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恐龙时代“庞贝城”:火山喷发与化石埋藏

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2014 年1 月14 日,印尼锡纳朋火山再度大爆发

  记得美剧《生活大爆炸》风格俏皮的主题曲吗?歌词在提及恐龙时这样写道:“恐龙天数已尽,它们尝试跳跃,但是太晚了,它们都死了。”的确如此,面对最高时速700公里、最高温度可达1000摄氏度的火山碎屑密度流(Pyroclastic Density Currents),恐龙们无处遁逃。最起码在距今1.2亿年前热河生物群的区域内,恐龙的死亡、遗体搬运与化石完美保存很多情况下与火山碎屑密度流紧密相关,这得到了中美学者最新研究的证实。
  2月5日,《新证据表明火山碎屑密度流导致了热河生物群的特异埋藏》一文发表在英国《自然·通讯》杂志上。这篇论文的第一作者、南京大学地球科学与工程学院副教授姜宝玉在向本刊记者谈及研究的重要性时说:“我们解释了热河这样一个非常重要生物群的形成模式。”《科学》、美国《国家地理》等数十家国际知名媒体几乎同时在科学版显著位置上报道了这一成果。
  姜宝玉说,火山碎屑密度流是火山爆发时形成的一种微细火山灰(尘)和岩浆气组成的高速炙热流体。简单理解,就是气浪加上火山灰。火山碎屑密度流是火山爆发后造成伤亡最大的方式。20世纪至今,保守统计70%以上的火山爆发导致的人类死亡由其造成。而姜宝玉团队通过在化石及围岩中发现的证据,证实这些中生代陆生脊椎动物同样是被炙热的火山碎屑密度流杀死并携带到湖泊中快速掩埋起来的。
  这篇论文的作者之一、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员周忠和院士告诉本刊记者:“一些媒体对我们的报道有误解,以为我们一篇论文解决了一个问题,以为热河生物群的恐龙都是这样一种死亡、埋藏模式。其实不是那么简单,除了火山碎屑密度流,其他不同埋藏类型也还很多。任何科学理论本质都是一种假说,这篇文章也是一种假说,我们为这假说找到了证据,并不是排他的。”
  作为享誉世界的中生代珍稀古生物化石聚集地区,热河生物群被称为“世界古生物化石宝库”。狭义的热河生物群的范围覆盖辽宁西部、河北北部、内蒙古东南部的这一地区。这里的化石不仅种类丰富,包括恐龙、鸟类、早期哺乳动物、翼龙、两栖类等,更加为人称道的是其“特异埋藏”。姜宝玉告诉本刊记者:“这通常指动物骨骼信息与软体组织信息都保存完整的化石埋藏,例如羽毛状皮肤衍生物和皮肤印痕等软体组织,看上去十分精美。”
  周忠和告诉本刊记者:“在这之前,大家猜测恐龙等动物的死亡和埋藏肯定是和火山有关系,但是具体有多大关系我们不知道。”英国布里斯托大学的古生物学者迈克尔·本顿(Michael Benton)如此评价:“姜的团队证明了这种猜测,即火山碎屑密度流对于热河生物群中动物的死亡、搬运、完美保存所起到的作用,拿出了令人信服的解释。”

