鋯石的秘密：恐龍化石經(jīng)歷了啥，我都知道

7000多萬年前，成千上萬的鴨嘴龍生活于諸城地區(qū)（現(xiàn)屬山東省濰坊市），后來經(jīng)歷了災(zāi)難性的集群死亡，遺骸暴露在野外并腐爛。在泥石流的搬運作用下，這些遺骸分別被匯聚在恐龍澗、臧家莊等低洼處，并被迅速掩埋。

恐龍澗恐龍化石長廊（百分之九十的化石為鴨嘴龍化石）

（圖片來源：作者提供）

遺骸在長時期的成巖作用下，變成了化石。多年后的地殼運動將這些化石暴露于地表，在科學(xué)家們的發(fā)掘下，它們的神秘面紗逐步被揭開。

**新的問題接踵而至，恐龍化石被“搬運”的路線是什么樣的？**年代久遠，這個問題似乎無從查證。然而，鋯石定年法——一種新的測定巖石年齡的方法，為我們揭開了謎團。

鋯石：來自火成巖的寶藏礦物

在了解鋯石定年法之前，讓我們先來看看什么是鋯石。

鋯石是一種硅酸鹽礦物，在各種火成巖（巖漿冷卻后形成的巖石）中作為副礦物產(chǎn)出。它也是提煉金屬鋯的主要礦石。鋯石的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，經(jīng)常保存于漂砂中，并作為碎屑物出現(xiàn)于沉積巖和沉積變質(zhì)巖中。

紅色鋯石（圖片來源：維基百科）

鋯石有很多種，不同的鋯石會有不同的顏色，包括白色、橙色、褐色、綠色或無色透明等等，經(jīng)過切割后的寶石級鋯石很像鉆石。

“鋯石定年法”究竟怎么操作的？

由于鋯石廣泛分布，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因此常被用于“同位素定年法”以測定巖石的年齡。

同位素定年法的基礎(chǔ)是放射性衰變定律，通過測定母體及其衰變產(chǎn)生的子體同位素含量，就可以利用衰變定律算出形成以來的時間，也就是“年齡”。

自然界存在兩類同位素：一類是放射性同位素（母體），它們能夠自發(fā)地衰變形成其它同位素（子體），這一過程叫作放射性衰變。

另一類是穩(wěn)定同位素，它們不自發(fā)地衰變形成其它同位素或由于衰變期長，其同位素豐度變化可忽略不計。放射性衰變都有一定的周期，并且一般不因環(huán)境而改變，這也就是放射性可用于確定年代的原因。

放射性衰變定律是單位時間內(nèi)衰變的原子數(shù)與現(xiàn)存放射性母體的原子數(shù)成正比。

只需要準確測量母/子體同位素比值，就可以計算出該物質(zhì)的年齡。

而“鋯石定年法”就是利用了鋯石中的U和Th同位素衰變成Pb同位素的原理。

鋯石相對富含U和Th等放射性元素，初始幾乎不含Pb，衰變后才會形成Pb，而且鋯石抗侵蝕能力也非常強，所以是定年的最佳礦物，被廣泛用于確定各種高級變質(zhì)作用峰期年齡和巖漿巖結(jié)晶年齡，為區(qū)域構(gòu)造巖漿活動提供年代信息。

近年來，研究人員利用鋯石中豐富的年齡信息，再結(jié)合盆地周圍的母巖特征，可以明確凹陷內(nèi)不同時期的物源，即沉積區(qū)沉積巖的物質(zhì)來源。

在一個沉積盆地中，同一物源所供給的砂體中鋯石的年齡組合必定相同，而不同物源供給砂體中鋯石的年齡組合存在著明顯的差異。

通過測定沉積盆地內(nèi)沉積物單顆粒鋯石的U—Pb年齡譜，能有效地示蹤源區(qū)背景、性質(zhì)，獲取盆地沉降與重要構(gòu)造時間之間的內(nèi)在聯(lián)系。

判斷諸城恐龍化石層物源，鋯石定年法大顯身手

山東地區(qū)中部以郯廬斷裂帶為界，分割為魯東、魯西兩部分。膠萊盆地位于郯廬斷裂帶東側(cè)的魯東地區(qū)，盆地的東南部為蘇魯?shù)伢w，北部為膠北地體。

“諸城凹陷”就位于膠萊盆地南部，盆地內(nèi)主要發(fā)育白堊紀至新生代地層。白堊系由下至上主要為下白堊統(tǒng)萊陽群、青山群和上白堊統(tǒng)王氏群組成，其中上白堊統(tǒng)王氏群紅土崖組為恐龍化石埋藏的主要層位，紅土崖組中下部為沖積扇—辮狀河相的砂、礫巖互層，在泥石流和洪泛平原沉積之中埋藏有大量的恐龍骨骼化石。

