中國古生物化石產地分布特征與保護

李佳麗,謝小平,王永棟,陳芝聰

(1.曲阜師范大學 地理與旅游學院,山東 日照 276800;2.中國科學院 南京地質古生物研究所,江蘇 南京 210008)

1 引言

古生物化石是經過漫長地質年代而保存于地層中的古生物遺體或遺跡,是自然界賦予人類寶貴的自然遺產[1]。我國是世界上古生物化石豐富的國家之一,在將近一百年的時間里,我國科學家發現了多個化石群,這些化石群具有很高的科研價值,很多化石的發現修正甚至改寫了生命演化的歷史。2013年和2016年,我國分別啟動了第一批和第二批國家重點保護古生物化石集中產地(簡稱“國家重點保護化石產地”)的認定工作。在國家古生物化石專家委員會專家認定評分的基礎上,截至2016年底我國認定了53家國家重點保護化石產地。本文以53家國家重點保護化石產地為研究對象,運用ArcGIS10.1空間分析方法揭示國家重點化石產地時空分異特征,并對其差異因素進行分析,在分布特征的基礎上提出合理的保護建議,旨在對古生物化石產地進行合理的保護與利用。

2 我國古生物化石典型代表

2.1 海象古生物化石代表

藍田生物群化石:藍田生物群位于安徽省休寧縣藍田鎮,保存在震旦紀(埃迪卡拉紀)早期藍田組的黑色頁巖中,是已知最古老的復雜宏體生物群,既包含了扇狀、叢狀生長的海藻,又有具觸手和類似腸道特征，形態可與現代腔腸動物相比較的后生動物。這一特殊埋藏的生物群為多細胞生物的起源和早期演化帶來了新的啟示:微體真核生物在新元古代大冰期結束后迅速演化出宏體形態,它們底棲固著生活在較深水的安靜環境中[2]。

澄江動物群化石:發現于我國云南的澄江動物群是全球寒武紀最早的特異埋藏化石群,保存了大量具軟軀體或弱礦化外殼的后生動物化石,展示了寒武紀大輻射時期海洋生態系統和后生動物多樣性特征,是全球研究寒武紀大爆發演化事件最重要的化石寶庫之一[3-7]。澄江動物群產于滇東寒武紀筇竹寺期,約距今520Ma(百萬年),這一地質時期的地層可劃分為兩個生物帶,底部的Parabadiella帶和上部的Eoredlichia-Wutingaspis帶[8]。前一個帶與玉案山組底部地層相當,后一個帶分布于玉案山組中上部[9-11]。澄江動物群產出的主要層位為玉案山組帽天山頁巖段,主要分布在云南東部地區[12,13]。

羅平生物群:羅平生物群是1987年發現第一塊裂齒魚化石后開始發掘和研究的,先后發現了距今2.4億年前的脊椎動物、節肢動物、軟體動物、腕足動物、棘皮動物、腔腸動物、牙形石、有孔蟲、菊石、動物痕跡等包括肉食性魚類和大型爬行動物以及植物在內的古生物化石,基本涵蓋了三疊紀時期主要的海生爬行動物類別[14]。

2.2 陸象古生物化石代表

恐龍化石:我國是世界上恐龍化石較豐富的國家之一,迄今全世界發現恐龍化石近400個屬,我國有近100個屬[15]，分為實體化石、石化化石、模鑄化石、遺跡遺物化石、古病理學遺跡化石5類[16]。

哺乳動物化石:哺乳動物的大發展始于新生代,它們在短短的幾千萬年內發展和演變很快且明顯,今天各類現有屬種仍很豐富[17],我國代表性的哺乳動物化石有山東山旺化石產地出土的東方祖熊、甘肅和政化石產地出土的三趾馬、鏟齒象、和政羊、鬣狗、埃氏馬、披毛犀頭骨化石等。

3 我國古生物化石產地分布

化石產地指在特定(或同一)地質構造、沉積區內,由相同或不同類型的化石點集中分布所構成的區域。化石產地中產出的化石可以是單一類型或混合類型、同一時代或跨時代,也可以組成一個或多個相關的生物群。我國的化石種類十分豐富，從最簡單、最古老的原核生物到制造并使用工具的古人類,從潛伏在海底的三葉蟲到咆哮在陸地上的巨型恐龍,可以說各個時代、各個門類的古生物在華夏大地上都留下了它們的足跡[18]。

