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“植物庞贝城”之谜(上)
http://www.100md.com 2013年3月1日 《百科知识》 2013年第5期
     造就“植物庞贝城”的火山的喷发,可能就是一天或几天的时间,而且是一次连续事件,不是喷发后停下来然后又喷发。但是,这个地区的火山不是一次喷发后就不再喷发了。我们从地质剖面中能辨别出的喷发先后有大约8次。

    《百科知识》:火山灰应该是非常炙热的,它们不会把植物烧死吗?怎么还可能有化石留下来?

    答:火山灰确实是烫的,植物的枝干会被烧成炭,枝干的上半部分也会倒下来,散落在主干边。树干的基部就被埋到滚烫的火山灰中了。这些火山灰慢慢会把树木烫焦,所以,我们在现场看到,有些植物的主干站立不住就倒下去了。这种证据在乌达非常常见。如果是比较低矮的植物如小草等,就直接被埋起来了。这些植物被烧死后,遗体、遗迹被埋在了火山灰内保存下来,也就成为化石。

    追寻:遗失的天堂

    20世纪80年代,研究所里的吴秀元老师去贺兰山地区进行野外考察。一天中午在野外吃饭时,他随手在身边捡起一块石头,仔细一看,竟是块精美的瓢叶目植物化石。1997年,化石被赠送给了还在从事博士后研究工作的王军,因为他的研究方向就是瓢叶目植物。这个标本成了他的博士后出站论文的基础材料。
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    标本大小不过2厘米,是矿化立体保存的瓢叶目的球果。如果真的把它的解剖做透了,就能解决瓢叶目的分类问题,让人们清楚地认识这种植物。但标本实在太小了,在当时的技术水平下根本没有办法开展深入研究。王军意识到,他必须返回贺兰山寻找更多的化石标本。

    于是,一场与乌达的结缘之旅就此展开,一座在地下沉睡了3亿年的植物世界也渐渐显露出真容。

    《百科知识》:乌达是怎样被发现的?

    答:当时为了找瓢叶目的化石,我们几乎走遍了整个贺兰山,乌达只是其中一个地方。但只有乌达的标本又多又好。就这样,从1999年到2003年,每年我都去乌达一个月左右,这些年找到的化石都堆不下了。不过当时并未意识到它和火山喷发有什么关系。直到2003年,我同一位美国专家又去了乌达,才意识到应该是火山喷发造成的:因为煤田被挖开后,我第一次见到了植物直立茎干的化石,而且每隔3~5米就能发现一个,非常密集,在茎干化石的周围还散落着很多枝叶化石,我们很容易就能辨别出它们的种类。通常情况下,化石中的植物都是躺着的,乌达的化石却是“站着”的。我们开始怀疑,这里很可能像庞贝城一样瞬间被埋藏,凝固起来。
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    随后经过切片检查,证明确实是火山凝灰岩,这时才意识到里面大有文章可做。也算是从瓢叶目引出的一个宝藏,而且里面的确有很多瓢叶目植物化石。

    《百科知识》:乌达的“植物庞贝城”处在地层的什么位置?周围构造是怎样的?

    答:通过这些挖掘现场照片,你可以看到,化石是在两层煤的中间,火山凝灰岩的上面是煤,下面还是煤。我国华北地区大量的煤都要“归功”于与这个“植物庞贝城”类似的成煤沼泽森林。为揭开它的真实面貌,我们把压在火山凝灰岩上面的泥土、石头等一一掀掉。当山顶全部揭掉后,就露出了底下的化石层。

    《百科知识》:地球上还有类似乌达的“植物庞贝城”吗?

    答:如果不计地质时代,类似火山这种保存的,已经发现的有五六个,但这是跨不同地质时期的,比如美国的一个是白垩纪时期的。
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    石炭-二叠纪时,乌达的火山凝灰岩植物群(植物庞贝城)这种类似的保存方式,最典型的有两个:其中一个位于德国萨克森州。但那里的植物化石被深埋在数百米的地下,所以尽管它的面积不小,但没有办法开展群落调查,只能是矿工拣到什么,人们就研究什么。所以,德国萨克森的研究侧重植物分类方面,即:了解群落中有哪些植物,但人们不清楚这些植物是如何组合分布的,也不知道其生态关系如何。

