北京周口店上元古界田園洞的發(fā)現(xiàn)與環(huán)境意義

北京周口店上元古界田園洞的發(fā)現(xiàn)與環(huán)境意義

60.25km（深海氧同位素第三階段）是寒冷干燥的末次冰期中一個(gè)相對(duì)濕潤(rùn)的小冰階。國(guó)內(nèi)外考古發(fā)現(xiàn)和研究顯示,世界各地這一時(shí)期人類活動(dòng)十分活躍,不僅遺址和地點(diǎn)數(shù)量分布廣泛、數(shù)目眾多,而且人類文化也出現(xiàn)了顯著的進(jìn)步和變革。同時(shí),該年代段也是中國(guó)乃至東亞現(xiàn)代人起源和演化的關(guān)鍵時(shí)期。近年來(lái),學(xué)者們開始關(guān)注MIS3階段氣候變化和人類演化及文化演進(jìn)之間的關(guān)系,試圖闡釋更新世晚期現(xiàn)代人演化和技術(shù)發(fā)展的環(huán)境背景。周口店地區(qū)是我國(guó)乃至世界上著名的古人類化石產(chǎn)地之一,也是我國(guó)北方第四紀(jì)洞穴地層的經(jīng)典地區(qū)。自20世紀(jì)20年代以來(lái),周口店不僅是研究和解決東亞地區(qū)古人類起源、演化和現(xiàn)代人起源及石器技術(shù)發(fā)展的重要區(qū)域,同時(shí)也是探討中國(guó)北方中更新世以來(lái)古人類活動(dòng)和環(huán)境關(guān)系的經(jīng)典地區(qū)。田園洞位于北京市房山區(qū)周口店鎮(zhèn)西南黃山店村的田園林場(chǎng),地理坐標(biāo)為30°39′28″N、115°52′17″E,海拔約174.5m(圖1)。該遺址發(fā)現(xiàn)于2001年6月,2003—2004年間,中國(guó)科學(xué)院古脊椎動(dòng)物與古人類研究所的同號(hào)文研究員曾帶隊(duì)對(duì)該洞穴進(jìn)行兩次系統(tǒng)發(fā)掘,共出土古人類化石34件、哺乳動(dòng)物化石39種,從而使田園洞成為周口店地區(qū)半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)首次在遺址群外圍發(fā)現(xiàn)的古人類化石地點(diǎn)。近年來(lái)的研究表明,古人類在該遺址活動(dòng)的時(shí)間比山頂洞人早1萬(wàn)年左右,年代大約為40~38.5kaBP,這是迄今在歐亞大陸東部所測(cè)出的最早的現(xiàn)代型人類遺骸。田園洞洞穴地貌部位清楚,地層保存完好,動(dòng)物化石和古人類化石屬原地埋藏。古人類在該遺址活動(dòng)的時(shí)間恰好對(duì)應(yīng)于深海氧同位素第3階段(MIS3)。本文通過(guò)對(duì)田園洞堆積物哺乳動(dòng)物群、磁化率、黏土礦物和氧化物等的分析與測(cè)試,重建當(dāng)時(shí)人類的生存環(huán)境,探討北京乃至華北地區(qū)MIS3階段人類活動(dòng)的環(huán)境背景。1結(jié)構(gòu)及層位分析田園洞發(fā)育于中元古界薊縣系碳酸鹽巖地層內(nèi),洞口外為一長(zhǎng)25m、寬5m的巖廈,高3~8m,走向325°~145°。洞口寬5.5~6m,高2.5~3m,洞口開口方向30°左右。洞內(nèi)頂部鈣板層距頂部圍巖0~4m,巖溶仍在進(jìn)行,目前洞口堆積物距頂部圍巖高度不足2m。洞內(nèi)堆積物可分為4層,分布見圖2。田園洞洞穴和山頂洞類似,均為垂直類型的溶洞,非地下水面附近發(fā)育的水平型溶洞。田園洞和山頂洞的堆積物很相似,主體堆積均為未膠結(jié)的含亞黏土的角礫堆積,且石化程度較淺。