霸王龍終結在北半球風光明媚的春天
文／吳育雅
中生代的結束是一場天外飛來的橫禍，由一個小行星撞上地球造成生物的大滅絕，這個理論是來自1980年阿瓦雷茲（Luis and Walter Alvarez）父子在研究位於中生代的白堊紀和新生代古近紀交會（K-Pg邊界）1的薄層黏土層，發現「銥」元素的濃度異常高，在黏土層中還可看到微似曜岩（microtektites）2。隔年在海地找到由撞擊形成的高壓石英，1990年在墨西哥灣的猶加敦半島找到同一時間小行星撞擊的希克蘇魯伯隕石坑（Chicxulub Crater）。然而有一個始終困擾的疑惑，K-Pg邊界下方三米未找到恐龍化石，恐龍會不會在小行星撞擊之前就已經消失？小行星碰撞之後導致的全球變遷、碰撞發生時的生物遭遇何等的崩潰災難？甚或滅絕物種的選擇性問題至今仍舊混沌不明。
希克蘇魯伯小行星撞擊事件是什麼時候的事？答案是「地質定年指向六千六百萬年前。」強調的是最後那個「。」句號的意思是到此為止，沒有討論的餘地，不能再追問了！測量時間需要找到適用的工具，就像家裡的體重計可以得知你的體重，卻無法測出鑽石的克拉數。決定地質年代最精確的方法是使用放射性元素，但是並非所有的放射性元素都適用，像中生代這樣古老的年代會選用鈾-鉛、銣-鍶或是鉀-氬等放射性元素定年， 依此K-Pg邊界的地質年代是六千六百零四十三萬年（66.043 Ma，Renne et al., 2013）。這些放射性元素的半衰期以「億（108）年」為單位，即使最先進技術的質譜儀分析，這已是所能得到有意義的有效數字極限，想再問霸王龍何時何月敲響喪鐘似乎是癡人夢想！
然而近年有數篇塔尼斯遺址（Tanis site）的研究指出中生代結束發生在北半球的春季，也更具體明確描繪出外來星體撞擊留下的猛烈災難遺跡。不禁讓人好奇如何尋找與季節有關的證據？是怎樣的化石紀錄可以確定是中生代的末日？如何證實這個位於地獄溪層（Hell Creek Formation）頂部的塔尼斯遺址化石層的形成與小行星撞擊有直接關聯？小行星撞擊發生在不同季節對全球又有什麼影響？為何專家們認為塔尼斯遺址是一個地質大寶庫，可能將解開K-Pg許多重大的疑惑？本文將逐一探究在地獄溪層、塔尼斯遺址的地質意義，此地的化石埋藏情節，微似曜岩夾雜其中揭示的線索？以及如何解開掩埋模式的關係，據以推論中生代末日事件發生的過程。
地獄溪層為中生代最後期的沉積岩層
地獄溪層是北美洲1902年挖掘出第一具暴龍骨骼化石的地層，「地獄」溪的名號得自溪谷附近化石盛產，已發現大量的三角龍、暴龍與鴨嘴龍科等，不僅如此，各種無脊椎動物、魚類、爬行動物、昆蟲或是植物化石都可在此層找到，種類繁多有如一個殯葬地獄的巨型墳場。地獄溪層歷經百年徹底的挖掘與研究，成為研究北美洲中生代末期最為著名的地層。其上部的中生代白堊紀與新生代古近紀界線（K-Pg邊界），在禾本科、大型植物群或是無脊椎動物等物種的改變，化學元素的異常紀錄，都有十分明確的地質特徵和詳細的鑑定依據。在可採用的精確度上，也保留了代表災難性洪水的劇烈相變。地獄溪層厚度約有150-200公尺，然而地獄溪層頂部接近K-Pg邊界的3公尺地層內，卻未發現恐龍化石的紀錄。
地獄溪層出現在現今洛磯山脈東側低緩地勢區域，跨越蒙大拿州，包含北達科他州、南達科他州和懷俄明州等地（圖1）。
圖1. 地獄溪層露頭（outcrop）的分佈位置圖
塔尼斯遺址的發現
突破的發現是位在北美北達科他州的 「塔尼斯遺址（Tanis site）」化石層，塔尼斯遺址位於中生代最晚期的「地獄溪層」頂部（圖2）。
