中國縉云甲龍化石的挖掘、修理、研究和復原①

鄭文杰

一、 概述

中國縉云甲龍化石發(fā)現(xiàn)于浙江省縉云縣壺鎮(zhèn)麗縉工業(yè)園區(qū)工地，是浙江省目前已發(fā)現(xiàn)的保存最多最完整的恐龍化石。2013年，化石主要由浙江自然博物院、縉云縣博物館和日本福井縣立恐龍博物館專業(yè)人員聯(lián)合搶救性采集所獲，其中有5個不同大小的個體。保存的化石幾乎涵蓋了全身骨架所有部位，其中包括近乎完整的頭骨和發(fā)達的尾錘。從2013年發(fā)現(xiàn)化石以來，浙江自然博物院專業(yè)人員對中國縉云甲龍進行了持續(xù)的化石修復、保護和研究工作，完成了從化石的野外挖掘、室內(nèi)修理、科學研究、骨骼復原裝架和恐龍生態(tài)復原的全過程。以保證化石安全為前提，采用有效的化石修理方法，利用各種化石修復工具對化石進行修復保護，通過科學研究鑒定，確定其為恐龍新屬新種，分析其與其他恐龍的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系、討論其在甲龍類中的演化意義并在國際專業(yè)期刊發(fā)表研究論文。最后利用最新的三維數(shù)字化技術(shù)復原恐龍模型，制作動畫，用于博物館展示和科普活動。

近年來，隨著我國自然博物館、地質(zhì)博物館及古生物博物館的蓬勃發(fā)展，綜合性博物館中的化石研究和展示也在不斷增加，對古生物化石標本的保護、修復、研究和展示亟需加強。本文詳細總結(jié)中國縉云甲龍化石的野外挖掘、室內(nèi)修理、研究和復原過程，為其他博物館提供典型參考案例，此案例入選“2021全國優(yōu)秀文物藏品修復項目”，對相關(guān)工作具有現(xiàn)實意義。

二、 化石的發(fā)現(xiàn)和野外挖掘采集

浙江縉云壺鎮(zhèn)最早于20世紀70年代就發(fā)現(xiàn)了恐龍化石[1-2]，但是當時并未進行專業(yè)野外挖掘和研究，大部分化石標本也已去向不明，僅小部分化石保存在浙江省地質(zhì)院和浙江自然博物院。2008年6月，壺鎮(zhèn)當?shù)卮迕窭蠲涝圃诠I(yè)區(qū)建筑工地發(fā)現(xiàn)了恐龍化石，由浙江自然博物院和縉云縣博物館對該化石進行了搶救性挖掘，化石保存了一具不完整的甲龍類頭后骨骼。自2011年開始，浙江自然博物院聯(lián)合縉云縣博物館和日本福井縣立恐龍博物館對該地進行了數(shù)年的恐龍化石野外跟蹤調(diào)查，發(fā)現(xiàn)多處化石線索，并結(jié)合當?shù)毓I(yè)園區(qū)施工情況，于2013年3月至4月對發(fā)現(xiàn)的恐龍化石進行了搶救性發(fā)掘，由此開始了中國縉云甲龍化石的野外挖掘、修理、研究和復原等工作。

野外挖掘是古生物化石研究過程的第一步，只有采用科學的技術(shù)和方法，才能為今后的研究打好堅實的基礎(chǔ)，任意采集和挖掘會影響化石的科學價值[3-4]。在野外發(fā)掘過程中，需按照科學的化石發(fā)掘步驟進行(見圖1)，同時對化石進行及時的保護處理，用丙烯酸樹脂顆粒(Paraloid B72，俗稱帕勞德顆粒膠或顆粒膠)溶入丙酮，形成保護試劑并涂到化石表面以滲入內(nèi)部起到加固作用。丙烯酸樹脂顆粒是廣泛用于文物保護修復的一種聚合物材料[5-6]，在國內(nèi)外古生物化石的加固中得到了廣泛使用。野外挖掘時，在采集化石前繪制化石分布圖，記錄好化石編號。傳統(tǒng)上記錄野外化石分布圖時用1m×1m的探方為單元繪制分布圖。近些年，隨著攝影測量學技術(shù)在古生物學中的應用，可以更為精確地記錄化石的野外分布情況。攝影測量無需三維掃描儀，只需要用相機從不同方向?qū)π枰涗浀幕瘏^(qū)域進行拍攝，不同方向的照片要有一定的重疊，當有足夠的照片從不同方向覆蓋目標區(qū)域后，再用攝影測量軟件進行處理，就可以進行化石分布的三維重建。對于范圍較大的區(qū)域，可以使用無人機進行拍攝。

