Geology发表IODP 364航次最新研究成果:揭示墨西哥湾Chicxulub陨石撞击事件过程

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       目前主流观点认为,6600万年前导致恐龙大绝灭的主因,是一次小行星撞击事件,这次撞击事件发生在墨西哥湾尤卡坦半岛区域,形成了直径大概200公里的Chicxulub撞击坑 (图1)。该撞击事件引发的环境效应,比如森林大火、气候变化、火山活动等等,导致了地质历史上的第五次生命大灭绝(K-Pg事件),全球75%的生物灭绝,其中质量超过25千克的生物全部灭绝。除了灾难性的环境效应,该撞击事件的其他重要信息也记录在撞击靶体岩石中,对靶体岩石的研究有助于认识撞击作用和撞击过程。目前主流观点认为,6600万年前导致恐龙大绝灭的主因,是一次小行星撞击事件,这次撞击事件发生在墨西哥湾尤卡坦半岛区域,形成了直径大概200公里的Chicxulub撞击坑 (图1)。该撞击事件引发的环境效应,比如森林大火、气候变化、火山活动等等,导致了地质历史上的第五次生命大灭绝(K-Pg事件),全球75%的生物灭绝,其中质量超过25千克的生物全部灭绝。除了灾难性的环境效应,该撞击事件的其他重要信息也记录在撞击靶体岩石中,对靶体岩石的研究有助于认识撞击作用和撞击过程。 

       目前主流观点认为,6600万年前导致恐龙大绝灭的主因,是一次小行星撞击事件,这次撞击事件发生在墨西哥湾尤卡坦半岛区域,形成了直径大概200公里的Chicxulub撞击坑 (图1)。该撞击事件引发的环境效应,比如森林大火、气候变化、火山活动等等,导致了地质历史上的第五次生命大灭绝(K-Pg事件),全球75%的生物灭绝,其中质量超过25千克的生物全部灭绝。除了灾难性的环境效应,该撞击事件的其他重要信息也记录在撞击靶体岩石中,对靶体岩石的研究有助于认识撞击作用和撞击过程。目前主流观点认为,6600万年前导致恐龙大绝灭的主因,是一次小行星撞击事件,这次撞击事件发生在墨西哥湾尤卡坦半岛区域,形成了直径大概200公里的Chicxulub撞击坑 (图1)。该撞击事件引发的环境效应,比如森林大火、气候变化、火山活动等等,导致了地质历史上的第五次生命大灭绝(K-Pg事件),全球75%的生物灭绝,其中质量超过25千克的生物全部灭绝。除了灾难性的环境效应,该撞击事件的其他重要信息也记录在撞击靶体岩石中,对靶体岩石的研究有助于认识撞击作用和撞击过程。 

 

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图1 Chicxulub撞击事件(图片源于网络)

       2016年10月,国际大洋发现计划(IODP)364航次在Chicxulub撞击坑的峰环位置M0077A取得了完整的钻孔岩芯,并对撞击作用和撞击过程、生物大灭绝、生命复苏、撞击后的沉积作用等重大科学问题开展研究。该钻孔岩芯的研究成果被《Science》评为2019年十大科学突破之一。中国IODP派出中国地质大学(武汉)肖龙教授参加该航次,承担了其中冲击变质效应的研究,带领团队成员对角砾岩、撞击熔体、花岗岩基底以及岩脉中的冲击变质矿物开展了系统的工作。他们的最新研究发现了系统的锆石冲击变形特征,比如,高压相莱氏石、锆石双晶、颗粒化锆石以及变形之间的世代关系,对从矿物变形角度去认识大型撞击过程提供了新的视角。更重要的是,高压相莱氏石首次在地球上最大的撞击坑之一的Chicxulub撞击坑中被发现。该论文由中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室地球科学学院肖龙教授、博士生赵佳伟,联合中山大学肖智勇副教授、英国、美国、加拿大、澳大利亚和奥地利等国家科学家共同完成,发表在国际著名地学期刊GEOLOGY上。