3.1 化石產地的空間分布

從總體看(圖1),我國的化石產地具有以下特征:①我國的化石也像我們的民族一樣呈現“大雜居、小聚居”的分布格局，整體分布廣泛、局部集中。我國大陸31個省(自治區、直轄市),但各省級行政單元內,化石分布不均勻,西南和東北地區有多個化石集中產地和古生物群地層分布,中部和西部地區較少。②中西部地區國家重點保護化石產地雖然數量較少,但該地區具有很大潛力。許多新的重大的發現集中在中、西部地區,如2012年新疆鄯善出土了目前我國侏羅紀最大的恐龍化石。在我國著名的古生物群中,西部地區特別是西北地區占有的數量很多。

圖1 國家重點保護古生物化石產地

3.2 古生物化石時代分布

古地理環境和氣候的變化對古生物的生存環境產生重要影響,各個時期的古生物化石在分布區域上有顯著的特征。依照古生物化石時間特征分布圖(圖2),我國古生物化石在時代分布上有以下特征:①我國古生物化石時代延伸很長,從元古宙到第四紀均有,但以寒武紀古生代海洋動物群、中生代三疊紀生物群、侏羅紀和白堊紀爬行動物與古鳥類動物群和新生代哺乳動物群最具代表性。②我國化石發展軌跡大體由南向北推進,在后期輻射到全國范圍。早期我國的古生物群分布范圍局限,主要分布在安徽、云南、貴州等地,化石種類多以真核生物和魚類以及植物為主。在三疊紀早期出現了爬行類動物,分布范圍大體是華北—西南線上;中生代的侏羅紀和白堊紀古生物化石以恐龍為主。早期恐龍化石分布范圍局限,三疊紀晚期的恐龍化石分布在云南祿豐盆地等極少數地區,侏羅紀時期的恐龍化石主要分布在四川、云南和貴州等地;白堊紀時期的恐龍化石分布范圍廣泛,主要分布在我國的東北部、北部、中東部地區;新生代哺乳動物化石分布范圍廣泛,全國大部分地區都有出土。

圖2 古生物化石時間差異分布

4 產地空間影響因素與時代分異原因

4.1 空間影響因素

高程因素:現研究國家重點保護化石產地與高程的關系,本文采用DEM高程數據(影像來源于地理空間數據云平臺http://www.gscloud.cn)。根據前人的研究和總結[19],依據研究需要，我們將DEM數據分為5級指標：<200m、200—500m、500—1000m、1000—2500m、>2500m;利用ArcGIS10.1將我國國家重點保護化石產地空間分布圖與地形高程圖疊加生成圖3,并根據我國DEM提取國家重點保護化石產地的空間高程信息(表1)。

圖3 國家重點保護化石產地與地形關系

海拔高度指標面積(km2)占全國總面積的百分比(%)化石產地數目(個)占全國重點化石產地總數的百分比(%)<200m152640015．901833．96200—500m112512011．721222．64500—1000m153888016．03713．211000—2500m263328027．431630．19>2500m277632028．9200合計960000010053100

從圖3可知,我國國家重點保護化石產地主要分布于高程較低、坡度和緩的地區,此類地區交通便利,經濟發展水平、開發程度和科考程度較高,科研成果相對較多,國家重點保護化石產地分布較多。其中,海拔高度<200m的化石產地有18個,占全國重點化石產地總數的33.96%;海拔高度在200—500m之間的化石產地有12個,占全國重點化石產地總數的22.64%;海拔高度在500—1000m之間的化石產地有7個,占全國重點化石產地總數的13.21%;海拔高度在1000—2500m之間的化石有16個,占全國重點化石產地總數的30.19%;海拔高度>2500m的區域目前還沒有設立國家重點保護化石產地。

