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恐龍時代的“龐貝城”：火山噴發與化石埋藏

火山


恐龍時代的“龐貝城”：火山噴發與化石埋藏

2014年1月14日，印尼錫納朋火山再度大爆發
恐龍時代的“龐貝城”：火山噴發與化石埋藏

南京大學地球科學與工程學院副教授姜寶玉
恐龍時代的“龐貝城”：火山噴發與化石埋藏

孔子鳥化石（距今1.25億~1.11億年）
（）據三聯生活周刊（王瓏錕、阿潤）：1.2億年前 ， 熱河生物群的火山碎屑密度流裹挾恐龍奔向湖泊，恰當的溫度、速度與路線，才可能留下一塊完美的化石 。
記得美劇《生活大爆炸》風格俏皮的主題曲嗎？歌詞在提及恐龍時這樣寫道：“恐龍天數已盡，它們嘗試跳躍，但是太晚了，它們都死了 。”的確如此，面對最高時速700公里、最高溫度可達1000攝氏度的火山碎屑密度流（Pyroclastic Density Currents） ， 恐龍們無處遁逃 。最起碼在距今1.2億年前熱河生物群的區域內，恐龍的死亡、遺體搬運與化石完美保存很多情況下與火山碎屑密度流緊密相關，這得到了中美學者最新研究的證實 。
2月5日 ， 《新證據表明火山碎屑密度流導致了熱河生物群的特異埋藏》一文發表在英國《自然·通訊》雜志上 。這篇論文的第一作者、南京大學地球科學與工程學院副教授姜寶玉在向本刊采訪人員談及研究的重要性時說：“我們解釋了熱河這樣一個非常重要生物群的形成模式 ?！薄犊茖W》、美國《國家地理》等數十家國際知名媒體幾乎同時在科學版顯著位置上報道了這一成果 。
姜寶玉說，火山碎屑密度流是火山爆發時形成的一種微細火山灰（塵）和巖漿氣組成的高速炙熱流體 。簡單理解 ， 就是氣浪加上火山灰 。火山碎屑密度流是火山爆發后造成傷亡最大的方式 。20世紀至今，保守統計70%以上的火山爆發導致的人類死亡由其造成 。而姜寶玉團隊通過在化石及圍巖中發現的證據，證實這些中生代陸生脊椎動物同樣是被炙熱的火山碎屑密度流殺死并攜帶到湖泊中快速掩埋起來的 。
這篇論文的作者之一、中國科學院古脊椎動物與古人類研究所研究員周忠和院士告訴本刊采訪人員：“一些媒體對我們的報道有誤解，以為我們一篇論文解決了一個問題，以為熱河生物群的恐龍都是這樣一種死亡、埋藏模式 。其實不是那么簡單，除了火山碎屑密度流，其他不同埋藏類型也還很多 。任何科學理論本質都是一種假說，這篇文章也是一種假說 ， 我們為這假說找到了證據 ， 并不是排他的 。”
作為享譽世界的中生代珍稀古生物化石聚集地區，熱河生物群被稱為“世界古生物化石寶庫” 。狹義的熱河生物群的范圍覆蓋遼寧西部、河北北部、內蒙古東南部的這一地區 。這里的化石不僅種類豐富 ， 包括恐龍、鳥類、早期哺乳動物、翼龍、兩棲類等，更加為人稱道的是其“特異埋藏” 。姜寶玉告訴本刊采訪人員：“這通常指動物骨骼信息與軟體組織信息都保存完整的化石埋藏，例如羽毛狀皮膚衍生物和皮膚印痕等軟體組織，看上去十分精美 ?！?br /> 【恐龍時代的“龐貝城”：火山噴發與化石埋藏】周忠和告訴本刊采訪人員：“在這之前，大家猜測恐龍等動物的死亡和埋藏肯定是和火山有關系，但是具體有多大關系我們不知道 。”英國布里斯托大學的古生物學者邁克爾·本頓（Michael Benton）如此評價：“姜的團隊證明了這種猜測，即火山碎屑密度流對于熱河生物群中動物的死亡、搬運、完美保存所起到的作用，拿出了令人信服的解釋 ?！?br /> 致死因素