十年之前，研究古生物的德帕爾馬（Robert DePalma，1981~）在北達科他州包曼附近的養牛場找到一個化石豐富，但是岩層非常破碎柔軟的地點，他向牧場主人支付每年固定費用，從2013年開始在此地進行挖掘。他發現有許多完整的魚化石，像是在一場大洪水立即被封存在泥沙中。由於岩層破碎，清理此地化石艱鉅無比，但他看出此地的化石極有潛力，除了附近所有出現過的恐龍種類都能找到，魚化石多達數百隻，特殊的是化石的姿態並非尋常所見躺臥壓扁在岩層中，這裡的遺骸能呈現出立體交錯的關係。德帕爾馬決定以電影「法櫃奇兵」中約櫃安息的地點—Tanis 來為這處化石遺址命名，期望他的 Tanis 遺址能夠幫助破譯小行星撞擊後當天發生的事情。
圖2. 塔尼斯（Tanis）遺址地層所在的位置（左）及岩層露頭（右上）正好位於地獄溪層的頂部。右下照片中德帕爾馬（DePalma）的左手食指點出的是一條上下倒置的白鱘魚化石的鰓，鰓裡藏著微似曜岩。
▍ 圖片修改自：google map、wiki；右下照片由Jan Smit教授提供，請見參考資料5。
不可思議的化石埋藏模式
仔細挖掘塔尼斯遺址之後帶來連續不斷的驚喜！有部分嵌入地表的角龍科恐龍的髖骨，可能是達科他盜龍的羽毛化石。 更多非凡的化石組合，例如屬於淡水魚的匙吻鱘與菊石或滄龍牙齒（菊石和滄龍屬於海洋肉食類動物）交疊在一起（圖3），淡水與海洋生物一起出現是罕見現象！在現場挖掘的每條魚都是張著嘴死的，這可表明魚在充滿泥沙的水中呼吸困難，窒息而死時還在設法喘氣，化石身體姿態也呈現出與窒息相關的搐搦。
其他精彩情節的化石埋藏形式，例如某條海魚的尾部被猛烈撕斷再插入另一條匙吻鱘身上 ，海魚的尾部被撕裂不久就腐爛崩解，卻能像刀刃一樣插入另一條淡水魚身體之內，是多強的水流勁道？一條匙吻鱘魚的兩英尺長的鼻子在撞上一棵被淹沒的南洋杉樹枝時折斷了，迫使他們毀滅性相撞是多洶湧的洪水？一條魚的背鰭垂直插進泥沙岩層、來不及倒臥躺平就被埋藏石化了; 有塗滿琥珀的柏樹樹幹 、南洋杉樹枝化石上還有短而尖的刺，一般樹幹上的琥珀或是樹枝上的刺在搬運的過程難以留存，顯示這樹幹和樹枝在被掩埋時還是活的; 海龜化石被樹枝刺穿而死，暗示海龜是被空中或水中高速衝過來的樹枝刺穿; 魚身壓貼在樹根上因而保留清晰的魚鱗外皮等，這些全被掩埋成同一岩層的疊置關係非常不合常理，雖可認定是災難性的洪水導致，留下的問題是：如此劇烈衝撞的洪水是怎麼產生的？
圖3. 部分清理的淡水鱘魚化石和帶有珍珠火彩光澤的海洋菊石疊置在一起，左下方插入的小圖是放大的菊石化石。（引自 DePalma et al, 2019）
上百萬顆的微似曜岩小玻璃球
塔尼斯化石歧異的組合已經夠令人瞠目結舌，微似曜岩的分佈更可以述說當時景象的戲劇性細節。當德帕爾馬刮掉層層覆蓋在化石魚上的泥沙時，起先是注意到沉積物中保留了一個小擾動，很像是一個小隕石坑，直徑約三英寸，是物體由從天而降快速墜入泥漿形成的凹陷。一旦看出是凹坑的橫截面，他在坑底部發現了製造坑洞的本尊——是一個小的玻璃球體，直徑約 3 毫米，是微似曜岩！當他繼續挖掘時，他發現了另一個，一個、又一個微似曜岩不斷被找出來（圖4），該遺址似乎包含數百萬個微似曜岩，成分與希克蘇魯伯小行星坑的化學組成高度匹配。
圖4. 由微似曜岩（白色小球）造成向下凹陷的坑洞剖面（左）和德帕爾馬的手掌心裡許多顆清理出來的微似曜岩玻璃小球（右）（照片為 Robert DePlama提供）
許多微似曜岩堵住魚化石的鰓（圖2右下與圖7），意味著它們從天上掉落時，這些魚還活著，正在從水裡進食。甚至樹幹的琥珀中也可看到微似曜岩小玻璃球（圖5），從微似曜岩散佈的時程去推估，塔尼斯遺址紀錄到了小行星撞擊之後第一個小時之內的事件，掩埋在此地層的化石正是小行星撞擊直接的受難者。
圖5. 在塔尼斯遺址找到的樹幹琥珀內的球狀體（A）與鑲嵌在琥珀中未風化的小球（B）分析其化學元素組成，和希克蘇魯伯小行星造成的高度一致。（引自 DePalma et al, 2019）
