北京周口店上元古界田园洞的发现与环境意义

北京周口店上元古界田园洞的发现与环境意义

60.25km（深海氧同位素第三阶段）是寒冷干燥的末次冰期中一个相对湿润的小冰阶。国内外考古发现和研究显示,世界各地这一时期人类活动十分活跃,不仅遗址和地点数量分布广泛、数目众多,而且人类文化也出现了显著的进步和变革。同时,该年代段也是中国乃至东亚现代人起源和演化的关键时期。近年来,学者们开始关注MIS3阶段气候变化和人类演化及文化演进之间的关系,试图阐释更新世晚期现代人演化和技术发展的环境背景。周口店地区是我国乃至世界上著名的古人类化石产地之一,也是我国北方第四纪洞穴地层的经典地区。自20世纪20年代以来,周口店不仅是研究和解决东亚地区古人类起源、演化和现代人起源及石器技术发展的重要区域,同时也是探讨中国北方中更新世以来古人类活动和环境关系的经典地区。田园洞位于北京市房山区周口店镇西南黄山店村的田园林场,地理坐标为30°39′28″N、115°52′17″E,海拔约174.5m(图1)。该遗址发现于2001年6月,2003—2004年间,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的同号文研究员曾带队对该洞穴进行两次系统发掘,共出土古人类化石34件、哺乳动物化石39种,从而使田园洞成为周口店地区半个多世纪以来首次在遗址群外围发现的古人类化石地点。近年来的研究表明,古人类在该遗址活动的时间比山顶洞人早1万年左右,年代大约为40~38.5kaBP,这是迄今在欧亚大陆东部所测出的最早的现代型人类遗骸。田园洞洞穴地貌部位清楚,地层保存完好,动物化石和古人类化石属原地埋藏。古人类在该遗址活动的时间恰好对应于深海氧同位素第3阶段(MIS3)。本文通过对田园洞堆积物哺乳动物群、磁化率、黏土矿物和氧化物等的分析与测试,重建当时人类的生存环境,探讨北京乃至华北地区MIS3阶段人类活动的环境背景。1结构及层位分析田园洞发育于中元古界蓟县系碳酸盐岩地层内,洞口外为一长25m、宽5m的岩厦,高3~8m,走向325°~145°。洞口宽5.5~6m,高2.5~3m,洞口开口方向30°左右。洞内顶部钙板层距顶部围岩0~4m,岩溶仍在进行,目前洞口堆积物距顶部围岩高度不足2m。洞内堆积物可分为4层,分布见图2。田园洞洞穴和山顶洞类似,均为垂直类型的溶洞,非地下水面附近发育的水平型溶洞。田园洞和山顶洞的堆积物很相似,主体堆积均为未胶结的含亚黏土的角砾堆积,且石化程度较浅。作者对田园洞洞顶和洞壁围岩以及洞内角砾和未完全固结的细颗粒碎屑物进行了岩石矿物鉴定,结果显示其成分一致,角砾表面溶蚀现象较少,推测该洞穴主体堆积物为沿层面和构造裂隙面溶蚀,在重力作用下崩塌充填而成,角砾内充填的细颗粒物质应为围岩角砾机械风化和表面溶蚀所致,其充填过程大致经历了洞穴发育期—快速堆积期—稳定沉积期—充填完成期4个阶段。对田园洞堆积物不同层位14C年代测定结果表明,洞穴大致在42kaBP前就开始溶蚀发育,其快速充填应在35~40kaBP前,而后进入稳定的充填阶段,至大约4670~6025aBP前的全新世,洞穴充填基本完成,而后进入顶层钙板的发育期。发掘发现,动物化石在1—4层均有分布,而古人类主要活动于快速充填阶段的第3层。2环境指标分析2.1结构动物种类田园洞遗址总计发现有39种动物化石,在1—4层堆积中均有不同程度分布。动物种类在不同层位的差异性为我们根据遗址动物群分析遗址古环境提供了较好基础。在田园洞4层堆积物中,从下(早)往上(晚),动物成员出土种类(表1)分别为:第4层,仅有2种动物,没有典型的东洋界动物种类;第3层,有25种动物,发现有沟齿鼯鼠、无颈鬃豪猪、最后斑鬣狗3种东洋界典型动物;第2层,发现8种动物,有2种东洋界典型动物;第1层,发现27种动物,有6种东洋界典型动物和喜暖性动物。田园洞的动物分层差异情况,使我们可以从两方面讨论各层之间的气候特点。