“我們用酸把包括圍巖在內的化石標本分解成顆粒，發現火山玻璃的形態保存得非常好 。最接近恐龍身體的一層沉積物就是火山灰，說明其死于一次或者多次的火山噴發事件，而且首先是被火山灰埋住的 ?！苯獙氂窀嬖V我們 。
熱河生物群內不少恐龍和鳥類的死亡與意大利龐貝古城的遇難者有著驚人的相似 。鄰近那不勒斯的龐貝曾經是古羅馬的第二大城市 。公元79年，由于10公里外的維蘇威火山大爆發 ， 這里一夜之間被火山灰掩埋 ?！岸鄶店懮棺祫游锘汲嗜瓝羰譅畹淖藙?，它們肘部彎曲，腕部收縮，脊椎微微向前凸，頸椎向后凸 。這與人們高溫下死后肌肉和韌帶收縮所形成的姿勢相像 。肌肉收縮的姿勢這個問題，困擾我們很久，直到跟火山爆發后的人類姿勢做對比，才想到了這樣解釋 ?！?br /> 在熱河生物群的北票四合屯，有非常著名的鳥化石層 。這個層面上，有大約數千只鳥的化石 ， 最密集的地方，一兩平方米就有一只鳥 。連當地農民都知道，發現一只鳥之后，只要沿著它的頭尾方向，走幾步就會發現另一個 。這種頭尾朝東西方向的排列，非常有規律，中國科學院古脊椎動物與古人類研究所研究員汪筱林在發表于上世紀末的文章中就提到過這個現象 。鳥化石的定向排列與遭遇火山碎屑密度流的遇難者的排列方式一致 。火山碎屑密度流是很高速的流體 ， 會像龍卷風一樣 ， 把人卷進去 ， 所以當速度減弱 ， 到達露天的空曠地帶，遇難者遺體順著同一個穩定的方向排列 。
“這種東西溫度太高，流速太快，很多人躲在汽車里、房子里都躲不過去 。傳統認為，火山碎屑密度流使生物窒息死亡，因為里面氧氣含量非常低，以硫化氫、二氧化硫為主 。最近意大利的火山學家通過做實驗，認為致命的關鍵因素是高溫而非窒息 。當然這個觀點存在一些爭議 ， 因為致死過程相當復雜，但就火山碎屑密度流而言，高溫致死成為主流觀點 。如果窒息死亡，會有一些掙扎的動作，但是相當比例的尸體，幾乎沒有這些反應，比如說有人在喝水，有人在思考，沒有任何反應的時候就死掉，極為迅速 。”姜寶玉告訴本刊采訪人員 。
美國賓夕法尼亞大學古人類學家珍妮特·蒙赫（Janet Monge）致力于研究龐貝古城中挖掘出的人類遺體 。他說姜團隊的研究極具說服力：“他們在化石標本上發現的骨骼裂隙，非常特別，一種與極高溫度有關的典型裂隙 ， 我在龐貝案例之外從未見過這種類型 ?！?br /> “這是一種非常微細的十字形交叉的裂隙，并非由壓力造成，而是由于高溫加熱之后 ， 有機物蒸發導致的骨骼收縮形成的 。在化石中，可以看到動物骨骼表面有一些波浪形的凹坑 ， 而正常死亡的骨骼不會出現這種東西，邊緣相對平緩 。這種不對稱的波浪狀的侵蝕 ， 我們解釋為熱侵蝕 。”姜寶玉向本刊解釋說 。
實際上，這樣的裂隙最先從哈弗斯系統（Haversian system）開始往外裂 。正常的哈弗斯系統是圓孔狀的骨結構，神經、血管從這里通過 。它的周圍有片狀層，掃描出來就是一圈一圈的黑點 ， 向外層輸送營養 。研究者發現，在一些標本中，這些周圍黑點減少了，甚至再往外基本沒有了 。姜的團隊這樣解釋：蛋白質有機物等受高溫作用而蒸發，當溫度達到200到300攝氏度，磷灰石（骨骼主要成分）就開始重結晶，原來的生物結構就不見了 。這種情況同樣與龐貝遇難者身體上發生的骨骼蝕變一致 。
