中国古生物化石产地分布特征与保护

李佳丽,谢小平,王永栋,陈芝聪

(1.曲阜师范大学 地理与旅游学院,山东 日照 276800;2.中国科学院 南京地质古生物研究所,江苏 南京 210008)

1 引言

古生物化石是经过漫长地质年代而保存于地层中的古生物遗体或遗迹,是自然界赋予人类宝贵的自然遗产[1]。我国是世界上古生物化石丰富的国家之一,在将近一百年的时间里,我国科学家发现了多个化石群,这些化石群具有很高的科研价值,很多化石的发现修正甚至改写了生命演化的历史。2013年和2016年,我国分别启动了第一批和第二批国家重点保护古生物化石集中产地(简称“国家重点保护化石产地”)的认定工作。在国家古生物化石专家委员会专家认定评分的基础上,截至2016年底我国认定了53家国家重点保护化石产地。本文以53家国家重点保护化石产地为研究对象,运用ArcGIS10.1空间分析方法揭示国家重点化石产地时空分异特征,并对其差异因素进行分析,在分布特征的基础上提出合理的保护建议,旨在对古生物化石产地进行合理的保护与利用。

2 我国古生物化石典型代表

2.1 海象古生物化石代表

蓝田生物群化石:蓝田生物群位于安徽省休宁县蓝田镇,保存在震旦纪(埃迪卡拉纪)早期蓝田组的黑色页岩中,是已知最古老的复杂宏体生物群,既包含了扇状、丛状生长的海藻,又有具触手和类似肠道特征，形态可与现代腔肠动物相比较的后生动物。这一特殊埋藏的生物群为多细胞生物的起源和早期演化带来了新的启示:微体真核生物在新元古代大冰期结束后迅速演化出宏体形态,它们底栖固着生活在较深水的安静环境中[2]。

澄江动物群化石:发现于我国云南的澄江动物群是全球寒武纪最早的特异埋藏化石群,保存了大量具软躯体或弱矿化外壳的后生动物化石,展示了寒武纪大辐射时期海洋生态系统和后生动物多样性特征,是全球研究寒武纪大爆发演化事件最重要的化石宝库之一[3-7]。澄江动物群产于滇东寒武纪筇竹寺期,约距今520Ma(百万年),这一地质时期的地层可划分为两个生物带,底部的Parabadiella带和上部的Eoredlichia-Wutingaspis带[8]。前一个带与玉案山组底部地层相当,后一个带分布于玉案山组中上部[9-11]。澄江动物群产出的主要层位为玉案山组帽天山页岩段,主要分布在云南东部地区[12,13]。

罗平生物群:罗平生物群是1987年发现第一块裂齿鱼化石后开始发掘和研究的,先后发现了距今2.4亿年前的脊椎动物、节肢动物、软体动物、腕足动物、棘皮动物、腔肠动物、牙形石、有孔虫、菊石、动物痕迹等包括肉食性鱼类和大型爬行动物以及植物在内的古生物化石,基本涵盖了三叠纪时期主要的海生爬行动物类别[14]。

2.2 陆象古生物化石代表

恐龙化石:我国是世界上恐龙化石较丰富的国家之一,迄今全世界发现恐龙化石近400个属,我国有近100个属[15]，分为实体化石、石化化石、模铸化石、遗迹遗物化石、古病理学遗迹化石5类[16]。

哺乳动物化石:哺乳动物的大发展始于新生代,它们在短短的几千万年内发展和演变很快且明显,今天各类现有属种仍很丰富[17],我国代表性的哺乳动物化石有山东山旺化石产地出土的东方祖熊、甘肃和政化石产地出土的三趾马、铲齿象、和政羊、鬣狗、埃氏马、披毛犀头骨化石等。

3 我国古生物化石产地分布

化石产地指在特定(或同一)地质构造、沉积区内,由相同或不同类型的化石点集中分布所构成的区域。化石产地中产出的化石可以是单一类型或混合类型、同一时代或跨时代,也可以组成一个或多个相关的生物群。我国的化石种类十分丰富，从最简单、最古老的原核生物到制造并使用工具的古人类,从潜伏在海底的三叶虫到咆哮在陆地上的巨型恐龙,可以说各个时代、各个门类的古生物在华夏大地上都留下了它们的足迹[18]。