圖1 化石野外發(fā)掘流程圖

記錄好野外化石分布后，下一步就要開始采集化石。對于小塊斷裂的化石，用502膠和ARONALPHA瞬間粘合劑等快速膠水進行粘合，編號、拍照和記錄后保存。對于保存比較分散的化石，加固后單獨采集，用棉紙或泡沫棉等包裝保護，編號、拍照和記錄后放入標本箱帶回室內(nèi)。野外挖掘根據(jù)圍巖大小用不同尺寸的鋼釬、鑿子、錘子、手動修理細鋼針、毛刷等工具，有時也會使用到大型風鉆、挖掘機甚至破石機等用于清理離化石較遠的巖石或覆蓋在化石上方的巖石。對于化石關(guān)聯(lián)保存或多塊化石疊加保存在一起的，需去除周邊圍巖，加固后用石膏、麻袋和木條等將化石和圍巖制作成化石皮勞克(1)“皮勞克”一詞是俄語音譯，意為“石膏殼”。，最后一起打包運回室內(nèi)[7](見圖2)。野外挖掘采集時間短，一般不要求完全清除圍巖，而是在保證化石安全的前提下把化石盡快取出運回室內(nèi)。

圖2 野外去除圍巖(左)；制作皮勞克保護化石(右)

三、 室內(nèi)精細修理和保護

化石經(jīng)野外發(fā)掘運回室內(nèi)后，大部分仍然保存在圍巖中，暫時無法進行詳細鑒定、研究和展示，有些則被石膏殼包裹，完全看不見化石。需要在室內(nèi)進行進一步科學修復，以去除化石的圍巖，這樣才能實施進一步的鑒定、研究、復原和展示[8-9]。化石修理是古生物研究中非常重要的流程，室內(nèi)修理時主要修理化石周邊的圍巖，而修理不當容易對化石造成不可挽回的損失，因此制定化石修理方案和修理流程必須科學謹慎，必須在確保化石安全的前提下進行。同時，在修理過程中，專業(yè)研究人員要持續(xù)跟蹤以保證化石安全，滿足科學研究需要，也同時考慮化石的展示效果。

中國縉云甲龍化石產(chǎn)自白堊系砂巖地層中，化石與圍巖區(qū)分較為明顯，主要用機械修理的方式清除圍巖，根據(jù)化石實際情況，研究人員制定了相應的修理方案和流程(見圖3)。

第一，對于單獨帶回室內(nèi)的化石，在室內(nèi)進行拼接后進行加固，修理、編號、記錄后保存(見圖4)。

第二，對于皮勞克整體打包運回室內(nèi)的化石，為了保留原始保存狀態(tài)信息，需在打開皮勞克后先對其中一面進行修理(見圖4)，在一面修理完成后，利用硅膠和樹脂等材料制作1：1翻制模型(見圖5)，同時繪制化石分布圖，拍照存檔(見圖6)。

第三，為了數(shù)字化石存檔，在翻制模型后，對整個化石通過不同角度進行拍攝，利用攝影測量學軟件進行三維復原建模和存檔，如圖7顯示的就是利用不同方向的87張照片對皮勞克上表面進行了三維重建。

第四，對皮勞克另一面進行修理，對于不以原始關(guān)節(jié)狀態(tài)保存的化石，需對所有化石進行

圖3 化石室內(nèi)修理流程圖

圖4 單獨保存化石修理(左)；皮勞克打包的化石修理(右)

圖5 模具及模型制作

圖6 化石分布圖

圖7 攝影測量學軟件三維重建

編號后再取出化石；對于關(guān)聯(lián)保存的化石，如尾錘化石，需清除周邊圍巖后，制作皮勞克外托保護化石。

第五，對每塊取出的化石進行修理，修理過程注意加固，特別是對新修理出的化石面。對于其中缺失的部分用石膏或樹脂等進行充填以到加固作用。

第六，對每塊修理完成的化石，使用丙烯酸樹脂顆粒溶入丙酮涂到化石表面進行加固。修理出的化石在泡沫保護下放入標本箱。整體保存的化石做好皮勞克底托。

中國縉云甲龍化石的修復使用了多項化石修復技術(shù)：

第一，傳統(tǒng)機械修理技術(shù)。對于大的圍巖，專業(yè)修復人員使用不同尺寸的鋼釬、鑿子和錘子進行敲除，過程中時刻注意化石的安全。

第二，氣動筆修理技術(shù)。對于化石周邊的圍巖，采用不同強度的氣動筆(使用PaleoTools ME-9100和MicroJack系列氣動筆，共有6個強度級別)進行修理，普通標本在10倍帶燈放大鏡下修理，而較小且復雜標本在體視顯微鏡下修理(見圖8)。

