波泰士陨石坑

波泰士陨石坑（Boltysh crater）是一个位于乌克兰基洛夫格勒州的撞击坑。它是一个保存完好的中型撞击结构，直径约24公里，由一颗直径约1公里的小行星或彗星高速撞击形成。波泰士陨石坑形成于约6600万年前的白垩纪—古近纪界线附近，与希克苏鲁伯陨石坑形成时间接近，可能属于连续撞击事件之一。该陨石坑内部充填了厚达500米的连续、高分辨率的湖相沉积物。这些沉积物保存了极为丰富的植物大化石、孢粉以及鱼类、昆虫等化石，完整记录了撞击事件本身以及随后早新生代的气候与环境变化，为古近纪的气候与生态系统提供了独特的记录。

## 地质特征

### 地质背景

波泰士陨石坑位于乌克兰基洛夫格勒州，第聂伯河支流佳斯明河盆地内，中心坐标为北纬48°45′，东经32°10′。周边分布有罗特米斯特罗夫卡（Rotmistrovka）与泽廖内加伊（Zeleny Gay）两个更小、更古老的撞击坑。陨石撞击地点位于乌克兰地盾中部，因胡尔-因古列茨地块（Ingul-Ingulets Block）内。乌克兰地盾是东欧克拉通的一部分，由元古代结晶基底岩石构成，地壳长期稳定，构造活动相对微弱，为陨石坑的长期保存提供了有利条件。撞击区域的基岩自下而上分别是形成于18.50—22.20亿年前的黑云母片麻岩和形成于15.50亿年前，被称为基洛沃赫拉德型的斑状变晶花岗岩。在此之上覆盖着一层薄的晚白垩世细粒硅质碎屑岩和碳酸盐岩。

撞击地区自古生代早期以来未经历过海侵。但乌克兰地盾的东北坡，包括佳斯明河流域，在晚白垩世森诺曼期—土仑期的一段短暂时期内被海水覆盖。撞击发生在晚白垩世，此时该地区位于特提斯洋的北缘，处于温暖的陆缘环境。

### 撞击构造

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波泰士陨石坑是一个典型的复杂撞击坑，具有中央隆起和环形洼地结构。陨石坑本体的直径约24公里，原始深度约1公里。目前，在陨石坑的中心区域，从现今地表到撞击熔岩表面的深度约580米。陨石坑的内坑直径约12公里，是撞击构造最深、最核心的部分。内坑的中心存在一个直径约6公里的中央隆起，由抬升、破裂的基底花岗岩和覆盖其上的撞击角砾岩组成，高出坑底基岩约550米。内坑与中央隆起之间充填有直径约12公里、最大厚度约220米的环状撞击熔岩席。地质钻探结果表明显示熔岩席的顶部接近水平，表明熔岩在撞击后曾在坑底形成一个暂时的熔岩湖。在撞击熔岩席之上，覆盖着一层厚度不均的熔结角砾岩。这些角砾岩由回落到坑中的喷出物构成。其厚度从西部的约22米到东部的近100米不等。内坑之外是一个浅的环形洼地。在此环形洼地之外的原始坑缘已被严重侵蚀。其残余部分仅在撞击坑西北边缘的佳斯明河河谷中有所出露，表现为破碎的斑状变晶花岗岩。在陨石坑周围，现今覆盖有撞击产生的喷出物，面积达6500平方公里。据估计，喷出物最初覆盖面积可能超过25000平方公里，在撞击坑缘厚600米，距撞击中心47公里处厚达10米，90公里处厚约1米。