3.1 化石产地的空间分布

从总体看(图1),我国的化石产地具有以下特征:①我国的化石也像我们的民族一样呈现“大杂居、小聚居”的分布格局，整体分布广泛、局部集中。我国大陆31个省(自治区、直辖市),但各省级行政单元内,化石分布不均匀,西南和东北地区有多个化石集中产地和古生物群地层分布,中部和西部地区较少。②中西部地区国家重点保护化石产地虽然数量较少,但该地区具有很大潜力。许多新的重大的发现集中在中、西部地区,如2012年新疆鄯善出土了目前我国侏罗纪最大的恐龙化石。在我国著名的古生物群中,西部地区特别是西北地区占有的数量很多。

图1 国家重点保护古生物化石产地

3.2 古生物化石时代分布

古地理环境和气候的变化对古生物的生存环境产生重要影响,各个时期的古生物化石在分布区域上有显著的特征。依照古生物化石时间特征分布图(图2),我国古生物化石在时代分布上有以下特征:①我国古生物化石时代延伸很长,从元古宙到第四纪均有,但以寒武纪古生代海洋动物群、中生代三叠纪生物群、侏罗纪和白垩纪爬行动物与古鸟类动物群和新生代哺乳动物群最具代表性。②我国化石发展轨迹大体由南向北推进,在后期辐射到全国范围。早期我国的古生物群分布范围局限,主要分布在安徽、云南、贵州等地,化石种类多以真核生物和鱼类以及植物为主。在三叠纪早期出现了爬行类动物,分布范围大体是华北—西南线上;中生代的侏罗纪和白垩纪古生物化石以恐龙为主。早期恐龙化石分布范围局限,三叠纪晚期的恐龙化石分布在云南禄丰盆地等极少数地区,侏罗纪时期的恐龙化石主要分布在四川、云南和贵州等地;白垩纪时期的恐龙化石分布范围广泛,主要分布在我国的东北部、北部、中东部地区;新生代哺乳动物化石分布范围广泛,全国大部分地区都有出土。

图2 古生物化石时间差异分布

4 产地空间影响因素与时代分异原因

4.1 空间影响因素

高程因素:现研究国家重点保护化石产地与高程的关系,本文采用DEM高程数据(影像来源于地理空间数据云平台http://www.gscloud.cn)。根据前人的研究和总结[19],依据研究需要，我们将DEM数据分为5级指标：<200m、200—500m、500—1000m、1000—2500m、>2500m;利用ArcGIS10.1将我国国家重点保护化石产地空间分布图与地形高程图叠加生成图3,并根据我国DEM提取国家重点保护化石产地的空间高程信息(表1)。

图3 国家重点保护化石产地与地形关系

海拔高度指标面积(km2)占全国总面积的百分比(%)化石产地数目(个)占全国重点化石产地总数的百分比(%)<200m152640015．901833．96200—500m112512011．721222．64500—1000m153888016．03713．211000—2500m263328027．431630．19>2500m277632028．9200合计960000010053100

从图3可知,我国国家重点保护化石产地主要分布于高程较低、坡度和缓的地区,此类地区交通便利,经济发展水平、开发程度和科考程度较高,科研成果相对较多,国家重点保护化石产地分布较多。其中,海拔高度<200m的化石产地有18个,占全国重点化石产地总数的33.96%;海拔高度在200—500m之间的化石产地有12个,占全国重点化石产地总数的22.64%;海拔高度在500—1000m之间的化石产地有7个,占全国重点化石产地总数的13.21%;海拔高度在1000—2500m之间的化石有16个,占全国重点化石产地总数的30.19%;海拔高度>2500m的区域目前还没有设立国家重点保护化石产地。