作者對(duì)田園洞洞頂和洞壁圍巖以及洞內(nèi)角礫和未完全固結(jié)的細(xì)顆粒碎屑物進(jìn)行了巖石礦物鑒定,結(jié)果顯示其成分一致,角礫表面溶蝕現(xiàn)象較少,推測(cè)該洞穴主體堆積物為沿層面和構(gòu)造裂隙面溶蝕,在重力作用下崩塌充填而成,角礫內(nèi)充填的細(xì)顆粒物質(zhì)應(yīng)為圍巖角礫機(jī)械風(fēng)化和表面溶蝕所致,其充填過(guò)程大致經(jīng)歷了洞穴發(fā)育期—快速堆積期—穩(wěn)定沉積期—充填完成期4個(gè)階段。對(duì)田園洞堆積物不同層位14C年代測(cè)定結(jié)果表明,洞穴大致在42kaBP前就開始溶蝕發(fā)育,其快速充填應(yīng)在35~40kaBP前,而后進(jìn)入穩(wěn)定的充填階段,至大約4670~6025aBP前的全新世,洞穴充填基本完成,而后進(jìn)入頂層鈣板的發(fā)育期。發(fā)掘發(fā)現(xiàn),動(dòng)物化石在1—4層均有分布,而古人類主要活動(dòng)于快速充填階段的第3層。2環(huán)境指標(biāo)分析2.1結(jié)構(gòu)動(dòng)物種類田園洞遺址總計(jì)發(fā)現(xiàn)有39種動(dòng)物化石,在1—4層堆積中均有不同程度分布。動(dòng)物種類在不同層位的差異性為我們根據(jù)遺址動(dòng)物群分析遺址古環(huán)境提供了較好基礎(chǔ)。在田園洞4層堆積物中,從下(早)往上(晚),動(dòng)物成員出土種類(表1)分別為:第4層,僅有2種動(dòng)物,沒有典型的東洋界動(dòng)物種類;第3層,有25種動(dòng)物,發(fā)現(xiàn)有溝齒鼯鼠、無(wú)頸鬃豪豬、最后斑鬣狗3種東洋界典型動(dòng)物;第2層,發(fā)現(xiàn)8種動(dòng)物,有2種東洋界典型動(dòng)物;第1層,發(fā)現(xiàn)27種動(dòng)物,有6種東洋界典型動(dòng)物和喜暖性動(dòng)物。田園洞的動(dòng)物分層差異情況,使我們可以從兩方面討論各層之間的氣候特點(diǎn)。(1)動(dòng)物群面相對(duì)單調(diào)動(dòng)物地理與生態(tài)學(xué)研究表明,在某一個(gè)地區(qū),當(dāng)氣候較為溫暖、植被和其他自然環(huán)境較好時(shí),自然界動(dòng)物群分異性較大,其主要特征表現(xiàn)為動(dòng)物種類較多、動(dòng)物群面貌較為復(fù)雜;而當(dāng)一個(gè)地區(qū)氣溫較低、植被和自然環(huán)境相對(duì)較差時(shí),自然動(dòng)物群分異性較小,表現(xiàn)為動(dòng)物種類較少、動(dòng)物群面貌相對(duì)單調(diào)。田園洞動(dòng)物種類分層統(tǒng)計(jì)在動(dòng)物種類上的變化暗示該地區(qū)曾有較大的氣候和自然環(huán)境變化,古環(huán)境在第3和第1層時(shí)期氣溫可能較高,植被環(huán)境較好,而第2層時(shí)期氣候較為干冷,自然條件較差,洞穴堆積初期的第4層時(shí)期氣溫較低,自然環(huán)境相對(duì)較差。(2)溝齒鼠和無(wú)頸機(jī)官田園洞遺址位于我國(guó)北方,時(shí)代屬于更新世晚期,遺址大部分動(dòng)物群屬于廣布種和古北界動(dòng)物。動(dòng)物群中出現(xiàn)的少數(shù)喜暖性動(dòng)物和東洋界動(dòng)物分子可作為遺址環(huán)境變化的指示性動(dòng)物。在遺址第4層中,沒有發(fā)現(xiàn)東洋界典型動(dòng)物。