我國國家重點保護化石產地大多分布在地形起伏相對平緩的平原丘陵和地形起伏相對較大的山地的交界處。這類地區大多發生過重大的地質構造運動,使生活在此處的古生物遭到嚴重的物種滅絕,古生物的遺體在此處埋藏經過一系列的地質活動最終形成化石,后經過板塊運動使地殼抬升,埋藏于地下的化石隨著地殼的抬升得以露出地面,從而被人們發現保存。西北和青藏高原地區國家重點保護化石產地相對較少,主要是由于中部與西部地區地處山區，環境惡劣、交通不便、地質調查程度低,但該地區地層發育好,是未來勘探發現的潛力地區。

水系影響因素:水系的展布和構造活動有著相當密切的互相作用關系[20]。水系密度是衡量水系發育程度的重要指標,其大小與氣候、巖石、植被、構造活動有關,其中構造活動影響最為顯著。水系密度一共有兩種表達形式,一種是線性密度,即單位面積內流河總長度,具體公式為:

(1)

另一種是面性密度,即單位面積內河流總面積,具體公式為:

(2)

式中,n為河流數目;S為選取的研究單位面積;Li為研究單元內河流的總長度;Di為河流的寬度;P為水系密度。

由于本文缺失研究河流面積的數據,故本次水系密度的表達形式選擇線性密度。我們將全國五級以上河網水系與研究單元進行相交處理,計算每個研究單元中所有河流長度總和,用ArcGIS柵格計算工具將河流長度與相應研究單元的面積相除,便得到水系密度值;利用ArcGIS中要素轉點工具,將研究單元轉為點,利用反距離插值工具生成水系密度圖(圖4)。研究選擇的柵格大小為30km、60km、100km,對每個柵格進行插值計算對比,找到最優的方案,本次選擇的柵格大小為60km。

圖4 化石產地與水系密度關系

根據自然間斷法和研究目的,將水系密度分為五個等級。綜合水系密度(圖4),國家重點保護化石產地多分布在36—104m/km2范圍內,0—36m/km2的水系密度面積占全國總面積的37%,化石產地分布較少,與當地惡劣的自然環境有較大關系。環境惡劣,化石勘察工作困難,發掘保護比其他地區難度大。化石多在水系發育良好地帶,大多靠近支流遠離干流,古生物生活在此地區既可方便獲取水源又可避免洪水災害,此地帶多處在我國構造活動地帶。

4.2 古生物化石時代分異原因

化石分布受到歷史大地構造的影響,不同的大地構造區域的化石種類有所差異。從古生代到中生代,我國南方地區為揚子地臺區,西南地區屬于特提斯構造帶,北方地區為中朝板塊、華北地臺及秦嶺、天山構造帶,因此同一時期的古生物面貌不同[18]。例如,在晚古生代,華北地區為陸地環境,保存下來的植物化石豐富,而南方的揚子地臺區仍為海洋環境,海洋動物化石富集。

新元古代和古生代:新元古代的古生物化石多分布在我國西南地區,西南地區在新元古代和古生代曾是一片汪洋大海,為海洋生物進化發展提供了有利條件。在新元古代大冰期后,地球溫度升高,進入一個溫暖期,海洋真核生物得到快速發展,代表性的安徽藍田生物群給我們展現了震旦紀時代地球上的生命景觀。古生代古生物化石產地開始在云南和貴州地區出現,與藍田生物群時代相近的早寒武世筇竹寺期,在昆陽海灣海底平緩,西部的滇中古陸已被夷平為低山地貌,物理風化作用使大量的碎屑物質供給海盆沉積[21]。當時滇東地區的氣候溫暖潮濕,海水深度小于200m,海水含鹽度正常,海水溫度平均61.62℃,屬弱氧化環境,海水富磷營養化,陽光充足,海底藻類繁盛,有利于各類生物的發育和演化,形成了豐富的澄江動物群富集區[22]。寒武紀大爆發后,經過奧陶紀生物大輻射,地球生命進入了一個多樣性繁榮而穩定的演化階段[23]。二疊紀末期,地球生物經歷最嚴重的物種滅絕大事件,地球上約有96%的物種滅絕。海洋生物中的三葉蟲、海蝎和重要珊瑚類群全部消失,陸地動物中的單弓類群動物和許多爬行類群也遭到滅絕。這次大滅絕使生態系統獲得了一次最徹底的更新,海洋物種從此衰敗,為恐龍類等爬行類動物的進化鋪平了道路。

