Có nhiều giả thiết đề cập đến nguyên nhân gây ra sự tuyệt chủng hàng loạt tại ranh giới K-T. Các giả thiết này tập trung vào các sự kiện va chạm hoặc sự gia tăng của hoạt động núi lửa; hoặc cả hai yếu tố trên. Dựa trên các bằng chứng đã được tích lũy trong quá trình nghiên cứu, các nhà cổ sinh vật học đã thống nhất về nguyên nhân cơ bản gây ra sự tuyệt chủng là do một tiểu hành tinh đã va chạm vào Trái Đất vào khoảng 65,5 triệu năm trước, gây ra sự tàn phá nghiêm trọng sinh quyển của Trái Đất.

Sự va chạm của tiểu hành tinh

Năm 1980, một nhóm nghiên cứu gồm nhà vật lý người Mỹ đoạt giải Nobel Vật lý 1968 Luis Walter Alvarez (con trai nhà địa chất Walter Alvarez) cùng nhà hóa học Frank Asaro và Helen Michel đã phát hiện ra các lớp trầm tích phân bố trên khắp thế giới tại ranh giới K-T chứa hàm lượng iridi cao gấp nhiều lần so với bình thường (30, 160 và 20 lần trong 3 mặt cắt nghiên cứu). Iridi là một nguyên tố cực hiếm trong vỏ Trái Đất do nó là nguyên tố chuyển tiếp có tỷ trọng cao có xu hướng chìm vào bên trong lõi Trái Đất trong quá trình phân dị hành tinh (planetary differentiation). Vì iridi còn sót lại nhiều trong hầu hết các tiểu hành tinh và sao chổi, nên nhóm Alvarez cho rằng một tiểu hành tinh đã va vào Trái Đất tại thời điểm ranh giới K-T.[76] Cũng có những suy đoán trước đó về khả năng có một sự kiện va chạm, nhưng đây là bằng chứng đầu tiên được phát hiện ra.[77]

Sự va chạm này có thể đã làm ức chế quá trình quang hợp do nó tạo ra các đám mây bụi làm giảm năng lượng Mặt Trời đến bề mặt Trái Đất, và giải phóng các sol khí[78] axit sulfuric vào tầng bình lưu, các yếu tố này có thể làm giảm năng lượng Mặt Trời đến bề mặt Trái Đất từ 10-20%. Phải mất ít nhất 10 năm để các sol khí này phân hủy, chừng ấy thời gian cũng đủ để gây ra sự kiện tuyệt chủng các loài thực vật và thực vật phiêu sinh, và các loài sinh vật phụ thuộc vào chúng (như các loài thú săn mồi cũng như thú ăn cỏ). Các sinh vật nhỏ ăn các mảnh vụn thức ăn có thể có cơ hội để sống sót.[62][73] Hậu quả của sự phóng thích các vật liệu va chạm vào khí quyển Trái Đất có thể diễn ra trong khoảng thời gian ngắn như xung cường độ mạnh làm giết chết các sinh vật phơi nhiễm.[39] Các trận bão lửa toàn cầu có thể là kết quả của xung lực nhiệt và việc các mảnh vụn rơi trở lại bề mặt Trái Đất sau vụ nổ. Hàm lượng O2 cao vào cuối kỷ Creta có thể đã giúp cho sự hình thành các trận bão lửa này. Hàm lượng O2 trong khí quyển giảm mạnh vào đầu đệ Tam. Nếu các trận bão lửa lan tỏa xảy ra, chúng có thể làm tăng hàm lượng CO2 trong khí quyển và gây ra hiệu ứng nhà kính tạm thời ngay sau khi mây bụi lắng đọng, và điều này có thể đã tiêu diệt hầu hết các sinh vật dễ tổn thương đã sống sót ngay sau vụ va chạm xảy ra.[79]

