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与殷鸿福院士一同游美国陨石坑

发布者:        发表时间:2010-12-07 18:26:59        浏览次数: 6253

离开硅化木森林公园,我们驱车向西,直奔由Barringer家族拥有和管理的亚利桑那的陨石坑。位于北纬35度3分,西经111度2分的Barringer陨石坑,虽然不是地球上最大的,却是迄今为止地球上保存最完好的陨石冲击坑。这是一个直径1200米,深173米的圆形坑,环绕圆坑有一个高45米的唇边。多年以来,科学家们曾经认为地球上不存在陨石冲击坑,因此关于亚利桑那州圆形坑的来源一直都是个争论不休的题目。直到人们在此发现了Canyon Diablo铁陨石的碎块,这才给多年的争论划上了一个完美的句号。因此亚利桑那州的Barringer陨石坑就成了地球上第一个被人类确定的地外物体撞击坑。大约在2到5万年前的更新世,一个直径约50米的铁陨石以大约每秒13公里的速度撞击地球。该陨石的冲击力相当于至少二百五十万吨TNT炸药的爆炸力,也相当于第二次世界大战时投在日本广岛、长崎的原子弹爆炸力的一百五十倍。约二到三亿吨的岩石被掘出,并被撞击时所产生的半球形冲击波抛到空中,然后落下,在亚利桑那浩瀚的沙漠上形成了一个大撞击坑。

 

我自1985年赴西德马普核物理所留学起,就开始接触天体化学,主要的研究对象就是陨石。1990年获天体化学博士学位后,又在美国亚利桑那州立大学从事天体化学研究工作近17年,算算一辈子中就有半辈子和陨石结下了不解之缘,也称得上是个“陨石专家”吧。每次与亲朋好友参观陨石坑,我都会自告奋勇,充当免费讲解员,这次当然也不例外。然而,这次的“听众”却有点儿不同寻常,一个院士,一个博士,一个硕士,而且都是搞地球科学的。一到陨石坑,殷老师就对我说:“现在,可要向你这个陨石专家好好学点儿东西了。”然后就一连提出好几个问题。诸如(1)怎么知道这个坑是陨击形成而不是其它原因造成的?比如火山喷发或地面塌陷什么的,有哪些证据支持陨击说?(2)如果是陨石冲击坑,与这么大的坑相对应的陨石到哪儿去了?(3)为什么冲击坑是圆形的,难道陨石是圆的吗?(4)冲击坑中是否存在贵金属铱的富集,或惰性元素的同位素组成异常?(5)地外物体撞击地球的事件与二叠-三叠界线(P/T)之交生物大规模绝灭事件之间有没有联系?如何证明?面对这些切中当前地学研究热点的问题,“久经沙场”的我也不敢等闲视之了。

殷老师谦虚诚恳的求知态度,使我深受感动。殷老师贵为中国科学院地学院士,又是我们多年的老师,在他面前,我一向是以小字辈儿自居的。现在他说要向我学习,着实令我“受宠若惊”。于是我竭尽所知,认认真真地回答着问题,宛如当年做学生时会考一般。支持陨石撞击的证据有:(1)在坑的唇边和周围的平原上散落着大量的铁陨石小球,其化学成分含铁92%、镍7.1%、钴0.5%、镓80ppm、锗320ppm、铱2ppm、铂8ppm。这就是著名的Canyon Diablo铁陨石。(2)存在着成百上千万吨的细粉状二氧化硅,只有巨大的压力才有可能使石英变成粉末状。(3)在坑内,大量的陨石物质杂乱无章地与撞击溅射出的地球物质混合在一起。(4)如下图所示,坑的周边上堆积的岩石类型的顺序与坑底下的岩石类型的顺序正相反。(5)坑的附近没有发现任何自然的火山岩石。(6)在坑中还发现了一种特殊的石英玻璃,这种玻璃只可能产生于强热下,就像雷击沙石产生的玻璃一样。(7)坑底下的岩层没有被扰乱,也说明形成坑的力不是自下而来的。

殷老师他们边看景观边听我娓娓道来,还时不时地拣起一块块石头来仔细研究。他问:“如此大的撞击事件是否会引起矿物的相变。”又是一个好问题!像Canyon Diablo这么大的一块铁陨石撞击地球,产生的高温和高压,足以使岩石中的碳从石墨转变成金刚石和六方金刚石,也足以将普通的石英转变成柯石英和斯石英。除了这些高压、高温相变的矿物外,在透射电子显微镜下,还可以观察到一些矿物在高压应力作用下产生的晶格缺陷,如位错现象等。正是因为在亚利桑那陨石坑周围的岩石中找到了这些高压矿物,才有力地说服了人们,这个坑的的确确是地外物体撞击形成的。由于陨石是以宇宙速度从天而降,其撞击地球的力量之大,足以引发陨石本身发生爆炸,因此无论陨石以什么角度射入地球,其撞击坑都是圆形的。这个理论帮助人们认识到月球表面的圆形坑也都是由陨石撞击而成。相对大的铁镍碎块,小的如砾石大小,大的为640吨重的铁镍巨块后来在坑的周围被发现,还有数吨的沙粒般大小的颗粒也散布在坑的四周。这是因为在撞击事件发生时,陨石本身的大部分物质都被撞击时产生的热能蒸发成金属气体,后来又随着温度的降低而凝结成颗粒。

撞击时发生的爆炸及所释放出的热能对大范围内的生物无疑是致命的:半径为3到4公里范围内的所有生命当场就死了,熊熊大火将10公里范围内的一切都吞噬殆尽,撞击时产生的冲击波以每小时2000公里的速度将方圆14到22公里范围内的一切荡平,然后耗散成12级飓风,在40公里的范围内继续肆虐。

说到这里,殷老师立即将地外物体撞击地球的事件与二叠-三叠界线之交(PTB)生物大规模绝灭事件联系起来。他告诉我们,在二叠-三叠界线剖面的岩石中能够提炼出一种特殊的由碳原子组成的足球状或管状的大分子(我知道这就是著名的fullerenes,前些年在科技界很热了一阵子。)这种碳分子能够扑捕获惰性气体的原子并将其牢牢地关在碳球或碳管内,在常温常压下非常稳定。用激光质谱仪测定这些惰性气体的同位素组成,发现它们不同于地球上的同位素组成,却与某些陨石中的同位素组成雷同。因此有些科学家提出在二叠-三叠界线之交时,曾有很多陨石撞击地球事件发生。这些撞击事件严重地影响了地球上的气候变化,以至破坏了许多生物的食物链,造成生物的大规模绝灭。

 

前一段时间,在网站上看到许多对某些中国两院院士的负面报道,从国内许多亲友处也听到的也多是对有些院士学识和品德的批评。然而看着眼前的殷老师,真是学富五车。他睿智的思维,质朴的外表,谦和的态度,都令我油然而生敬意。在与殷老师的交谈和探讨中,我深深感受到一个学者的品格和学识,以及对科学研究新方向的敏锐。我想这是应当一分为二来看待的。作为一个代表中国学术界的科学群体,它的絕大多数成员应当是旡愧于这一学术称号的。