地球上一場真實的"冰與火之歌" 被科學家證實了

凌冬已至，漫漫長夜不見天日。北境的冰原上一片寂靜，只有冷風吹過茫茫冰雪的簌簌之聲，一場危機正在暗暗醞釀。

突然間，一團巨大的火球在一瞬間從天而降，伴着震耳欲聾的轟響和強烈迸發的火光，整個北境都開始震顫，堅實的冰蓋頃刻間四散崩塌，化爲水汽。

《冰與火之歌》中的場景

不過，這個爲北境帶來災難的火球並非來自於《冰與火之歌》裡的那條摧毀“長城”的巨龍，而是一顆剛剛被證實的，曾經砸在地球北極格林蘭島上的隕石。

這顆隕石的光顧在格林蘭冰架西北部留下了一個直徑31千米的巨型隕坑，雖然遠沒有傳說中6500萬年前引起白堊紀大滅絕的墨西哥希克蘇魯伯隕石坑規模那麼大（直徑近200千米），但也足以對當時北半球的氣候造成極大影響。

隕石撞擊地球北極的情景還原。來源：Natural History Museum of Denmark, Cryospheric Sciences Lab, NASA Goddard Space Flight Center

然而，這個隕石坑一直以來都默默地躺在格陵蘭Hiawatha冰川厚厚的冰層之下，直到近期，才被丹麥哥本哈根大學的Kj?r等團隊合作發現，使它成功晉級地球已知最大隕石坑的top25，並登上了2018年11月的《科學·進展》雜誌[1]。

新發現的隕石坑位置。來源： NASA NSIDC & Natural History Museum of Denmark

一、茫茫冰原，要如何找到坑？

說起來，撞擊事件已經過去了數萬年，Hiawatha冰川區域的表面早已被冰層完全覆蓋，從外觀上完全看不到明顯的隕石坑形態，科學家要如何判斷隕石坑的存在呢？

與前段時間發現於芬蘭湖底的隕石坑情況類似（驚！科學家新發現一個曠世之“坑”！地球上，這種坑爲啥這麼難找？），肉眼觀察肯定不行，必須藉助特殊的手段來“慧眼找坑”了。

這次的Kjr團隊，就是通過1997-2016年的多次機載雷達觀測資料，成功地“透視”了冰原表面，在冰層之下找到了一個圓形窪陷。

機載雷達觀測冰下地形並找到隕石坑窪陷的示意圖。來源：NASA[2]，壓制：尞祡

雷達數據顯示該窪陷坑直徑約31千米，深約300多米，坑中央有略微的隆起以及零星中央峰的痕跡，這和大型撞擊坑在高壓撞擊之後常有的岩石回彈特徵吻合。

除了隕石坑，冰下還保留了兩條古老河道的遺蹟：2條約5千米寬，500米深的冰下河道在向下遊（北方）流動的過程中在窪陷坑的南部匯合，然後衝破窪陷坑的東南緣流入了坑內。而在坑的另一側（下游一側），還有一個明顯的小缺口，這是冰流從這裡流出的證據。

（A）Hiawatha冰川的表面地形，（B）Hiawatha冰川下的實際地形。來源：參考文獻[1]

二、如何證實坑是隕石坑？

僅僅是圓形的窪陷地形，並不能證明一定是隕石坑，許多其他地質活動也可以產生類似的圓形窪陷，比如火山噴發。那麼如何證實坑是隕石坑呢？

那就需要進一步找到劇烈衝擊作用的痕跡了——比如一些衝擊變質作用的產物（撞擊角礫岩、柯石英、斯石英、微粒鑽石等），而其中最決定性的實錘，是一種叫作面狀變形構造（Planardeformationfeatures，簡稱PDFs）的微觀特徵，需要在顯微鏡下才能看到。

經歷過隕石撞擊引起的高壓衝擊作用的硅酸鹽礦物（通常是石英或長石）晶粒中可能會產生一組或多組平行於不同方向的線性裂隙，平行裂隙之間的間距在十幾到幾十微米量級。

這是一種只可能出現在高壓衝擊作用現場的產物。至少在目前的科學共識裡，想要證明地球上的某個坑是隕石坑，就必須要找到PDFs纔算數。

2016年7月，Kj?r團隊前往Hiawatha冰川邊緣對這裡的地質情況進行實地考察，並對附近三處冰水沉積物進行了採樣。

（A）Kurt H. Kr在Hiawatha冰川邊緣的沙地上採集樣本，來源：Svend Funder；（B）三處採集樣本的地方HW12-2016、HW21-2016和HW13-2016（白色箭頭所示），來源：參考文獻[1]

在這三處樣本中，只有位於冰流出口附近的HW21-2016沙土樣本中發現了PDFs——這已足夠證實這個圓形窪陷確實是隕石撞擊形成的。

顯微照片（左列）和背散射電子顯微照片（右列）反映出Hiawatha隕石撞擊留下的“歲月痕跡”——PDFs（白色箭頭處）。來源：參考文獻[1]

格林蘭冰原下發現的這個直徑不少於31千米的Hiawatha隕石坑是地球上已知的25個最大的隕石坑之一，而且還是地球上這一規模的隕石坑中唯一一個形態保存良好，沒有完全被地質侵蝕抹平，至今尚能觀察到凹陷地形的隕石坑。

