高精度年代学和沉积学揭示白垩纪热河生物群化石特异埋藏原因

中国东北地区早白垩世义县组保存了令人惊叹的特异埋藏化石，这为了解白垩纪陆地生态系统的演化提供了独一无二的证据。这里的化石一部分保存在层状湖相地层中，呈扁平状，保存了良好的软组织，包括羽毛和颜色等；另一部分是保存在块状和较粗粒河流相地层中的三维骨骼化石，呈生前姿势。这些化石的沉积特征、绝对年龄以及化石特异埋藏原因，已争论近半个世纪。

近期，中国科学院南京地质古生物研究所研究员沙金庚（退休）、副研究员房亚男与美国哥伦比亚大学、中国科学院古脊椎动物和古人类研究所、南非金山大学等单位学者合作，对辽西义县组露头和岩心进行了高精度的锆石U-Pb年代学、地层学和沉积学研究。结果表明义县组特异埋藏化石是早白垩世大陆生态系统中正常生死现象的短暂快照。相关研究成果于2024年11月5日在线发表于《美国科学院院报》（PNAS）上。

本研究取得的主要成果如下：

1、义县组陆家屯段三维恐龙化石保存层与尖山沟段湖相地层非同期异相。

长期以来，辽西保存有三维骨骼化石的陆家屯段地层被认为是保存有扁平状化石组合的尖山沟段深湖相地层的同期异相地层。研究团队在辽西四合屯-黄半吉沟地区获得的包含完整的义县组下段地层的黄半吉沟1号井岩心是检验这个假说的关键。研究团队对黄半吉沟1号井和相应的野外露头进行了详细的地层学研究，并系统采集了其中的火山碎屑岩和火山灰，进行了高精度的锆石U-Pb化学溶蚀电离质谱法（CA-ID-TIMS）定年，其结果显示尖山沟段深湖相地层覆盖于陆家屯段河流相地层之上，四合屯-黄半吉沟地区的下义县组地层持续时间不超过~9.3万年。

2、尖山沟段深湖相地层仅与两个岁差周期一致，与偏心率无关。

本研究显示尖山沟段沉积时间非常短，不超过~9.3万年，对应沉积速率不低于~136.7cm/kyr。这比之前估计的沉积速率高一到两个数量级。尖山沟段两层主要的富含化石层（安家沟层和横道子层）对应湖水最深时，常年具有化学分层。最新的年龄模型和时间序列分析发现，这两层化石丰富层可能对应于岁差调制的气候最湿润期。除万年级的轨道周期外，超高的沉积速率也使得尖山沟段保存了千年级别的亚轨道周期或太阳活动周期。

3、三维恐龙骨骼化石始于突然的洞穴坍塌而非火山灾难。

陆家屯段恐龙动物化石呈现睡眠或其它正常生活行为（如捕食）姿势，巢穴中众多的幼体聚集及它们柔和的睡眠姿势和缺乏滚动、挤压和骨折等证据否认了它们死于强烈的火山泥流，而是埋藏于洞穴坍塌：

（1）洞穴筛网。洞穴本身很难保存，但是坍塌的洞穴墙壁类似筛子，将细粒的沉积物过滤到被埋藏的动物身上。研究团队对骨骼化石的基质和外围的沉积物分别进行了激光粒度分析，结果与“洞穴筛网”一致，化石外围的沉积物粒度是化石基质粒度的三到六倍粗。