Статья: Внеземная причина вымирания в меловом и третичном периодах Экспериментальные результаты и теоретическая интерпретация

Двадцать семь из этих 28 элементов показывают очень схожие примеры изменения распространенности, но иридий показывает чрезвычайно различное поведение; он увеличивается с коэффициентом приблизительно 30 при совпадении с границей мелового и третичного периодов, принимая во внимание, что ни один из других элементов так не удваивается относительно "обычного поведения", показанного в более нижней правой группе рис. 3. Рис. 4 показывает типичный спектр гамма-луча, используемого для измерения количества иридия, 5.5 частей на миллиард (ppb).

В последующих экспериментах, мы анализировали еще пять образцов от разреза Bottaccione, восемь от Gorgo Cerbara (28 километров к северу от Губбио), и четыре больших образца граничной глины от этих двух разрезов около Губбио и два разреза приблизительно 30 км к северу [31]. Химическая содержание иридия в нерастворимой кислотой фракции была 95 ± 5 процентов для граничной глины Contessa, и содержание 100 процентов было принято для всех других образцов.

Рис. 5. Распространенности иридия на единицу веса 2N HNO₃ кислотно-нерастворимых осадков известняков Италии вблизи границы мелового и третичного периодов. Погрешности линеек распространенностей являются стандартными отклонениями в расчете радиоактивности. Погрешность линеек стратиграфического положения показывает стратиграфическую толщину образца. Штрихпунктирная линия над границей является «аппроксимацией на глаз» экспоненты с половиной высоты 4.6 см. Штрихпунктирная линия ниже границы является лучшей аппроксимацией экспоненты (две точки) с половиной высоты 0.43 см. Закрашенный круг и погрешность линейки являются средним значением и стандартным отклонением распространенности иридия в четырех больших образцах граничной глины из различных участков Земли.

Рисунок 5 отображает результаты 29 исследований иридия, выполненные на итальянских образцах. Обратите внимание, что разрез увеличен, и что масштаб является линейным вблизи меловой-третичной границы, где важны детали, но изменяется на логарифмический, чтобы показать результаты от 350 м. ниже границы до 50 м. над границей. Также важно обратить внимание, что исследования от пяти стратиграфических разрезов нанесены на той же самой диаграмме на основе их стратиграфического положения выше или ниже границы. Поскольку вероятно существуют небольшие различия в скорости отложения осадка от одного разреза до другого, хронологическая последовательность образцов от различных разрезов не может быть абсолютна верна. Однако, рис. 5 дает ясную картину общей тенденции концентрации иридия как функции стратиграфического уровня.

Образец, основанный особенно на пробах от Bottaccione Gorge и Gorgo Cerbara, показывает устойчивый фон уровнем приблизительно 0.3 ppb на всем верхнем меловом периоде, продолжающийся в направлении самого верхнего пласта мелового периода. Уровень фона в нерастворимых кислотой осадках грубо сопоставим с распространенностью иридия, измеренной другими авторами [19, 22, 32] в глубоководных отложениях глины. Этот уровень увеличивается резко с коэффициентом больше 30 к распространенности иридия 9.1 ppb в красной глине из разреза Contessa. Уровни иридия являются высокими в осадках глины из первых немногочисленных пластов третичного известняка, но уменьшаются к уровням фона вблизи 1 м над границей. Для сравнения, верхняя пунктирная линия на рис. 5 отображает экспоненциальное затухание от уровня иридия граничной глины с половиной высоты 4.6 см.

Чтобы проверить возможность того, что иридий мог бы так или иначе быть сконцентрирован в слоях глины, мы впоследствии анализировали два образца красной глины ниже на небольшом расстоянии от меловой третичной границы в разрезе Bottaccione. Один находится на 1.73 м ниже границы характерного слоя глины от 5 до 6 мм толщиной; другой находится на 0.85 м ниже границы глубины залегания 1 - 2 мм прослойки глины. Исследования всей породы этих глин не выявили обнаружимый иридий в пределах 0.5 и 0.24 ppb соответственно. Таким образом, ни слои глины ниже меловой третичной границы ни компоненты глины в известняке не выявляют признак иридия выше уровня фона.

Датский разрез

Чтобы проверить, является ли аномалия иридия местной итальянской особенностью, было бы желательно проанализировать осадочные породы той же эпохи из другого региона. Морской утес Стевенс-Клинт, приблизительно 50 км к югу от Копенгагена, является классической областью меловой - третичной границы и датской или основной стадии третичного периода. Недавно было опубликовано собрание современных научных статей об этой и близлежащих областях, которое включает полную библиографию более ранних работ [6, vol. 1].

