Внеземная причина вымирания в меловом и третичном периодах Экспериментальные результаты и теоретическая интерпретация
Луис В. Альварес, Уолтер Альварес
Франк Асаро, Элен В. Мичел
Перевод с английского О.И. Кротова
Под редакцией И.И. Смульского
Луис Альварес - профессор физики в отставке лаборатории имени Э. О. Лоренса Калифорнийского университета в Беркли. Уолтер Альварес - профессор департамента геологии и геофизики Калифорнийского университета в Беркли. Франк Асаро - старший научный сотрудник. Элен Мичел - научный сотрудник отделения энергетики и окружающей среды лаборатории имени Э. О. Лоренса в Беркли.
Распространенность платиновых металлов в коре Земли значительно меньше, чем в космосе в целом; концентрации этих элементов в глубоководных отложениях могут таким образом указывать притоки внеземного вещества. Глубоководные известняки, обнаруженные в Италии, Дании и Новой Зеландии, показывают превышение иридия приблизительно в 30, 160, и 20 раз, соответственно, над уровнем фона во время мелового-третичного вымирания 65 миллионов лет назад. Есть основания полагать, что этот иридий имеет внеземное происхождение, но не с ближайшей сверхновой звезды. Предложена гипотеза, которая объясняет вымирания и наблюдения иридия. Столкновение большого пересекающего орбиту Земли астероида подняло бы в атмосферу распыленную породу массой приблизительно 60 масс объекта; часть этой пыли осталась бы в стратосфере в течение нескольких лет и была бы распределена по всему миру. В результате наступления темноты прекратился бы фотосинтез, и предполагаемые биологические последствия весьма близко соответствовали вымираниям, полученным по палеонтологическим данным. Одно предположение этой гипотезы было проверено: химический состав граничного слоя глины, который, как полагают, образовался из пыли стратосферы, заметно отличается от той же глины, смешанной с меловым и третичными известняками, которые одинаковые по химическому составу. Четыре различных независимых оценки диаметра астероида дают величины, которые лежат в диапазоне 10 ± 4 километра.
На интервале 570 миллионов лет, которым датируется большое количество окаменелых останков, произошло 5 великих биологических кризисов, в течение которых вымерли многие группы организмов. Последнее из больших вымираний определило границу между меловым и третичным периодами приблизительно 65 миллионов лет назад. В это время, морские и летающие рептилии, т.е. оба вида динозавров вымерли [1], и вымирания произошли на различных таксономических уровнях среди морских беспозвоночных животных. Драматические вымирания произошли среди микроскопических плавающих животных и растений; на грани исчезновения оказались как известковые планктонные раковины фораминифер1 (1 - см. Приложение), так и известковый наннопланктон, и только некоторые виды пережили кризис. С другой стороны, некоторые группы были почти не повреждены, включая растения, крокодилов, змей, млекопитающих, и различные виды беспозвоночных животных. Russell [2] заключает, что приблизительно половина видов, живущих в то время, исчезло за одно вымирание. платиновый металл глубоководный астероид
Много гипотез было предложено, чтобы объяснить меловые-третичные (C-T) вымирания [3, 4]. Две недавние встречи по этой проблеме [5, 6] не привели к объяснению. Предложенные причины включают постепенные или быстрые изменения в океанографических, атмосферных, или климатических условиях [7] из-за случайных [8] или циклических [9] совпадений причинных факторов; смену магнитных полюсов [10]; существование близкой сверхновой звезды [11]; и затопление поверхности океана пресной водой из теоретически допускаемого арктического озера [12].
Основная трудность определения причины вымирания состоит в том, что фактически вся доступная информация о событиях во время кризиса связана с биологическими изменениями, замеченными в палеонтологических данных, и поэтому по существу является косвенной. Существуют некоторые физические свидетельства, и они также косвенные. К ним относится изменения в стабильном кислороде и отношении изотопов углерода поперек границы в морских отложениях, которые могут отражать изменения в температуре, солености, окисленности и производительности органики водами океана, и которые нелегко объяснить [13, 14]. Эти изотопные изменения не особенно поразительны и, сами по себе, не указывают на драматический кризис. По разрезам известняка в Дании и Италии [15] были отмечены незначительные изменения в уровнях небольшого количества остаточных элементов в меловой третичной границе, но эти данные также представляют сложность в интерпретировании. Примечательно, что в слоях океанской прибрежной полосы, где приблизительно следует ожидать непрерывное отложение осадков, меловая третичная граница обычно отсутствует [3, 16].