搬運能力
周忠和告訴本刊采訪人員：“以前還有一種解釋偏向于火山噴發后的毒氣導致恐龍死亡，但是我心里有疑問，陸地上生活的恐龍 ， 在哪里毒死就應該就地死亡 ， 為什么會大批地在水中出現呢？這一次的解釋解決了搬運的問題 。”
美國自然歷史博物館的古生物學家馬克·諾雷爾（MarkNorell）說，火山噴發的氣浪將動物遺骸帶入湖泊的猜想也已經討論數年了 。在其他地方，骨骼化石被沖散、摔碎甚至消失 。而在熱河，動物骨骼卻在搬運過程中依然完好 。湖泊的快速埋藏對于化石形成十分關鍵 。在火山碎屑密度流搬運動物遺體過程中 ， 恰好將其中一部分搬運到了湖泊里，從而幸運地埋藏起來 。
“之前有人猜測火山碎屑密度流會殺死生物，但沒有人想象到它的攜帶能力如此強 。例如 ， 它可以抓起汽車，沖到幾十米之外 。再比如，印尼爪哇島上曾有一座火山噴發，火山碎屑密度流穿過了海面 ， 在海里扔下了沉積物之后 ， 到達40公里以外，又在另一個島上造成了人員傷亡 。這種攜帶能力，簡單理解 ， 就像龍卷風把人裹挾到數百米之外一樣 ?！苯獙氂窀嬖V本刊采訪人員 。
1902年，在位于加勒比海東部的法國領地馬提尼克島上，培雷火山噴發 。在這場不到3分鐘的災難中 ， 大約3萬人死亡，據說僅有3人生還 。有傷者事后回憶，當時的氣浪太快，溫度太高，他們第一時間沒有任何反應 ， 一聲巨響之后 ， 就昏迷了 。在當時的圣皮埃爾城 ， 4噸多重的紀念塑像被挪走，290噸重的燈塔也被推倒 。據稱，這次火山噴射出的能量達到廣島原子彈爆炸時的40倍 。
在這個研究之前，主流觀點認為，恐龍死亡之后被地表水帶到湖泊之中 。但是，地表水在運輸動物遺體的過程中，可能有機物發生分解，浮在水面上冒氣泡，直至腐爛得差不多才沉入水底 。而動物腐爛后，其化石保存難以精美，所以地表水作為熱河生物群化石埋藏主要方式的推測被排除 。同時，射氣巖漿噴發形成的火山碎屑密度流的顆粒非常細 ， 通常小于60微米，因而它形成的沉積物均勻且?。?這都與熱河生物群出產化石的特點十分吻合 。這里化石外層的火山灰一般很薄 ， 厚度在幾十微米到一毫米 。而且，如果經過地表水的搬運，外層形成沉積巖，像泥巖、沙巖這些，而不會是火山灰 。
火山碎屑密度流的攜帶能力緣于它的成因 。并不是每次火山噴發都有火山碎屑密度流，它可以形成，也可以不形成 。通常，火山爆發后，一開始碎屑巖沖噴，幾乎同時火山灰降落 。氣體噴發的力量很大，將火山灰頂到高處，像蘑菇云一樣 。火山噴發柱一般有10公里左右的高度，有的甚至高達40公里，穿過平流層 。當高度繼續攀升，初動力無法支撐龐大的重量，火山噴發柱坍塌下來 ， 氣浪裹挾著火山灰從高處俯沖而下，沿著溝谷或開闊地席卷開去 。
火山碎屑密度流包括兩種 。一種叫火山碎屑流，以火山碎屑為主 。一種叫火山碎屑基浪 ， 以氣體為主，碎屑物很少 。這個研究中的火山碎屑密度流主要指火山碎屑基浪 。姜寶玉團隊所采用的化石均保存于由火山射氣巖漿噴發（Preatomagmatic Eruption）形成的火山碎屑密度流沉積中 ?；鹕缴錃鈳r漿噴發的危害更甚，它由地表水與地下巖漿房相互作用形成 。上面的河或湖等地表水灌入巖漿房，不斷往里注水，不斷汽化 。壓力足夠大的時候，將上面的巖石頂開 。這類似鍋爐爆炸，沒有多少碎屑巖，幾乎全是氣 。