撞击坑内填充的岩石是撞击瞬间高温高压作用的直接产物。主要分为两层：撞击熔岩和熔结角砾岩。撞击熔岩由靶岩完全熔融后结晶形成，构成内坑底部的熔岩席。该熔岩席又可分为三层。上层和下层均为微晶质熔岩，颜色较深，致密坚硬，断口粗糙，富含长石和石英的微晶。其中上层含有大量冲击石英捕虏体，甚至包含直径达2米的花岗岩捕虏体。中层则为玻璃质熔岩，颜色较浅，有玻璃光泽和贝壳状断口，含有长石和紫苏辉石斑晶，其中部分熔岩已脱玻化。熔结角砾岩则覆盖在撞击熔岩构成的撞击熔岩席之上，由撞击喷射出的碎屑在回落过程中胶结而成。这些碎屑大小不等，最大可达15毫米，包括玻璃碎屑、单矿物碎屑（石英、长石）和复矿物碎屑（花岗岩）。这些碎屑普遍具有不同程度的冲击变质效应。上部的熔结角砾岩呈红色或绿色。红色是氧化亚铁由于脱玻化形成赤铁矿，绿色是辉石由于脱玻化形成绿泥石。

### 早期演化

在波泰士陨石撞击瞬间的瞬间，撞击产生的强烈冲击波使基岩熔融，形成巨量的撞击熔岩。这些熔岩连同大量的岩石碎屑一起，在重力作用下向新形成的坑底流动，并充填在中央隆起周围的环形槽中，形成厚约220米的熔岩席。随后撞击熔岩开始冷却结晶。由于这些熔岩二氧化硅含量很高，其初始粘度极高。高粘度极大地抑制了晶体成核与生长速率。在冷却初期，少量斜长石和辉石最先结晶，形成斑晶。斑晶的析出进一步提高了残余熔融物的二氧化硅含量和粘度，达到流纹岩成分，难以继续结晶，最终淬火形成玻璃质熔岩。在此过程中，熔岩席的顶部与空气和水接触，底部与冷的基岩接触，冷却速度快，理应形成玻璃。但在熔岩席冷却过程中，释放的热量引发了大规模的地下水循环。这些热液通过岩石间的孔隙，渗透进熔岩席的顶部和底部，与已固结的岩石发生反应，导致上层、下层的熔岩发生热液脱玻作用，由玻璃质熔岩转化为微晶质熔岩。但在熔岩席的中部，虽然冷却速度慢，但由于熔融物自身的高粘度抑制了结晶，且热液脱玻作用不强烈，反而形成了玻璃质熔岩。这即是波泰士陨石坑撞击熔岩层独特的微晶质-玻璃质-微晶质结构的演化过程。

### 沉积充填

波泰士陨石坑内填充了厚达580米的沉积物。这一系列沉积物完整记录了陨石坑所在环境在整个新生代从淡水湖泊到海洋，再回归淡水湖泊，最终被陆地沉积覆盖的全过程。波泰士陨石坑经历了如下阶段：

- 封闭淡水湖泊（古新世—早始新世）：该淡水湖泊在陨石坑形成后不久形成，为一个深水、缺氧的静水环境，并随沉积逐渐变浅。该时期的沉积物以粉砂岩、粘土岩和油页岩为主，还有含氟磷灰石、菱铁矿、沸石等矿物的薄层。同时还有介形虫、软体动物和鱼化石，以及藻类和蕨类、树木等陆生植物残骸。
- 海洋与海湾（中始新世—晚始新世）：中始新世海平面上升，发生海侵。海水从北部侵入并冲破了已被侵蚀削低的陨石坑缘，波泰士陨石坑变为一个海湾。在早期湖相沉积之上，沉积有石英砂、泥灰岩和粘土岩，随后沉积有含海绿石的绿色细砂。该时期地层中还有眼子菜属和 Limnocarpus 属植物的种子。
- 陆相淡水湖泊（渐新世—新近纪）：渐新世海平面下降，发生海退，海洋从乌克兰地盾大部退出。此时波泰士陨石坑再次成为淡水湖，沉积有石英砂和粘土岩。此期间，佳斯明河等现代水系开始发育并切割地表。
- 黄土掩埋（第四纪）：在第四纪冰期期间，厚达20—30米的黄土和亚粘土覆盖了整个区域，最终掩埋了波泰士陨石坑的全部地表痕迹。

