出品：科普中國
作者：鄒祖陽（中國科學院廣州地球化學研究所）
監制：中國科普博覽
編者按：為揭開科技工作的神秘面紗，科普中國前沿科技項目推出“我和我的研究”系列文章，邀請科學家親自執筆，分享科研歷程，打造科學世界。讓我們跟隨站在科技最前沿的探索者們，開啟一段段充滿熱情、挑戰與驚喜的旅程。
在地球的生命長河里，人類世只是短暫的一瞬，早在人類出現以前，就存在過許許多多燦爛輝煌而又逐漸衰落的生命史詩，其中恐龍就是最為人所熟知的一種。得益于保存完好的化石材料，科學家們能夠從中還原出歷史的部分面貌。
自從20世紀90年代以來，《侏羅紀公園》以及《侏羅紀世界》等一系列電影的上映，更是將侏羅紀和恐龍牢牢聯系到了一起。
（圖片來源：veer圖庫）
我國是恐龍大國，以內蒙古自治區東南部、河北省北部和遼寧省西部為核心分布區的“燕遼生物群”正是被發現于侏羅紀時期的地層。其產出了數量眾多、保存精美的多門類化石，是我們了解中生代陸地生態系統的一個重要窗口，對認識哺乳動物的早期演化、最早的帶羽毛恐龍、早期昆蟲和被子植物起源等科學問題有著重大的意義。
燕遼生物群分布在多個火山沉積盆地的湖相地層之中，以砂礫巖及頁巖為主的湖相地層里夾雜了多層火山灰（凝灰巖）。火山灰是地質歷史理想的定年對象，它是火山爆炸性噴發形成的碎屑，從火山口噴發到大氣中，經過大氣搬運再沉降到各類環境中保存下來，固結成巖。整個過程時間非常短，可以看作是地球歷史中的一瞬，其年齡可以看作是絕對時間來限定地質事件。
燕遼生物群所在的代表性盆地
我是中國科學院廣州地球化學研究所徐義剛院士團隊的博士研究生，主要研究對象為華北克拉通北緣侏羅紀的火山活動。考慮到該地區侏羅紀火山活動與生物群演化的在時空上的密切聯系，我們將目光聚焦到了與燕遼生物群相關的火山巖樣品上，期望建立起區域上可對比的精確年代標尺。筆者通過調研前人對于燕遼生物群的研究，發現他們對其時代的討論集中在兩個最具代表性的盆地，即內蒙古寧城盆地和遼寧建昌盆地。
不同于有確切地層學及年代學認識的建昌盆地，寧城盆地中賦存生物群的火山-沉積地層的時代和地層歸屬問題一直懸而未決，存在歸入中侏羅統九龍山組或海房溝組、中上侏羅統髫髻山組和下白堊統義縣組等多種意見。
我們認為造成上述意見分歧的主要原因是寧城盆地的化石層與其上覆火山熔巖疊覆關系不明確，以及化石層缺乏直接的年齡數據約束。
而近些年來，寧城當地為建立中國最大膨潤土貓砂生產基地，開發了多個膨潤土礦坑，剝露出許多新鮮的地質剖面，這恰好為我們正確地認識地層接觸關系提供了良好的參考對象。
寧城盆地西側三省界碑剖面
圖片來源：馬強
燕遼生物群重建地層順序
針對該科學問題，我們與中國科學院地質與地球物理研究所、中國科學院古脊椎動物與古人類研究所和中國科學院南京地質古生物研究所的專家們一起在內蒙古寧城盆地開展了詳細的野外調查工作，考察了眾多接觸關系清晰的剖面。在徐義剛研究員和地大武漢馬強教授的指導下，對該地區重新進行填圖，我們發現寧城盆地的侏羅紀地層從底到頂可分為四個巖系單元，識別出來早、晚兩層賦存化石的沉積單元，即早期化石層為火山巖之下的湖相凝灰質沉積層，晚期化石層為火山巖中的沉積夾層。
寧城盆地東側棺材山剖面
圖片來源：馬強
另外我們認識到盆地里侏羅紀地層整體不整合于前寒武系的古老基底之上，地層在空間上分布不均，東側地層保留較為完整，而西側只保留了早期化石層，這可能意味著歷史上沉積中心逐漸向東北方向遷移。而這些地質變動正是造成現今地層對比困難的罪魁禍首。
野外孟慶任老師手繪的不整合接觸示意圖
圖源：作者拍攝
燕遼生物群確定地質年代
在此基礎上，我們進一步獲得了寧城盆地化石層層內凝灰巖以及相鄰的火山熔巖樣品。凝灰巖以及火山熔巖中含有的副礦物鋯石（Zircon），因其物理化學性質穩定，封閉溫度高，可以成功地保存封閉的U-Pb衰變體系，是同位素地質年代學中最重要、應用最廣泛的礦物之一。
定年樣品的部分鋯石圖片（橢圓代表離子探針打點）
圖源：作者拍攝
U-Pb衰變體系指的是鈾元素這種放射性同位素性質不穩定，經過一系列衰變最終會變成穩定的鉛元素。雖然微觀上衰變的發生是隨機的，但是宏觀上放射性母體衰變至原來數量的一半所需的時間是固定的（半衰期），不隨環境條件所影響，只取決于元素本身。掌握了放射性同位素的這一習性，我們可以通過礦物現今的同位素比值來反推其衰變至今所經過的時間 （需是封閉體系）。鈾元素的半衰期很長，適用于古老樣品的定年工作，我們借助高精度二次離子質譜（SIMS）的手段，最終獲得了地質樣品的年齡。結果顯示寧城盆地的四個巖系單元由下至上是逐漸變年輕的，符合地層觀察。
通過與附近的建昌以及灤平、北票盆地對比，我們發現中國北部燕遼生物群的時間跨度大于1100萬年，其發展階段可以分為兩個時期，第一期早于167-163Ma（百萬年），第二期為161-156Ma。前者以寧城盆地的早期化石層為代表，后者以寧城盆地的晚期化石層和建昌盆地化石層為代表。
這項關于燕遼生物群的研究不僅重新建立了清晰的地層順序，也重新定義了該古生物群的時間跨度，為深入理解侏羅紀生物的演化奠定了堅實的基礎。
也許在不久的將來，在古生物學、古環境學和地球化學的交叉研究領域，我們將看到燕遼生物群是如何進一步幫助科學家們揭示地球生命的演變歷程和發展規律，以及深部地質過程是如何影響淺部生態環境的響應，從而為當前做好環境和生態的保護提供啟示。
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