T粘土层是黑色的，散发着硫磺的臭味，里面只有鱼骨。沃尔特推断，在这些“鱼泥”沉积的时候，海洋是一个缺氧的墓地。他收集了样本，交给了弗兰克·阿萨罗。
在丹麦的鱼泥中，铱的含量是背景水平的160倍。
沃尔特建议简·斯密特也在他的粘土样品中寻找铱。西班牙黏土中也含有铱元素。从新西兰的K-T边界采集的样本也是如此，证实了这种现象是全球性的。
在K-T边界发生了一件非常不寻常、非常糟糕的事情。有孔虫、粘土、铱元素、恐龙都是标志——但标志什么呢?
它来自外太空
阿尔瓦雷斯一家马上得出结论，铱一定是来自外星的。他们想到了一颗超新星，一颗恒星的爆炸，可能会以其元素的内脏冲向地球。这个想法以前曾在古生物学和天体物理学界流传过。
路易斯知道重元素是在恒星爆炸中产生的，所以如果这个想法是正确的，那么在边界粘土中除了铱之外，还会有不同寻常数量的其他元素。测量的关键同位素是半衰期为7500万年的钚-244。它仍然存在于粘土层中，但在普通的土石中衰变了。严格的测试证明钚含量并没有升高。起初大家都很失望，但侦察工作仍在继续。
路易斯一直在想某种可能导致全球死亡的情景。他认为可能是太阳系通过了一个气体云，太阳变成了一颗新星，或者铱可能来自木星。这些想法都站不住脚。伯克利的一位天文学同事克里斯·麦基（Chris McKee）提出，小行星可能撞击了地球。路易斯起初认为那只会产生一股浪潮，他看不出一股巨大的浪潮是如何杀死蒙大拿或蒙古的恐龙的。
然后他开始思考1883年喀拉喀托岛的火山爆发。他回忆说，数英里的岩石被炸入大气层，细尘颗粒环绕地球，并在空中停留了两年或更长时间。路易斯还从核弹试验中知道，放射性物质在两个半球之间迅速混合。也许大碰撞产生的大量尘埃会在未来几年里把白天变成夜晚，使地球变冷并停止光合作用?
如果是的话，这颗小行星会有多大?
根据粘土中铱含量的测量，所谓的球粒陨石中铱的浓度和地球的表面积，路易斯计算出这颗小行星的质量约为3000亿公吨。他利用各种方法推断出这颗小行星的直径为10±4公里。
与地球的13000公里直径相比，这个直径似乎并不大。但现在考虑一下冲击的能量。这样一颗小行星将以每秒25公里的速度进入大气层——超过每小时50000英里。它会在大气层中打出一个直径为10公里的洞，以10的能量撞击地球8吨的TNT。(史上最大的一颗原子弹爆炸释放的当量约为一百万吨，而这颗小行星的威力是它的1亿倍。)有了这些能量，陨石坑将会有200公里宽，40公里深，大量的物质将会从撞击中喷射出来。
研究小组设想了杀死有孔虫和恐龙的场景。
人间地狱
这颗小行星在大约一秒钟内穿过大气层，将其前面的空气加热到太阳温度的几倍。撞击后，小行星蒸发，一个巨大的火球喷向太空，岩石粒子被发射到离月球一半远的地方。巨大的冲击波穿过基岩，然后弯曲回到地表，将熔化的液滴和基岩喷射到大气层的边缘甚至更远。在受到冲击的石灰岩基岩的压力下，第二个火球爆发了。在距离地面零点几百公里或更多的半径范围内，生命被毁灭了。在更远的地方，被喷射到太空的物质以高速坠落到地球上——就像数万亿颗流星一样——在重返大气层时被加热，加热了空气并点燃了火焰。海啸、山体滑坡和地震进一步撕裂了靠近撞击地点的地貌。
在世界其他地方，死亡来得稍微慢一些。
大气中的碎片和煤烟阻挡了太阳，黑暗可能持续了数月。这导致光合作用停止，并使其底部的食物链停止。对植物化石和花粉粒的分析表明，有一半或更多的植物物种在某些地方消失了。食物链中不断处于较高水平的动物为它们提供了帮助姆贝德。K-T边界不仅标志着恐龙的终结，也是贝伦岩、菊石和海洋爬行动物的终结。古生物学家估计，地球上超过一半的物种灭绝了。在陆地上，体型大于25公斤的物种没有存活下来。
那是中生代世界的终结。
洞在哪里?
