遼西義縣組特異化石埋藏特征及其指示意義

張永忠，王多云

1.北京師范大學(xué)資源學(xué)院，北京 100875

2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊 065007

0 引言

遼西是熱河生物群的發(fā)源地[1，2]。近年來(lái)隨著早期鳥(niǎo)類、長(zhǎng)羽毛的恐龍、原始哺乳類化石的發(fā)現(xiàn)，使遼西成為全國(guó)乃至世界研究恐龍、早期鳥(niǎo)類、原始哺乳動(dòng)物起源與演化的中心[3-7]。遼西熱河生物群包括豐富的雙殼類、腹足類、介葉肢介、昆蟲(chóng)、魚(yú)類、兩棲類、爬行類、鳥(niǎo)類、早期哺乳類等化石，保存精美，研究這些生物化石的埋藏特征對(duì)恢復(fù)古環(huán)境具有重要意義。

1 沉積特征

義縣組由多次火山噴發(fā)形成的一套完整的火山-沉積旋回。在火山噴發(fā)間歇期形成了以尖山溝層和金剛山層為代表的兩套主要沉積夾層，保存了大量精美的動(dòng)、植物化石。

尖山溝層位于義縣組中下部，主要由灰色、灰黑色頁(yè)巖、砂巖、粉砂巖組成，夾多層沉凝灰?guī)r。大多數(shù)化石埋藏于湖相背景沉積的灰色、灰黑色頁(yè)巖中，化石埋藏層厚度很薄，其上覆蓋火山事件沉積的沉凝灰?guī)r，化石層中含大量火山灰成分，沉積巖與凝灰?guī)r互層。化石沉積層水平層理發(fā)育，偶見(jiàn)漂浮的巖屑。發(fā)育遞變層理、塊狀層理、微弱侵蝕構(gòu)造。金剛山層是義縣組的上部沉積層，沉積物主要為灰綠色砂巖、粉砂巖，灰白色、灰黑色凝灰質(zhì)頁(yè)巖，紙片狀頁(yè)巖，水平紋理發(fā)育，為淺湖-半深湖相沉積。較好，可見(jiàn)甲殼上不規(guī)則的稀疏網(wǎng)狀淺細(xì)溝紋。經(jīng)?？梢?jiàn)龜化石密集出現(xiàn)，沿層面保存。中華龍鳥(niǎo)[3-4]頭部高高昂起，尾部上翹；秀麗郝氏翼龍[5]前肢的翼指骨被自己緊緊的咬在嘴里。中華龍鳥(niǎo)、尾羽鳥(niǎo)、北票龍、奔龍類等具羽毛的恐龍及以孔子鳥(niǎo)為代表的鳥(niǎo)類化石不但保存了骨骼等硬體部分而且還保存了羽毛、“羽毛”狀皮膚衍生物、皮膚印痕等，北票龍的椎骨和肢骨碎片中保存有血管和類似血細(xì)胞的結(jié)構(gòu)[6]。滿洲鱷保存了精美的皮膚皺褶印痕；中華龍鳥(niǎo)胃腔中保留末消化的食物——蜥蜴類和哺乳類的骨架，其腹部保留完整的卵化石，滿洲鱷、尾羽鳥(niǎo)等也保存了胃溶物。

不同門類的生物化石往往共同保存，如魚(yú)類、葉肢介、昆蟲(chóng)、與植物保存于同一層面；半深湖－深湖埋藏的孔子鳥(niǎo)化石層面零星可見(jiàn)葉肢介化石。

2 化石的埋藏特征

義縣組大多數(shù)化石保存完好，形成特異保存的化石庫(kù)（Konservat-Lagerst·tten）。各類化石往往成群出現(xiàn)，且保存精美，葉肢介化石往往密布層面，既有成年個(gè)體，也有幼年個(gè)體，也有的層面主要由幼年個(gè)體組成。絕大多數(shù)葉肢介化石(殼體)保存十分完整，兩個(gè)殼瓣多鉸合在一起埋藏，殼的表面紋飾清晰，少見(jiàn)磨損現(xiàn)象。

各類昆蟲(chóng)化石保存完整，栩栩如生，軟組織印痕清晰可見(jiàn)。水生昆蟲(chóng)三尾擬蜉蝣觸須、尾須及腿部結(jié)構(gòu)完整；脈翅目、長(zhǎng)翅目、蜻蜓目、蜚蠊目、蛇蛉目等昆蟲(chóng)的翅完好無(wú)損，脈絡(luò)清晰；有些昆蟲(chóng)還保存了尾部的產(chǎn)卵器。