Наши образцы были взяты в Hojerup Church [33]. В этом местоположении Маастрихтский или верхний ярус мелового периода представлен белым мелом, содержащим черные друзы кремнистого сланца в холмистых слоях размером в несколько метров и длиной волны от 10 до 50 м [14]. Эти неровности поверхности, как полагалось, представляют мшанковые скопления⁶ (6 - см. Приложение) [34]. Меловая третичная граница отмечена фискелером, или рыбной глиной, которая достигает толщины до 35 см в самых глубоких частях залежей между мшанковыми скоплениями [14], но обычно - толщиной всего несколько сантиметров, утончаясь или исчезая над скоплениями. Рыбная глина в Hojerup Church была изучена подробно Christensen и al. [14], которые разделили ее на четыре тонких слоя; мы анализировали образец смеси двух внутренних слоев (слои номер III и IV из Christensen and a1.). Эти слои черные или темно серые, а более низкий слой содержит включения пирита; слои ниже и выше (II и V) светло серые по цвету. Отсутствие нарушений в структуре пласта IV означает, что во время его формирования отсутствовала донная фауна [14]. Выше рыбной глины, присутствует известняк Cerithium толщиной приблизительно до 50 см в небольших залежах, исчезающих над скоплениями. Известняк твердый желтоватый, и изрезан множеством пор. Над ним - толстый мшанковый известняк.

Наличие тонкого слоя глины в меловой - третичной границе, как в итальянских, так и в датских отложениях поразительно. Однако также существуют примечательные различия. Датские породы осели строго в более мелководных местах [35], и датские известняки сохраняют обширную донную фауну двустворчатых моллюсков [36], иглокожих [37], мшанок [38] и кораллов [39].

Распределение зон фораминифер [40] и кокколит [41] указывает на то, что меловые - третичные границы в Губбио и Стевенс-Клинте, по крайней мере, приблизительно одновременные, и они вполне могут быть точно синхронны. Однако, палеомагнитные результаты Стевенс-Клинт не доступны, так что синхронность не может быть проверена с помощью палеомагнитной стратиграфии.

Результаты датского разреза

Было взято семь образцов меловой-третичной границы (рис. 6). Части каждого образца были обработаны раствором азотной кислоты, а осадки были отфильтрованы, промыты и нагреты до 800°C. Доля нерастворимого кислотой осадка составила 44.5 процента для граничной рыбной глины и варьировалась от 0.62 до 3.3 процентов для морских известняков (Табл. 1).

Были проведены нейтронно-активационный анализ [24] и измерения рентгеновской флюоресценции (XRF) [42, 43] на всех семи образцах до и после кислотной обработки. Этот режим измерения был более современный, чем используемый для итальянских разрезов, изученных ранее, и были определены 48 элементов.

Нерастворимые кислотой осадки мелового и третичного периодов были в некоторой степени однородны во всех измеренных элементах, а две группы только слегка отличались друг от друга. Осадок слоя граничной глины сильно отличался по составу (Рис. 7 и 8 и таблица 2), и это означало, что граничные глины взяты из разных источников.

Таблица 1. Распространенность иридия в нерастворимых кислотой осадках разреза участка в Дании. Численные значения являются расстояниями над (+) и под (-) граничным слоем; SK, Stevns Klint. † - граничный слой имеет гораздо более высокую долю глины, чем морские известняки над и под границей. ‡ - некоторое количество иридия растворилось в азотной кислоте. Распространенность всей породы была 28.6 ± 1.3 ppb.

Как показано в Таблице 1, распространенность иридия в осадке граничного слоя повышается примерно в 160 раз по сравнению с уровнем фона (~0.26 ppb). Сантиметровая толщина этого слоя содержала бы приблизительно 7210^-9 грамм иридия в квадратном сантиметре. Чтобы проверить, достаточно ли иридия в морской воде, чтобы внести вклад в эту величину, авторы провели измерение иридия в океане вблизи побережья центральной

Рис. 6 (слева). Стратиграфический разрез в Hшjerup Church, Stevns Klint, Дания. (а) - литология (С - известняк церитиид; F - рыбная глина). (b) - стадии (с) - образцы, анализируемые в этом исследовании. (d) - уровни в метрах. Аналитические результаты приведены в таблицах 1, 2, 3.