路易斯、沃尔特、弗兰克·阿萨罗和海伦·米歇尔将整个故事——古比生物有孔虫、铱元素异常、小行星理论、杀戮场景——集中在发表在杂志上的一篇论文中科学类1980年6月。1这是一篇跨越不同科学领域的卓越、大胆的综合，在范围上可能是现代科学文献中任何一篇论文所无法比拟的。Jan Smit和Jan Hertogen在杂志上发表了他们基于西班牙岩石的研究自然，并得出了类似的结论。2
然而，他们担心的是，科学界还没有做好接受撞击假说的准备。他们有充分的理由担心。在过去的150年里，从现代地质学开始，重点一直放在逐渐变化的力量上。地质学已经取代了圣经中关于灾难的故事。地球上发生灾难性事件的想法不仅令人不安，而且被认为是不科学的。在小行星撞击地球的论文发表之前，对恐龙消失的解释通常援引气候或动物无法适应的食物链的逐渐变化。
一些地质学家对这种灾难情景嗤之以鼻，一些古生物学家根本不相信小行星理论。有人指出，当时化石记录中最高的恐龙骨是在K-T界线以下3米的地方。一些人认为，也许恐龙在小行星撞击地球时就已经灭绝了。三其他古生物学家反驳说，恐龙的骨头是如此稀少，人们不应该期望在边界上找到它们。4相反，他们认为有孔虫和其他生物丰富的化石记录更能说明问题，有孔虫和鹦鹉螺确实一直存在到K-T边界。
当然，还有一个更大的问题需要解释:那个巨大的陨石坑到底在哪里?对怀疑者和支持者来说，这是该假说的一个明显弱点，因此，如果它存在的话，搜寻工作就开始了。
当时，地球上已知的陨石坑只有三个100公里或100公里以上。没有一个是正确的年龄。如果这颗小行星撞上了海洋(毕竟，海洋覆盖了地球表面的三分之二以上)，那么搜索者可能就没那么幸运了。深海的地图绘制得不好，而且在构造板块的不断运动中，前第三纪洋底的很大一部分已经被吞没到地球深处去了。
在小行星理论提出后的十年里，人们对许多线索和轨迹进行了追踪，通常都是死路一条。随着失败的增加，沃尔特开始相信撞击实际上发生在海洋中。
后来，一条有希望的线索出现在德克萨斯州的河床上。布拉索河流入墨西哥湾。这条河的沙床正好在K-T边界。当熟悉海啸沉积模式的地质学家仔细检查后，发现沙床的特征只能由一场可能超过100米高的巨大海啸来解释。此外，与海啸残骸混在一起的还有冲击岩——从撞击坑喷出的熔融状玻璃状的小块岩石，当它们雨点般落回地球时冷却下来。5,6
许多科学家都在寻找撞击地点。亚利桑那大学(University of Arizona)的研究生艾伦•希尔德布兰德(Alan Hildebrand)是最坚韧的人之一。艾伦的结论是，布拉索斯河的海啸河床是陨石坑位置的重要线索——它在墨西哥湾或加勒比海。他查看了可用的地图，看看周围是否有可能有候选陨石坑。他在哥伦比亚北部的海底地图上发现了一些圆形的特征。他还了解到一些圆形的“重力异常”，即在墨西哥尤卡坦半岛的海岸上，质量集中的地方会发生变化。