       撞击构造在太阳系类地行星表面普遍存在,包括简单、复杂、峰环和多环撞击构造。地球上的撞击构造由于遭受频繁的内—外动力地质活动往往很难保存下来,数值模拟是探究其形成机制和过程的理想手段,然而岩石矿物的实证研究更为需要。墨西哥湾Chicxulub撞击坑是世界上最大且保存最好的峰环撞击构造之一(图2),该撞击坑为中生代末期一颗10—15 km的小行星撞击在墨西哥尤卡坦半岛区域而形成(Collins et al., 2020);在撞击前,靶体区域主要是碳酸盐岩台地环境:小于100 m的海水深度、3 km的中生代碳酸盐岩沉积层以及下部的结晶基底。地球物理数据显示含有结晶基底物质的撞击坑峰环形成在中生代地层之上,前人结合数值模拟提出了动力坍塌模型(dynamic collapse model),即在撞击过程中,撞击坑的中央峰快速隆升,然后迅速向外向下坍塌(Morgan et al., 2016)。在撞击过程后期,大量的海水回退,形成了最顶部具有水岩相互作用特征的撞击角砾岩(Gulick et al., 2019, Osinski et al., 2020)。匪夷所思的是,这些过程的蛛丝马迹都保留在了锆石这种矿物中,这似乎让我们看到了中生代最后一天的场景。

 

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图2. Chicxulub撞击坑地理位置以及M0077A钻孔位置,引自Zhao et al., 2021)

       绝大部分矿物在撞击作用下都会产生冲击变质特征,比如矿物的面状变形特征、高压相(石英转变为柯石英和斯石英)、双晶和矿物分解等。锆石在地壳中是非常稳定的,具有耐高温和蚀变的特性。在正常的地质作用下,锆石可以稳定存在几十亿年,它既是地质历史的“时钟”,又是地质过程的“温压计”。因此,锆石是记录冲击变形变质的重要矿物之一。然而,在撞击作用的极端条件下,高压使得锆石千疮百孔、高温使得锆石面目全非(图3、图4)。到目前为止,锆石的高压相莱氏石仅发现于简单和复杂撞击坑,比如Chesapeake Bay撞击坑 (美国),Haughton撞击坑(加拿大),Ries撞击坑(德国),Rock Elm撞击坑(美国),Woodleigh撞击坑(澳大利亚)和岫岩撞击坑(中国);然而,地球上最著名的三大撞击坑Vredefort撞击坑(南非)、Sudbury撞击坑(加拿大)和Chicxulub撞击坑(墨西哥)在本研究之前一直未曾发现莱氏石,值得注意的是,大型撞击坑完全具备莱氏石形成所需的温压条件。因此,本研究分析了锆石中系统的变形特征与世代关系,讨论了变形特征和撞击过程的对应关系,以及强调了莱氏石形成和保存的机制。

1. 冲击变形的特征及世代关系

       莱氏石在BSE和CL图像中分别为亮色和暗色条带(0.2—2 µm)的形式出现(图2),主要是因为在密度上莱氏石要比锆石高10%。拉曼光谱显示莱氏石主要的特征峰为297 cm–1、 461 cm–1、611 cm–1和846 cm–1。莱氏石片晶和锆石主晶在取向上的关系表现为一组{112}reidite // {112}zircon 和一组{112}reidite // {100}zircon。莱氏石片晶切过面状破裂,这证实莱氏石的形成具有剪切性质。锆石双晶也是以片晶(0.2—1.2 µm)的形式存在,它和锆石主晶有一个65º/{110}的取向差关系(图3);可以观察到的是,双晶也切过莱氏石片晶,同样反映了剪切性质。颗粒化锆石仍然具有锆石外在的形貌,但是内部主要由1—5 µm的锆石小颗粒和少量0.2—2 µm的二氧化锆小颗粒组成,一部分颗粒化锆石继承了莱氏石的取向特征(图3)。

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图3. 典型莱氏石的特征(A取向衬度图、B拉曼光谱、C局部放大的取向衬度图、D背散射图像和E阴极发光图像,引自Zhao et al., 2021)

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图4. 典型莱氏石、锆石双晶和颗粒化锆石取向特征(A莱氏石和锆石双晶的生长切割关系,B颗粒化锆石的取向,引自Zhao et al., 2021)

