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神奇的土地——南雄红层
庄子圣(庄子圣:广东省南雄市博物馆馆长。)
自从盘古开天地,承蒙大自然的厚爱,特意在南雄造就了一块北东——南西向延伸的狭长盆地,它西起曲江的新小庄,东与江西信丰盆地相连,长约80公里,宽约18公里,面积约1500平方公里。盆地的西北是大庾岭,东南是九连山脉。盆地内的红色地层组成了众多的丘陵,晚白垩纪第三纪的南雄组出露在南部;古新世地层罗佛寨群分布于北部,始新世丹霞组见于北缘。南雄红层出露完整,地质构造比较简单,地层中含有丰富的脊椎动物、无脊椎动物、植物和微体化石。这块神奇的土地以其独特的魅力吸引着众多的古生物学者,早在19 世纪末德国人李希霍芬、日本人野田势次郎和饭冢升等均来考察过南雄红层盆地。1928年后我国地质学家冯景兰、朱翙声和陈国达等先后在南雄盆地进行了较详细的调查研究,“南雄红层”就是冯景兰先生命名的。迄至今天,先后有韶关地质局、广东省地质局区测大队、南京地质古生物研究所、上海自然博物馆、北京自然博物馆、中国科学院古脊椎和古人类研究所等专家学者,以及美国、德国和丹麦等国的科学家,多次慕名前来考察研究,美国科学家考察后认为:“南雄盆地化石地层,对6500万年前,地球上包括恐龙在内的80%动植物絶灭的研究,能起到非常重大的科研突破。”由于南雄红层具有典型的代表意义,1976年11月著名的“华南地区白垩世——早第三纪红层现场会”在南雄召开。由于南雄红层具有典型的代表性,在白垩纪晚期和早第三纪红层中,南雄的“罗佛寨组“、“上湖组”、“浓山组”、“大塘组”、“南雄群”等已作为地质名词在世界上被正式采用。
广东有100多个红层盆地,面积6000 多平方公里,而南雄盆地就占了近三分之一,总厚度在950至3100米之间,比全国平均厚度300-800米多出3倍多,南雄盆地可谓得天独厚。
大约距今7000万年以前的中生代期间,我国出现了数以千计大小不等的山间构造盆地,这些盆地经过新生代一直保存下来,同时在中生代,从白垩纪至新生代第四纪,我国普遍暖热或炎热。在长期的炎热气候影响下,风化碎屑物质因热胀冷缩,其铁质大部分被氧化成红色的氧化铁而变成了红色,这些物质在流水作用下,被带到湖盆中堆积起来,一层层泥、沙砾石等相间沉积,天长日久,在重压之下,通过胶结作用,固结成页岩、砂岩、砾岩等各种岩石。由于岩层中普遍含有红色的氧化铁,沉积物固结为岩石之后,出现了丹红的颜色,这便形成了我门常说的“红层”。
南雄红层的地层年代可分为三部分:南雄组,年代白垩纪晚期,由棕红色、紫红色、紫棕色砂砾岩、泥质砂岩等组成,已出土恐龙骨骼、恐龙蛋、恐龙脚印和龟类化石等;罗佛寨组,年代为古新世,由灰緑、紫红等杂色泥岩组成,含有丰富的哺乳动物化石及大量的鳄类龟鳖类等化石;丹霞组,在这套地层中由于未找到化石,所以不能肯定其年代,但从岩性及构造关系看来,丹霞组可能为始新世晚期或渐新世时期的产物。
南雄盆地的“红层”,包括白垩纪和老第三纪两个时代的沉积物。其中白垩纪时期正处于恐龙风靡于世的时候,各种各样的恐龙曾在这里生长繁殖,它们死后的遗骸被水冲进南雄湖泊中埋在泥沙中,历尽沧桑,年复一年,变成了今天我们要找的化石。它们的发现对研究脊椎动物的进化,爬行动物的兴衰,具有很高的科学价值。
