波泰士隕石坑

波泰士隕石坑（Boltysh crater）是一個位於烏克蘭基洛夫格勒州的撞擊坑。它是一個保存完好的中型撞擊結構，直徑約24公里，由一顆直徑約1公里的小行星或彗星高速撞擊形成。波泰士隕石坑形成於約6600萬年前的白堊紀—古近紀界線附近，與希克蘇魯伯隕石坑形成時間接近，可能屬於連續撞擊事件之一。該隕石坑內部充填了厚達500米的連續、高解析度的湖相沉積物。這些沉積物保存了極為豐富的植物大化石、孢粉以及魚類、昆蟲等化石，完整記錄了撞擊事件本身以及隨後早新生代的氣候與環境變化，為古近紀的氣候與生態系統提供了獨特的記錄。

## 地質特徵

### 地質背景

波泰士隕石坑位於烏克蘭基洛夫格勒州，第聶伯河支流佳斯明河盆地內，中心坐標為北緯48°45′，東經32°10′。周邊分布有羅特米斯特羅夫卡（Rotmistrovka）與澤廖內加伊（Zeleny Gay）兩個更小、更古老的撞擊坑。隕石撞擊地點位於烏克蘭地盾中部，因胡爾-因古列茨地塊（Ingul-Ingulets Block）內。烏克蘭地盾是東歐克拉通的一部分，由元古代結晶基底岩石構成，地殼長期穩定，構造活動相對微弱，為隕石坑的長期保存提供了有利條件。撞擊區域的基岩自下而上分別是形成於18.50—22.20億年前的黑雲母片麻岩和形成於15.50億年前，被稱為基洛沃赫拉德型的斑狀變晶花崗岩。在此之上覆蓋著一層薄的晚白堊世細粒矽質碎屑岩和碳酸鹽岩。

撞擊地區自古生代早期以來未經歷過海侵。但烏克蘭地盾的東北坡，包括佳斯明河流域，在晚白堊世森諾曼期—土侖期的一段短暫時期內被海水覆蓋。撞擊發生在晚白堊世，此時該地區位於特提斯洋的北緣，處於溫暖的陸緣環境。

### 撞擊構造

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波泰士隕石坑是一個典型的複雜撞擊坑，具有中央隆起和環形窪地結構。隕石坑本體的直徑約24公里，原始深度約1公里。目前，在隕石坑的中心區域，從現今地表到撞擊熔岩表面的深度約580米。隕石坑的內坑直徑約12公里，是撞擊構造最深、最核心的部分。內坑的中心存在一個直徑約6公里的中央隆起，由抬升、破裂的基底花崗岩和覆蓋其上的撞擊角礫岩組成，高出坑底基岩約550米。內坑與中央隆起之間充填有直徑約12公里、最大厚度約220米的環狀撞擊熔岩席。地質鑽探結果表明顯示熔岩席的頂部接近水平，表明熔岩在撞擊後曾在坑底形成一個暫時的熔岩湖。在撞擊熔岩席之上，覆蓋著一層厚度不均的熔結角礫岩。這些角礫岩由回落到坑中的噴出物構成。其厚度從西部的約22米到東部的近100米不等。內坑之外是一個淺的環形窪地。在此環形窪地之外的原始坑緣已被嚴重侵蝕。其殘餘部分僅在撞擊坑西北邊緣的佳斯明河河谷中有所出露，表現為破碎的斑狀變晶花崗岩。在隕石坑周圍，現今覆蓋有撞擊產生的噴出物，面積達6500平方公里。據估計，噴出物最初覆蓋面積可能超過25000平方公里，在撞擊坑緣厚600米，距撞擊中心47公里處厚達10米，90公里處厚約1米。