塔尼斯遺址是一個特殊的駐波（seiche） 層位
現今北達科他州距離猶加敦的希克蘇魯伯隕石坑 3,000 公里，在白堊紀時兩地的距離相似（圖6）。不過中生代晚期有一條深入內陸的內海水道，覆蓋了美國中西部的大部分地區，從德克薩斯州到北達科他州。塔尼斯的波痕（ripple）沉積構造可以告訴我們水的流動方向，在塔尼斯遺址的上下層（代表沉積之前與之後），大多數波痕顯示水流是往南流。然而，在塔尼斯遺址這層化石層卻是反向北流，而且水流速度強勁。
圖6. 塔尼斯遺址與希克蘇魯伯隕石坑的距離約3000公里（左），中生代白堊紀末期在北美洲有一條內海水道（右），塔尼斯河在內海水道的北端。（修改自wiki）
塔尼斯遺址底部（最早沈積）的化石層是一股強大力量的洪水，候選者之一是衝擊海嘯，也許小行星撞擊墨西哥灣的影響產生了巨大的海嘯波浪，將魚類從大海中帶進內陸，逆著水的流動方向，讓這些生物滯留在北達科他州？然而根據推算海嘯需要18個小時才到達此地，但是由微似曜岩估算是發生在撞擊的第一個小時之內。另一個可能的候選者是地震波讓水體發生自由震盪的駐波，在初始擾動停止之後水波繼續共振而增強的seiche（中文譯為震盪或駐波）。
撞擊產生的地震波比海嘯的速度要快得多——可在 6 分鐘到 13 分鐘後即可抵達塔尼斯附近。這些地震波可能在內海引發了一種不尋常的seiche波，是水體中的駐波所產生的諧波效應，使水體像滿溢的熱湯一樣來回晃動，隨著波的晃動與時間尺度的相互作用放大，在此造成水位至少上升了十公尺。
總結當下的情景可能是在小行星撞擊後幾分鐘，seiche攪動了塔尼斯河口的大量水和泥沙。隨著 seiche 向上游前進，它在移流中輸送了骨骼、牙齒、雙殼類、菊石、底棲有孔蟲和懸浮在水中的植物，同時撞擊產生的微似曜岩小玻璃球也正從天而降。在遺骸的堆積中，數百隻鱘魚和白鱘，沿著seiche水流方向被活埋。斷層掃描數據顯示，魚鰓中有很多的微似曜岩，與白鱘骨骼相關的微似曜岩僅存在於其鰓耙中，而在魚化石身體其他部位則未出現（圖7），表明他們在進食時已經將微似曜岩從周圍的水中過濾出來，但尚未進入口腔或進一步進入消化道，更不是在魚屍尚未掩埋期間進入鰓耙。因此，積累鰓耙中的小玻璃球和暴漲十公尺的駐波湧到同時發生，這意味著在小行星撞擊當下（白堊紀的最後幾分鐘），鱘魚還活著並正在覓食。
圖7. 斷層掃描數據顯示與白鱘骨骼相關的撞擊小玻璃球僅存在於其鰓耙中，而在標本的其他身體部位都不存在。上圖為重建的白鱘頭骨（a）以及高解析度的立體渲染掃描（b）染色區域中的黃色小球粒為微似曜岩玻璃小球（比例尺 2 mm）。（引自During, 2022）
魚齒與魚骨顯示停在成長季
在今年（2022）初古生物學者以年輕的杜琳（MAD. During）為首，發表了小行星撞擊所造成的K-Pg邊界時間是發生在北半球春季的證明。
她們仔細檢驗了塔尼斯遺址的化石，包括三隻白鱘化石的齒骨和另外三隻鱘魚化石胸鰭棘中的鱘形骨，從骨組織和同位素的變化分析成長週期，魚骨組織保留了從胚胎發育到死亡且未被改變的生長記錄，生命的一年度週期，包含繁殖、攝食、冬眠發生的季節和持續時間，在魚骨上可以看到由一個較厚（有利的）生長區、一個較薄（緩慢沉積）的環帶、最終跨越一個可識別的生長停滯線，這三部分完整構成一年的成長標記。
鱘魚的胸鰭棘由真皮骨組成，是通過一排成骨細胞的分泌來增加骨基質沉積而成長。白鱘是濾食性動物，可能以橈足類和其他浮游動物為食，由食物供給的多寡波動決定牠年度的攝食模式，在春季和秋季之間達到頂峰。 杜琳得到的研究數據一致表明，六條魚都是在生長停滯線沉積後不久死亡，是一個新年度開始並正進入較為有利的生長早期（圖8）。 另外，濾食性魚類的骨骼中的碳同位素也會有年度的變化，在最大生產力期間，攝入的浮游動物使得13C 相對於12C較高，從同位素比值也得到生產力正在成長的一致紀錄（圖9）。