(1)动物群面相对单调动物地理与生态学研究表明,在某一个地区,当气候较为温暖、植被和其他自然环境较好时,自然界动物群分异性较大,其主要特征表现为动物种类较多、动物群面貌较为复杂;而当一个地区气温较低、植被和自然环境相对较差时,自然动物群分异性较小,表现为动物种类较少、动物群面貌相对单调。田园洞动物种类分层统计在动物种类上的变化暗示该地区曾有较大的气候和自然环境变化,古环境在第3和第1层时期气温可能较高,植被环境较好,而第2层时期气候较为干冷,自然条件较差,洞穴堆积初期的第4层时期气温较低,自然环境相对较差。(2)沟齿鼠和无颈机官田园洞遗址位于我国北方,时代属于更新世晚期,遗址大部分动物群属于广布种和古北界动物。动物群中出现的少数喜暖性动物和东洋界动物分子可作为遗址环境变化的指示性动物。在遗址第4层中,没有发现东洋界典型动物。在第3层中,发现有沟齿鼯鼠(Aeretesmelanopterus)、无颈鬃豪猪(Hystrixsubcristata)两种东洋界典型动物和喜暖性动物最后斑鬣狗(Crocutaultima)。沟齿鼯鼠是中国的特有属种,该化石的早期演化形态称为前黑沟齿鼯鼠(A.premelanopterus),发现于重庆巫山早更新世早期的龙骨坡遗址;而确切地鉴定为沟齿鼯鼠的地点,只有贵州岩灰洞遗址和重庆宝坛寺地点。由该动物的早期发源与分布地域看,它属于东洋界喜暖性动物的典型分子是比较准确的,并且现生沟齿鼯鼠分布区域还要求具有森林植被特征。因此,沟齿鼯鼠不仅可作为我国东洋界典型分子,而且还可以作为东洋界森林植被环境的指示性动物。无颈鬃豪猪作为化石动物在我国中、晚更新世均有发现,如中更新世的重庆歌乐山龙骨洞和晚更新世的神农架犀牛洞等。中国现生豪猪属动物中只有马来豪猪1个种,在马来豪猪下分有指名亚种(H.brachyurahodgsoni)、华南亚种(H.brachyurasubcristata)、滇西亚种(H.brachyurayunnanensis)和海南亚种(H.brachyurapapae)。华南亚种(或称华南豪猪)与无颈鬃豪猪有一定关联,有证据表明二者是同一种。豪猪是东洋界典型动物,中国现生豪猪的生态一般为南洋—中国南部湿热型。现生斑鬣狗(Crocuta)只生活在热带,虽然化石斑鬣狗在古北界也有,但它们的出现一般都表示气候温度较高。田园洞遗址最后斑鬣狗(C.ultima)的出现,可能也与气候温度较高有关。除了第3层有东洋界动物和喜暖性动物外,第2层和第1层也有东洋界动物,其中第1层东洋界动物还较多。第2、1层的东洋界动物,除了已讨论的无颈鬃豪猪外,另有猕猴、猪獾、果子狸、鬣羚等。猕猴虽然在文献记载中也分布在我国华北某些地区,但其现生者主要在东洋界,我国更新世动物群研究中视其为东洋界典型分子。沟齿鼯鼠是生境选择性较强的小型啮齿动物,该动物只出现在第3层、第1层,而且这两层东洋界动物和喜暖性动物成员较多,推测第3、1层时期气候较为温暖,自然环境最好。综合来看,从第4至第1层,气候环境可能有过湿冷—温暖—干冷—温暖湿润的变化过程,与动物组合分异性变化结论是一致的。2.2质量磁化率测试磁化率是物质被磁化难易程度的一种度量,第四纪沉积物的磁化率是反映其堆积时地表环境的一个参数,被用作古气候的一个代用指标。对田园洞A-B剖面不同层位共采集11个样品,采用英国Bartiongton公司生产的BartingtonMS2磁化率仪进行质量磁化率测试。测试结果(表2)表明,田园洞A-B剖面的磁化率比较低,这可能是由于在碳酸盐岩地区,沉积物中碳酸钙含量高所致。磁化率在纵向上的变化大体可分为两段(图3),在剖面下部的第3层,其磁化率值相对较高,磁化率平均值达到8.5×10-5SI,可能表示气候相对温暖;而在剖面中上部的第2层,磁化率普遍较低,磁化率平均值仅为1.75×10-5SI,可能表示气候转凉;在剖面顶部的第1层,磁化率值有较大波动,较为明显的变化是(角)砾夹层的磁化率值达到17×10-5SI,而细颗粒沉积物的磁化率值与第2层接近。