格林兰岛发现大型陨石坑——洪荒岁月的冰与火之歌

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以下文章来源于我是科学家iScientist ，作者habaraemily

凌冬已至，漫漫长夜不见天日。北境的冰原上一片寂静，只有冷风吹过茫茫冰雪的簌簌之声，一场危机正在暗暗酝酿。

突然间，一团巨大的火球在一瞬间从天而降，伴着震耳欲聋的轰响和强烈迸发的火光，整个北境都开始震颤，坚实的冰盖顷刻间四散崩塌，化为水汽。

《冰与火之歌》场景

不过，这个为北境带来灾难的火球并非来自于《冰与火之歌》里的某条摧毁“长城”的巨龙，而是一颗刚刚被证实的，曾经砸在地球北极格林兰岛上的陨石。

近日，以丹麦哥本哈根大学的Kurt H. Kjær为首的国际科学家团队在地球北极格林兰冰原西北部的Hiawatha冰川之下发现了一个直径31公里的大型陨石坑，虽然远没有墨西哥尤卡坦半岛那个传说中导致恐龙灭绝的那个陨石坑（直径近200公里）规模那么大，但也足以对当时北半球的气候造成过极大的影响。这一成果发表于11月14日的《科学·进展》杂志[1]。

图：新发现的陨石坑位置。来源：NASA NSIDC & Natural History Museum of Denmark

如何找到坑？

和我们上次介绍的那个埋藏在湖里的芬兰陨石坑一样，这次的格林兰陨石坑也是地表上完全看不到的——Hiawatha冰川区域的表面被冰层完全覆盖，看不到明显的陨石坑形态，但人类有的是“慧眼找坑”的本事。

这次，Kjær团队借助1997-2016年的多次机载雷达观测资料，成功地“透过”表面，在冰层之下找到了一个圆形洼陷。

机载雷达观测冰下地形并找到陨石坑洼陷的示意图。来源：NASA[2]，压制：尞祡

雷达数据显示该洼陷坑直径约31公里，深约300多米，坑中央有略微的隆起以及零星中央峰的痕迹，这和大型撞击坑在高压撞击之后常有的岩石回弹特征吻合。

除了陨石坑，冰下还保留了两条古老河道的遗迹：2条约5公里宽，500米深的冰下河道在向下游（北方）流动的过程中在洼陷坑的南部汇合，然后冲破洼陷坑的东南缘流入了坑内。而在坑的另一侧（下游一侧），还有一个明显的小缺口，这是冰流从这里流出的证据。

图：（A）Hiawatha冰川的表面地形，（B）Hiawatha冰川下的实际地形。来源：参考文献[1]

如何证实坑是陨石坑？

仅仅是圆形的洼陷地形，并不能证明一定是陨石坑，许多其他地质活动也可以产生类似的圆形洼陷，比如火山喷发。那么如何证实坑是陨石坑呢？我们需要找到剧烈冲击作用的痕迹，比如一些冲击变质作用的产物（撞击角砾岩、柯石英、斯石英、微粒钻石等），而其中最决定性的实锤，是一种叫作面状变形构造（Planar deformation features，简称PDFs）的微观特征，需要在显微镜下才能看到。

经历过陨石撞击引起的高压冲击作用的硅酸盐矿物（通常是石英或长石）晶粒中可能会产生一组或多组平行于不同方向的线性裂隙，平行裂隙之间的间距一般在十几到几十微米量级。

这是一种只可能出现在高压冲击作用现场的产物。至少在目前的科学共识里，想要证明地球上的某个坑是陨石坑，就必须要找到PDFs才算数。

2016年7月，Kjær团队前往Hiawatha冰川边缘对这里的地质情况进行实地考察，并对附近三处冰水沉积物进行了采样。

图：（A）Kurt H. Kjær在Hiawatha冰川边缘的沙地上采集样本，来源：Svend Funder；（B）三处采集样本的地方HW12-2016、HW21-2016和HW13-2016（白色箭头所示），来源：参考文献[1]

在这三处样本中，只有位于冰流出口附近的HW21-2016沙土样本中发现了PDFs——这已足够证实这个圆形洼陷确实是陨石撞击形成的。

图：HW21-2016样本中发现的PDFs示例（白色箭头处），这些线性裂隙之间间隔最窄的只有2微米。左列为显微照片，右列为背散射电子显微照片。（A）两组不同方向的线性裂隙，（B）四组不同方向的线性裂隙。来源：参考文献[1]

格林兰冰原下发现的这个直径不少于31公里的Hiawatha陨石坑，面积约有7个巴黎那么大，是地球上已知的25个最大的陨石坑之一，而且还是地球上这一规模的陨石坑中唯一一个形态保存良好，没有完全被地质侵蚀抹平，至今尚能观察到凹陷地形的陨石坑。