圖8. 四塊鱘魚目化石的骨組織薄片，在生命的最後幾年顯示出一致的骨骼並置成長節奏，紅色箭頭表示生長停滯線，死亡（即停止生長）時間都發生在生長停滯線沉積後不久，恰逢有利生長季節的早期階段，且尚未到達最高峰，說明魚骨終止於春天的有利形成生長區（比例尺0.5 毫米）。（引自During, 2022）
圖9. （a）穩定的碳同位素13 和12比值，在夏季營養增加期間出現最大值的𝛿13C（黃色區），冬季營養減少期間出現𝛿13C最小值（藍色區），（b）年輪記錄了骨生長過程數年的季節性飲食波動，（c）骨膜表面增加的骨細胞腔隙密度和大小，和（d）魚骨顯微鏡薄片透射影像。這四種數據的最後記錄（死亡）都是在生長季節，但是尚未達到最高潮 ，因此可分別證實死亡季節在春季。（紅色箭頭代表每年度的生長停滯線位置，最上方是死亡、停止生長的位置）。（引自During, 2022）
還原白堊紀末此地的生物最倒霉的「那一天」
水源向來是生態系的命脈，當年那條源自墨西哥灣向北美內陸深入延伸的蜿蜒海道直入北達科他州，塔尼斯是西部內陸水道終點附近河流邊緣的一個沙洲 。
此地擁有四季分明的溫和氣候3，河海交會多樣化的生態棲地，這一大片潮濕的低地應是生機盎然的洪氾平原，濕地的水源以及隨同流水帶來的營養，讀者不如發揮一點想像力，遙想在中生代晚期此地的風景很可能是茂盛的樹林、鬱鬱蔥蔥的淺水海岸，建構了充足豐厚的食物鏈供應網，能讓眾多生物聚集在此繁殖成長，儼然是一處風景秀麗物產豐饒的世間樂土。
還原末日當天的情景，是 6600 萬年前一個尋常的春天，顯花植物正逢春暖花開，翼龍大量聚集來此築巢和撫養幼崽，霸王龍可能在照顧她的蛋，兩隻三角龍在水邊的樹林中爭奪領土。與此同時，塔尼斯河本身充滿了許多水生和兩棲生物，包括海龜、鱘魚、白鱘和弓鰭魚。在希克蘇魯伯小行星撞擊猶加敦半島後，塔尼斯的日常生活持續了幾分鐘。撞擊產生的巨大爆炸或許是可見的，但卻是無聲的，因為它的衝擊波在距離塔尼斯很遠的地方消散了。塔尼斯生物群無法預料到威猛的地震波、熾熱的微似曜岩玻璃小球和 10 米高的 seiche 波正向內陸水道發送——所有這些都是小行星撞擊的直接結果，在第一個小時迅速崩毀了塔尼斯的生態系統。
水不是以捲曲的波浪形式到達的，而是以強大的、洶湧的壓迫舉升方式到達的，其中擠滿了迷失方向的魚和植物和動物的殘骸，小行星撞擊所引發的震動咆哮著穿越過西部內陸水道，夾帶了海洋中的中龍、菊石、滄龍，一路撞擊水岸旁的松樹、南洋杉，在一小時內浪頭急速抵達，水流終於減緩了，所有在水中的物體被丟下; 現場還有大量的木炭、燒焦的木材 和琥珀，顯示當塔尼斯被洪水淹沒時，河岸外圍的森林已著火了。此時，被激發噴射到大氣層外的微似曜岩玻璃小球也開始墜落，起初是比較大顆的，接著越來越細的小玻璃球像篩過的雪粒紛紛墜落，夾雜灰燼、富含銥的塵埃終日沉降，明媚的春色逐漸昏暗。這可真是有史以來全球最糟糕的一天！
塔尼斯遺址將解密K-Pg事件的全球變遷
塔尼斯遺址的重要性是此地的K-Pg邊界豐厚的紀錄，在2012年全球能找到K-Pg邊界的地點，大多數地點僅不及2-3公分厚的黏土層，距離希克蘇魯伯隕石坑最近的墨西哥保留最多小行星撞擊事件的高能量沈積層，找到的化石多是海洋微體生物，而塔尼斯遺址K-Pg邊界有近厚達130公分的沈積事件，提供了小行星撞擊後十分鐘左右到數小時的快照（snapshot），包括噴濺的微似曜岩以及生物群的死亡紀錄，可促進我們理解小行星撞擊的直接影響（參考資料1）。