圖8 氣動筆修理

第三，超聲波修復技術(shù)。對于較小易碎、結(jié)構(gòu)精細復雜的部位，如頭骨等，則使用超聲波修復筆(Minimo US21)在體視顯微鏡下進行修理。超聲波修復筆力度較小，適合清除化石表面的微小圍巖，可以最大限度減少對化石本身的破壞風險。

第四，外托制作保護技術(shù)。對于較大的化石，用石膏、麻布片和木條等制作皮勞克外托進行保護，外托和化石之間放置硅膠或薄的海綿起到緩沖的作用。對于較小的化石，先將珍珠棉割成標本盒大小放入盒中，然后在珍珠棉內(nèi)部割出化石的外形作為外托，珍珠棉的厚度適當超出化石的高度，然后在上面蓋一層薄的珍珠棉，使整塊化石都由珍珠棉包裹。

第五，攝影測量學技術(shù)。對于野外化石分布和皮勞克內(nèi)化石分布的情況，傳統(tǒng)上用素描圖或照片等進行記錄。而借助攝影測量學，對需要記錄的區(qū)域從不同角度拍攝照片，用專業(yè)攝影測量學軟件進行三維重建，獲得的數(shù)據(jù)更為精確，可以對化石進行數(shù)字保存，甚至可以進行三維打印模型。

第六，復制模型制作技術(shù)。利用硅膠和樹脂等材料制作化石模具，并翻制1∶1模型，可以記錄一些化石的原始保存信息，并可用于骨架復原和展示，部分模型可以替代化石用于展示，而原化石可以用于進一步的研究工作。

工作人員經(jīng)過修理和鑒定后確定，至少發(fā)現(xiàn)了5個甲龍類個體的化石，每個個體大小不一，其中有成年個體也有幼年個體，雖然每個個體保存不完整，但是其中保存了一個近于完整的頭骨和尾錘(見圖9～13)。5個個體保存了不同部位化石，綜合來看，5個個體幾乎涵蓋了恐龍骨架的所有部位，是目前為止浙江發(fā)現(xiàn)的保存最為完整的化石，也是目前保存最好的甲龍類化石之一。

圖9 修理過程中的頭骨化石(左：背側(cè)視；右：腹側(cè)視)

圖10 修理完成的頭骨化石(左：背側(cè)視；右：腹側(cè)視)

圖11 修理前的尾錘化石，剛移除上方皮勞克時的狀態(tài)

圖12 完成上表面修理的尾錘化石

四、 科學研究與復原

化石修理完畢后，研究人員對化石進行對比研究，研究內(nèi)容包括傳統(tǒng)的肉眼形態(tài)學觀察對比、CT掃描研究和骨組織切片研究等?；蘩硗瓿珊螅瑢I(yè)研究人員對化石進行鑒定和分類，查閱目前全世界已發(fā)表的所有關(guān)于甲龍類恐龍的論文和專著，同時到中國科學院古脊椎動物與古人類研究所、河南地質(zhì)博物館，以及美國、加拿大、澳大利亞、英國和匈牙利等各地的博物館觀察對比已有甲龍類標本，經(jīng)過詳細對比研究后確認該恐龍屬于甲龍類的新物種，通過系統(tǒng)發(fā)育分析(phylogenetic analysis)厘清與其他甲龍類之間的關(guān)系。

研究人員根據(jù)研究成果撰寫論文，于2018年2月在施普林格·自然旗下雜志《科學報告》(ScientificReports)發(fā)表研究成果，正式發(fā)表這一新屬種，并命名為中國縉云甲龍(Jinyunpeltasinensis)[10]。研究發(fā)現(xiàn)中國縉云甲龍是目前為止發(fā)現(xiàn)的具有尾錘的生存時代最早的甲龍類，比之前發(fā)現(xiàn)的最早具有尾錘的甲龍類早了至少1000萬年。中國縉云甲龍的發(fā)現(xiàn)對于甲龍類和尾錘演化的研究提供了非常重要的信息。2021年，專業(yè)人員又發(fā)表了關(guān)于中國縉云甲龍牙齒微痕分析的最新成果[11]。這些科學研究為之后的復原工作打下堅實的科學基礎(chǔ)。