南雄盆地的老第三纪“红层”指的是距今6500至5500万年前的古新世和在3000万年前的始新世和渐新世地层。其中古新世地层在地质学和古生物学中占有非常特殊的地位。这一时期正是世界各地大陆板块剧烈运动,大幅度漂移的时期。因此,在这一时期形成的地层中留下了许多地殻运动的历史证据。此时期也正是哺乳类动物刚刚开始大发展的时期。为什么一个兴旺的恐龙世界突然崩溃,而另一个繁盛的哺乳动物世界又突然出现在地球上呢?这一问题是研究生物进化史上的一个重要课题。因此,在这一时期地层中出土的喃乳动物化石标本就显得极为珍贵和重要。然而,世界上存在这一时期的地层,尤其是古新世早期( 6500万年左右)的地层,却是屈指可数。
一、稀世珍宝——恐龙化石
距今2亿2500万年前至6500万年前,地球上各大洲都生活着各种不同种类的恐龙,这个时期可说是“恐龙的世界”,正如现在地球上是人类世界一样。如今恐龙是一种早已絶灭的卵生古脊椎动物。“恐龙”一词是英国古生物学家欧文爵士在18世纪首创,意思是指“恐怖的蜥蜴”,后来日本人翻译为“恐龙”,我国古生物专家沿用这个名词至今。
恐龙始于中生代三叠纪、侏罗纪后期和白垩纪早期、至白垩纪晚期絶灭。在地球上生存了近15000万年的恐龙以其霸主的地位雄踞整个中生代,空中有翼龙翱翔,水中有鱼龙游戏,陆地被形形色色的各类恐龙占据。因此有人称中生代是“恐龙的时代”。
白垩纪晚期,南雄是个淡水湖,这里气候温暖,植物繁茂,温度适中,为吃植物的恐龙提供了丰富的食物,也为肉食类恐龙的生存提供了良好的基地,是恐龙栖息繁衍的乐园。随着中生代的结束,恐龙遭受了一场毁灭性的灾难,各种类型的大大小小的恐龙在白垩纪末期发生的大絶灭性的事件中全部灭絶了,这是脊椎动物演化史上最大而又令人迷惑不解的一个问题。
恐龙为什么会灭絶?南雄恐龙为什么会比别的地方的恐龙絶灭要晚一些呢?这是什么原因呢?百年来一直成为科学探索的问题,也曾有人提出种种解释和猜测。主要论点有地球构造运动和火山爆发致大陆分裂,海平面下降;小行星撞击地球导致磁场反应,大气层中充满灰尘,含氧量发生了明显的变化,超新星爆炸,高能粒子的辐射大量增加,太阳黑子活动加剧,辐射大量增加,地球上的气温由热转冷,哺乳类动物的崛起,在自然界的演化过程中,恐龙机体内部的原始落后性日益明显,不能适应新的生态环境,裸子植物大量絶灭,而含生物碱的被子植物大量出现,恐龙不适应食物的变化,恐龙蛋孵化温度不够,微量元素过多聚集到恐龙体内,破坏了恐龙体内的生理活动过程中微量元素的平衡,影响了恐龙的生殖过程,形成了病态结构的蛋殻,它们易碎而无法保证胚胎的正常发育,大大降低了恐龙的孵化率,使恐龙不能够繁殖。经过二三十万年,恐龙便灭絶了。也有人认为,由于恐龙蛋殻由老到新逐步变薄,易破碎或缺少供胚胎吸收的造骨物质,这就导致胚胎身陷薄殻的囹圄而殀亡,致使恐龙逐渐退出地球的历史舞台。恐龙究竟如何絶灭,众说纷纭,至今还是科学史上的一件悬案。南雄盆地是目前“华南红层”中恐龙化石发现较多,认识较好的一个盆地。1961 年广东地质局地质调查队在南雄红层中首次发现恐龙化石以来,南雄相继发现了三条比较完整的恐龙骨骼化石,还有恐龙牙齿、脊椎、肋骨等化石。至今南雄盆地发掘的恐龙化石,计有7个属、10 个种,有霸王龙(暴龙)、鸭嘴龙、结节龙、肉食龙等。世界古生物权威杨钟健教授肯定地说:“南雄恐龙代表了大多数的恐龙种类,从这点上说南雄恐龙动物群是十分有代表性的。”80 年代中期,南雄红层盆地发现的“南雄乌径龙”和南雄新区发现的蜥臂类恐龙最具代表性。