塔尼斯遺址不僅破除K-Pg下方三公尺欠缺恐龍化石紀錄的疑點，已知的地獄溪恐龍群的殘骸已陸續在此出土，比較稀罕的還找到據信是來自大型恐龍的羽毛，有長達30-40 公釐原始羽毛，也有正在孵化的化石和帶有胚胎的完整恐龍蛋化石。當地化石需要很多時間繼續清理，許多已挖掘出來的研究也正在進行，包括裝滿了微似曜岩的蟻巢裡面有淹死的螞蟻，微似曜岩的未風化玻璃小球中找到屬於小行星的原始碎片-球粒碳質隕石的球粒，這些都是十分非凡的化石紀錄，可以預期塔尼斯遺址今後會經常發布重大發現。
知道小行星撞地球發生的季節，對於探究撞擊之後引發的全球氣候與環境變遷歷程，甚至對於能在新生代僥倖存活下來物種的影響，無異於開啟一個了解大滅絕全新的起點，畢竟大規模野火若發生在正是植被滋長繁花茂盛、生物覓食發育生機蓬勃的北半球春季，和冬季枯樹荒蕪、多數物種躲在地下冬眠死氣沈沈的大地，將引發出完全截然不同的全球環境變遷歷程。
K-Pg滅絕事件衝擊，對於物種滅絕或存活分類選擇性高但至今知之甚少。例如在主（初）龍類中，所有翼龍類和非鳥類恐龍都死於 K-Pg 大滅絕，而鱷魚和鳥類則存活到了古近紀。顯著變化開始於春季，對於 K-Pg 滅絕的選擇性影響多大？新生代初期的生物怎能承受氣候與環境災難保命並奪回生機？物種興盛與氣候環境變異的糾纏，始終是引人入勝的探究問題。地質學者表示塔尼斯遺址被譽為K-Pg滅絕的Lagerstätte（寶庫），將使專家們忙碌至少半個世紀，解鎖許多細節，讓我們拭目以待。
致謝 特別感謝成大地球科學系前理學院院長余樹楨教授、台大大氣系盧孟明教授對本文提出的寶貴意見，以及高雄油廠國小（台大地理系碩士）王資惠老師的讀後建議，使本文能更加邏輯嚴謹而易讀。
註釋 ［註］
1.K-Pg邊界，在過去稱K-T邊界，代表中生代最晚期的白堊紀（K）與新生代早期的第三紀（T）邊界。後因第三紀（Tertiary）重新定義區分為較老的古近紀（Paleogene）與比較晚的新近紀，此一邊界介於白堊紀（K）與古近紀（Pg）之間，亦稱K-Pg邊界。
2.微似曜岩是由小行星撞擊地面時，急速壓縮大氣產生的高溫將它的組成以及地表物質熔融，混合成熔融物質的巨大噴流，受到衝擊波飛濺射入空中，向外擴散，在高空迅速凝固成玻璃質，再墜落回地表。希克蘇魯伯隕石坑劇烈撞擊釋出的能量超過十億個廣島原子彈，所造成的大量微似曜岩，可衝上大氣更高層，再如細雨般紛紛掉落，散落覆蓋更為廣闊的地表區域。
3.現今北達科他州的氣候含括四個季節，這些季節記錄在從地獄溪組其他上白堊統地點發現的樹木年輪記錄中。塔尼斯遺址在白堊紀位置大約是北緯50° ，經歷明顯的降雨和溫度季節性。重建當地區域氣溫的結果是冬季的 4-6 °C ，夏季平均約 19 °C。
參考資料 [1] DePalma, R. A. et al. A seismically induced onshore surge deposit at the KPg boundary,North Dakota. Proc. Nat.Acad. Sci. 116, 8190–8199 （2019）.
[2] During, M.A.D. et al. The Mesozoic terminated in boreal spring, Nature, 603, 91-94 （2022）
[3] Renne, P.R. et.al. Time Scales of Critical Events Around the Cretaceous-Paleogene Boundary. Science 339（6120）, 684–687（2013）.
[4] Jan Smit on Resolving a Single Hour of the Cataclysm 66 Million Years Ago. https://www.geologybites.com/jan-smit
吳育雅
國立臺灣大學師培中心兼任專技助理教授