一些研究者曾經為了解火山碎屑密度流付出了生命的代價 。美國羅德島大學的哈拉迪爾·西古德松（Haraldur Sigurdsson）主編了《火山百科全書》，其中記載在1991年5月到1995年2月 ， 日本云仙地區發生過9500次火山密度碎屑流事件 。1991年6月3日下午，法國攝影師莫里斯夫婦（Katiaand Maurice Krafft）、美國火山學家哈利·格里肯（Harry Glicken），以及十幾個采訪人員站在一處山脊上，面對河谷拍攝火山碎屑密度流 。不幸的是，一股火山碎屑基浪突然改變方向 ， 吞沒了他們 。樹木和電線桿被打翻，周邊的木房被推倒 ， 汽車和尸體被拋至80米之外 。
完美保存
化石能夠保存軟體組織信息的地區在世界上鳳毛麟角，除了我國的熱河生物群，還有德國巴伐利亞州的索倫霍芬 。但是 ， 索倫霍芬發掘的化石總數比遼西少得多 。因此，古生物保護專家、《遼西化石新聞大視野》作者張萬連稱熱河生物群“在世界上是獨一無二的” 。中國科學院古脊椎動物與古人類研究所研究員徐星告訴本刊采訪人員：“在白堊紀的熱河生物群 ， 物種豐富、數量繁多、水系發達、湖泊眾多、火山分布廣、噴發頻繁，這些都是基礎的環境因素 ?！?br /> 熱河生物群化石之所以能夠如此精美而完整地保存，得益于多種因素的完美結合 。一方面是特殊的地理環境，另一方面則是埋藏方式 ?！盎鹕剿樾济芏攘鞯囊恍┨匦?，如流速大、高溫低氧、火山灰粒度極細、沉積速率高等 ， 有利于卷入大量遭遇的生物、風干軟體組織和阻止微生物的分解，從而導致大量陸生動物在湖泊中的特異埋藏 ?！苯獙氂窀嬖V本刊采訪人員 。
可以想象，如果動物靠近火山噴發口，溫度極高、湍流疾進的火山碎屑密度流將破壞動物軀體的完整性，或者將其燒毀或者摔爛 。如果動物遠離火山口，則等到火山碎屑密度流與其相遇時，雖然溫度降低了，但速度也下降，無法完成進入湖泊的攜帶距離 。
唯有合適的時間、地點，才可能造就1.2億年后出土的精美化石 。即使攜帶上了，途中沒碰到湖泊也不行，必須滿足這一系列的巧合 ?！斑@次研究的魅力就在這里，常規來估計，不可能想象到白堊紀時期熱河生物群這里的環境因素如此獨特，這種大自然的奇妙安排真是不可思議 ?！苯獙氂裾f 。
之前的研究表明，導致龐貝人死亡的火山碎屑密度流溫度達到了400攝氏度 。與之相比 ， 熱河生物群化石中的動物骨骼所遭受的破壞只是表面性的，生物結構保存得相對完整 。姜寶玉據此估計，這個溫度不會太高，大約在200到300攝氏度 。
姜寶玉解釋說：“這個溫度所達到的效果就是抽干水分，類似把豬肉或咸魚放在太陽下暴曬，有機物和水分迅速蒸發，微生物對于動物遺體的分解能力因而減弱，有利于特異埋藏 。火山碎屑密度流在接觸到生物時，溫度恰好，既能快速風干，保存軟體組織，又沒有燒焦它 ?！逼褚呀浽凇蹲匀弧冯s志發表30篇左右論文的徐星稱許這一研究：“通過翔實、可靠的數據證實了火山碎屑密度流這樣一種生物致死及搬運的猜測，這一解釋從而成為熱河生物群化石特異埋藏的主流解釋 。”