В этой статье мы представляем непосредственное физическое свидетельство необычного события в определенное время вымираний в планктонном царстве. Ни одна из текущих гипотез адекватно не объясняет это свидетельство, поэтому мы выдвигаем гипотезу, которая, возможно, дает удовлетворительное объяснение почти всем имеющимся палеонтологическим и физическим фактам.
Идентификация космических платиновых металлов в глубоководных отложениях
Это изучение началось с пониманием того, что элементы платиновой группы (платина, иридий, осмий и родий) гораздо менее распространены в коре Земли и верхней мантии, чем в хондритовых метеоритах и в Солнечной системе в среднем. Истощение платиновых элементов группы в коре Земли и верхней мантии - вероятно, результат концентрации этих элементов в ядре Земли.
Pettersson и Rotschi [17] и Goldschmidt [18] предположили, что низкие концентрации элементов платиновой группы в осадочных породах могли бы образоваться в значительной степени от метеоритной пыли, образованной потоком горячих газов, когда метеориты прошли через атмосферу. Barker и Anders [19] показали, что существовала корреляция между скоростью оседания и концентрацией иридия, подтверждая ранние предположения. Впоследствии, метод использовался Ganapathy, Brownlee, и Hodge [20], чтобы демонстрировать внеземное происхождение для силикатных шариков в глубоководных отложениях. Sarna-Wojcicki и др. [21] предположил, что накопление метеоритной пыли в слоях почвы могло бы увеличить распространенность иридия достаточно для того, чтобы позволить его использование в качестве инструмента датирования. На днях, Crocket и Kuo [22] описали распространенность иридия в глубоководных отложениях и подвели итог другой предыдущей работе.
Подобного рода соображения [23] побудили нас измерять концентрацию иридия в сантиметровом слое глины, который отмечает меловую третичную границу в некоторых разрезах в умбрах Апеннин, в надежде определения отрезка времени, представленного тем слоем. Иридий может легко быть определен при низких уровнях нейтронно-активационным анализом (NAA) [24] из-за его большого поперечного сечения захвата медленных нейтронов, и потому что некоторые из гамма-лучей, испускаемых в течение девозбуждения продукта распада, не накладываются на другие гамма-лучи. Другие элементы платиновой группы более трудно определить с помощью NAA.
Итальянские стратиграфические разрезы
Много аспектов земной истории лучше отразилось в морских осадочных породах, которые постепенно накапливаются в относительно тихих водах морских глубин, поскольку отдельные песчинки осаждаются на дно. В умбрах Апеннин северной полуостровной Италии существуют обнажения морских осадочных пород, представляющих время от раннего юрского периода до олигоцена, приблизительно от 185 до 30 миллионов лет назад [25]. Меловая - третичная граница проходит в пределах части последовательности, сформированной розовым известняком, содержащим некоторое количество глины. Этот известняк (Scaglia rossa) содержит межклеточное вещество кокколит2 (2 - см. Приложение) и фрагменты кокколит (известковые пластинки размером порядка 1 мкм, покрытые морскими водорослями, живущими в поверхностных водах), и богатые скопления панцирей фораминифер (известковые раковины, обычно размером от 0.1 до 2.0 миллиметров, произведенные одноклеточными животными, которые плавают в поверхностных водах).
В некоторых разрезах умбр отсутствуют осадочные отложения поперек меловой-третичной границы, иногда с признаками резкого спада мягкого осадка. Где последовательность, очевидно, закончена, фораминифера, типичная для верхнего мелового периода (особенно род Глоботрункана), резко исчезает и вытеснена основной третичной фораминиферой Globigerina eugubina (ранняя палеоценовая зона) [16, 26]. Это изменение легко распознать, потому что Globigerina eugubina, в отличие от (семейства) глоботрунканидов, слишком маленькая, чтобы ее можно было увидеть невооруженным глазом или переносной линзой (рис. 1). Кокколиты также показывают резкое изменение с вымиранием меловых форм на точно таком же уровне, как изменение фораминифер, хотя это не было признано раньше вплоть до настоящего времени [27].