撞擊坑內填充的岩石是撞擊瞬間高溫高壓作用的直接產物。主要分為兩層：撞擊熔岩和熔結角礫岩。撞擊熔岩由靶岩完全熔融後結晶形成，構成內坑底部的熔岩席。該熔岩席又可分為三層。上層和下層均為微晶質熔岩，顏色較深，緻密堅硬，斷口粗糙，富含長石和石英的微晶。其中上層含有大量衝擊石英捕虜體，甚至包含直徑達2米的花崗岩捕虜體。中層則為玻璃質熔岩，顏色較淺，有玻璃光澤和貝殼狀斷口，含有長石和紫蘇輝石斑晶，其中部分熔岩已脫玻化。熔結角礫岩則覆蓋在撞擊熔岩構成的撞擊熔岩席之上，由撞擊噴射出的碎屑在回落過程中膠結而成。這些碎屑大小不等，最大可達15毫米，包括玻璃碎屑、單礦物碎屑（石英、長石）和復礦物碎屑（花崗岩）。這些碎屑普遍具有不同程度的衝擊變質效應。上部的熔結角礫岩呈紅色或綠色。紅色是氧化亞鐵由於脫玻化形成赤鐵礦，綠色是輝石由於脫玻化形成綠泥石。

### 早期演化

在波泰士隕石撞擊瞬間的瞬間，撞擊產生的強烈衝擊波使基岩熔融，形成巨量的撞擊熔岩。這些熔岩連同大量的岩石碎屑一起，在重力作用下向新形成的坑底流動，並充填在中央隆起周圍的環形槽中，形成厚約220米的熔岩席。隨後撞擊熔岩開始冷卻結晶。由於這些熔岩二氧化矽含量很高，其初始粘度極高。高粘度極大地抑制了晶體成核與生長速率。在冷卻初期，少量斜長石和輝石最先結晶，形成斑晶。斑晶的析出進一步提高了殘餘熔融物的二氧化矽含量和粘度，達到流紋岩成分，難以繼續結晶，最終淬火形成玻璃質熔岩。在此過程中，熔岩席的頂部與空氣和水接觸，底部與冷的基岩接觸，冷卻速度快，理應形成玻璃。但在熔岩席冷卻過程中，釋放的熱量引發了大規模的地下水循環。這些熱液通過岩石間的孔隙，滲透進熔岩席的頂部和底部，與已固結的岩石發生反應，導致上層、下層的熔岩發生熱液脫玻作用，由玻璃質熔岩轉化為微晶質熔岩。但在熔岩席的中部，雖然冷卻速度慢，但由於熔融物自身的高粘度抑制了結晶，且熱液脫玻作用不強烈，反而形成了玻璃質熔岩。這即是波泰士隕石坑撞擊熔岩層獨特的微晶質-玻璃質-微晶質結構的演化過程。

### 沉積充填

波泰士隕石坑內填充了厚達580米的沉積物。這一系列沉積物完整記錄了隕石坑所在環境在整個新生代從淡水湖泊到海洋，再回歸淡水湖泊，最終被陸地沉積覆蓋的全過程。波泰士隕石坑經歷了如下階段：

- 封閉淡水湖泊（古新世—早始新世）：該淡水湖泊在隕石坑形成後不久形成，為一個深水、缺氧的靜水環境，並隨沉積逐漸變淺。該時期的沉積物以粉砂岩、粘土岩和油頁岩為主，還有含氟磷灰石、菱鐵礦、沸石等礦物的薄層。同時還有介形蟲、軟體動物和魚化石，以及藻類和蕨類、樹木等陸生植物殘骸。
- 海洋與海灣（中始新世—晚始新世）：中始新世海平面上升，發生海侵。海水從北部侵入並衝破了已被侵蝕削低的隕石坑緣，波泰士隕石坑變為一個海灣。在早期湖相沉積之上，沉積有石英砂、泥灰岩和粘土岩，隨後沉積有含海綠石的綠色細砂。該時期地層中還有眼子菜屬和 Limnocarpus 屬植物的種子。
- 陸相淡水湖泊（漸新世—新近紀）：漸新世海平面下降，發生海退，海洋從烏克蘭地盾大部退出。此時波泰士隕石坑再次成為淡水湖，沉積有石英砂和粘土岩。此期間，佳斯明河等現代水系開始發育並切割地表。
- 黃土掩埋（第四紀）：在第四紀冰期期間，厚達20—30米的黃土和亞粘土覆蓋了整個區域，最終掩埋了波泰士隕石坑的全部地表痕跡。