“南雄乌径龙”的化石完整率达60%以上,复原后长约2.5 米,站立高约1.5 米,重约120公斤,牙齿呈匕首状锯齿型,仅有“小红瓜子”那么大。骨骼中空,属肉食类恐龙,其体态轻巧,善于奔跑。这种习性凶猛、专门捕食动物的恐龙、是恐龙家族中的“大恶霸”。
水南新城区发现的蜥蜴类恐龙,虽然其化石不十分完整,却具有相当的代表性。其中一根恐龙肋骨残长1.70米,复原后长约3米,估计这条恐龙活着时的长度可达30米,重量不少于80吨。比全国最大、最长的合川马门溪龙要大得多,可与有世界之最之称的恐龙“梁龙”、“雷龙”等量齐观,是庞然大物,超级恐龙。而在水南新区发现的小恐龙化石,长仅33厘米,与在同一地点发掘的水南蜥臂类恐龙相比,堪称“小巧玲珑”。与此形成鲜明对照的要数在南雄水口发现的肉食恐龙牙齿,其残长9厘米,比“南雄乌径龙”的牙齿大200 倍。南雄的恐龙最重的达几十吨,最小的不过几公斤。
目前,南雄的恐龙骨骼化石主要分布在水南、黎口、乌径、水口、黄坑、古市等地。
二、化石珍品——恐龙蛋
我们对鸡蛋、鸭蛋等已很熟悉,恐龙也是下蛋繁衍后代的,但南雄出土的恐龙蛋与我们日常吃的鸡蛋、鸭蛋却不一样。恐龙蛋己成化石,蛋黄和蛋白在石化过程中已被分解,成了“石蛋”,已经不能供人们美餐了。
恐龙蛋不但有“化石珍品”,而且有“化石明珠”之美誉,因其形成化石的比率仅亿万分之一(指成窝的),蛋化石非常稀少,因为蛋殻很脆弱。恐龙蛋化石能够历尽千难万险.风侵雨蚀,饱经强烈的地殻运动和地下水的侵蚀而没有被破坏,这不能不说是自然界的一个奇迹。
南雄不仅是迄今世界上产恐龙蛋化石最丰富的地区之一,而且在保存的质量上是世界上首屈一指的。在南雄的盆地中已采集有14 个类群的恐龙蛋化石、约占世界已知类群的三分之一;恐龙蛋的形状多种多样,有椭圆形、圆形、长卵形、长形、橄榄形和粗皮蛋等多种,最大的直径20多厘米,最小的只有几厘米。不同恐龙产蛋的方式也各异,有的下成圆圈,呈放射状排列,上下重叠两层或三层,有的蛋下成排列高低错落相嵌,有的有规则,有的没规则。这说明不同种类的恐龙下蛋的方式也不尽相同。
南雄盆地成窝的恐龙蛋,多数呈圆形放射状排列。恐龙为何把蛋产成一个圆圈?这样到底有什么好处?古生物学家研究推测,在恐龙产蛋季节,一群群恐龙交配后,母恐龙就开始选择产蛋的地方,这种地方一般朝阳,地势较高,干爽,它们先扒起一堆土,然后沿着圈下蛋,产下来的蛋一般以40度以上的斜角落置在土堆上,呈放射状排列,这是为了最大限度的吸收阳光,使它们的后代更早地来到这个世界。生完一圈后,就盖上一层土,再生第二圈又盖上一层土,一般是产三圈,最多的可产四圈。下完蛋后再扒土盖好,靠阳光的热度来孵化。由于沧桑变化,极少部分没有孵化埋在土层的恐龙蛋,经过地质作用,方得以保存成为化石。
我们发现的恐龙蛋,尽管大多数无法让人知道是哪一种恐龙所生的,但其数量之多,在南雄白垩纪红层中,只要稍留神,便随处可见恐龙蛋殻碎片。恐龙蛋化石的发现,为研究6500 万年前生活在南雄的恐龙家族的生活习性、种类和探讨恐龙兴衰以及对划分南雄红层的地质年代,均具有非常重要的意义。
1979年在南雄河南岭挖掘出一窝恐龙蛋,共29枚,是目前世界上(同属种类)保存最完整、数量最多的一窝,今在北京自然博物馆展出。在南雄的红层中,不但发现了许多成窝的恐龙蛋化石,还发现有胚胎的恐龙蛋化石。特别是1985年春,在开发南雄水南新城区时,发现一窝恐龙蛋中均含有恐龙胚胎,这种情况为世界罕见。目前,已知恐龙蛋化石中含有胚胎的国家有美国、阿根廷、蒙古和中国等国家。这一珍贵的发现对研究恐龙的生命构造和种类等都具有重大意义。
