双汞峰值及同位素特征表明，在K-Pg界线时期，德干高原火山活动与奇克苏鲁布小行星撞击事件是相继发生的

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Dual Hg peaks and isotopic convergence reveal sequential Deccan volcanism and Chicxulub impact at the K–Pg boundary

　　

海保邦夫（Kunio Kaiho）|耶伦·E·松克（Jeroen E. Sonke）|斯蒂芬·E·格拉斯比（Stephen E. Grasby）|山川茜（Akane Yamakawa）|高桥智（Satoshi Takahashi）|劳尔·拉丰特（Laure Laffont）

日本东北大学理学研究生院地球科学系，仙台980-8578

摘要

白垩纪-古近纪（K–Pg）边界处铱（Ir）和汞（Hg）的富集现象通常被归因于希克苏鲁伯陨石撞击和德干地堑火山活动，尽管它们各自的贡献程度仍存在争议。我们通过对海地和西班牙海洋沉积物中的汞、铱、冠烯（coronene）及汞同位素进行了高分辨率分析，这些沉积物分别代表了撞击点的近区和远区。两个地点的汞/有机碳（Hg/TOC）比值升高表明，在撞击前后大气中汞的输入量显著增加。在近区，撞击形成的浊积岩上方覆盖着一层富含汞和铱的橙色层。我们发现了两个汞峰值：一个出现在浊积岩之前，另一个位于橙色层内部。第一个峰值显示铱含量较低、冠烯含量适中，这表明其来源与德干地堑火山活动有关；第二个峰值的特点是汞和铱浓度高度相关（R = 0.97），且冠烯含量较高，与撞击事件一致。远区的类似现象进一步支持了这些事件的全球性影响。汞同位素组成（δ2?2Hg和Δ1??Hg）在峰值期间趋于一致，表明汞来自火山、地壳和碳氢化合物等多种来源。质量平衡计算表明，富含铱的层中的汞富集可以由含有碳氢化合物的撞击目标岩石释放解释。第二个峰值与白垩纪浮游有孔虫的灭绝时间相吻合，这表明希克苏鲁伯撞击是主要驱动因素，火山活动可能也起到了一定作用。这些结果强调了整合多种地球化学指标以解析地球历史上火山作用与撞击事件复杂相互作用的重要性。

引言

白垩纪末期的大规模灭绝事件导致了非鸟类恐龙的消失，这一事件被认为与希克苏鲁伯陨石撞击和德干地堑火山活动有关（Schulte等人，2010；Renne等人，2015；Grasby和Bond，2017；Keller等人，2020；Chiarenza等人，2020；Hull等人，2020），这两种事件均被认为引发了全球性的降温（Vellekoop等人，2014；Vellekoop等人，2016；Schmidt等人，2016；Kaiho等人，2016；Tabor等人，2020）。虽然铱（Ir）的富集支持撞击假说，但汞（Hg）的富集及其同位素特征却指向火山活动，这两者之间的确切时间顺序和因果关系尚未明确。

希克苏鲁伯撞击的证据包括铱含量的突然升高、矿物结构的冲击变形、冠烯的存在、烟尘以及浮游有孔虫的突然灭绝（Alvarez等人，1980；Bohor，1990；Sigurdsson等人，1991；Wolbach等人，1990；Kaiho和Lamolda，1999；Arinobu等人，1999；Kaiho等人，2016；Lyons等人，2020）。与此同时，德干地堑火山活动——发生在撞击之前和之后——被认为与撞击前后的汞、硫和二氧化碳（CO?）排放、同位素变化以及气候冷暖事件有关（Ravizza和Peucher-Ehrenbrink，2003；Robinson等人，2009；Zhang等人，2018；Schoene等人，2019；Sprain等人，2019；Fendley等人，2019；Meyer等人，2019；Li等人，2022）。最近的研究还发现，铱和黑碳层同时出现在这两种事件中，且德干地堑火山喷发后的黑碳层体积最大（Liu等人，2024）。

铱和汞异常值的共存（即铱-汞层）使得来源难以确定（Sial等人，2014；Meyer等人，2019；Keller等人，2020；Font等人，2022；Gu等人，2022），因为陨石富含铱但汞含量较低，而火山活动则富含汞。冠烯是在高温下形成的，有助于区分撞击事件和火山喷发事件（Kaiho，2024；Kaiho，2025）。