    另外一个在捷克,是在晚石炭世,尽管比乌达早了几百万年,也还算是比较接近的。但捷克的那处研究规模偏小,他们累计进行的复原研究不过200多平方米。根据现代生态学的研究规律,研究现代生态群落规模至少要有250~500平方米以上面积。捷克的研究这十多年来只是比较零星在做,没有进行整合。实际上,他们的学术价值和乌达是一样的。

    除了这些,还有一些保存是依靠火山熔岩流。植物中有一部分会被烧掉,另有一部分被埋藏后,与岩石互相交代形成矿化材料,那也是很好的标本。但因为被熔岩流裹挟,多少有些移动、冲刷,位置发生了改变。
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    真正依靠火山灰把其覆盖保存的,和乌达很相近的就是德国萨克森州的那处。

    《百科知识》:乌达这里的地质定年最后是多少?是依据什么技术手段确定的?

    答:通过对火山凝灰岩内锆石的同位素定年,最终确定这里的准确时间是在2.98亿年,很接近石炭纪和二叠纪的界线。锆石定年是目前最精确的定年方法,但也有一定的误差,这个误差是10万年。而这样的误差对于地质年龄来说已经很小了。

    复原:让3亿年前的森林站起来

    乌达煤田,位于黄河几字形以西50千米,南北长10千米,东西2千米。这个方圆20平方千米的范围内就是“植物庞贝城”的所在。在现场,王军和他的研究团队成员小心地把化石标本敲打出来。每敲出一块,是什么种类的植物、具体方位在哪里等等,都要做好标记。根据标记,他们可以准确定位化石的位置,知道化石周围都有些什么植物。这种类似于现代考古的埋藏学方法被借用过来。1000多平方米面积的森林面貌由此被三维重建,完整的森林结构包括群落组成、密度分布、分层结构等等,一一呈现出来。经过几年的努力,这个约3亿年前的植物森林得以“复活”,世界上第一张大面积远古森林实际复原图诞生了。
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    《百科知识》:什么是复原?

    答:迄今,人们所看到的地球远古复原图都是人们想象出来的,就是所谓的概念性复原,存在着巨大的时间和空间误差。

    绝大多数情况下,植物化石虽然在A地被发现,但并不是说,它原来就生长在A地,而是被从它原来生长的地方经过冲刷、搬运过来埋藏在A地的。这样就在空间上造成了极大的误差。另外,在时间上,比如2.99亿年前至2.51亿年前是古生代的二叠纪,此时是蕨类植物唱主角的时期,这个时间跨度近5000万年。那么,在同一个地质剖面上的不同层位上如果发现了相同种类的植物化石,我们说不准它们是否生长在同一时期,因为层位跨度较大的植物化石有可能相差百万年甚至千万年。这就给我们研究植物生长的时期、地域、群落关系等造成了很大困难。所谓的复原也有着较大的模糊性。

    我们在乌达所作的与此不同,是实际复原。

    《百科知识》:实际复原是怎么回事?目前的复原进展如何?
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    答:由于乌达的这种火山凝灰岩形式非常有利于保存植物,各植物没有被搬运、冲刷,留在原地。所以我们能够采用一些方法恢复它们原始的状态。

    通过绘制复原图,我们可以看到约3亿年前生长在这里的森林的场景。这就是实际复原。根据复原图,人们可以了解到这里有些什么植物类型,群落中植物生长的具体位置、树间间隔、分层结构等,告诉人们在当时的群落中,什么植物占统治地位,什么植物是次要的。

    从2005年到2012年阶段性成果发布,我们做了1137平方米面积的复原。论文去年在《美国科学院院刊》上发表以后,我们借用现代考古方法,采用高精度技术,新复原了270平方米左右。这种精度也是目前古植物复原的最高精度。加上原来所做的,复原总面积是1400平方米左右。这种大面积的陆地植被景观实际复原在世界上也是第一次。

    本文配图见中插

    【责任编辑】赵 菲

    专家简介

    王军博士,中国科学院南京地质古生物研究所研究员,博士生导师,古植物学与孢粉学研究室主任,国际古植物学会常委,国际地层委员会石炭纪分会通讯委员,中国古生物学会理事,中国古生物学会古植物学分会理事、秘书长。主要从事石炭纪、二叠纪古植物和陆相地层研究。近年来开展了古植物埋藏学、生态学和系统古生物尤其是瓢叶目植物的系统分类学研究。, http://www.100md.com(本刊记者)
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