Sự va chạm cũng có thể gây ra mưa axít tùy thuộc vào loại đá cấu tạo nên tiểu hành tinh va chạm. Tuy nhiên, một nghiên cứu gần đây cho rằng ảnh hưởng này tương đối nhỏ, nó có thể kéo dài khoảng 12 năm.[73] Tính axit đã được môi trường trung hòa, và sự sống sót của các loài thú dễ tổn thương đối với mưa axit (như các loài ếch) cho thấy rằng yếu tố này không đóng vai trò quan trọng đối với sự tuyệt chủng. Các giả thuyết va chạm chỉ có thể giải thích sự tuyệt chủng diễn ra trong thời gian rất nhanh, vì các đám mây bụi và các sol khí lưu huỳnh thải vào khí quyển chỉ có thể tồn tại trong thời gian khá ngắn khoảng 10 năm.[80]

Một ngiên cứu sau đó xác định rằng hố va chạm Chicxulub bị chôn vùi dưới Chicxulub trên bờ biển của Yucatán, México là một hố va chạm trùng khớp với tuổi giả thiết của Alvarez đưa ra. Hố này được xác định năm 1990 dựa trên công trình của Glen Penfield được hoàn thành năm 1978, nó có hình ovan với đường kính trung bình khoảng 180 km, gần bằng với kích thước mà nhóm Alvarez đã tính toán.[81] Hình dạng và vị trí của hố này ám chỉ những nguyên nhân sâu xa của sự phá hủy ngoài đám mây bụi. Tiểu hành tinh chạm vào đại dương và có thể đã gây ra các trận siêu sóng thần, các dấu vết đã được tìm thấy ở một vài nơi trong vùng cát biển Caribbe và đông Hoa Kỳ ở những nơi mà lúc đó là đất liền, và các mảnh vụn thực vật và đá lục địa trong các trầm tích biển được định tuổi cùng lúc với sự kiện va chạm. Thiên thạch va chạm vào lớp thạch cao (canxi sulfat) đã tạo ra một lượng lớn sol khí lưu huỳnh điôxit. Yếu tố này có thể đã làm giảm ánh sáng Mặt Trời chiếu đến Trái Đất và sau đó là mưa axit làm chết các loài thực vật, phiêu sinh vật và các sinh vật có vỏ làm bằng canxi cacbonat (coccolithophore và mollusca). Vào tháng 2 năm 2008, một nhóm nghiên cứu đã sử dụng các hình ảnh địa chấn về hố va chạm để xác định rằng sự va chạm đã xảy ra dưới nước ở độ sâu lớn hơn so với các giả định trước đây. Họ cho rằng yếu tố này đã làm gia tăng lượng sol khí sulfat trong khí quyển tạo ra sự chết chóc hàng loạt do thay đổi môi trường và do mưa axit.[82]

Hầu hết các nhà cổ sinh vật học ngày nay đồng ý rằng một tiểu hành tinh đã va chạm vào Trái Đất vào khoảng thời gian cách đây 65 Ma, nhưng cũng còn tranh cãi rằng liệu sự va chạm này có phải là nguyên nhân duy nhất gây ra sự tuyệt chủng hàng loạt.[25][83] Có bằng chứng rằng có một giai đoạn khoảng 300 ka từ khi va chạm xảy ra đến khi tuyệt chủng hàng loạt.[84] Năm 1997, nhà cổ sinh vật học Sankar Chatterjee đưa ra đề xuất rằng có một hố va chạm lớn hơn tên Shiva với đường kính 600 km đã xảy ra cùng thời gian đó.

Năm 2007, một giả thiết đã đưa ra lập luận để giải thích sự va chạm đã tiêu diệt các loài khủng long các đây 65 Ma thuộc nhóm tiểu hành tinh Baptistina.[85] Điều này gây chú ý đến giới nghiên cứu dựa trên những nguồn tài liệu có uy tín, một phần do có rất ít chất rắn của các tiểu hành tinh thuộc nhóm này được quan sát.[86] Một nghiên cứu gần đây phát hiện rằng 298 Baptistina không có cùng dữ liệu hóa học với nguồn đã gây ra sự va chạm.[87] Mặc dù phát hiện này có thể có sự liên hệ giữa họ Baptistina và sự va chạm K-Pg là khó chứng minh, nhưng cũng không loại trừ khả năng đó.[87] Một nghiên cứu WISE năm 2011 về ánh sáng phản xạ từ các tiểu hành tinh của họ này phát ra ước tính khoảng 80 Ma, làm nó không đủ thời gian để thay đổi quỹ đạo và tác động vào Trái Đất ở thời điểm cách đây 65 Ma.[88]

