出品：科普中国
作者：邹祖阳（中国科学院广州地球化学研究所）
监制：中国科普博览
编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，科普中国前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲自执笔，分享科研历程，打造科学世界。让我们跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段段充满热情、挑战与惊喜的旅程。
在地球的生命长河里，人类世只是短暂的一瞬，早在人类出现以前，就存在过许许多多灿烂辉煌而又逐渐衰落的生命史诗，其中恐龙就是最为人所熟知的一种。得益于保存完好的化石材料，科学家们能够从中还原出历史的部分面貌。
自从20世纪90年代以来，《侏罗纪公园》以及《侏罗纪世界》等一系列电影的上映，更是将侏罗纪和恐龙牢牢联系到了一起。
（图片来源：veer图库）
我国是恐龙大国，以内蒙古自治区东南部、河北省北部和辽宁省西部为核心分布区的“燕辽生物群”正是被发现于侏罗纪时期的地层。其产出了数量众多、保存精美的多门类化石，是我们了解中生代陆地生态系统的一个重要窗口，对认识哺乳动物的早期演化、最早的带羽毛恐龙、早期昆虫和被子植物起源等科学问题有着重大的意义。
燕辽生物群分布在多个火山沉积盆地的湖相地层之中，以砂砾岩及页岩为主的湖相地层里夹杂了多层火山灰（凝灰岩）。火山灰是地质历史理想的定年对象，它是火山爆炸性喷发形成的碎屑，从火山口喷发到大气中，经过大气搬运再沉降到各类环境中保存下来，固结成岩。整个过程时间非常短，可以看作是地球历史中的一瞬，其年龄可以看作是绝对时间来限定地质事件。
燕辽生物群所在的代表性盆地
我是中国科学院广州地球化学研究所徐义刚院士团队的博士研究生，主要研究对象为华北克拉通北缘侏罗纪的火山活动。考虑到该地区侏罗纪火山活动与生物群演化的在时空上的密切联系，我们将目光聚焦到了与燕辽生物群相关的火山岩样品上，期望建立起区域上可对比的精确年代标尺。笔者通过调研前人对于燕辽生物群的研究，发现他们对其时代的讨论集中在两个最具代表性的盆地，即内蒙古宁城盆地和辽宁建昌盆地。
不同于有确切地层学及年代学认识的建昌盆地，宁城盆地中赋存生物群的火山-沉积地层的时代和地层归属问题一直悬而未决，存在归入中侏罗统九龙山组或海房沟组、中上侏罗统髫髻山组和下白垩统义县组等多种意见。
我们认为造成上述意见分歧的主要原因是宁城盆地的化石层与其上覆火山熔岩叠覆关系不明确，以及化石层缺乏直接的年龄数据约束。
而近些年来，宁城当地为建立中国最大膨润土猫砂生产基地，开发了多个膨润土矿坑，剥露出许多新鲜的地质剖面，这恰好为我们正确地认识地层接触关系提供了良好的参考对象。
宁城盆地西侧三省界碑剖面
图片来源：马强
燕辽生物群重建地层顺序
针对该科学问题，我们与中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所和中国科学院南京地质古生物研究所的专家们一起在内蒙古宁城盆地开展了详细的野外调查工作，考察了众多接触关系清晰的剖面。在徐义刚研究员和地大武汉马强教授的指导下，对该地区重新进行填图，我们发现宁城盆地的侏罗纪地层从底到顶可分为四个岩系单元，识别出来早、晚两层赋存化石的沉积单元，即早期化石层为火山岩之下的湖相凝灰质沉积层，晚期化石层为火山岩中的沉积夹层。
宁城盆地东侧棺材山剖面
图片来源：马强
另外我们认识到盆地里侏罗纪地层整体不整合于前寒武系的古老基底之上，地层在空间上分布不均，东侧地层保留较为完整，而西侧只保留了早期化石层，这可能意味着历史上沉积中心逐渐向东北方向迁移。而这些地质变动正是造成现今地层对比困难的罪魁祸首。
野外孟庆任老师手绘的不整合接触示意图
图源：作者拍摄
燕辽生物群确定地质年代
在此基础上，我们进一步获得了宁城盆地化石层层内凝灰岩以及相邻的火山熔岩样品。凝灰岩以及火山熔岩中含有的副矿物锆石（Zircon），因其物理化学性质稳定，封闭温度高，可以成功地保存封闭的U-Pb衰变体系，是同位素地质年代学中最重要、应用最广泛的矿物之一。
定年样品的部分锆石图片（椭圆代表离子探针打点）
图源：作者拍摄
U-Pb衰变体系指的是铀元素这种放射性同位素性质不稳定，经过一系列衰变最终会变成稳定的铅元素。虽然微观上衰变的发生是随机的，但是宏观上放射性母体衰变至原来数量的一半所需的时间是固定的（半衰期），不随环境条件所影响，只取决于元素本身。掌握了放射性同位素的这一习性，我们可以通过矿物现今的同位素比值来反推其衰变至今所经过的时间 （需是封闭体系）。铀元素的半衰期很长，适用于古老样品的定年工作，我们借助高精度二次离子质谱（SIMS）的手段，最终获得了地质样品的年龄。结果显示宁城盆地的四个岩系单元由下至上是逐渐变年轻的，符合地层观察。
通过与附近的建昌以及滦平、北票盆地对比，我们发现中国北部燕辽生物群的时间跨度大于1100万年，其发展阶段可以分为两个时期，第一期早于167-163Ma（百万年），第二期为161-156Ma。前者以宁城盆地的早期化石层为代表，后者以宁城盆地的晚期化石层和建昌盆地化石层为代表。
这项关于燕辽生物群的研究不仅重新建立了清晰的地层顺序，也重新定义了该古生物群的时间跨度，为深入理解侏罗纪生物的演化奠定了坚实的基础。
也许在不久的将来，在古生物学、古环境学和地球化学的交叉研究领域，我们将看到燕辽生物群是如何进一步帮助科学家们揭示地球生命的演变历程和发展规律，以及深部地质过程是如何影响浅部生态环境的响应，从而为当前做好环境和生态的保护提供启示。