2.3不同层系的黏土矿物黏土矿物在各种类型的沉积物和沉积岩中都有分布,其形成和分布受生物气候条件的影响,因此,堆积物中黏土矿物组合的变化,可以作为古气候变迁的重要指标之一。作者利用PW-1700X型X射线衍射仪,依据SY/T5163-1995《沉积岩黏土矿物相对含量X射线衍射分析方法》,进行样品的黏土矿物X射线衍射分析,分析结果见表3。田园洞沉积物的黏土矿物主要为伊利石-绿泥石-高岭石和绿蒙混层组合,以伊利石和绿蒙混层为主要黏土矿物。相关研究表明,蒙脱石在温带半湿润区沉积物中的含量较高,高含量的蒙脱石是与寒冷的气候联系在一起,其含量随气候变暖而减少,伊利石和绿泥石一般代表比较干冷的气候,而高岭石一般是温暖湿润的气候条件下富集,是低纬度的黏土矿物,它们在同一组合中出现,反映了田园洞当时的气候具有温带的气候特征,不太热,也不太冷。从剖面的纵向变化来看,下部第3层和顶部第1层伊利石的含量小于中部第2层,表明第2层的气候相对下部和上部偏干冷,而下部和上部则较温湿。蒙脱石在转化过程中,如果有Fe2+离子等存在,即相对湿润的还原环境,则首先转化为蒙脱石-绿泥石混层,进而再转化为绿泥石。剖面下部和上部的绿蒙混层含量大于中部层位,表明其气候相对于第2层要湿润些(图3)。2.4铁与气候能力的关系沉积物中氧化物含量与一个地区的气候条件具有一定的关系,尤其是SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO和TiO2对气候的反映比较敏感,常作为反映第四纪沉积物的气候替代性指标被运用于洞穴堆积中。沉积物中Al2O3和Fe2O3在气候温暖湿润的条件下相对富集,而SiO2和FeO则多在相对寒冷和干旱气候条件下富集;TiO2属稳定氧化物,不易淋滤流失,在温暖湿润的气候条件下含量较高。在湿热的气候条件下,由于氧化作用强,铁以高价的形式存在,而在干冷的气候条件下,地表更趋于还原环境,铁一般以低价铁(亚铁)的形式存在,因此,沉积物中不同价态铁的含量可指示气候的温湿条件。由于Al2O3、Fe2O3和FeO呈负相关,故常采用SiO2/Al2O3和SiO2/Fe2O3作为反映气候温暖湿润和相对干凉的替代性指标,并用Fe3+/Fe2+值来推算沉积物沉积时的年均古温度,其古温度推算公式如下:t=T+T×M/m式中:t为推算的古温度;T为某地区现今年均温度;M为某样品Fe3+/Fe2+值与该剖面各点平均值之差;m为各测点样品Fe3+/Fe2+平均值。利用飞利浦PW2404X射线荧光光谱仪,采用GB/T14506.28-93硅酸盐岩石化学分析方法,对堆积物的样品进行了氧化物、主、次元素量测试,结果见表4。在田园洞A-B剖面中,第3层和第1层的SiO2/Al2O3和SiO2/Fe2O3较低,而第2层其比值相对较高,这说明前者的气温较温暖湿润,而后者的相对偏干凉。TiO2的测试数据表明,第3层的数值明显偏高,第2层的数据相对偏低,表明第3层的气候较第2层要温暖湿润些。从根据推算公式得出的不同层位的古温度来看,第3层和第1层的古温度平均值分别达到了14.11℃和12.87℃,稍高于目前该地区11.5℃的数值,但明显大于第2层8.20℃的平均数值,这表明第3层和第1层的气温较高,而第2层的气温相对偏低(图3)。3园林洞穴是古地理的表现田园洞堆积物的沉积和充填过程以重力作用为主,自洞穴发育至充填完成气候环境经历了冷湿→温暖→干冷→温暖湿润的变化过程。在早期即42kaBP之前,在大气降水和内部裂隙水的作用下岩溶开始发育,在洞穴底部的基岩面保留了底砾层,形成了田园洞洞穴的空间框架。在古人类集中活动的快速充填阶段(第3层),气候相对温暖、湿润,总体气候与现今接近,动植物繁盛,古人类在该期活动频繁。在随后的稳定沉积期(第2层),气候逐渐转为相对偏凉,动物活动频次降低,随着洞穴空间的减小,古人类亦远离该洞穴。在经历了末次盛冰期后,进入全新世,洞穴充填进入完成期(第1层),气候又转为相对温暖湿润,并