本研究关注的是与白垩纪浮游有孔虫和非鸟类恐龙大规模灭绝事件同时发生的全球降温阶段，而非随后的全球变暖阶段（Vellekoop等人，2014；Vellekoop等人，2016；Kaiho等人，2016；Chiarenza等人，2020）。我们的结果表明，铱-汞层中的高汞浓度可能是由于硫酸从含硫酸盐的目标岩石中释放导致的碳酸盐尘埃被稀释所致。该层中的汞同位素特征可以通过希克苏鲁伯撞击单独解释，或者由撞击和德干地堑火山活动的共同作用解释。铱和汞之间的强相关性支持了第二次汞峰值来自撞击事件。在撞击发生前，德干地堑火山活动可能已经发生，这一点从铱含量低、汞含量高以及不同地点之间汞同位素特征的差异可以得到证实。我们发现汞同位素值（δ2?2Hg和Δ1??Hg）在两个区域存在两次明显的汇聚：一次发生在撞击之前，可能与德干地堑火山活动有关；另一次发生在撞击层内部，归因于希克苏鲁伯撞击事件本身。

章节摘录

采样与薄片观察

我们研究了两个不同的K-Pg边界地层：一个是位于海地的近海贝尔洛克（Beloc）地层，距离希克苏鲁伯撞击点约700公里；另一个是位于西班牙南部的远海卡拉瓦卡（Caravaca）大陆坡地层（图1；参见Kaiho等人，2016）。两者之间的主要岩石学差异在于贝尔洛克地层中含有撞击形成的浊积岩和微球体，而卡拉瓦卡地层中则没有（图2）。

在贝尔洛克地层中，后续的13厘米...

贝尔洛克地区的浮游有孔虫灭绝

本研究的薄片观察结果显示，典型的有脊白垩纪浮游有孔虫（如Globotruncana属）最后一次出现是在F单元中，位于橙色层下方。这标志着A–F单元中Abathomphalus mayaroensis带的开始（PFE 1；图2d）。相比之下，无脊白垩纪浮游有孔虫（如Hedbergella属）的最后出现位置则在...

撞击层下的汞凝结机制

在贝尔洛克（海地）、卡拉瓦卡（西班牙）和比达尔特（法国）的马斯特里赫特阶（Maastrichtian）碳酸盐岩顶部也观察到了高汞浓度。这些高浓度汞被认为与大型火成岩省（LIP）的火山活动有关，这一点从贝尔洛克和卡拉瓦卡地区的低铱浓度和中等冠烯指数值可以得到证实。

贝尔洛克和卡拉瓦卡撞击前样品的δ2?2Hg和Δ1??Hg交叉图显示了相似的值（图8中用橙色标记标出）。

结论

贝尔洛克（海地）和卡拉瓦卡（西班牙）两个地点的汞/有机碳比值升高表明，在K–Pg撞击前后大气中汞的输入量显著增加。汞同位素组成在峰值期间趋于一致，反映了汞来自火山、地壳和碳氢化合物等多种来源的混合。第一次汞富集事件没有铱异常现象，冠烯含量适中，因此归因于德干地堑火山活动；而第二次事件则表现为高铱和高冠烯含量...

CRediT作者贡献声明

海保邦夫（Kunio Kaiho）：负责写作、审稿与编辑、方法论研究、资金申请、数据分析及概念构建。耶伦·E·松克（Jeroen E. Sonke）：负责写作、审稿与编辑、研究工作。斯蒂芬·E·格拉斯比（Stephen E. Grasby）：负责写作、审稿与编辑、研究工作。山川茜（Akane Yamakawa）：负责研究工作。高桥智（Satoshi Takahashi）：负责写作、审稿与编辑、研究工作。劳尔·拉丰特（Laure Laffont）：负责研究工作。

Berggren等人，1985

Berggren等人，1995

Blow，1979

Lyson等人，2019

Maurrasse和Sen，1991

Oshima等人，2020

Peters等人，2005

Pierazzo和Melosh，2000

Richards等人，2015

Shizuya等人，2021

Smit等人，1996

Stinnesbeck等人，1999a

Stinnesbeck等人，1999b

Stothers等人，1986

Wang等人，2008

Yukimoto等人，2012

Yukimoto等人，2019

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢F. J-M. R. Maurrasse和M. Lamolda提供研究地层的样本，感谢T. Mizukami进行生物标志物分析，感谢D. S. Jones进行汞分析，同时也感谢审稿人的宝贵意见。本研究得到了日本学术振兴会（KAKENHI科学研究资助；资助编号：22403016、25247084和JP22H01345，分别授予KK和NO）的支持。NO部分还得到了环境研究的资助。