Vào tháng 3 năm 2010, một hội thảo quốc tế về các giả thiết liên quan đến tiểu hành tinh đặc biệt là sự va chạm Chicxulub, được xem là nguyên nhân gây ra tuyệt chủng. Một nhóm gồm 41 nhà khoa học đã xem lại các tài liệu ấn hành trong vòng 20 năm và cũng đã loại trừ những giả thuyết khác như siêu núi lửa. Họ đã xác định rằng một khối đá có kích thước 10 – 15 km đã va chạm vào Trái Đất tại Chicxulub bán đảo Yucatán ở México. Vụ va chạm có thể đã giải phóng một lượng năng lượng tương đương 100 × 1012 tấn TNT, lớn hơn hàng triệu lần năng lượng của quả bom nguyên tử thả xuống Nagasaki và Hiroshima.[10]

Bẫy Deccan

Trước năm 2000, các luận cứ cho rằng các dòng lũ bazan bẫy Deccan đã gây ra sự tuyệt chủng thường gắn liền với quan điểm cho rằng quá trình tuyệt chủng diễn ra từ từ, do các dòng lũ bazan được cho là bắt đầu diễn ra trong khoảng 68 Ma và kéo dài hơn 2 triệu năm. Bằng chứng gần đây nhất cho thấy các bẫy này phun trào hơn 800.000 năm kéo qua ranh giới K-T, và do đó có thể nó đóng vai trò trong sự tuyệt chủng và sự hồi phục sinh học chậm sau đó.[89]

Các bẫy Deccan có thể là nguyên nhân gây tuyệt chủng theo một số cơ chế như sự giải phóng bụi và các sol khí sulfuric vào không khí làm ngăn chặn ánh sáng Mặt Trời và giảm quá trình quang hợp của thực vật. Ngoài ra, hoạt động núi lửa bẫy Deccan có thể sinh ra một lượng cacbon dioxit lớn gây ra hiệu ứng nhà kính khi bụi và sol khí chiếm toàn bộ khí quyển.[90]

Trong những năm khi mà giả thuyết bẫy Deccan còn gắn với sự tuyệt chủng từ từ, Luis Walter Alvarez (1911 - 1988) đã cho rằng các nhà cổ sinh vật học bị lầm lạc do thiếu hụt dữ liệu. Trong khi khẳng định của ông ban đầu không được ủng hộ, nhưng các nghiên cứu thực địa sau đó về các lớp đáy hóa thạch lại nghiêng về phía tuyên bố của ông. Cuối cùng thì hầu hết các nhà cổ sinh vật học bắt đầu chấp nhận ý tưởng rằng sự tuyệt chủng hàng loạt vào cuối kỷ Creta chủ yếu hay một phần là do sự va chạm của tiểu hành tinh vào Trái Đất. Tuy nhiên, ngay cả Walter Alvarez cũng đã thừa nhận rằng có các thay đổi lớn khác trên Trái Đất đã xảy ra ngay trước sự va chạm, như mực nước biển tụt xuống và các hoạt động phun trào núi lửa diễn ra mạnh mẽ đã tạo ra các bẫy Deccan ở Ấn Độ, và các thay đổi này có thể đã góp phần tạo ra sự tuyệt chủng.[91]

Sự va chạm của các tiểu hành tinh nhiều lần

Có nhiều hố va chạm khác cũng được tạo ra vào thời điểm ranh giới K-T. Quan điểm này cho rằng có khả năng có nhiều vụ va chạm liên tục đã xảy ra, đó có thể là những mảnh thiên thạch hay những mảnh vỡ của tiểu hành tinh tương tự như sao chổi Shoemaker-Levy 9 đã tạo nên hố va chạm trên Sao Mộc. Ngoài hố va chạm Chicxulub đường kính 180 km, còn có hố va chạm Boltysh với đường kính 24 km ở Ukraina có tuổi (65,17 ± 0,64 Ma), hố va chạm Silverpit có đường kính 20 km ở biển Bắc có tuổi (60–65 Ma), và một hố va chạm khác có đường kính lớn hơn vẫn đang còn tranh cãi là hố va chạm Shiva có đường kính 600 km. Những hố va chạm khác có thể được hình thành trong đại dương Tethys có thể biến mất do các hoạt động kiến tạo như sự trôi dạt về phía bắc của mảng châu Phi và Ấn Độ.[92][93][94][95]