Рис. 7 (справа). Распространенности основных элементов в нерастворимых в кислоте фракциях горных пород Дании вблизи границы мелового и третичного периодов. Заштрихованные области для каждой величины мелового и третичного периодов представляют среднеквадратические отклонения для трех образцов. (Только два измерения магния и кремния были включены в значения мелового периода.) Для образца граничного слоя заштрихованные области являются стандартными отклонениями, связанными погрешностями вычислений. Измерения магния и кремния были проведены рентгенофлюоресцентной спектрометрией (XRF) [42], все другие - с помощью NAA

Рис. 8. Распространенности выбранных рассеянных элементов нерастворимых кислотой осадков Дании. Первая линейка - средняя величина [среднеквадратичное отклонение (RMSD) отображается заштрихованной областью] для данного элемента в трех осадках мелового периода. Вторая линейка - распространенность (погрешность вычисления отображается закрашенной областью) для данного элемента осадке граничного слоя. Третья линейка - средняя величина и RMSD для данного элемента в трех осадках третичного периода. Измерения проведены с помощью NAA, за исключением цинка, который был измерен с помощью XRF [43]. В 2N HNO₃ во всех образцах растворилось значительное количество никеля, цинка, кобальта, иридия и тория. В кислоте во всех образцах растворилось небольшое количество цезия, тантала и гафния.

Рис. 9. Некоторые из распространенностей элементов, измеренные в нерастворимых кислотой осадках мелового периода, граничного слоя и породы третичного периода вблизи Губбио. Данные включают все образцы из этой области, измеренной внутри границы 19 м. Здесь приведены четыре образца каждого из трех слоев; заштрихованные области являются стандартными отклонениями. Диаграммы распространенности образцов, взятых приблизительно 27 км севернее Губбио, идентичны приведенным на рисунке.

Калифорнии. В воде иридий не был обнаружен с помощью 0.45 мм фильтра (верхний предел измерения составил 410^-13 г иридия на грамм морской воды). Если глубина мелководного древнего Датского моря предположительно менее 100 м, и предел для иридия в морской воде применим, то максимум иридия в 100 метровом столбе воды должен быть 410^-9 г/см², что почти в 20 раз меньше полученной величины. Так что, вероятно, не сохранилось достаточно иридия в морской воде, чтобы объяснить количество, наблюдаемое в датской границе. Сведенный в таблицу результат [44] содержит типографскую ошибку, которая помещает значение для индия в атомную порядковую позицию для иридия. Иридий был обнаружен [45] в теплом источнике на Маунт-Худ в северной Калифорнии с содержанием 710^-12 грамм на грамм воды, и в двух холодных источниках с содержанием от 310^-13 до 410^-13 грамм на грамм воды. Другие холодные источники в этой области содержат иридия менее 10^-13 г/г.

Граничный слой

Состав всей породы граничного слоя Contessa (смесь красной и серой глины) показан в таблице 3. Существуют два распознаваемых подслоя, каждый из которых приблизительно 0.5 см толщиной, верхний - красный, нижний - серый. Содержание элементарного железа, которое может объяснять цвет, значительно выше в остатке красного слоя (7.7 против 4.5 процентов), чем в сером слое, выше также и содержание иридия (9.1 ± 0.6 против 4.0 ± 0.6 ppb). Граничные образцы были проанализированы поблизости от Bottaccione Gorge и двух других областей приблизительно 30 км к северу.

В образцах, взятых около итальянского граничного слоя, химические составы всех фракций глины были приблизительно одинаковые, отличаясь только содержанием иридия. Однако, существуют заметные различия, как показано на рис. 9, которые означают, что, по крайней мере, часть граничного слоя глины имела происхождение, отличное от глины мелового и третичного периодов.

Датская глина на границе мелового и третичного периодов немного толще 1 см и разделена на четыре слоя, как упомянуто ранее. Было проведено измерение только одного смешанного образца от двух средних слоев, так что нет никакой информации о химических изменениях в пределах границы. Средняя распространенность иридия составляет 29 ppb во всей горной породе или 65 ppb, основываясь на весе нерастворимого кислотой осадка.

Распространенности пород и минеральный состав датской граничной глины приведены в Таблице 3, а распространенность соответствующих рассеянных элементов приведена в Таблице 2. Главные силикатные минералы, которые должны присутствовать, не были обнаружены, так что распространенности других минералов были нормированы, чтобы получить количество кальцита, ожидаемое от измерения кальция. Фракция граничной глины химически сильно отличается от фракций известковой глины выше и ниже границы, которые схожи между собой. Пирит присутствует в граничной глине, и элементы, которые формируют нерастворимые в воде сульфиды, присутствуют в значительных количествах в этом слое. Рассеянные элементы, которые содержатся в малом количестве, часто представлены компонентами глины. Элемент магний является исключением. Его повышенное содержание может быть вызвано заменой железа в структуре глины в сульфидной среде или иного, более темного источника для граничного слоя глины, чем для глин третичного и мелового периодов.