В хорошо представленных полных разрезах существует слой глины приблизительно 1 см толщиной между самыми высокими меловыми и самыми низкими третичными слоями известняка [28]. Этот слой свободен от первичного карбоната кальция, так что нет никаких данных биологических изменений в течение интервала времени, представленного глиной. Граница далее отмечена зоной в верхнем меловом периоде, в котором обычно розовый известняк является белым. Эта зона - от 0.3 до 1.0 метра толщиной, изменяющаяся от разреза к разрезу. Его более низкая граница постепенно изменяет цвет; его верхняя граница резкая и совпадает с вымираниями флоры и фауны. В одном разрезе (Contessa) мы можем видеть, что более низкая 5 мм граница глины - серая, а верхняя 5 мм - красная, таким образом, определяя верхнюю границу зоны в середине слоя глины.
Самые известные разрезы умбры находятся в Bottaccione Gorge около Губбио. Здесь часть первой работы по идентификации фораминиферы в тонком разрезе была завершена [29]; самая ранняя известная третичная фораминифера, Globigerina eugubina, была определена, названа, и использована, чтобы определить основную третичную биозону [16, 26]; была установлена стратиграфия геомагнитной инверсии верхнего мелового периода и палеоцена, соотнесена с результатом морской магнитной аномалии, и датирована вместе с фораминиферой [30]; вымирание большей части наннопланктона было показано одновременно с вымиранием рода Глоботрункана [27].
Результаты итальянских разрезов
Наши первые эксперименты включают NAA девяти образцов из разреза Bottaccione (два образца известняка непосредственно над и под границей плюс семь образцов известняка, взятых выборочно из слоев мелового периода на отметке 325 м.). Это было дополнено тремя образцами соседнего разреза Contessa (два из граничной глины и один из основного третичного пласта). Стратиграфическое положение этих образцов показано на рис. 2.
Двадцать восемь элементов были отобраны для изучения из-за их подходящих ядерных свойств, особенно из-за нейтронного захвата поперечного сечения, периода полураспада и энергии гамма-радиации. Результаты этих исследований представлены на рис. 3 на логарифмическом графике, чтобы облегчить сравнение относительных изменений в элементах в широком диапазоне концентраций. Единственная подготовка, приданная этому образцу, заключалась в удалении части карбоната кальция (кальцита) растворением в разбавленной азотной кислоте.
Рис. 1. Фотомикрографии (а) базального слоя третичного периода, изображение фораминиферы Globigerina eugubina и (б) верхнего слоя мелового периода, в котором самая большая фораминифера - Globotruncana сontusa. Оба слоя - из разреза Bottacione в Губбио; они показаны в одном масштабе и брусок на (а) - 1 мм длиной.
Рис. 2. Стратиграфический разрез в Bottacione Gorge, Губбио (30). (а) - уровни в метрах. (b) -классификация. (c) - стадии. (d) - магнитная полярность зон (черная - нормальная, белая - обратная полярность, буквы дают распределение полярности по зонам Губбио, цифры эквивалентны морским магнитным аномалиям). (e) - литология. (f) - образцы, используемые при первом обследовании с помощью NAA (образцы I, J и L из аналогичных слоев в разрезе Contessa, 2 км к северо-западу). (g) - названия структуры.
Рис. 3. Отклонения распространенностей 28 элементов в 12 примерах районов Губбио. Флажками на диаграмме «Среднее арифметическое редкоземельных элементов» отмечены точки ±30% и включают данные всех редкоземельных элементов
Рисунок 3 показывает содержание элемента как грамм элемента, приходящийся на грамм нерастворимого осадка глины. Известняки обычно содержат приблизительно 5 процентов глины. Граничный слой глины содержит приблизительно 50 процентов карбоната кальция, но это кальцит с грубый структурой, который вероятно кристаллизовался при деформации длительный период времени после отложения осадков. Химическое содержание иридия в нерастворимой кислотой фракции составляла 44 процента для красных и серых Contessa граничных глин, и эта величина была принята для всех других образцов.
Рис. 4. Типичный спектр гамма-лучей, используемый для определения распространенности иридия (5.5 ppb) в нерастворимых в азотной кислоте осадках без дальнейшей химической обработки. Обратите внимание, что полный спектр находится на фоне 118 отсчетов. Объем детектора был 128 см3; время отсчета 980 минут. Отсчет начинался через 39.8 дней после окончания облучения. Осадок из образца известняка третичного периода взят на 2.5 см выше границы Gorgo Cerbara (см. рис. 5)