中生代和新生代:中生代早期的三疊紀是全球二疊紀生物大絕滅之后,生態系統恢復和重建的重要時期,也是脊椎動物中爬行動物由陸地向海洋環境適應輻射,以及鰭龍類和魚龍類出現和輻射發展的重要時期[24]。三疊紀時期我國陸地僅有華北華南地區,靠近陸地周圍的是大片淺海地區,淺海地區具有海洋生物生存和發展的有利條件,因此三疊紀時期形成的古生物化石大多分布在華北—西南線上。晚三疊世早期,在板塊運動的作用下,川滇地區形成大型的近海盆地,為我國早期恐龍的生存提供了理想場所[25]。從侏羅紀開始,沿大興安嶺—太行山—雪峰山兩側出現了顯著的“東西分異”，東部為小型斷陷盆地,西部為穩定的大型內陸盆地。到了晚侏羅世,我國東部形成高原地貌,西部多為盆地,比如川滇盆地、準噶爾盆地、鄂爾多斯盆地,西部地區盆地的發育為恐龍的生存與演化提供了良好的環境[26]。與侏羅紀相比,白堊紀古地理環境有了明顯的改變。從早白堊世起,東部地區活動帶的主要沉積區和巖漿活動向東轉移[24]。受燕山二期運動的影響,東部地區出現了一系列北北東向的大型盆地,與此同時,西部地區的盆地如四川盆地,范圍逐漸減小[27]。晚白堊世,隨著我國西部的強烈隆起,川滇盆地進一步縮小,而東部的斷陷盆地不斷擴大,導致恐龍從西南地區向東部及北部地區遷徙[25]。中生代末期,華東、西南、中南和西北大部分地區雖然有程度不同的抬升和剝蝕,但沒有發生強烈的地殼運動,新生代早期許多盆地繼承了晚白至世的分布格局,如著名的廣東南雄盆地、新疆吐魯番盆地等。但在生物內容上則發生了重大的變化,中生代地球上的統治者恐龍滅絕了,代之而起的是脊椎動物中哺乳類的繁榮與鼎盛[28]。

5 古生物化石保護與利用

古生物化石具有巨大的科學價值,在地層劃分與對比研究、古地理和古氣候的研究、礦產尤其油氣資源的研究方面有著極其重要的意義[29],因此對古生物化石的保護不容懈怠。

5.1 化石保護技術

化石的科學信息不僅在于化石本身的生物學特征,其產出狀態、巖層的巖性特點和埋藏環境特征同樣重要，因此不僅要保護珍貴的化石標本,還要對其產地進行原址保護。目前,化石標本保護主要是館藏古生物化石標本保護工程，原址保護的主要方法有原地自然狀態下的保護、原地場館式保護和搶救性發掘保護[30]:①原地自然狀態保護。原地自然狀態下的保護措施包括豎立標志(標志碑、說明碑、警示牌等)和拉網圍欄;對受風化剝蝕而容易垮塌的含化石巖層,采取加固工程;對可能受流水沖刷破壞的,實施排水工程等[30]。如果在一定區域內化石相對集中分布,則可能建立保護區。自然狀態下的保護方式投資小、成本低,適用于大面積或者化石較為分散狀態下的保護,但是化石和含化石巖層仍然置于風化剝蝕的狀態下[30]。雖然此種保護方式通常會建設排水工程,并對化石和含化石層進行加固,但仍然受到風化作用的剝蝕,對此部分產地應建設小型工程[30]。這些小型工程使化石避免直接遭受風吹日曬和人為破壞,但無法對溫度和濕度進行控制,是處于一種半露天的環境下。②原地場館式保護。原地場館式保護指對暴露在地表的、面積較大的重要化石在原地修建保護棚、展廳、博物館等保護性場館,主要適用于保護級別較高的重點化石[30]。場館式保護可有效地減少風化作用對出露地表的化石和含化石層的進一步破壞,但投資大,且不能大面積展開,只適合于在一些重點保護化石集中密集埋藏的化石點,而且后期維護的運營需要資金和人力的投入[30]。③搶救性發掘保護。一些重點化石產出的地區處在強烈的風化區,不適合原地保護;一些產地由于受到生產建設的影響面臨被占用的危險,因此需要對化石進行搶救性發掘。此外,一些會遭受凍融作用的地區也不宜大面積原地保存。需要注意的是,在搶救性發掘前一定做好原地埋藏信息的收集和保存工作,最大限度地保存科學信息。需要說明的是,無論采取哪種保護方式,都必須對化石和圍巖本身進行定期的防風化保護處理,最大限度地降低風化速度。

