锆石的秘密:恐龙化石经历了啥,我都知道
发布时间:2021-12-29
出品:科普中国
制作:孙佳凤(诸城市恐龙文化研究中心)
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  7000多万年前,成千上万的鸭嘴龙生活于诸城地区(现属山东省潍坊市),后来经历了灾难性的集群死亡,遗骸暴露在野外并腐烂。在泥石流的搬运作用下,这些遗骸分别被汇聚在恐龙涧、臧家庄等低洼处,并被迅速掩埋。

  

  恐龙涧恐龙化石长廊(百分之九十的化石为鸭嘴龙化石)

  (图片来源:作者提供)

  遗骸在长时期的成岩作用下,变成了化石。多年后的地壳运动将这些化石暴露于地表,在科学家们的发掘下,它们的神秘面纱逐步被揭开。

  新的问题接踵而至,恐龙化石被“搬运”的路线是什么样的?年代久远,这个问题似乎无从查证。然而,锆石定年法——一种新的测定岩石年龄的方法,为我们揭开了谜团。

锆石:来自火成岩的宝藏矿物

  在了解锆石定年法之前,让我们先来看看什么是锆石。

  锆石是一种硅酸盐矿物,在各种火成岩(岩浆冷却后形成的岩石)中作为副矿物产出。它也是提炼金属锆的主要矿石。锆石的化学性质稳定,经常保存于漂砂中,并作为碎屑物出现于沉积岩和沉积变质岩中。

  

  红色锆石(图片来源:维基百科)

  锆石有很多种,不同的锆石会有不同的颜色,包括白色、橙色、褐色、绿色或无色透明等等,经过切割后的宝石级锆石很像钻石。

“锆石定年法”究竟怎么操作的?

  由于锆石广泛分布,化学性质稳定,因此常被用于“同位素定年法”以测定岩石的年龄。

  同位素定年法的基础是放射性衰变定律,通过测定母体及其衰变产生的子体同位素含量,就可以利用衰变定律算出形成以来的时间,也就是“年龄”。

  自然界存在两类同位素:一类是放射性同位素(母体),它们能够自发地衰变形成其它同位素(子体),这一过程叫作放射性衰变。

  另一类是稳定同位素,它们不自发地衰变形成其它同位素或由于衰变期长,其同位素丰度变化可忽略不计。放射性衰变都有一定的周期,并且一般不因环境而改变,这也就是放射性可用于确定年代的原因。

  放射性衰变定律是单位时间内衰变的原子数与现存放射性母体的原子数成正比。

  只需要准确测量母/子体同位素比值,就可以计算出该物质的年龄。

  而“锆石定年法”就是利用了锆石中的UTh同位素衰变成Pb同位素的原理。

  锆石相对富含UTh等放射性元素,初始几乎不含Pb,衰变后才会形成Pb,而且锆石抗侵蚀能力也非常强,所以是定年的最佳矿物,被广泛用于确定各种高级变质作用峰期年龄和岩浆岩结晶年龄,为区域构造岩浆活动提供年代信息。

  近年来,研究人员利用锆石中丰富的年龄信息,再结合盆地周围的母岩特征,可以明确凹陷内不同时期的物源,即沉积区沉积岩的物质来源。

  在一个沉积盆地中,同一物源所供给的砂体中锆石的年龄组合必定相同,而不同物源供给砂体中锆石的年龄组合存在着明显的差异。

  通过测定沉积盆地内沉积物单颗粒锆石的U—Pb年龄谱,能有效地示踪源区背景、性质,获取盆地沉降与重要构造时间之间的内在联系。

判断诸城恐龙化石层物源,锆石定年法大显身手

  山东地区中部以郯庐断裂带为界,分割为鲁东、鲁西两部分。胶莱盆地位于郯庐断裂带东侧的鲁东地区,盆地的东南部为苏鲁地体,北部为胶北地体。

  “诸城凹陷”就位于胶莱盆地南部,盆地内主要发育白垩纪至新生代地层。白垩系由下至上主要为下白垩统莱阳群、青山群和上白垩统王氏群组成,其中上白垩统王氏群红土崖组为恐龙化石埋藏的主要层位,红土崖组中下部为冲积扇—辫状河相的砂、砾岩互层,在泥石流和洪泛平原沉积之中埋藏有大量的恐龙骨骼化石。