艾伦寻找着任何其他的暗示，以表明他的方向是正确的。艾伦注意到在海地的一个地点的白垩纪晚期的岩石中发现了玻璃陨石。当他参观了做报告的实验室时，他认出了这种材料是撞击玻璃。然后他去了海地，发现那里的沉积物中有非常大的冲击岩，还有受冲击的石英颗粒，这是撞击的另一个特征。他和他的顾问威廉·博因顿推测撞击地点在海地1000公里以内。
当希尔德布兰德和博因顿在一次会议上介绍他们的研究结果时，该研究的记者卡洛斯·拜尔斯联系了他们休斯敦纪事报．拜尔斯告诉希尔德布兰德，为墨西哥国有石油公司PEMEX工作的地质学家可能多年前就发现了这个陨石坑。格伦·彭菲尔德和安东尼奥·卡马戈研究了尤卡坦半岛的圆形重力异常。PEMEX不允许他们公布公司的数据，但他们在1981年的一次会议上提出——就在阿尔瓦雷斯小行星计划的一年后——他们绘制的特征可能就是陨石坑。彭菲尔德甚至写信给沃尔特·阿尔瓦雷斯提出了这个建议。
1991年，Hildebrand、Boynton、Penfield、Camargo及其同事正式提出，位于尤卡坦半岛Chicxulub村（Cheech zhoo loob）下半英里处直径180公里的陨石坑（几乎与Alvarez团队预测的大小完全相同）是长期寻找的K-T撞击陨石坑。7,8
为了确定希克苏鲁伯是否是真正的“确凿证据”，仍然有一些关键的测试要做。另一个重要问题是岩石的年龄。这不是一项容易的任务，因为陨石坑被掩埋了。最好的方法是测试PEMEX几十年前在该地区钻井的岩心样本。起初，人们担心所有的岩芯样品都被仓库大火烧毁了。他们最终被找到了，许多实验室可以确定由于撞击而融化的岩石的年代。结果是惊人的。一个实验室得到的数据是6498 + 0.05万年，另一个是6520 + 40万年。就在纽扣上，熔化的岩石与K-T边界的年龄相同。
海地的玻璃岩也可以追溯到那个年代，因为撞击产生的物质沉淀也可以追溯到那个年代。详细的化学分析表明希克苏鲁伯熔体岩石中含有大量的铱9它和海地的玻璃陨石来自同一个来源。此外，海地玻璃的含水量极低，内部的气体压力几乎为零，这表明玻璃在大气层外的弹道飞行中已经凝固。
在短短十多年的时间里，这个最初似乎是激进的，在某些人看来是古怪的想法，得到了各种间接证据的支持，然后最终被直接证据所证实。地质学家随后确定了覆盖尤卡坦大部分地区的喷射物质，这些物质沉积在世界各地100多个K-T边界地点。10我们现在明白，地球上生命的历史并不是莱尔和达尔文以来的几代地质学家所设想的那种稳定、渐进的过程。
这个巨大陨石坑的发现，虽然是小行星理论的一大进步，但对沃尔特来说却是喜忧参半。路易斯·阿尔瓦雷斯于1988年去世，就在它被发现之前。
一拳还是两拳?
K-T小行星撞击地球的发现促使人们对其他物种的灭绝是否是由于撞击造成的进行了广泛的研究。看来，过去5亿年的其他四次大灭绝都不是由撞击造成的。然而，在同一时期也有许多小行星或彗星撞击地球，尽管没有一次像K-T撞击那么大。既然大多数撞击不会导致物种灭绝，而且大多数物种灭绝也不是由于撞击，那么人们就会问，为什么K-T小行星的破坏力如此之大?