## 年代测定

不同方法对波泰士陨石坑年代测定的结果如下所列：

- 地层学：森诺曼期—土仑期与晚古新世之间。波泰士陨石坑西北45km的罗特米斯特罗夫卡陨石坑中有森诺曼期—土仑期的沉积物，这些沉积物又被波泰士陨石产生的，厚达18米的喷出物覆盖。因此，波泰士陨石坑的年代下限是森诺曼期—土仑期。波泰士陨石坑内的下层沉积物来自晚古新世的赞尼特期。因此，陨石坑的年代上限是晚古新世。
- 孢粉学：白垩纪末，希克苏鲁伯撞击前数千年。孢粉学研究表明，波泰士陨石坑最下层沉积物中有植物群在撞击后复苏的迹象，但随后出现了一段贫瘠带，孢粉含量极低。Jolley等人认为这段贫瘠带产生的原因是陨石坑内的新生植物群因白垩纪—古近纪灭绝事件而毁灭。基于对火山熔岩中生态恢复速度的研究，他们认为波泰士撞击发生在希克苏鲁伯撞击前2000至5000年。
- 裂变径迹测年：约9600万年前或约1亿500万年前（Komarov和Raichlin，1976）；约6500万年前（Kashkarov等人，1998）。该方法不同样本产生的差异极大且较不精准。
- K-Ar测年：约8800万年前（Boiko等人，1985）。该测年结果与地层证据矛盾，若撞击发生于8800万年前，则与在湖中沉积产生的古近纪油页岩之间存在约2800万年的间隔，但更可能的情景可能是，撞击后不久，湖就在凹地中形成。
- 40Ar/39Ar测年：约6580万年前（Kelley和Gurov，2002）；约6539万年前（Pickersgill等人，2021）。根据后者的测年结果，波泰士陨石撞击发生在希克苏鲁伯陨石后约65万年

## 古生物学

### 动物化石

波泰士陨石坑内的沉积物中发现的动物化石主要包括以下类群：

- 介形虫：数量极多，常富集成层。已鉴定出的物种包括：Bairidrophillata simplicatilis、Xestoleberis triangularis、Aequacytheridea atroxa、Cytherells ovata，以及和其它多个Cytherells属的未定种。这些介形虫比同期其他地区的介形虫小 1.5 到 2 倍。
- 鱼类：发现了多个新属新种，包括：Baltischia brevicanda、Parachanopsis longulus，以及 Beryx 属和 Lirolepis 属的未定种，其中一些形态特征与白垩纪鱼类相近，为研究白垩纪—古近纪界线前后鱼类演化提供了重要材料。
- 两栖类：发现一蝾螈新种：波泰士肖氏螈（Seminobatrachus boltschkensis）
- 软体动物、昆虫

### 孢粉化石

在近邻熔结角砾岩之上即出现了孢粉植物群。其中以布朗葡萄藻（Botryococcus braunii）为主，这种红藻表明当时的波泰士陨石坑为一个富营养淡水湖泊。与这些藻类一起发现的还有正型粉类（Normapolles）和化香树属的花粉。这些花粉来源于灌木状被子植物。水龙骨科和木贼属孢子也很常见。在此之上的一段沉积物中缺乏孢粉。再向上出现卷柏属和少量水龙骨科孢子，这些孢子随即被凤尾蕨科孢子取代，标志着熔结角砾岩上的群落演替进入中期。随后出现 Plicapollis pseudoexcelsus 和 Interpollis supplingensis，以及棕榈科的孢粉。在此之上，膝沟藻目 Areoligera 属的出现标志着海侵。此后的孢粉以凤尾蕨科、正型粉类和棕榈科为主。布朗葡萄藻的重新出现则表明波泰士陨石坑重新变为湖泊，与之同时出现的还有出现了由黑三棱属和帚灯草科花粉，表明当时环境为微咸沼泽。随着壳斗科和杨梅科，以及双叉栅藻等淡水藻类孢粉的出现，表明波泰士陨石坑逐渐转为淡水湖泊

