歐陽自遠：小行星撞擊地球的「禍」與「福」

　　2019年03月02日 08:16 新浪科技綜合

　　　來源：科技導報

　　小行星撞擊地球既能帶來「禍」，比如誘發地球氣候環境災變、生態系統完全崩潰和地球生物物種大滅絕；也能帶來「福」——形成大量可供開採的金、鐵、鑽石、煤等礦山，同時迫使人類不斷提高預測及規避小行星撞擊的能力。

　　行星與地球的撞擊坑

　　人類賴以生存繁衍的地球和社會的持續發展受到了諸多自然因素和人為因素的潛在威脅。自然因素包括小行星撞擊地球、大面積火山爆發和強烈地震與海嘯等；人為因素中，如全球性核戰爭，人類不可持續發展的錯誤行為等。在地球演化的漫長歷史中，小行星撞擊地球是誘發地球氣候環境災變、生態系統完全崩潰和地球生物物種大滅絕的元兇。小行星撞擊地球誘發的巨大劫難，涉及地球上全部生物物種和人類社會的持續發展，也是人類命運共同體如何能夠得以有序健康發展的一個重大科學問題。

　　太陽系中的小行星主要分佈在火星與木星軌道之間的小行星帶和海王星外的柯伊伯帶（圖1）。

　　

　　圖1  太陽系中的小行星帶和柯伊伯帶

　　根據最近的觀測與統計，地球附近的近地小行星約有 18000 個，其中直徑大於 1 km 的近地小行星約 800 個、直徑大於 140 m 的近地小行星約 8000 個。它們運行的軌道多種多樣，撞擊地球的概率也比較高（圖2）。

　　

　　圖2  近地小行星的直徑、數量和發現時間的統計

　　小行星運行速度約為 45km/s，地球圍繞太陽公轉的速度是30km/s，假如正面相撞，相對速度可能達到 75 km/s，即使小行星從後面「追」上地球，速度也可達 15 km/s。小行星高速衝進地球大氣層，壓縮前端的大氣層分子，形成強大的高溫高壓衝擊波，衝擊波撞擊地面，誘發強烈的地震和海嘯，引發森林大火，使撞擊的靶岩氣化、熔融、破碎和濺射，挖掘出一個巨大的撞擊坑。一個直徑 1 km 左右的小行星撞擊地球，大概可以形成直徑 15km 的撞擊坑。撞擊過程產生的各種氣體、塵埃和森林燃燒的灰燼瀰漫充斥整個大氣層，遮住陽光，使整年平均溫度下降幾度。

　　地球表面保存有 180個由小行星撞擊形成的巨大的撞擊坑，分佈在 33個國家（圖 3）。在地球演化的歷程中，每一個撞擊坑的形成，小行星都曾經扮演過誘發地球氣候環境災變、摧毀地球生態系統的肇事者。由於地球 72%的表面積被海洋覆蓋，很難發現海底的撞擊坑；地球內力作用產生的板塊運動、火山爆發、地震活動及其引發的海嘯，破壞和摧毀了一些撞擊坑；地球外力的搬運、沉積等作用掩埋了一些撞擊坑，使地球表面殘留的撞擊坑非常稀少。

　　

　　圖3  地球上發現的180個由小行星撞擊形成的撞擊坑分佈

　　月球的內力作用比較微弱，表面沒有大氣層，屬於超高真空，沒有任何大氣活動，致使月球表面的撞擊坑保存完好。月球表面大大小小的撞擊坑密集分佈，直徑大於1 km 的撞擊坑超過 3.3 萬個，直徑大於 10 m的撞擊坑估計超過 10億個（圖 4）。水星和火星表面也布滿了大大小小的撞擊坑。小行星撞擊行星和衛星以及小行星與小行星之間的相互碰撞，是太陽系中比較普遍且經常性的相互作用。   

　　

　　圖4  「嫦娥一號」繪製的全月球三維立體地形

　　地球之「禍」，生態環境災變與物種滅絕

　　小行星撞擊地球，首先小行星以高速衝進地球的大氣層，壓縮前端的大氣，形成超高溫、超高壓的衝擊波（圖5）。

　　

　　圖5  小行星撞擊地球示意

　　強大的衝擊波將摧毀前進方向上的一切生命物質，使一切可燃燒的物質燃燒，引起森林大火甚至全球大火。燃燒形成的灰燼與二氧化碳以及撞擊靶岩濺射的塵埃、氣溶膠和熔融的岩石細小球粒，瀰漫於高層大氣中。破碎的岩石碎屑和碎塊，濺射散落在撞擊坑外圍。