圖14 骨架復原流程圖

基于科學對比和研究結(jié)果，專業(yè)人員對中國縉云甲龍的整體骨架進行復原(見圖14)，繪制完整的中國縉云甲龍骨架圖(見圖15)，利用硅膠和樹脂等對化石進行模型翻制。首先選取保存部位最好的兩個個體為主要依據(jù)，用其他個體化石來補充這兩個個體未保存部位，對部分保存不完整的部位則根據(jù)解剖學進行補缺(見圖16)，最終使用原始化石1∶1翻制模型部分比重達80%以上。然后根據(jù)骨架設(shè)計圖用鐵架將骨骼以關(guān)節(jié)的狀態(tài)組裝起來，為了盡量保留骨骼原始形態(tài)，裝架采用外走鐵方式，將各部分骨骼模型固定在鋼架上(見圖17)，形成完整的骨架(見圖18)。外走鐵的外形需要沿著骨骼形態(tài)，盡量與骨骼貼合，在位置上盡量位于身

圖16 用于裝架的骨骼模型

圖17 鐵架焊接與裝架

圖18 中國縉云甲龍骨架之一

體內(nèi)側(cè)，將骨骼扣住的扣件在保證安全牢固的前提下要盡量小型化。裝架完成后外走鐵對骨架的美觀度影響較小，經(jīng)過多年常設(shè)展覽和巡回展覽的展示也證明其滿足牢固度的需要。復原整個骨架時需要注意的是，雖然發(fā)現(xiàn)的化石涵蓋了幾乎所有部位，但是分別屬于不同個體，不同個體的大小存在一定的差異，在骨架復原時需要對模型做一定的縮放。

完成全身骨架復原后，在電腦中利用3D雕刻軟件ZBrush和Blender等制作三維數(shù)字化恐龍復原，然后對表面進行復原上色，制作不同的姿勢，配合當時的植物環(huán)境和其他動物進行生態(tài)復原(見圖19～20)。制作的數(shù)字化三維模型可以通過3D打印機，打印成不同大小的模型用于展示，也可打印成小的模型用于文創(chuàng)產(chǎn)品開發(fā)。

圖19 中國縉云甲龍數(shù)字復原流程圖

圖20 數(shù)字復原制作

三維數(shù)字化復原相比傳統(tǒng)的繪畫雕塑復原過程，雖然需要更多的軟件技術(shù)知識和設(shè)備成本，但大幅節(jié)省過程中的修改時間，減少人為因素導致的不準確，提升制作效率和準確性。制作好的恐龍模型，可以渲染輸出不同角度，添加背景和光影氣氛制作成為復原插圖。在多媒體應用方面，可以在建模的基礎(chǔ)上進一步制作動畫、增強現(xiàn)實(AR)或虛擬現(xiàn)實(VR)產(chǎn)品，用數(shù)字手段讓恐龍“復活”。目前部分中國縉云甲龍的化石、骨架和復原的三維模型已在浙江自然博物院常設(shè)展覽和線上展出，觀眾還可以對線上展覽的三維模型進行互動操作。

五、 總結(jié)

通過野外挖掘和室內(nèi)修理，目前已發(fā)掘修理了5個個體的縉云甲龍化石，幾乎囊括全身各部位的骨骼，這是浙江首次發(fā)現(xiàn)完整的恐龍頭骨?？偣残蘩?00多塊不同部位的骨骼化石，基于這些化石材料已研究發(fā)表SCI索引的研究論文2篇，還有相關(guān)研究正在進行中，同時，復原的骨架被選為《自然科學博物館研究》2020年第1期的雜志封面。

中國縉云甲龍化石經(jīng)過野外挖掘、修理、研究和復原裝架，成為非常珍貴的古生物化石模式標本，對了解浙江地區(qū)中生代恐龍和甲龍類的演化具有重要意義，并具有重要的收藏與展示價值。這批化石和復原骨架等在浙江自然博物院、縉云縣博物館、蘇州博物館和日本福井縣立恐龍博物館等地展出[12]，服務(wù)國內(nèi)外觀眾500萬人次以上，取得了很好的社會效益和經(jīng)濟效益。

中國縉云甲龍化石修復以科學研究為基礎(chǔ)，采用目前通用和先進的修理、保護和復原技術(shù)，保護、復原和“復活”了恐龍，豐富了展示內(nèi)容，并使用不同的展示手段以更好地吸引觀眾，對展覽展示和科普教育發(fā)揮了重要作用。對中國縉云甲龍化石的野外挖掘、修理、研究、復原裝架和復原等各階段的工作進行總結(jié)分析，對其他自然博物館或古生物化石的修復展示有積極的借鑒意義。

致謝：余朝河和劉安浩等負責具體實施化石修理、模型制作和骨架復原裝架等工作。浙江自然博物院金幸生和嚴洪明對本文的寫作提供了很多有益的建議。