  

  山东省岩浆岩分布与诸城地区地层出露概况(图片来源:《地质论评》)

  2016年,为了深入探究诸城地区的鸭嘴龙化石,中国地质科学院地质研究所的地质专家安伟、旷红伟、柳永清等从库沟--恐龙涧、臧家庄、库沟附近上白垩统王氏群红土崖组底部恐龙化石层中挑选了含有碎屑锆石的6个砂岩样品(大部分锆石的颗粒呈棱角状至次棱角状,说明其并未经历过较长距离的搬运),用于碎屑锆石定年。

  正是这6个砂岩样品,从多个方面帮助地质专家们印证了诸城恐龙化石层的物源。

  通过研究证明,诸城地区王氏群恐龙化石层沉积物的主要物源来自北部莱阳和西北部沂沭断裂带的青山群火岩,诸城盆地南缘的青山群火山岩为次要源区。

  证据一:6个样品536个碎屑锆石颗粒中72%的锆石为中生代年龄,且与青山群的火山岩年龄以及南北部花岗岩年龄较为一致。

  证据二:王氏群含化石层砾岩中的砾石组分几乎全为火山岩、火山碎屑岩成分,而青山群也是火山岩成分,排除南北部花岗岩是物源区的可能。

  证据三:诸城王氏群恐龙化石层整体上古水流主要来自北、西北方向,少量来自南部。青山群火山岩在山东主要分布于北部莱阳地区,诸城南部和沂沭裂谷带少量分布,鲁西零星分布。

  而且,北侧莱阳地区的晚白垩世王氏群红土崖组中保存的大量恐龙骨骼化石和诸城地区的恐龙化石不论是化石类别还是埋藏层位都相似。类别都以鸭嘴龙为主,此外也有角龙、甲龙、虚骨龙、暴龙、蜥脚类恐龙等类别。

  诸城恐龙化石埋藏的主要层位和莱阳地区恐龙化石埋藏的层位相同,都为红土崖组,且都是冲积扇沉积。形成大型冲积扇的首要条件是造山运动或强烈的块断运动,构造运动导致了沉积物源区(胶北地体和莱阳地区)的剥蚀作用增强和河流能量的提高。尤其当抬升速度超过河床下切速度时,更有利于巨厚冲积扇的形成。

  根据诸城地区王氏群化石层的物源情况和古水流方向,说明晚白垩世王氏群沉积时期,总体上为北高南低的古地貌背景,尤其是北侧莱阳、北西侧的沂沭断裂带以及盆地南缘的早白垩世的青山群火山岩可能遭受构造抬升形成剥蚀区,从而为晚白垩世王氏群恐龙化石层沉积提供物源。

  

  山东诸城地区王氏群恐龙化石层沉积物源图(1—沉积区;2—恐龙化石;3—郯庐(郯城—庐江)断裂;4—物源方向;5—古剥蚀区;6—古水流;7—砾石组分。A—安山岩;B—凝灰岩;C—流纹岩D—玄武安山岩E—凝灰质砂岩F—凝灰角砾岩)

  (图片来源:《地质论评》)

  得益于锆石定年法,这些“可怜”的恐龙遗骸的故事逐渐清晰:晚白垩世末期,地震频发,火山活动强烈导致泥石流频发,因此沿北侧的胶北地体和莱阳地区向胶莱盆地方向形成了大量冲积扇、辫状河相的沉积。在如此恶劣的环境下,集群死亡的恐龙遗骸受由北而南的洪水或泥石流的冲刷、搬运,最终在诸城地区被集体埋藏。

  沧海桑田,如今已时过境迁,随着科技的进步和科学家的努力,让我们得以探究千万年前发生的细枝末节。

参考文献:

  1.安伟,旷红伟,柳永清,.山东诸城晚白垩世王氏群恐龙化石层碎屑锆石定年和物源示踪[J]. 地质论评, 2016, 62(2): 453-471.

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