我国国家重点保护化石产地大多分布在地形起伏相对平缓的平原丘陵和地形起伏相对较大的山地的交界处。这类地区大多发生过重大的地质构造运动,使生活在此处的古生物遭到严重的物种灭绝,古生物的遗体在此处埋藏经过一系列的地质活动最终形成化石,后经过板块运动使地壳抬升,埋藏于地下的化石随着地壳的抬升得以露出地面,从而被人们发现保存。西北和青藏高原地区国家重点保护化石产地相对较少,主要是由于中部与西部地区地处山区，环境恶劣、交通不便、地质调查程度低,但该地区地层发育好,是未来勘探发现的潜力地区。

水系影响因素:水系的展布和构造活动有着相当密切的互相作用关系[20]。水系密度是衡量水系发育程度的重要指标,其大小与气候、岩石、植被、构造活动有关,其中构造活动影响最为显著。水系密度一共有两种表达形式,一种是线性密度,即单位面积内流河总长度,具体公式为:

(1)

另一种是面性密度,即单位面积内河流总面积,具体公式为:

(2)

式中,n为河流数目;S为选取的研究单位面积;Li为研究单元内河流的总长度;Di为河流的宽度;P为水系密度。

由于本文缺失研究河流面积的数据,故本次水系密度的表达形式选择线性密度。我们将全国五级以上河网水系与研究单元进行相交处理,计算每个研究单元中所有河流长度总和,用ArcGIS栅格计算工具将河流长度与相应研究单元的面积相除,便得到水系密度值;利用ArcGIS中要素转点工具,将研究单元转为点,利用反距离插值工具生成水系密度图(图4)。研究选择的栅格大小为30km、60km、100km,对每个栅格进行插值计算对比,找到最优的方案,本次选择的栅格大小为60km。

图4 化石产地与水系密度关系

根据自然间断法和研究目的,将水系密度分为五个等级。综合水系密度(图4),国家重点保护化石产地多分布在36—104m/km2范围内,0—36m/km2的水系密度面积占全国总面积的37%,化石产地分布较少,与当地恶劣的自然环境有较大关系。环境恶劣,化石勘察工作困难,发掘保护比其他地区难度大。化石多在水系发育良好地带,大多靠近支流远离干流,古生物生活在此地区既可方便获取水源又可避免洪水灾害,此地带多处在我国构造活动地带。

4.2 古生物化石时代分异原因

化石分布受到历史大地构造的影响,不同的大地构造区域的化石种类有所差异。从古生代到中生代,我国南方地区为扬子地台区,西南地区属于特提斯构造带,北方地区为中朝板块、华北地台及秦岭、天山构造带,因此同一时期的古生物面貌不同[18]。例如,在晚古生代,华北地区为陆地环境,保存下来的植物化石丰富,而南方的扬子地台区仍为海洋环境,海洋动物化石富集。

新元古代和古生代:新元古代的古生物化石多分布在我国西南地区,西南地区在新元古代和古生代曾是一片汪洋大海,为海洋生物进化发展提供了有利条件。在新元古代大冰期后,地球温度升高,进入一个温暖期,海洋真核生物得到快速发展,代表性的安徽蓝田生物群给我们展现了震旦纪时代地球上的生命景观。古生代古生物化石产地开始在云南和贵州地区出现,与蓝田生物群时代相近的早寒武世筇竹寺期,在昆阳海湾海底平缓,西部的滇中古陆已被夷平为低山地貌,物理风化作用使大量的碎屑物质供给海盆沉积[21]。当时滇东地区的气候温暖潮湿,海水深度小于200m,海水含盐度正常,海水温度平均61.62℃,属弱氧化环境,海水富磷营养化,阳光充足,海底藻类繁盛,有利于各类生物的发育和演化,形成了丰富的澄江动物群富集区[22]。寒武纪大爆发后,经过奥陶纪生物大辐射,地球生命进入了一个多样性繁荣而稳定的演化阶段[23]。二叠纪末期,地球生物经历最严重的物种灭绝大事件,地球上约有96%的物种灭绝。海洋生物中的三叶虫、海蝎和重要珊瑚类群全部消失,陆地动物中的单弓类群动物和许多爬行类群也遭到灭绝。这次大灭绝使生态系统获得了一次最彻底的更新,海洋物种从此衰败,为恐龙类等爬行类动物的进化铺平了道路。