　　超高溫高壓的衝擊波使大氣中的氮氣形成氧化氮，形成強酸雨的沉降，加速了動植物的死亡和地面的侵蝕。

　　強大的衝擊波撞擊地面，挖掘出一個直徑幾十千米甚至 200多千米的撞擊坑，相當於撞擊體100~200倍的地殼岩石與土壤受到高溫高壓衝擊波的撞擊而氣化、熔融、破碎、濺射，併產生巨大的海嘯與地震，摧殘地球的生命。

　　若撞擊靶區是海洋，激起幾百米的巨浪和最強烈的海嘯與地震，沿岸數千千米的地區將淪為汪洋一片，大量的海水蒸發、濺射並挖掘出大量海底的沉積物與岩石粉塵拋射到平流層中滯留，海洋中大量生物死亡。

　　平流層瀰漫著高濃度的粉塵和煙塵，屏蔽太陽光和熱輻射，地球表面接受的太陽輻射將減少90%，地表急劇降溫，海平面下降，冰雪覆蓋面擴大，植物的光合作用受到抑制，甚至大批植物死亡，以植物為食的動物因食物鏈中斷而死亡；「黑暗的、寒冷的冬天」突然降臨，新的冰期誕生，加劇生物物種的滅絕。

　　地球經歷漫長時期的生態重建，隨著溫室效應的加劇，氣溫的升高，海平面上升，使氣候逐漸恢復正常。某些生物種屬的復甦和大批新的物種滋生、繁衍，地球又恢復了蓬勃生機。

　　6500 萬年前，100 多萬種生物物種在地球上滋生繁衍，萬類霜天競自由，一派欣欣向榮的景象。恐龍是當時地球上形體最大的物種，是地球生物界的霸主。一個直徑約 10 km的小行星突然衝進地球的大氣層，壓縮前端的大氣，形成高溫高壓的強大的衝擊波撞擊地面。小行星撞擊地球的一系列後續效應，導致了地球的生態系統徹底崩潰。以恐龍為代表的地球全部生物物種中，70%的物種在這場劫難中滅絕。

　　1983年，周磊研究白堊系—第三系界面生物大滅絕事件的起因。他在中國西藏拉薩附近崗巴地區的地層中找到了白堊系—第三系界面的海相沉積的界面層。6500萬年前，西藏還沒有出現喜馬拉雅山脈，屬於特提斯海，後期的喜馬拉雅運動將海底的沉積層抬升，使白堊系—第三系界面層出露（圖 6）。根據周磊對 3 處界面層的精細對比研究，確證是一個 10 km大小的小行星撞擊地球導致的氣候環境災變與生物物種滅絕事件，有關研究發現如下。

　　

　　圖6  西藏拉薩崗巴地區白堊系和第三系的界面層

　　1）在白堊系—第三系地層剖面的界面層中，發現含有大量由小行星撞擊靶岩石氣化熔融過程產生的熔融狀細小球粒。通過界線層中沉降熔融球粒的粒度與總量計算，反演撞擊體的能量、熔融靶岩的總量，獲得了塵埃沉降的持續時間。

　　2）在幾厘米厚度的界面層黏土中，發現銥、釕、鈀、銠、鉑、鎳、鉻、鈷等鉑族與親鐵元素含量異常高，比上下層位及地殼的平均值高1~3個量級。

　　3）界線層中某些元素的相對比值顯示出典型的小行星（隕石）物質的特徵，與地殼元素的相對比值差異極大，表明了界線層中有地外物質的貢獻。計算出造成這一次生物物種滅絕事件的元兇是一顆直徑約 10 km 的小行星撞擊地球。

　　4）界線層中發現有極少量的、由植物燃燒形成的炭灰。超強的衝擊波使撞擊區域的森林燃燒，森林大火引燃大區域甚至全球性大火。國外一些界線層中的炭灰中也發現有森林大火形成的多環芳烴等化合物。