魚(yú)化石以幾乎完整的個(gè)體保存，椎骨連接完整；一些標(biāo)本保存了精美的鱗片和肌肉印痕，甚至保存了鰓囊中的構(gòu)造。有的還保存了消化道和魚(yú)卵的印痕。許多化石嘴巴張開(kāi)，頜有痙攣現(xiàn)象，脊柱扭曲。往往幼魚(yú)與成魚(yú)共同埋藏。同一層面，狼鰭魚(yú)化石往往成群出現(xiàn)，有時(shí)同一層面保存幾十條幼魚(yú)。 龜憋類、滿洲鱷脖化石完整保存，而且四肢伸展，多呈對(duì)稱狀。頸前伸，尾后挺或上翹，四肢插入層面之下；椎板和椎盾保存

3 生物死亡原因分析

自然界中的生物有許多屬于非正常死亡，例如，氣候的變化、溫度、鹽分、水深、光照、食物的供應(yīng)、捕食；此外，一些災(zāi)難性的事件如火山噴發(fā)、磁極倒轉(zhuǎn)、冰川、海平面變化、以及星球撞擊等更可能造成整個(gè)屬種的滅亡。熱河生物群化石埋藏特征表明其屬于非正常死亡。

正常死亡的生物，化石群落中生命力脆弱的幼年個(gè)體和老年個(gè)體居多，而且零星分布。義縣組生物化石往往大量出現(xiàn)于同一層面。根據(jù)采自義縣組的3塊葉肢介標(biāo)本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，化石密度平均2個(gè)/cm2，成年個(gè)體與幼年個(gè)體比例約1/3，這個(gè)比例關(guān)系基本反映了葉肢介群落生活群落中未成年個(gè)體數(shù)量居多的原始生活狀態(tài)，表明其死于偶然事件。狼鰭魚(yú)化石也常常以密集形式保存，在凌源大新房子一帶，在一15cm2層面上，分布了16條狼鰭魚(yú)。潛龍、龜化石也常常密集出現(xiàn)及陸生脊椎動(dòng)物也大量集中出現(xiàn)，如四合屯地區(qū)保存了豐富的孔子鳥(niǎo)化石，平均每5m2～6m2一件，局部可達(dá)1m2～2m2一件。2002年北票 “地質(zhì)長(zhǎng)廊”采挖現(xiàn)場(chǎng)，在一個(gè)15m2～16m2的層面上發(fā)現(xiàn)了9具孔子鳥(niǎo)化石。

正常死亡的生物往往體態(tài)安詳，而熱河生物群中的化石，尤其是一些脊椎動(dòng)物化石保存了其死亡前的痛苦狀態(tài)。魚(yú)類化石嘴巴張開(kāi)，往往是由于缺氧所致；脊椎扭曲，顯示出死亡前的掙扎狀態(tài)。正常死亡的龜鱉類，頭和四肢縮入龜甲之中。滿洲龜化石脖頸前伸，尾后挺或上翹，四肢插入層面之下；可能為死前短暫的掙扎；秀麗郝氏翼龍右前肢的翼指骨被自己緊緊的咬在嘴里，可能是火山噴發(fā)的有毒氣體導(dǎo)致其中毒，在死亡過(guò)程中痛苦掙扎所致。熱河生物群中，往往多門類化石共生保存，說(shuō)明這些生物可能死于同一成因的大型災(zāi)難性事件。

中生代時(shí)期，遼西是中國(guó)東部環(huán)太平洋沿海火山活動(dòng)帶的一部分。伴隨著頻繁的火山噴發(fā)形成了一套火山－沉積巖系的義縣組地層。義縣組大量熱河生物化石群沉積層中多含火山凝灰成分，沉積層中含有多層沉凝灰?guī)r夾層，脊椎動(dòng)物化石層上都有一層凝灰?guī)r層，可以推測(cè)，火山噴發(fā)是造成這些生物集中死亡的直接原因。