致死因素


  “我们用酸把包括围岩在内的化石标本分解成颗粒,发现火山玻璃的形态保存得非常好。最接近恐龙身体的一层沉积物就是火山灰,说明其死于一次或者多次的火山喷发事件,而且首先是被火山灰埋住的。”姜宝玉告诉我们。
  热河生物群内不少恐龙和鸟类的死亡与意大利庞贝古城的遇难者有着惊人的相似。邻近那不勒斯的庞贝曾经是古罗马的第二大城市。公元79年,由于10公里外的维苏威火山大爆发,这里一夜之间被火山灰掩埋。“多数陆生脊椎动物化石都呈拳击手状的姿势,它们肘部弯曲,腕部收缩,脊椎微微向前凸,颈椎向后凸。这与人们高温下死后肌肉和韧带收缩所形成的姿势相像。肌肉收缩的姿势这个问题,困扰我们很久,直到跟火山爆发后的人类姿势做对比,才想到了这样解释。”
  在热河生物群的北票四合屯,有非常著名的鸟化石层。这个层面上,有大约数千只鸟的化石,最密集的地方,一两平方米就有一只鸟。连当地农民都知道,发现一只鸟之后,只要沿着它的头尾方向,走几步就会发现另一个。这种头尾朝东西方向的排列,非常有规律,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员汪筱林在发表于上世纪末的文章中就提到过这个现象。鸟化石的定向排列与遭遇火山碎屑密度流的遇难者的排列方式一致。火山碎屑密度流是很高速的流体,会像龙卷风一样,把人卷进去,所以当速度减弱,到达露天的空旷地带,遇难者遗体顺着同一个稳定的方向排列。
  “这种东西温度太高,流速太快,很多人躲在汽车里、房子里都躲不过去。传统认为,火山碎屑密度流使生物窒息死亡,因为里面氧气含量非常低,以硫化氢、二氧化硫为主。最近意大利的火山学家通过做实验,认为致命的关键因素是高温而非窒息。当然这个观点存在一些争议,因为致死过程相当复杂,但就火山碎屑密度流而言,高温致死成为主流观点。如果窒息死亡,会有一些挣扎的动作,但是相当比例的尸体,几乎没有这些反应,比如说有人在喝水,有人在思考,没有任何反应的时候就死掉,极为迅速。”姜宝玉告诉本刊记者。
  美国宾夕法尼亚大学古人类学家珍妮特·蒙赫(Janet Monge)致力于研究庞贝古城中挖掘出的人类遗体。他说姜团队的研究极具说服力:“他们在化石标本上发现的骨骼裂隙,非常特别,一种与极高温度有关的典型裂隙,我在庞贝案例之外从未见过这种类型。”
  “这是一种非常微细的十字形交叉的裂隙,并非由压力造成,而是由于高温加热之后,有机物蒸发导致的骨骼收缩形成的。在化石中,可以看到动物骨骼表面有一些波浪形的凹坑,而正常死亡的骨骼不会出现这种东西,边缘相对平缓。这种不对称的波浪状的侵蚀,我们解释为热侵蚀。”姜宝玉向本刊解释说。
  实际上,这样的裂隙最先从哈弗斯系统(Haversian system)开始往外裂。正常的哈弗斯系统是圆孔状的骨结构,神经、血管从这里通过。它的周围有片状层,扫描出来就是一圈一圈的黑点,向外层输送营养。研究者发现,在一些标本中,这些周围黑点减少了,甚至再往外基本没有了。姜的团队这样解释:蛋白质有机物等受高温作用而蒸发,当温度达到200到300摄氏度,磷灰石(骨骼主要成分)就开始重结晶,原来的生物结构就不见了。这种情况同样与庞贝遇难者身体上发生的骨骼蚀变一致。
  
南京大学地球科学与工程学院副教授姜宝玉

搬运能力


  周忠和告诉本刊记者:“以前还有一种解释偏向于火山喷发后的毒气导致恐龙死亡,但是我心里有疑问,陆地上生活的恐龙,在哪里毒死就应该就地死亡,为什么会大批地在水中出现呢?这一次的解释解决了搬运的问题。”
  美国自然历史博物馆的古生物学家马克·诺雷尔(Mark Norell)说,火山喷发的气浪将动物遗骸带入湖泊的猜想也已经讨论数年了。在其他地方,骨骼化石被冲散、摔碎甚至消失。而在热河,动物骨骼却在搬运过程中依然完好。湖泊的快速埋藏对于化石形成十分关键。在火山碎屑密度流搬运动物遗体过程中,恰好将其中一部分搬运到了湖泊里,从而幸运地埋藏起来。
  “之前有人猜测火山碎屑密度流会杀死生物,但没有人想象到它的携带能力如此强。例如,它可以抓起汽车,冲到几十米之外。再比如,印尼爪哇岛上曾有一座火山喷发,火山碎屑密度流穿过了海面,在海里扔下了沉积物之后,到达40公里以外,又在另一个岛上造成了人员伤亡。这种携带能力,简单理解,就像龙卷风把人裹挟到数百米之外一样。”姜宝玉告诉本刊记者。
  1902年,在位于加勒比海东部的法国领地马提尼克岛上,培雷火山喷发。在这场不到3分钟的灾难中,大约3万人死亡,据说仅有3人生还。有伤者事后回忆,当时的气浪太快,温度太高,他们第一时间没有任何反应,一声巨响之后,就昏迷了。在当时的圣皮埃尔城,4吨多重的纪念塑像被挪走,290吨重的灯塔也被推倒。据称,这次火山喷射出的能量达到广岛原子弹爆炸时的40倍。
  在这个研究之前,主流观点认为,恐龙死亡之后被地表水带到湖泊之中。但是,地表水在运输动物遗体的过程中,可能有机物发生分解,浮在水面上冒气泡,直至腐烂得差不多才沉入水底。而动物腐烂后,其化石保存难以精美,所以地表水作为热河生物群化石埋藏主要方式的推测被排除。同时,射气岩浆喷发形成的火山碎屑密度流的颗粒非常细,通常小于60微米,因而它形成的沉积物均匀且薄,这都与热河生物群出产化石的特点十分吻合。这里化石外层的火山灰一般很薄,厚度在几十微米到一毫米。而且,如果经过地表水的搬运,外层形成沉积岩,像泥岩、沙岩这些,而不会是火山灰。
  火山碎屑密度流的携带能力缘于它的成因。并不是每次火山喷发都有火山碎屑密度流,它可以形成,也可以不形成。通常,火山爆发后,一开始碎屑岩冲喷,几乎同时火山灰降落。气体喷发的力量很大,将火山灰顶到高处,像蘑菇云一样。火山喷发柱一般有10公里左右的高度,有的甚至高达40公里,穿过平流层。当高度继续攀升,初动力无法支撑庞大的重量,火山喷发柱坍塌下来,气浪裹挟着火山灰从高处俯冲而下,沿着沟谷或开阔地席卷开去。
  火山碎屑密度流包括两种。一种叫火山碎屑流,以火山碎屑为主。一种叫火山碎屑基浪,以气体为主,碎屑物很少。这个研究中的火山碎屑密度流主要指火山碎屑基浪。姜宝玉团队所采用的化石均保存于由火山射气岩浆喷发(Preatomagmatic Eruption)形成的火山碎屑密度流沉积中。火山射气岩浆喷发的危害更甚,它由地表水与地下岩浆房相互作用形成。上面的河或湖等地表水灌入岩浆房,不断往里注水,不断汽化。压力足够大的时候,将上面的岩石顶开。这类似锅炉爆炸,没有多少碎屑岩,几乎全是气。
  一些研究者曾经为了解火山碎屑密度流付出了生命的代价。美国罗德岛大学的哈拉迪尔·西古德松(Haraldur Sigurdsson)主编了《火山百科全书》,其中记载在1991年5月到1995年2月,日本云仙地区发生过9500次火山密度碎屑流事件。1991年6月3日下午,法国摄影师莫里斯夫妇(Katia and Maurice Krafft)、美国火山学家哈利·格里肯(Harry Glicken),以及十几个记者站在一处山脊上,面对河谷拍摄火山碎屑密度流。不幸的是,一股火山碎屑基浪突然改变方向,吞没了他们。树木和电线杆被打翻,周边的木房被推倒,汽车和尸体被抛至80米之外。