　　5）界線層中發現有由超強衝擊波使地面某些礦物結構更為緻密、形成同質異構的超密礦物，如石英轉變為柯石英。

　　6）系統測定地層剖面的碳、氧同位素組成，發現界面層的碳、氧同位素組成有明顯的突變。氧同位素的系統研究表明，撞擊後年平均溫度明顯下降（l2±4）℃。證明有大量森林燃燒的灰燼、撞擊靶岩石濺射的粉塵、靶岩石熔融形成的玻璃質細小球粒和氣溶膠顆粒等，長期密布和滯留在高層大氣中，遮住了 70%的陽光，地球變得黑暗和寒冷，植物不能進行光合作用而大批死亡。以植物為食物的動物，由於食物鏈的中斷而大批死亡。碳同位素的系統研究表明有大量生物物種的死亡與滅絕。根據碳、氧同位素組成的研究，經歷近萬年，逐漸恢復正常。

　　1990 年一次偶然的發現並證實，6500萬年前導致以恐龍為代表的70%地球的物種滅絕的肇事者——直徑約 10 km的小行星撞擊在現今的墨西哥尤卡坦半島的魔鬼角，形成直徑180 km的希克蘇魯伯撞擊坑（Chixulub Crater）。撞擊坑的一部分在半島的陸地上，另外一部分在近鄰半島的海洋里。圖 7左下圖是藝術家為 6500 萬年前小行星撞擊后形成的希克蘇魯伯撞擊坑繪製的重建圖。

　　

　　圖7 墨西哥尤卡坦半島的魔鬼角，形成直徑180 km的希克蘇魯伯撞擊坑

　　1990年，在發現墨西哥尤卡坦半島魔鬼角希克蘇魯伯撞擊坑之後，科學家對撞擊坑進行了系統的地質勘查，繪製了撞擊坑的剖面結構圖，確認是具有典型的撞擊坑結構特徵。相繼在離撞擊坑中心不同的距離進行鑽孔取樣研究，恢復了撞擊坑的形成過程，發現小行星撞擊后發生過強烈的地震和巨大的海嘯記錄（圖8）。

　　

　　圖8 墨西哥尤卡坦半島魔鬼角希克蘇魯伯撞擊坑的地質剖面圖和鑽孔地質剖面圖

　　人類之「福」：天外飛來的「金山銀山」

　　任何一件事情有負面也有正面，小行星撞擊帶來全球性氣候環境的災變和生物物種的滅絕，但是也會給人類帶來福祉。

　　18.5億年前有一個小行星撞擊加拿大薩德貝里地區，形成了一個直徑超過 100 km 的薩德貝里撞擊坑。後來這個撞擊坑被構造運動擠扁，成為橢圓形。筆者考察過薩德貝里撞擊坑的形成過程，由於小行星撞擊以後，深部產生了很多的裂縫，引發深部基性岩漿上升，形成了超大型的銅鎳礦和鉑金族元素礦，現在在撞擊坑的周圍建立了很多採礦的礦山，對加拿大的經濟發展發揮了重要作用（圖9）。

　　

　　圖9  18.5億年前形成的加拿大薩德貝里撞擊坑

　　南非盛產黃金和鑽石。19 億年前由於小行星撞擊南非維特握特斯蘭德盆地形成弗里德佛撞擊坑，筆者曾對此撞擊抗進行過考察。小行星撞擊后產生的撞擊斷裂帶熱液活動強烈，形成許多大型的金礦床。形成的斷裂帶並誘發了深部岩漿噴發，形成大量的金伯利型金剛石礦床。現在在南非弗里德佛撞擊坑周圍分佈有眾多的黃金和鑽石礦床。

　　在俄羅斯西伯利亞雅庫梯地區發現的撞擊坑，是一個 70萬年前由於小行星撞擊而形成的撞擊坑。由於受撞擊的地層中富含碳，小行星撞擊產生的高溫和高壓使地層中的碳轉變成了鑽石，現在已經由一個大型鑽石礦開採。據俄羅斯科學家估計，這些鑽石可以供應全世界使用300年（圖10）。

　　

　　圖10  正在開採金剛石的俄羅斯西伯利亞雅庫梯地區的撞擊坑

　　還有科學家設想，能不能「抓」一個小行星來，讓它在月球外圍運行以便於礦物等資源的開發開採。一個直徑 1 km、質量 20億 t的金屬型小行星，可開採 3000萬 t鎳，150 萬 t鈷和 7500 t 鉑金。科學家發現靈神星（16 Psyche）距離地球3.7億 km，這顆直徑 200 km的金屬小行星主要成分是鐵、鎳、鉑和黃金。如果未來人類將靈神星牽引到月球附近進行採礦作業，將有用金屬運回地球，其資源價值約為1000億億美元。