山東省巖漿巖分布與諸城地區(qū)地層出露概況（圖片來源：《地質(zhì)論評》）

2016年，為了深入探究諸城地區(qū)的鴨嘴龍化石，中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所的地質(zhì)專家安偉、曠紅偉、柳永清等從庫溝--恐龍澗、臧家莊、庫溝附近上白堊統(tǒng)王氏群紅土崖組底部恐龍化石層中挑選了含有碎屑鋯石的６個砂巖樣品（大部分鋯石的顆粒呈棱角狀至次棱角狀，說明其并未經(jīng)歷過較長距離的搬運），用于碎屑鋯石定年。

正是這6個砂巖樣品，從多個方面幫助地質(zhì)專家們印證了諸城恐龍化石層的物源。

通過研究證明，諸城地區(qū)王氏群恐龍化石層沉積物的主要物源來自北部萊陽和西北部沂沭斷裂帶的青山群火巖，諸城盆地南緣的青山群火山巖為次要源區(qū)。

證據(jù)一：６個樣品536個碎屑鋯石顆粒中72％的鋯石為中生代年齡，且與青山群的火山巖年齡以及南北部花崗巖年齡較為一致。

證據(jù)二：王氏群含化石層礫巖中的礫石組分幾乎全為火山巖、火山碎屑巖成分，而青山群也是火山巖成分，排除南北部花崗巖是物源區(qū)的可能。

證據(jù)三：諸城王氏群恐龍化石層整體上古水流主要來自北、西北方向，少量來自南部。青山群火山巖在山東主要分布于北部萊陽地區(qū)，諸城南部和沂沭裂谷帶少量分布，魯西零星分布。

而且，北側(cè)萊陽地區(qū)的晚白堊世王氏群紅土崖組中保存的大量恐龍骨骼化石和諸城地區(qū)的恐龍化石不論是化石類別還是埋藏層位都相似。類別都以鴨嘴龍為主，此外也有角龍、甲龍、虛骨龍、暴龍、蜥腳類恐龍等類別。

諸城恐龍化石埋藏的主要層位和萊陽地區(qū)恐龍化石埋藏的層位相同，都為紅土崖組，且都是沖積扇沉積。形成大型沖積扇的首要條件是造山運動或強烈的塊斷運動，構(gòu)造運動導(dǎo)致了沉積物源區(qū)（膠北地體和萊陽地區(qū)）的剝蝕作用增強和河流能量的提高。尤其當(dāng)抬升速度超過河床下切速度時，更有利于巨厚沖積扇的形成。

根據(jù)諸城地區(qū)王氏群化石層的物源情況和古水流方向，說明晚白堊世王氏群沉積時期，總體上為北高南低的古地貌背景，尤其是北側(cè)萊陽、北西側(cè)的沂沭斷裂帶以及盆地南緣的早白堊世的青山群火山巖可能遭受構(gòu)造抬升形成剝蝕區(qū)，從而為晚白堊世王氏群恐龍化石層沉積提供物源。

山東諸城地區(qū)王氏群恐龍化石層沉積物源圖（１—沉積區(qū)；２—恐龍化石；３—郯廬（郯城—廬江）斷裂；４—物源方向；５—古剝蝕區(qū)；６—古水流；７—礫石組分。Ａ—安山巖；Ｂ—凝灰?guī)r；Ｃ—流紋巖Ｄ—玄武安山巖Ｅ—凝灰質(zhì)砂巖Ｆ—凝灰角礫巖）

（圖片來源：《地質(zhì)論評》）

得益于鋯石定年法，這些“可憐”的恐龍遺骸的故事逐漸清晰：晚白堊世末期，地震頻發(fā)，火山活動強烈導(dǎo)致泥石流頻發(fā)，因此沿北側(cè)的膠北地體和萊陽地區(qū)向膠萊盆地方向形成了大量沖積扇、辮狀河相的沉積。在如此惡劣的環(huán)境下，集群死亡的恐龍遺骸受由北而南的洪水或泥石流的沖刷、搬運，最終在諸城地區(qū)被集體埋藏。

滄海桑田，如今已時過境遷，隨著科技的進步和科學(xué)家的努力，讓我們得以探究千萬年前發(fā)生的細枝末節(jié)。

參考文獻：

1.安偉,曠紅偉,柳永清,等.山東諸城晚白堊世王氏群恐龍化石層碎屑鋯石定年和物源示蹤[J]. 地質(zhì)論評, 2016, 62(2): 453-471.

出品：科普中國

制作：孫佳鳳（諸城市恐龍文化研究中心）

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