完美保存


  化石能够保存软体组织信息的地区在世界上凤毛麟角,除了我国的热河生物群,还有德国巴伐利亚州的索伦霍芬。但是,索伦霍芬发掘的化石总数比辽西少得多。因此,古生物保护专家、《辽西化石新闻大视野》作者张万连称热河生物群“在世界上是独一无二的”。中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员徐星告诉本刊记者:“在白垩纪的热河生物群,物种丰富、数量繁多、水系发达、湖泊众多、火山分布广、喷发频繁,这些都是基础的环境因素。”
  热河生物群化石之所以能够如此精美而完整地保存,得益于多种因素的完美结合。一方面是特殊的地理环境,另一方面则是埋藏方式。“火山碎屑密度流的一些特性,如流速大、高温低氧、火山灰粒度极细、沉积速率高等,有利于卷入大量遭遇的生物、风干软体组织和阻止微生物的分解,从而导致大量陆生动物在湖泊中的特异埋藏。”姜宝玉告诉本刊记者。
  可以想象,如果动物靠近火山喷发口,温度极高、湍流疾进的火山碎屑密度流将破坏动物躯体的完整性,或者将其烧毁或者摔烂。如果动物远离火山口,则等到火山碎屑密度流与其相遇时,虽然温度降低了,但速度也下降,无法完成进入湖泊的携带距离。
  唯有合适的时间、地点,才可能造就1.2亿年后出土的精美化石。即使携带上了,途中没碰到湖泊也不行,必须满足这一系列的巧合。“这次研究的魅力就在这里,常规来估计,不可能想象到白垩纪时期热河生物群这里的环境因素如此独特,这种大自然的奇妙安排真是不可思议。”姜宝玉说。
  之前的研究表明,导致庞贝人死亡的火山碎屑密度流温度达到了400摄氏度。与之相比,热河生物群化石中的动物骨骼所遭受的破坏只是表面性的,生物结构保存得相对完整。姜宝玉据此估计,这个温度不会太高,大约在200到300摄氏度。
  姜宝玉解释说:“这个温度所达到的效果就是抽干水分,类似把猪肉或咸鱼放在太阳下暴晒,有机物和水分迅速蒸发,微生物对于动物遗体的分解能力因而减弱,有利于特异埋藏。火山碎屑密度流在接触到生物时,温度恰好,既能快速风干,保存软体组织,又没有烧焦它。”迄今已经在《自然》杂志发表30篇左右论文的徐星称许这一研究:“通过翔实、可靠的数据证实了火山碎屑密度流这样一种生物致死及搬运的猜测,这一解释从而成为热河生物群化石特异埋藏的主流解释。”
孔子鸟化石(距今1.25亿~1.11亿年)

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分类:09期 | 标签: | 204 views