Biển thoái Maastricht

Có bằng chứng rõ ràng về mực nước biển sụt giảm vào giai đoạn cuối của kỷ Creta thấp hơn so với các thời gian khác trong Đại Trung sinh. Trong một số lớp đá thuộc tầng Maastricht có mặt ở nhiều nơi trên thế giới, các lớp nằm trên có nguồn gốc lục địa trong khi các lớp nằm dưới có nguồn gốc ven bờ và các lớp sớm hơn nữa đặc trưng cho đáy biển. Các lớp này không thể hiện tính nằm nghiêng và không có biến dạng liên quan đến kiến tạo sơn, do đó giải thích hợp lý nhất là do biển thoái. Không có bằng chứng trực tiếp về nguyên nhân gây ra biển thoái, nhưng cách giải thích hiện được chấp nhận như là có thể nhất là do các sống núi giữa đại dương trở nên ít hoạt động hơn và do đó bị nhấn chìm do khối lượng của nó.[9][96]

Biển thoái mạnh có thể đã làm giảm nhiều diện tích thềm lục địa, nơi có các loài sinh vật biển nhiều nhất, và do đó có thể đã làm cho sự tuyệt chủng hàng loạt ở biển xảy ra. Tuy nhiên, một nghiên cứu khác kết luận rằng sự biến đổi này có thể đã không đủ gây ra sự kiện này nếu quan sát chỉ dựa trên mức độ tuyệt chủng của cúc đá. Biển thoái cũng có thể đã gây ra các biến đổi khí hậu, một phần bằng cách làm thay đổi chế độ gió và dòng hải lưu và một phần làm giảm suất phản chiếu của Trái Đất và do đó làm tăng nhiệt độ toàn cầu.[74]

Biển thoái cũng tạo ra sự mất đi của các biển nông nằm một phần trong lục địa như Western Interior Seaway ở Bắc Mỹ. Việc mất đi các biển này đã làm thay đổi lớn môi trường sống của sinh vật, xóa bỏ các đồng bằng ven biển 10 triệu năm trước khi sự đa dạng hóa của các loài phát triển ở các nơi này như được ghi nhận trong hệ tầng Dinosaur Park. Một hậu quả khác là sự mở rộng của các môi trường nước ngọt, do các dòng chảy trên lục địa phải đi qua một khoảng cách dài hơn trước khi đổ ra biển. Khi yếu tố này xuất hiện đó là điều kiện lý tưởng cho các loài động vật có xương sống nước ngọt phát triển.[61]

Nhiều nguyên nhân khác

Trong một bài báo, J. David Archibald và David E. Fastovsky đã thảo luận về một kịch bản bao gồm 3 nguyên nhân chính: núi lửa, biển thoái, và sự va chạm của các vật thể ngoài Trái Đất. Theo kịch bản này, các quần thể lục địa và biển đã chịu áp lực bởi các thay đổi về số lượng và mất môi trường sống. Khủng long là loài động vật có xương sống lớn nhất bị ảnh hưởng đầu tiên khi môi trường thay đổi, và sự đa dạng của chúng suy giảm. Cùng lúc đó các vật liệu dạng hạt từ hoạt động núi lửa làm khí hậu trên một số vùng của Trái Đất lạnh và khô đi. Sau đó, một sự va chạm xảy ra làm cho chuỗi thức ăn dựa trên quá trình quang hợp cả trên đất liền và dưới biển bị phá vỡ. Sự khác biệt chính giữa giả thiết này và các giả thiết từng nguyên nhân riêng lẻ ở chỗ những người theo giả thiết này thì cho rằng các nguyên nhân riêng lẻ không đủ mạnh để gây ra tuyệt chủng hoặc không thể tạo ra kiểu tuyệt chủng phân loại loài.[61]