## 年代測定

不同方法對波泰士隕石坑年代測定的結果如下所列：

- 地層學：森諾曼期—土侖期與晚古新世之間。波泰士隕石坑西北45km的羅特米斯特羅夫卡隕石坑中有森諾曼期—土侖期的沉積物，這些沉積物又被波泰士隕石產生的，厚達18米的噴出物覆蓋。因此，波泰士隕石坑的年代下限是森諾曼期—土侖期。波泰士隕石坑內的下層沉積物來自晚古新世的贊尼特期。因此，隕石坑的年代上限是晚古新世。
- 孢粉學：白堊紀末，希克蘇魯伯撞擊前數千年。孢粉學研究表明，波泰士隕石坑最下層沉積物中有植物群在撞擊後復甦的跡象，但隨後出現了一段貧瘠帶，孢粉含量極低。Jolley等人認為這段貧瘠帶產生的原因是隕石坑內的新生植物群因白堊紀—古近紀滅絕事件而毀滅。基於對火山熔岩中生態恢復速度的研究，他們認為波泰士撞擊發生在希克蘇魯伯撞擊前2000至5000年。
- 裂變徑跡測年：約9600萬年前或約1億500萬年前（Komarov和Raichlin，1976）；約6500萬年前（Kashkarov等人，1998）。該方法不同樣本產生的差異極大且較不精準。
- K-Ar測年：約8800萬年前（Boiko等人，1985）。該測年結果與地層證據矛盾，若撞擊發生於8800萬年前，則與在湖中沉積產生的古近紀油頁岩之間存在約2800萬年的間隔，但更可能的情景可能是，撞擊後不久，湖就在凹地中形成。
- 40Ar/39Ar測年：約6580萬年前（Kelley和Gurov，2002）；約6539萬年前（Pickersgill等人，2021）。根據後者的測年結果，波泰士隕石撞擊發生在希克蘇魯伯隕石後約65萬年

## 古生物學

### 動物化石

波泰士隕石坑內的沉積物中發現的動物化石主要包括以下類群：

- 介形蟲：數量極多，常富集成層。已鑑定出的物種包括：Bairidrophillata simplicatilis、Xestoleberis triangularis、Aequacytheridea atroxa、Cytherells ovata，以及和其它多個Cytherells屬的未定種。這些介形蟲比同期其他地區的介形蟲小 1.5 到 2 倍。
- 魚類：發現了多個新屬新種，包括：Baltischia brevicanda、Parachanopsis longulus，以及 Beryx 屬和 Lirolepis 屬的未定種，其中一些形態特徵與白堊紀魚類相近，為研究白堊紀—古近紀界線前後魚類演化提供了重要材料。
- 兩棲類：發現一蠑螈新種：波泰士肖氏螈（Seminobatrachus boltschkensis）
- 軟體動物、昆蟲

### 孢粉化石

在近鄰熔結角礫岩之上即出現了孢粉植物群。其中以布朗葡萄藻（Botryococcus braunii）為主，這種紅藻表明當時的波泰士隕石坑為一個富營養淡水湖泊。與這些藻類一起發現的還有正型粉類（Normapolles）和化香樹屬的花粉。這些花粉來源於灌木狀被子植物。水龍骨科和木賊屬孢子也很常見。在此之上的一段沉積物中缺乏孢粉。再向上出現卷柏屬和少量水龍骨科孢子，這些孢子隨即被鳳尾蕨科孢子取代，標誌著熔結角礫岩上的群落演替進入中期。隨後出現 Plicapollis pseudoexcelsus 和 Interpollis supplingensis，以及棕櫚科的孢粉。在此之上，膝溝藻目 Areoligera 屬的出現標誌著海侵。此後的孢粉以鳳尾蕨科、正型粉類和棕櫚科為主。布朗葡萄藻的重新出現則表明波泰士隕石坑重新變為湖泊，與之同時出現的還有出現了由黑三棱屬和帚燈草科花粉，表明當時環境為微咸沼澤。隨著殼斗科和楊梅科，以及雙叉柵藻等淡水藻類孢粉的出現，表明波泰士隕石坑逐漸轉為淡水湖泊