中生代和新生代:中生代早期的三叠纪是全球二叠纪生物大绝灭之后,生态系统恢复和重建的重要时期,也是脊椎动物中爬行动物由陆地向海洋环境适应辐射,以及鳍龙类和鱼龙类出现和辐射发展的重要时期[24]。三叠纪时期我国陆地仅有华北华南地区,靠近陆地周围的是大片浅海地区,浅海地区具有海洋生物生存和发展的有利条件,因此三叠纪时期形成的古生物化石大多分布在华北—西南线上。晚三叠世早期,在板块运动的作用下,川滇地区形成大型的近海盆地,为我国早期恐龙的生存提供了理想场所[25]。从侏罗纪开始,沿大兴安岭—太行山—雪峰山两侧出现了显著的“东西分异”，东部为小型断陷盆地,西部为稳定的大型内陆盆地。到了晚侏罗世,我国东部形成高原地貌,西部多为盆地,比如川滇盆地、准噶尔盆地、鄂尔多斯盆地,西部地区盆地的发育为恐龙的生存与演化提供了良好的环境[26]。与侏罗纪相比,白垩纪古地理环境有了明显的改变。从早白垩世起,东部地区活动带的主要沉积区和岩浆活动向东转移[24]。受燕山二期运动的影响,东部地区出现了一系列北北东向的大型盆地,与此同时,西部地区的盆地如四川盆地,范围逐渐减小[27]。晚白垩世,随着我国西部的强烈隆起,川滇盆地进一步缩小,而东部的断陷盆地不断扩大,导致恐龙从西南地区向东部及北部地区迁徙[25]。中生代末期,华东、西南、中南和西北大部分地区虽然有程度不同的抬升和剥蚀,但没有发生强烈的地壳运动,新生代早期许多盆地继承了晚白至世的分布格局,如著名的广东南雄盆地、新疆吐鲁番盆地等。但在生物内容上则发生了重大的变化,中生代地球上的统治者恐龙灭绝了,代之而起的是脊椎动物中哺乳类的繁荣与鼎盛[28]。

5 古生物化石保护与利用

古生物化石具有巨大的科学价值,在地层划分与对比研究、古地理和古气候的研究、矿产尤其油气资源的研究方面有着极其重要的意义[29],因此对古生物化石的保护不容懈怠。

5.1 化石保护技术

化石的科学信息不仅在于化石本身的生物学特征,其产出状态、岩层的岩性特点和埋藏环境特征同样重要，因此不仅要保护珍贵的化石标本,还要对其产地进行原址保护。目前,化石标本保护主要是馆藏古生物化石标本保护工程，原址保护的主要方法有原地自然状态下的保护、原地场馆式保护和抢救性发掘保护[30]:①原地自然状态保护。原地自然状态下的保护措施包括竖立标志(标志碑、说明碑、警示牌等)和拉网围栏;对受风化剥蚀而容易垮塌的含化石岩层,采取加固工程;对可能受流水冲刷破坏的,实施排水工程等[30]。如果在一定区域内化石相对集中分布,则可能建立保护区。自然状态下的保护方式投资小、成本低,适用于大面积或者化石较为分散状态下的保护,但是化石和含化石岩层仍然置于风化剥蚀的状态下[30]。虽然此种保护方式通常会建设排水工程,并对化石和含化石层进行加固,但仍然受到风化作用的剥蚀,对此部分产地应建设小型工程[30]。这些小型工程使化石避免直接遭受风吹日晒和人为破坏,但无法对温度和湿度进行控制,是处于一种半露天的环境下。②原地场馆式保护。原地场馆式保护指对暴露在地表的、面积较大的重要化石在原地修建保护棚、展厅、博物馆等保护性场馆,主要适用于保护级别较高的重点化石[30]。场馆式保护可有效地减少风化作用对出露地表的化石和含化石层的进一步破坏,但投资大,且不能大面积展开,只适合于在一些重点保护化石集中密集埋藏的化石点,而且后期维护的运营需要资金和人力的投入[30]。③抢救性发掘保护。一些重点化石产出的地区处在强烈的风化区,不适合原地保护;一些产地由于受到生产建设的影响面临被占用的危险,因此需要对化石进行抢救性发掘。此外,一些会遭受冻融作用的地区也不宜大面积原地保存。需要注意的是,在抢救性发掘前一定做好原地埋藏信息的收集和保存工作,最大限度地保存科学信息。需要说明的是,无论采取哪种保护方式,都必须对化石和围岩本身进行定期的防风化保护处理,最大限度地降低风化速度。