三、如何得知隕石坑的年齡？

這個“深藏不露”的隕石坑，究竟有多少年曆史了呢？

判斷一個隕石坑的形成時間，最直接的方式是通過放射性元素定年。

然而，通過對三處沉積物樣本成分的進一步分析表明，HW21-2016樣本之外的其他兩處樣本應當和當時的撞擊事件無關；而HW21-2016樣本雖然和撞擊事件有關，但不太可能來自隕石坑內部的撞擊熔融層，而更可能來自撞擊挖掘出的濺射物——也就是說， HW21-2016樣本沉積物沒有經歷過撞擊之後的成巖過程（也就是熔融之後再次結晶），不適合用來通過放射性定年直接判斷Hiawatha隕石坑的形成年齡。

但通過其他地質證據，還是可以對Hiawatha隕石坑的大致形成年代進行一定的推測，例如：

（1）一方面，雷達觀測數據揭示了覆蓋在Hiawatha隕石坑之上厚達900多米的冰層結構，通過與之前的格林蘭冰芯鑽孔結果進行對比判定不同冰層的形成年代。

結果表明Hiawatha隕石坑之上主要覆蓋了三層不同的冰層：最上層是年輕而且連續分佈的全新世（1.17萬年至今）冰層；而中間和下層是較老的、充滿碎屑而且分佈分散的末次冰期冰層（11.5萬年-1.28萬年前）和基層冰層。少量區域在全新世冰層和末次冰期冰層之間還可以發現一些新仙女木冰期（1.28萬年-1.17萬年前）的冰層。

但也不能因此認爲Hiawatha隕石坑一定形成於末次冰期之前，因爲這些較老的冰可能是隕石坑形成之後從河道里流進坑內的。

（2）另一方面，Hiawatha隕石坑明顯切割了下游（北部）的一些河道，還讓一些河道改變了方向，因此Hiawatha隕石坑應當形成於這些河道之後，而這些河道據推測應當形成與更新世開始（260萬年前）之前。

（3）再加上Hiawatha隕石坑至今還沒有被各種侵蝕作用所抹平，Kj?r團隊傾向於認爲Hiawatha隕石坑應該相當年輕，最起碼不太可能早於更新世開始（260萬年前）的時候。

四、真·冰與火之歌

你可能會問，砸出這麼大個坑的“肇事隕石”究竟是何來頭？雖然隕石的主體早就灰飛煙滅，但依然會留下些“蛛絲馬跡”——

Kj?r團隊通過分析HW21-2016樣本發現，它們富含鎳、鈷、鉑系元素等親鐵元素，於是排除了碳質球粒隕石、普通球粒隕石、頑火球粒隕石等巖質隕石的可能性，而是指向了更爲罕見的鐵隕石——表明當時的撞擊體是一顆鐵質小行星或者小行星碎片。

這個小行星多大呢？根據隕石坑的大小推斷，如果這顆隕石是砸在普通地表，它的直徑大約有1.5千米，以時速幾十千米每秒撞擊地表，釋放出相當於4700萬顆廣島原子彈的能量（不過很大一部分能量都傳入了地下）。

但在更新世開始時，格林蘭冰原應當也已形成，Hiawatha一帶絕大部分時間都被冰層所覆蓋。所以更加可能的情況是，這個鐵隕石是撞在冰層之上的。如果是這樣的話，那麼實際的撞擊體和撞擊規模都應當比前面的估計還要大。

也就是說，在幾萬到200多萬年前的格林蘭島上，很可能曾經發生過這樣壯觀的場景：一個直徑1.5千米以上的鐵隕石從天而降，高速撞向了格林蘭冰層。

隕石撞擊冰原的情景還原。來源：NASA[3]，壓制：尞祡

撞擊迅速釋放了大量的能量，產生了劇烈的光和熱，融化和氣化了附近的一大片冰層和岩石，並最終形成了如今格林蘭冰原之下的這個大型隕石坑。

隕石撞擊冰原之後的情景還原。來源：NASA[3]，壓制：尞祡

濺射物和氣化的岩石經過空中傳播到更遠的地方，而大量融化的冰水則流入了北大西洋。

格林蘭冰原融化的情景還原。來源：NASA[3]，壓制：尞祡

之後，這場冰與火的交鋒慢慢歸於平靜，留下的隕石坑也再次被冰層所覆蓋，直到這次被人類發現。

格林蘭冰層下的隕石坑。來源：NASA[2]，壓制：尞祡

可以說，研究者們通過本次發現，還原了一場發生在數百萬年前地球北極的壯烈“冰與火之歌”。不過，這個新發現的Hiawatha隕石坑背後依然有很多謎題——它確切的形成時間是什麼時候？它的形成對北半球造成了多大程度的影響？它的撞擊濺射物哪裡去了？爲什麼在之前格林蘭冰原多處冰芯鑽孔記錄中都沒有發現過……

這些問題都需要科學家們展開進一步調查研究來解答。我們期待他們可以通過後續研究帶給我們精彩的答案。

鐵隕石撞上格林蘭冰架，奏響一場真實的“冰與火之歌”（假想圖）。來源：Carl Toft

參考文獻

[1]http://advances.sciencemag.org/content/4/11/eaar8173

[2]NASA | The Hiawatha Impact Crater

https://svs.gsfc.nasa.gov/4572

[3]NASA | Massive Crater Discovered under Greenland Ice

https://svs.gsfc.nasa.gov/12941