### 植物化石

波泰士隕石坑中的植物化石主要以印痕形式保存在油頁岩中，保存精美。其中最重要的發現是網紋魏克塞爾蕨（Weichselia reticulata）的化石。這是一種裏白目馬通蕨科的的樹蕨，是中生代暖濕沿海環境的標誌性植物。傳統上認為它在晚白堊世已經滅絕。波泰士隕石坑中的這一發現將其生存時間延長了至少2000萬年，進入古近紀。該物種還證明了馬通蕨科植物在新生代早期仍存在於歐洲，否定了馬通蕨科在早古近紀就已退縮至東南亞的假說。網紋魏克塞爾蕨化石在波泰士隕石坑的出現，表明這個由撞擊形成的地熱湖系統可能創造了適宜的小氣候和土壤條件，為中生代的部分孑遺物種提供了避難所。

除此之外，波泰士隕石坑中還出土了可能屬於鳳尾蕨科、烏毛蕨科和鐵角蕨科的蕨類化石， Doliostrobus 屬的裸子植物化石，以及楊柳科 Pseudosalix 屬、薔薇科花楸屬、楊梅科香蕨木屬和楊梅屬、胡桃科 Dryophyllum 屬等被子植物化石。這些植物化石多適於溫暖濕潤的亞熱帶氣候。其中的被子植物多為具有固氮能力、生長快速的喬木或灌木，擅長在受干擾、土壤貧瘠的環境中定殖，與蕨類共同構成先鋒植物群落，記錄了波泰士隕石撞擊後生態系統的初生演替過程。

## 事件對比

### 多重撞擊理論

有學者提出了集群撞擊的概念，認為白堊紀—古近紀界線附近可能存在多次撞擊，共同導致環境劇變，引發白堊紀—古近紀滅絕事件。此類多重撞擊曾在地球上發生過，如切薩皮克灣隕石坑與波皮蓋隕石坑、弗拉斯階—法門階界線、中諾利期多重撞擊、晚侏羅世多重撞擊；在太陽系的其它星體上也有案例，如1994年蘇梅克-列維9號彗星因潮汐力而分裂，數個碎片在接下來的幾天內陸續撞擊木星。這些案例表明存在集群撞擊的可能。除了波泰士隕石坑和希克蘇魯伯隕石坑之外，世界各地還有幾個在距今約6千5百萬年所形成的隕石坑，如英國外海的銀坑隕石坑、印度洋的濕婆隕石坑等。這些年代相近的隕石坑暗示了當時可能有一連串的撞擊事件相繼發生。但最新測年表明銀坑隕石坑誕生於更晚的始新世，而濕婆隕石坑這一構造是否是隕石坑還存在爭論。且由機率計算，直徑＞22公里的撞擊坑形成速率約為每百萬年1.5次，儘管波泰士隕石坑與希克蘇魯伯隕石坑形成的時間接近，從統計角度看屬小機率事件，但並未超出地球撞擊史的正常範圍。目前的主流觀點仍傾向於希克蘇魯伯隕石為主要滅絕原因。

### 早丹尼期熱事件

白堊紀-古近紀界線之後，古新世地質記錄的特徵是一系列熱事件，最終形成顯著的古新世—始新世極熱事件。在早古新世，已識別出的熱事件包括6520萬年前的早丹尼期熱事件（Dan-C2 event）、6170萬年前的最晚丹尼期事件（latest Danian event）、丹尼期—塞蘭特期過渡事件（Danian—Selandian transition event）。波泰士隕石坑的沉積物完整記錄了早丹尼期熱事件的地質變化，為早丹尼期熱事件的絕佳研究樣本。其沉積物記錄包括約 -4‰ 的碳同位素偏移，相應的孢粉變化，以及約30米沉積厚度的周期性旋迴。如果將該周期性旋迴解釋為受地球軌道歲差驅動，則可估算出整個早丹尼期熱事件持續約17萬至34萬年。

## 基本資料

- 地球：48.9°N 32.25°E
- globe_type：行星
- 直徑：24km
- 深度：550m