5.2 保护工程部署

古生物化石产地和古生物化石标本的保护主要受到自然因素、人为因素、地质条件等因素的影响。依据国家重点保护化石产地的分布差异特征,对处在不同地区的化石产地提出不同的保护措施,使古生物化石得到更好保护。主要包括:①风化和冻融地区。新疆和甘肃等西北部地区,气候干旱、风力较大,个别化石产地处在强烈的风化区,对东北高纬度地区主要的灾害是冻融威胁。对这些化石产地不太适合原产地保护,针对此类地区可建立化石博物馆。对处在强烈风化区和冻融地区的化石,要对化石进行挖掘,制成标本保存在博物馆,这就要求我们对博物馆的条件进行严格要求,使化石得到合理保护。此外，要利用空调对博物馆的温度和湿度进行调控,温度控制在18°—20°之间,湿度控制在50%左右，对不牢固的标本要进行加固处理。博物馆的防尘、防光、防潮等方面都要做好措施,最重要的是做好防盗工作,安装监控系统和防盗铃,派专人进行值守等。②洪水频发地区。长江中下游地区的水系密度较大,河流分布众多、降水量大,化石产地易受到水流的威胁,位于此地区的化石产地面临的最大问题是防水排水问题。在建设永久性保护场馆时,必须要对化石产地周围水文地质条件进行详细调查,查清地表水、地下水补给、运行情况等工程地质条件;要实施相应的排水、隔水、护坡、加固等工程,如修完排水沟、修建引水渠、修建隔水帷幕、构筑挡水墙或采用修建地下隧道等工程。③其他地区。处在环境较好地区的化石产地,要根据其具体情况做好原地保护措施,建立地质公园和保护区等。

5.3 古生物化石利用

古生物化石作为重要的地质遗迹,具有重要的科学的价值,是研究生物演化的原始材料和分析岩石形成环境的有力证据;在推断古气候、寻找沉积矿产等方面具有重要作用。古生物化石不但具有科学性,而且具有文化性、知识性和趣味性,是一种重要的、稀缺的、高品位的旅游资源[31],化石产地所在地区可利用古生物化石建立地质公园等,发展旅游业,带动当地经济发展。在游客游览的同时可向他们普及古生物科学知识,起到一定的科普作用。合理利用古生物,使其科学价值得以体现。

6 结论

本文以全国53个国家重点保护化石产地作为研究对象,并结合全国水系图及DEM高程图,运用ArcGIS10.1空间分析方法,对全国重点保护化石产地在空间和时代上分布差异进行分析,得出以下结论:①国家重点保护化石产地的分布主要集中在东部沿海和中部地区,西部和青藏高原地区分布较少,受自然因素影响较大。西部环境恶劣、科研程度低,是未来化石发掘的潜力地区。按时代分布来看,国家重点保护化石产地早期主要分布在我国的西南地区,随着时间的推移逐渐,白垩纪时期的化石大多分布在东北地区,最后辐射到全国范围。②从高程图上看，国家重点保护化石产地多分布在地形起伏相对平缓的平原丘陵和地形起伏相对较大的山地交界处;从水系密度图看,多分布在36—104m/km2范围以内。化石产地的分布规律对今后古生物化石的发掘工作提供了一定的依据。③依据化石产地所在地区地貌类型和水系密度条件,提出了古生物化石保护工程的规划部署建议。这些不但能给古生物化石产地的管理工作起到一定的帮助和指导作用,而且可依托古生物化石产地平台,让更多的社会大众了解到不同地区的古生物化石产地的化石种类。此外,提出相应的化石保护建议可更好地指导人们对古生物化石进行保护。做好古生物化石保护工作,对研究生命演化、寻找矿产资源、促进经济发展等具有重要意义。

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