5.2 保護工程部署

古生物化石產地和古生物化石標本的保護主要受到自然因素、人為因素、地質條件等因素的影響。依據國家重點保護化石產地的分布差異特征,對處在不同地區的化石產地提出不同的保護措施,使古生物化石得到更好保護。主要包括:①風化和凍融地區。新疆和甘肅等西北部地區,氣候干旱、風力較大,個別化石產地處在強烈的風化區,對東北高緯度地區主要的災害是凍融威脅。對這些化石產地不太適合原產地保護,針對此類地區可建立化石博物館。對處在強烈風化區和凍融地區的化石,要對化石進行挖掘,制成標本保存在博物館,這就要求我們對博物館的條件進行嚴格要求,使化石得到合理保護。此外，要利用空調對博物館的溫度和濕度進行調控,溫度控制在18°—20°之間,濕度控制在50%左右，對不牢固的標本要進行加固處理。博物館的防塵、防光、防潮等方面都要做好措施,最重要的是做好防盜工作,安裝監控系統和防盜鈴,派專人進行值守等。②洪水頻發地區。長江中下游地區的水系密度較大,河流分布眾多、降水量大,化石產地易受到水流的威脅,位于此地區的化石產地面臨的最大問題是防水排水問題。在建設永久性保護場館時,必須要對化石產地周圍水文地質條件進行詳細調查,查清地表水、地下水補給、運行情況等工程地質條件;要實施相應的排水、隔水、護坡、加固等工程,如修完排水溝、修建引水渠、修建隔水帷幕、構筑擋水墻或采用修建地下隧道等工程。③其他地區。處在環境較好地區的化石產地,要根據其具體情況做好原地保護措施,建立地質公園和保護區等。

5.3 古生物化石利用

古生物化石作為重要的地質遺跡,具有重要的科學的價值,是研究生物演化的原始材料和分析巖石形成環境的有力證據;在推斷古氣候、尋找沉積礦產等方面具有重要作用。古生物化石不但具有科學性,而且具有文化性、知識性和趣味性,是一種重要的、稀缺的、高品位的旅游資源[31],化石產地所在地區可利用古生物化石建立地質公園等,發展旅游業,帶動當地經濟發展。在游客游覽的同時可向他們普及古生物科學知識,起到一定的科普作用。合理利用古生物,使其科學價值得以體現。

6 結論

本文以全國53個國家重點保護化石產地作為研究對象,并結合全國水系圖及DEM高程圖,運用ArcGIS10.1空間分析方法,對全國重點保護化石產地在空間和時代上分布差異進行分析,得出以下結論:①國家重點保護化石產地的分布主要集中在東部沿海和中部地區,西部和青藏高原地區分布較少,受自然因素影響較大。西部環境惡劣、科研程度低,是未來化石發掘的潛力地區。按時代分布來看,國家重點保護化石產地早期主要分布在我國的西南地區,隨著時間的推移逐漸,白堊紀時期的化石大多分布在東北地區,最后輻射到全國范圍。②從高程圖上看，國家重點保護化石產地多分布在地形起伏相對平緩的平原丘陵和地形起伏相對較大的山地交界處;從水系密度圖看,多分布在36—104m/km2范圍以內。化石產地的分布規律對今后古生物化石的發掘工作提供了一定的依據。③依據化石產地所在地區地貌類型和水系密度條件,提出了古生物化石保護工程的規劃部署建議。這些不但能給古生物化石產地的管理工作起到一定的幫助和指導作用,而且可依托古生物化石產地平臺,讓更多的社會大眾了解到不同地區的古生物化石產地的化石種類。此外,提出相應的化石保護建議可更好地指導人們對古生物化石進行保護。做好古生物化石保護工作,對研究生命演化、尋找礦產資源、促進經濟發展等具有重要意義。

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