### 植物化石

波泰士陨石坑中的植物化石主要以印痕形式保存在油页岩中，保存精美。其中最重要的发现是网纹魏克塞尔蕨（Weichselia reticulata）的化石。这是一种里白目马通蕨科的的树蕨，是中生代暖湿沿海环境的标志性植物。传统上认为它在晚白垩世已经灭绝。波泰士陨石坑中的这一发现将其生存时间延长了至少2000万年，进入古近纪。该物种还证明了马通蕨科植物在新生代早期仍存在于欧洲，否定了马通蕨科在早古近纪就已退缩至东南亚的假说。网纹魏克塞尔蕨化石在波泰士陨石坑的出现，表明这个由撞击形成的地热湖系统可能创造了适宜的小气候和土壤条件，为中生代的部分孑遗物种提供了避难所。

除此之外，波泰士陨石坑中还出土了可能属于凤尾蕨科、乌毛蕨科和铁角蕨科的蕨类化石， Doliostrobus 属的裸子植物化石，以及杨柳科 Pseudosalix 属、蔷薇科花楸属、杨梅科香蕨木属和杨梅属、胡桃科 Dryophyllum 属等被子植物化石。这些植物化石多适于温暖湿润的亚热带气候。其中的被子植物多为具有固氮能力、生长快速的乔木或灌木，擅长在受干扰、土壤贫瘠的环境中定殖，与蕨类共同构成先锋植物群落，记录了波泰士陨石撞击后生态系统的初生演替过程。

## 事件对比

### 多重撞击理论

有学者提出了集群撞击的概念，认为白垩纪—古近纪界线附近可能存在多次撞击，共同导致环境剧变，引发白垩纪—古近纪灭绝事件。此类多重撞击曾在地球上发生过，如切萨皮克湾陨石坑与波皮盖陨石坑、弗拉斯阶—法门阶界线、中诺利期多重撞击、晚侏罗世多重撞击；在太阳系的其它星体上也有案例，如1994年苏梅克-列维9号彗星因潮汐力而分裂，数个碎片在接下来的几天内陆续撞击木星。这些案例表明存在集群撞击的可能。除了波泰士陨石坑和希克苏鲁伯陨石坑之外，世界各地还有几个在距今约6千5百万年所形成的陨石坑，如英国外海的银坑陨石坑、印度洋的湿婆陨石坑等。这些年代相近的陨石坑暗示了当时可能有一连串的撞击事件相继发生。但最新测年表明银坑陨石坑诞生于更晚的始新世，而湿婆陨石坑这一构造是否是陨石坑还存在争论。且由概率计算，直径＞22公里的撞击坑形成速率约为每百万年1.5次，尽管波泰士陨石坑与希克苏鲁伯陨石坑形成的时间接近，从统计角度看属小概率事件，但并未超出地球撞击史的正常范围。目前的主流观点仍倾向于希克苏鲁伯陨石为主要灭绝原因。

### 早丹尼期热事件

白垩纪-古近纪界线之后，古新世地质记录的特征是一系列热事件，最终形成显著的古新世—始新世极热事件。在早古新世，已识别出的热事件包括6520万年前的早丹尼期热事件（Dan-C2 event）、6170万年前的最晚丹尼期事件（latest Danian event）、丹尼期—塞兰特期过渡事件（Danian—Selandian transition event）。波泰士陨石坑的沉积物完整记录了早丹尼期热事件的地质变化，为早丹尼期热事件的绝佳研究样本。其沉积物记录包括约 -4‰ 的碳同位素偏移，相应的孢粉变化，以及约30米沉积厚度的周期性旋回。如果将该周期性旋回解释为受地球轨道岁差驱动，则可估算出整个早丹尼期热事件持续约17万至34万年。

## 基本资料

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