火山噴發(fā)出大量火山氣體、火山灰及氣溶膠，導(dǎo)致氣候和環(huán)境的急劇變化，進(jìn)而造成陸生生物的集群死亡[8-9]，對(duì)水生生物，大氣圈和水圈存在著物質(zhì)和能量的交換，空氣溫度的變化同樣會(huì)影響水體的溫度，火山噴發(fā)氣體（CO2、HCL、HF、H2S、SO2、SO3）會(huì)不同程度的溶于水中，不僅使水體的成分發(fā)生變化，也會(huì)影響到水體的PH值和Eh值，大量火山灰塵的沉降也會(huì)增加水體的渾濁度，也會(huì)對(duì)水生生物造成影響。這些火山物質(zhì)共同作用，會(huì)造成水體的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的劇變，一些水生生物（如葉肢介）對(duì)滲透壓的劇變?nèi)鄙僬{(diào)節(jié)能力，從而造成了這些生物的大量死亡。

4 埋藏環(huán)境

大量保存精美的化石產(chǎn)于尖山溝層、金剛山層的凝灰質(zhì)泥頁(yè)巖、粉砂巖中，水平層理發(fā)育，季節(jié)紋層清晰。各類生物機(jī)體保存精美的埋藏特征表明其不是遠(yuǎn)距離搬運(yùn)，而是原地埋藏或稍經(jīng)搬運(yùn)，指示了微弱水動(dòng)能沉積環(huán)境?？罩酗w行的昆蟲(chóng)可能是當(dāng)近岸湖面飛行（如覓食）時(shí)由于火山噴發(fā)事件致使其死亡掉落于湖中，而且并未在湖面漂移多久即沉入水底而被埋藏。

Seilacher[10]認(rèn)為快速沉積埋藏、缺氧底層平靜水環(huán)境是特異化石保存的主要原因。頻繁的火山活動(dòng)伴隨著大量火山灰落入湖盆，引起快速埋藏，使生物體很快處于氧化／還原界面之下。快速埋藏不僅是生物體免受機(jī)械性破壞，也組織了生物體被其他生物捕食和利用，快速的細(xì)粒粉砂和粘土沉積使孔隙水缺氧，抑制了內(nèi)棲生物的活動(dòng)，使有機(jī)質(zhì)腐爛過(guò)程減慢?；鹕絿姲l(fā)產(chǎn)生的有害氣體也造成湖水缺氧抑制底棲生物對(duì)生物體的破壞作用。缺氧靜水湖盆無(wú)底棲或內(nèi)棲生物的擾動(dòng)，可以降低生物體腐爛的速度。水動(dòng)能的微弱減少了生物體的機(jī)械破壞和擾動(dòng)。缺氧環(huán)境不利于食腐動(dòng)物的生存，可以使生物遺體在埋藏之前勉受過(guò)度分解和破壞。許多化石保存了肌肉、皮膚印痕，說(shuō)明軟組織的腐爛至少是在埋藏后進(jìn)行的。脊椎動(dòng)物死亡后，由于肌肉的拉張作用，其頭部和尾部會(huì)向上翹起，肌肉腐爛后，這種現(xiàn)象將不復(fù)保存，中華龍鳥(niǎo)的保存狀況，說(shuō)明它們是在肌肉腐爛前被快速埋藏。

但盡管缺氧可以阻礙食腐動(dòng)物的破壞，但并不能抑制腐解作用的發(fā)生，因?yàn)橐恍┘?xì)菌的生存不需要氧氣的存在[10]。細(xì)粒的粘土顆粒對(duì)有機(jī)質(zhì)的保護(hù)作用也是保存特異化石的原因[11]。細(xì)?；鹕椒纸獬深w粒極細(xì)的黏土礦物，粘土與有機(jī)物質(zhì)分子相互吸附作用，使有機(jī)分于結(jié)合到粘土的晶格層間，酶的分解作用受到抑制，而酶自身也被粘土吸附，使其喪失活動(dòng)能力[12]。細(xì)?；鹕交覍?duì)有機(jī)物質(zhì)起到了保護(hù)作用，這可能是熱河生物群特異化石保存的一個(gè)重要原因。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)遼西義縣組熱河生物群化石埋藏特征和保存特征分析可知，由于火山噴發(fā)造成大量生物集中死亡。白堊紀(jì)早期，遼西境內(nèi)陸湖泊水動(dòng)能微弱，使死亡的生物體形成原地埋藏或準(zhǔn)原地埋藏。由于大量火山灰落入湖盆，形成快速埋藏環(huán)境，保存了舉世聞名的精美的熱河生物群化石。

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