与恐龙和恐龙蛋一样,恐龙脚印的发现也同样令人惊奇。我国发现恐龙脚印化石的地区比较少,而在南雄白垩纪红层中却有众多的发现,在我国和世界较罕见。1984年,中国科学家与前联邦德国古生物学家沃斯特教授等,在南雄盆地进行科学考察,首次在南雄大塘地区发现20多个保存完好的恐龙脚印化石。1993年2月,美国圣母大学凯斯·瑞格比教授与其父亲美国扬伯翰大学研究生院院长老瑞格比以及中国地质大学和北京自然博物馆等专家组成的科学考察队,对南雄盆地进行考察研究,在南雄黄坑镇杨梅坑村的红层中,新发现恐龙脚印化石50多个,最大的脚印化石直径约70厘米,比最大的大象脚印还大得多;最小的脚印只有7-8厘米。由于恐龙脚印的发现,为进一步研究恐龙的习性、体重、形态、身长及古生态环境,提供了科学依据。目前,南雄盆地已发现巨大恐龙脚印化石和巨大的肋骨(残肢)化石。由此推测,当时南雄盆地生存过巨大的恐龙。
南雄盆地集中了众多的恐龙骨骼、恐龙蛋、恐龙脚印等恐龙遗迹,堪称为“末代恐龙”化石。从时代上,是恐龙演化的最后一页,再加上与早第三纪古新世哺乳动物的衔接配位关系,所以在学术研究上具有重要的科学价值。
三、举世闻名的哺乳类动物化石
南雄红层为什么闻名遐迩?为什么有众多的专家学者不辞劳苦、长途跋涉来到南雄?这除了南雄恐龙使他们着迷之外,南雄的哺乳类动物化石也同样地吸引着他们。南雄除了被称为“恐龙故乡”之外,还留有“我国著名脊椎动物化石产地”之殊誉。恐龙絶灭后,哺乳类动物取而代之大量兴起,这里有大量著名的标准化石,形成了许多古生物学者感兴趣的重大研究课题。
哺乳类动物是与人类关系最密切的一大类,是比爬行动物进了一大步的脊椎动物,是动物界中最进步的一类。哺乳类动物明显的特征是有乳腺哺育幼儿,体表有毛,有皮肤腺,可以有效地调节体温,心脏完善,胎生,脑子特别大,牙齿是槽生齿。它们大约在两亿年前已出现在地球上,只不过它们的体形很小,是微不足道的小动物。在以后的中生代时期,也始终是侏罗纪和白垩纪动物群中体形小、数量也少的种类。它们完全被当时陆上和水中数目众多、无处不有的爬行动物所压倒。直到距今7000万年前的新生代早期,哺乳类动物才大量繁殖起来。从爬行动物时代转变到哺乳类动物时代,世界便进入了地史上的现代。从中生代爬行动物占优势转变到第三纪哺乳类动物占优势,是地球上生命史中的重大事件之一。
南雄盆地古新世的哺乳动物群化石,与晚白垩世的恐龙遗迹化石,有着相同重要的学术价值。晚白垩是中生代末的一世,它曾以主宰苍茫大地的大型爬行动物恐龙的突然灭絶而告终,而古新世是新生代的第一个世,它以取而代之的哺乳动物群的迅速发展,从而拉开了地球和生物演化史的最新一幕。