2. 对撞击过程的启示

       本研究确定了在冲击波加载的过程中,角砾岩中锆石遭受的撞击压力达到30 GPa以上(图5),从而形成高压相莱氏石;考虑到实验岩石学模拟数据,锆石双晶的形成压力在10—20 GPa;再根据莱氏石和双晶切割关系,进一步得出双晶是形成在莱氏石之后,为应力卸载过程,而不是加载过程;颗粒化锆石所在角砾岩出现的位置靠近撞击熔体,从而得出颗粒化锆石的形成与撞击熔体加热有关,为撞击改造阶段的产物。

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图5 Chicxulub撞击过程中靶体的峰值温度和压力动态图(引自Zhao et al., 2021)

 

3. 莱氏石的形成与保存

       考虑到其他撞击坑莱氏石的产出情况,它们主要分布在撞击靶体的结晶基底、熔体含量少的撞击角砾岩和溅射物中。本研究中含有莱氏石的角砾岩也靠近撞击熔体,但是其周围显示强烈的蚀变痕迹。因此,本研究认为快速冷却过程(<1200ºC)对于莱氏石的保存具有重要意义。这个冷却过程正好和撞击过程后期海水回退导致的水岩相互作用过程吻合。总的来说,莱氏石的保存指示了Chicxulub撞击过程的最后阶段。

总结(“受害者锆石”的实证)

       本研究在墨西哥湾Chicxulub撞击坑峰环角砾岩中发现了锆石的面状破裂(planar fractures)、莱氏石(reidite)、锆石双晶(twins)、颗粒化锆石(granular zircon)等多种冲击变形特征。在撞击应力加载的过程中,莱氏石的出现指示了角砾岩中的锆石遭受撞击压力在30 GPa以上,随后在应力卸载过程中,锆石颗粒中形成双晶(~20 GPa)。在撞击改造阶段,高温的熔体对莱氏石进行了加热(>1200 ºC),莱氏石在高温下进一步相变,转变成继承莱氏石结晶取向的锆石(FRIGN zircon)。然而,部分撞击角砾遭受海水回退导致的快速降温过程(<1200 ºC),一些莱氏石得以保存下来。本研究提供了锆石在撞击过程中连续变形和改造的实证,对进一步理解地球以及类地天体表面的撞击作用和撞击过程提供了思路。

 论文信息:Jiawei Zhao, Long Xiao, Zhiyong Xiao, Joanna V. Morgan, Gordon R. Osinski, Clive R. Neal, Sean P. S. Gulick, Ulrich Riller, Philippe Claeys, Shanrong Zhao, Nils Prieur, Alexander Nemchin, Shuoran Yu., 2021, Shock-deformed Zircon from the Chicxulub Impact Crater and Implications for Cratering Process, GEOLOGY, N/A, N/A, https://doi:10.1130/G48278.1

       该成果主要受国家自然科学基金(41772050、41830214)、中国科学院战略性先导科技专项(XDB 41000000)、民用航天技术预先研究(D020201)和留学基金委高水平公派研究生项目(202006410083)等项目资助。

 

主要参考文献

Collins, G. S., Patel, N., Davison, T. M., Rae, A. S. P., et al. (2020). A steeply-inclined trajectory for the Chicxulub impact: Nature Cummunications, v. 11, p. 1480, https://doi.org/10.5281/zenodo.3667833.

Osinski, G. R., Grieve, R. A. F., Hill, P. J. A., et al. (2020). Explosive interaction of impact melt and seawater following the Chicxulub impact event: Geology, v. 48, no. 2, p. 108-112, https://doi.org/10.1130/g46783.1.

Morgan, J. V., Gulick, S. P. S., Bralower, T., et al. (2016). The formation of peak rings in large impact craters: Science, v. 354, no. 6314, p. 878, https://doi.org/10.1126/science.aah6561.

Gulick, S. P. S., Bralower, T. J., Ormö, J., et al. (2019). The first day of the Cenozoic: Proceedings of the National Academy of Sciences, v. 116, no. 39, p. 19342-19351, https://doi.org/10.1073/pnas.1909479116

 

作者:赵佳伟