形成于何时？

判断一个陨石坑的形成时间，最直接的方式是通过放射性元素定年。

然而，通过对三处沉积物样本成分的进一步分析表明，HW21-2016样本之外的其他两处样本应当和当时的撞击事件无关；而HW21-2016样本虽然和撞击事件有关，但不太可能来自陨石坑内部的撞击熔融层，而更可能来自撞击挖掘出的溅射物——也就是说， HW21-2016样本沉积物没有经历过撞击之后的成岩过程（也就是熔融之后再次结晶），不适合用来通过放射性定年直接判断Hiawatha陨石坑的形成年龄。

但通过其他地质证据，还是可以对Hiawatha陨石坑的大致形成年代进行一定的推测，例如：

1）雷达观测数据揭示了覆盖在Hiawatha陨石坑之上厚达900多米的冰层结构，通过与之前的格林兰冰芯钻孔结果进行对比，可以知道不同冰层的形成年代。

结果表明Hiawatha陨石坑之上主要覆盖了三层不同时期的冰层：最上层是年轻而且连续分布的全新世（1.17万年至今）冰层；而中间和下层是较老的、充满碎屑而且分布分散的末次冰期冰层（11.5到1.28万年前）和基层冰层。少量区域在全新世冰层和末次冰期冰层之间还可以发现一些新仙女木冰期（1.28-1.17万年前）的冰层。

图：雷达数据显示的冰下分层结构。来源：参考文献[1]

但也不能因此认为Hiawatha陨石坑一定形成于末次冰期之前，因为这些较老的冰可能是陨石坑形成之后从河道里流进坑内的。

2）另一方面，Hiawatha陨石坑明显切割了下游（北部）的一些河道，还让一些河道改变了方向，因此Hiawatha陨石坑应当形成于这些河道之后，而这些河道据推测应当形成与更新世开始（260万年前）之前。

3）再加上Hiawatha陨石坑至今还没有被各种侵蚀作用所抹平，Kjær团队倾向于认为Hiawatha陨石坑应该相当年轻，最起码不太可能早于更新世开始（260万年前）的时候。

什么样的陨石？

Kjær团队还发现HW21-2016样本中有含量较高的镍、钴、铂系元素等亲铁元素，这有效排除了撞击体是碳质球粒陨石、普通球粒陨石、顽火球粒陨石等岩质陨石的可能性，而是指向了更为罕见的铁陨石——表明当时的撞击体是一颗铁质小行星或者小行星碎片。

Kjær团队根据对如今形成的陨石坑大小推测：

如果当时这一带没有冰层覆盖，那么这个撞击体直径约有1.5公里，以十几公里每秒的高速撞击地表后会首先产生一个直径约20公里，深约7公里的瞬时坑；

随后，瞬时坑会由于重力作用在一分钟以内迅速坍塌，形成这个直径超过31公里，深约800米，有中央峰的复杂撞击坑。

大型陨石坑的形成和坍塌过程示意图。来源：维基

撞击会迅速释放了相当于4700万颗广岛原子弹的能量（不过也不必太担心，因为很大一部分能量都传入了地下），产生了剧烈的光和热，融化和气化了附近20立方公里的基岩。

而在之后的漫长岁月里，这个撞击坑还会不断被各种地质活动所侵蚀抹平，变得越来越浅，到如今只剩下了300米深。

冰与火之歌

但更新世开始时，格林兰冰原应当也已形成，此后的Hiawatha一带应在当绝大部分时间里都被冰层所覆盖。

所以更加可能的情况是，这个铁陨石是撞在冰层之上的。如果是这样的话，那么实际的撞击体和撞击规模都应当比前面的估计还要大。

也就是说，在几万到200多万年前的格林兰岛上，很可能曾经发生过这样壮观的场景：

一个直径1.5公里以上的铁陨石从天而降，高速撞向了格林兰冰层。

陨石撞击格林兰冰原的假想图。来源：NASA[3]，压制：尞祡

撞击迅速释放了大量的能量，产生了剧烈的光和热，融化和气化了附近的一大片冰层和岩石。

陨石撞击冰原之后的假想图。来源：NASA[3]，压制：尞祡

溅射物和气化的岩石经过空中传播到更远的地方，而大量融化的冰水则流入了北大西洋。

格林兰冰原融化的假想图。来源：NASA[3]，压制：尞祡

之后，这场冰与火的交锋慢慢归于平静，留下的陨石坑也再次被冰层所覆盖，直到这次被人类发现。

格林兰冰层下的陨石坑。来源：NASA[2]，压制：尞祡

但这个新发现的Hiawatha陨石坑还留下了很多谜题，比如它的具体形成时间，它的形成对北半球造成了多大程度的影响，它的撞击溅射物哪里去了，为什么在之前格林兰冰原多处冰芯钻孔记录中都没有发现过？这些都需要科学家们展开进一步调查研究来解答。不过发了这篇paper，想必Kjær团队申到下一笔地质考察和研究的经费是不成问题了~