南雄罗佛寨红层是我国第一个古新世地层单元——“罗佛寨群”的命名地点,也是世界标准层位之一。在罗佛寨群中发现了丰富的哺乳类动物化石,目前已鉴定的有:南雄阶齿兽(阶齿兽是牛、猪、马、羊的祖先)、罗佛寨兽、锥中兽、湖口兽、粤齿兽、岭南兽、古亚兽等,分属35个种。南雄阶齿兽为胎生,体重25公斤左右,长约1.5米,高约0.70 米,行动迟缓,常在湖边活动,以食嫩緑植物为主。在罗佛寨发现的一具阶齿兽化石是目前全世界保存最完整的(现藏于北京自然博物馆)。南雄是产第一代哺乳动物的地区,对揭开生物演化和环境变化的奥秘,提供了关键性的地史资料,这样的中新代交界的地层同时暴露于同一盆地,幷且各自含有异常丰富的龟类、鳄类、腹足类、叶肢介、瓣鳃类、介形类、轮藻和硅化木等化石80多种,在我国是独一无二的,在亚洲地区也是最具代表性的。在世界上,除北美西部盆地以外,南雄红层化石在化石的种类和数量等方面是最为重要的古新世动物群化石。而世界其它地区同期的化石都是非常少见或贫乏的。
南雄红层为人类留下了丰富的恐龙遗迹化石、哺乳类动物化石和雄奇秀美完整的“丹霞地貌”景观,也为世人留下恐龙灭絶之谜。
四、恐龙灭絶原因探索
(一)各种论述
恐龙是从三迭纪中期出现的槽齿类进化而来的,在地球生存了1.7亿万年,至6500万年前的晚白垩纪末期,才全部絶灭了。这一巨型动物的絶灭,近10年来,引起了生物、地质和天文学界科学家们的极大关注,幷且设想了种种原因。其中富有吸引力的推测是“天体外星撞击地球说( Alvarez 等1980年,Hsu1980年),这种假设认为天外陨石与地球碰撞,产生大量尘埃,遮蔽于太阳,造成植物死亡,食物中断,气候变冷,导致大量动物絶灭。其证据是白垩纪和第三纪地层间出现有铱元素的土层和生物的高絶灭率,同时在地层间还发现了一种晶体以互相平行的方式排列着的石英颗粒,这种现状,只有高温高压的撞击或发生核爆炸时才会产生。对恐龙絶灭原因的推断,还有“银河灾难说”、“周期性彗星雨说”、“气候恶化说”、“竞争失败说”、“复仇女神说”、“火山喷发说”、“生殖单性说”,以及美国芝加哥大学安德斯的“全球性火灾说”、苏联科学院地球化学研究所的“化学变化说”等。以上推断,归纳起来大体可分为两类,一种是“灾变说”,即强调外因起主导作用,一种是“渐进说”,强调内因起主导作用。
(二)南雄恐龙灭絶原因初探
从广东南雄红色盆地考究恐龙絶灭的最后原因,首先可以找到6500万年前晚白垩纪末期恐龙絶灭了的踪迹,那就是从整个证据盖于南雄组(晚白垩纪末期)之上的罗佛寨组上湖段(老第三纪早新世)地层上的K/T交界线上,再寻找不到恐龙蛋和恐龙化石。相对的在罗佛寨组K/T交界线上,寻找到以阶齿兽为代表的第一代哺乳类动物的大量化石,这就证明瞭恐龙确实在这个时期絶灭了。为什么在恐龙絶灭之后哺乳类动物群能大量发展起来呢,很显然,这与当时的气候变化有非常密切的关系,是由于哺乳类动物适宜于炎热乾旱与潮湿气侯交替的自然环境,胎生哺乳类动物群的繁殖不受这种气候条件的影响,相反的在这种气候条件下,加速了它们的繁殖能力。所以到了新生代早古新世南雄盆地出现了大量哺乳类动物群。
恐龙是蛋生爬行类动物,恐龙蛋是一类稀有化石,除澳洲外,亚洲、欧洲、美洲、非洲国家都有发现,中国是发现恐龙蛋化石最丰富的国家之一。在中国最早发现恐龙蛋化石的是内蒙古自治区二连市,随后相继在辽宁、吉林、山东、广东、江西、浙江、安徽、湖南、新疆、河南等地都有发现。但最奇怪的是,到目前为止,世界各地发现恐龙蛋化石的地层絶大多数是在恐龙絶灭时期的晚白垩纪末期地层中,以致古生物、地质学家把发现恐龙蛋作为划分晚白垩纪地层的标准化石。而在三迭纪、侏罗纪正是恐龙风靡于世的时期,反而至今尚未发现恐龙蛋化石,如中国有“恐龙之家”之称的四川自贡,却找不到恐龙蛋化石。这是为什么,这个问题正是从恐龙自身研究它的絶灭原因的极好线索。