一些科学家认为小行星撞击的地点很重要。被蒸发的目标岩石包括大量的石膏，石膏释放出大量的硫气溶胶，这可能会加剧阳光的遮挡，并产生酸雨，改变水体和土壤。此外，撞击释放出大量的氯，足以破坏今天的臭氧层。11
但其他证据表明，在K-T撞击之前，一段时间的大规模火山喷发可能已经削弱了地球的生态系统。在今天的印度西部，所谓的德干圈闭已经被证明在K-T撞击之前几十万年开始的间歇喷发中向大气中注入了大量的二氧化碳和二氧化硫。12事实上，多年来，一些科学家一直在争论德干陷阱或K-T撞击是否是物种灭绝的主要原因。由于K-T撞击和大灭绝发生之间的时间巧合，一致认为K-T撞击是大灭绝的主要原因。13最近，新的地质证据提出了一种可能调和这两种观点的设想。现在看来，德干最大的火山爆发发生在撞击发生的非常近的时间。14,15这使得一些科学家提出，撞击造成的地幔震动效应可能足以引发巨大的、改变气候的火山爆发。在这种情况下，小行星将是第一击，火山活动则是致命一击。
Sean B. Carroll是Balo-Simon教授，马里兰大学生物学特聘主席，霍华德休斯医学研究所科学教育副校长。他是众多书籍的作者，包括《塞伦盖蒂规则:探索生活如何运作及其为何重要》，《勇敢的天才:科学家、哲学家和他们从法国抵抗运动到诺贝尔奖的大胆冒险》。这篇文章来自他的书，进入丛林：探索进化的伟大冒险， 1，©2004,113-131页。经纽约皮尔森教育公司许可转载。
工具书类
1.白垩纪-第三纪灭绝的外星原因:实验结果和理论解释。科学类208, 1095–1108 (1980).
2.Smit，J.和Hertogen，J.白垩纪-第三纪边界的一次地外事件。自然285, 198 - 200(1980)。
3.克莱门斯，w。a。阿奇博尔德，j。d。&希基，j。j。一声呜咽而不是一声巨响。古生物学7, 293–98 (1981).
4.Signor，P.W.和Lipps，J.H.《化石记录中的采样偏差、逐渐灭绝模式和卡斯特罗夫》，美国地质学会专题论文190, 291 - 96(1982)。
5.白垩纪-第三纪边界碰撞喷出物的全球地层学。地球与行星科学年度回顾27, 75–113 (1999).
6.球粒层——古代撞击的记录。地球与行星科学年度回顾32, 329–361 (2004).
7.希尔德布兰德A.R。,et al。希克苏鲁伯陨石坑:墨西哥Yucatán半岛上可能的白垩纪/第三纪边界陨石坑。地质19, 867 - 71(1991)。
8.波普，k.o.，奥坎波，a.c.，和Duller, C.E. K/T撞击坑的墨西哥地点?自然(科学对应)351105(1991)。
9.公元前Schuraytz,,et al。希克苏鲁伯碰撞熔体中的铱金属:K-T确凿证据的法医化学。科学类271, 1573–1576 (1996).
10Claeys，P.，Kiessling，W.，和Alvarez，W.白垩纪-第三纪边界处Chicxulub喷出物的分布。在Koeberl，C.，和MacLeod，K.G.（编辑部）灾难性事件和大规模灭绝:影响及其深远美国地质学会特别论文，Boulder, CO(2002)。
11.白垩纪-第三纪边界的希克苏鲁伯碰撞事件及其环境后果。古地理、古气候学、古生态学2554-21(2007)。
12.Schoene，B。，et al。德干圈闭的U-Pb年代学及其与白垩纪末大灭绝的关系。科学类347, 182 - 184(2015)。
13.舒尔特,P。et al。白垩纪-古近纪边界的希克苏鲁伯小行星撞击与生物灭绝。科学类327, 1214 - 1218(2010)。
14.理查兹,硕士et al。希克苏鲁伯撞击引发了德干最大的火山爆发。美国地质学会通讯（2015）。从内政部检索：10.1130/B31167.1
15.住’变为贬义词。et al。白垩-古近纪边界德干火山活动状态的转移，可能是由撞击引起的。科学类350, 76 - 78(2015)。
本文最初发表于2016年1月的《太空》杂志。