晚白垩纪末期有大量恐龙蛋化石遗存下来,正说明恐龙蛋孵化不出,才有恐龙蛋化石的存在,若是恐龙蛋孵化出恐龙仔,就不可能有整窝的恐龙蛋化石的存在,如三迭纪和侏罗纪地层中找不到恐龙蛋化石一样,因为恐龙仔一出世,蛋殻便可风化消失了。晚白垩纪末期恐龙蛋孵化不出恐龙仔,其原因,也有多种说法:有人进行过试验,研究发现,美国密西西比河的鳄,在30℃左右时孵出的小鳄雌雄各一半,低于30℃时,絶大多数是雌性,高于34℃则全部为雄性,通过氧同位素研究得知晚白垩纪水温变冷,由于气温下降,新孵化出的小恐龙中雌雄比例失调,雌性增多,雄性减少,以至雌恐龙缺乏交配的机会,生下的蛋无法受精而成为“寡蛋”,因而孵化不出恐龙仔,导致恐龙絶灭。最近赵资奎教授等在古脊椎动物学报上发表了《广东省南雄盆地白垩纪——第三纪交界线恐龙絶灭问题》,论及到恐龙絶灭的原因,在于恐龙蛋殻具有病态结构,微量元素及氧、碳同位素异常,使恐龙无法正常繁殖后代而逐渐絶灭等论述。笔者认为晚白垩纪末期地史事件古地理和古气候变化频繁,炎热乾旱与潮湿气候交替频繁以及火山岩带的影响,是恐龙蛋孵化不出恐龙仔的外因。即少数蛋孵化出恐龙仔,但它的寿命也不长,如南雄组浈水段采集到33厘米长的小恐龙仔化石和美国蒙大拿州北部恐龙专家杰克·霍纳尔也发现15个小恐龙化石(22-35厘米大)证明瞭这一点。恐龙蛋孵化不出恐龙仔,必然造成这样的情况:一方面恐龙蛋越来越多,如“南雄红层”恐龙蛋分布情况是上段(浈水段)最多,中、下段较少,另一方面造成恐龙无法传宗接代,恐龙越来越少,最后导致恐龙絶灭,同时证实了恐龙絶灭的过程贯穿着整个晚白垩纪,至少经过几十万年(白垩纪经历时间最长,共7000万年),絶不可能是一两次突然事件,如“天外星撞击地球”说,一闪间恐龙便絶灭了。正如达尔文在论及生物絶灭问题时说的:“物种和物种群的消失是逐渐地,一个接一个地发生,起初是一个地方,以后另外的地方,到最后才在整个地球中消失。”
五、结语
通过对广东南雄红色盆地,考究恐龙絶灭的最后原因,我们可以初步得出这样的结论:
1.生物的发生、发展、死亡、絶灭,内因是基本的根据,外因是变化的条件,两者缺一不可。
2.物种的絶灭,只能是渐进的,偶然突发的事件,不能导致任何物种的普遍絶灭,只能是一些或一部分生物的死亡。
3.广东南雄红色盆地的恐龙絶灭的原因是多方面的,但在诸多方面的原因中,最后的原因是大量恐龙蛋孵化不出小恐龙仔,使恐龙无法传宗接代,导致恐龙絶灭。
4.不是外星与地球撞击造成“南雄红层”恐龙絶灭。在K / T 交界线上,未发现有大量铱元素和晶体互相平行排列的石英颗粒。
5.恐龙生活的古地理环境和古气候变化不相同,其絶灭的原因应有所不同。
6.必须以辩证唯物主义和历史唯物主义的观点进行分析、调查、研究事物的发展规律,才能得到正确的答案。
人们常常有一个错觉,以为地质历史上,生物的兴衰絶灭是短期突然发生的,因而在解释这些现象时,总想假定一些世界性的同时发生的变化,作为某些生物絶灭的普遍原因。但没有认识到环境的迅速改变对生物的演化有巨大的影响,但不会导致普遍絶灭的原因……
这块神奇的土地各级人民政府都非常重视。1982年南雄县人民政府公布了加强保护南雄红层、红砂岭的通知。1992年南雄县人民政府又下文建立罗佛寨等五处红层保护区的通知,2005年“南雄红层”被列为广东省恐龙化石群自然保护区。我们相信南雄这块神奇的土地在各级政府的重视和保护以及科研工作者的努力下,恐龙絶灭之谜一定会有圆满的答案。