在第3層中,發(fā)現(xiàn)有溝齒鼯鼠(Aeretesmelanopterus)、無(wú)頸鬃豪豬(Hystrixsubcristata)兩種東洋界典型動(dòng)物和喜暖性動(dòng)物最后斑鬣狗(Crocutaultima)。溝齒鼯鼠是中國(guó)的特有屬種,該化石的早期演化形態(tài)稱為前黑溝齒鼯鼠(A.premelanopterus),發(fā)現(xiàn)于重慶巫山早更新世早期的龍骨坡遺址;而確切地鑒定為溝齒鼯鼠的地點(diǎn),只有貴州巖灰洞遺址和重慶寶壇寺地點(diǎn)。由該動(dòng)物的早期發(fā)源與分布地域看,它屬于東洋界喜暖性動(dòng)物的典型分子是比較準(zhǔn)確的,并且現(xiàn)生溝齒鼯鼠分布區(qū)域還要求具有森林植被特征。因此,溝齒鼯鼠不僅可作為我國(guó)東洋界典型分子,而且還可以作為東洋界森林植被環(huán)境的指示性動(dòng)物。無(wú)頸鬃豪豬作為化石動(dòng)物在我國(guó)中、晚更新世均有發(fā)現(xiàn),如中更新世的重慶歌樂(lè)山龍骨洞和晚更新世的神農(nóng)架犀牛洞等。中國(guó)現(xiàn)生豪豬屬動(dòng)物中只有馬來(lái)豪豬1個(gè)種,在馬來(lái)豪豬下分有指名亞種(H.brachyurahodgsoni)、華南亞種(H.brachyurasubcristata)、滇西亞種(H.brachyurayunnanensis)和海南亞種(H.brachyurapapae)。華南亞種(或稱華南豪豬)與無(wú)頸鬃豪豬有一定關(guān)聯(lián),有證據(jù)表明二者是同一種。豪豬是東洋界典型動(dòng)物,中國(guó)現(xiàn)生豪豬的生態(tài)一般為南洋—中國(guó)南部濕熱型?，F(xiàn)生斑鬣狗(Crocuta)只生活在熱帶,雖然化石斑鬣狗在古北界也有,但它們的出現(xiàn)一般都表示氣候溫度較高。田園洞遺址最后斑鬣狗(C.ultima)的出現(xiàn),可能也與氣候溫度較高有關(guān)。除了第3層有東洋界動(dòng)物和喜暖性動(dòng)物外,第2層和第1層也有東洋界動(dòng)物,其中第1層?xùn)|洋界動(dòng)物還較多。第2、1層的東洋界動(dòng)物,除了已討論的無(wú)頸鬃豪豬外,另有獼猴、豬獾、果子貍、鬣羚等。獼猴雖然在文獻(xiàn)記載中也分布在我國(guó)華北某些地區(qū),但其現(xiàn)生者主要在東洋界,我國(guó)更新世動(dòng)物群研究中視其為東洋界典型分子。溝齒鼯鼠是生境選擇性較強(qiáng)的小型嚙齒動(dòng)物,該動(dòng)物只出現(xiàn)在第3層、第1層,而且這兩層?xùn)|洋界動(dòng)物和喜暖性動(dòng)物成員較多,推測(cè)第3、1層時(shí)期氣候較為溫暖,自然環(huán)境最好。綜合來(lái)看,從第4至第1層,氣候環(huán)境可能有過(guò)濕冷—溫暖—干冷—溫暖濕潤(rùn)的變化過(guò)程,與動(dòng)物組合分異性變化結(jié)論是一致的。2.2質(zhì)量磁化率測(cè)試磁化率是物質(zhì)被磁化難易程度的一種度量,第四紀(jì)沉積物的磁化率是反映其堆積時(shí)地表環(huán)境的一個(gè)參數(shù),被用作古氣候的一個(gè)代用指標(biāo)。對(duì)田園洞A-B剖面不同層位共采集11個(gè)樣品,采用英國(guó)Bartiongton公司生產(chǎn)的BartingtonMS2磁化率儀進(jìn)行質(zhì)量磁化率測(cè)試。測(cè)試結(jié)果(表2)表明,田園洞A-B剖面的磁化率比較低,這可能是由于在碳酸鹽巖地區(qū),沉積物中碳酸鈣含量高所致。磁化率在縱向上的變化大體可分為兩段(圖3),在剖面下部的第3層,其磁化率值相對(duì)較高,磁化率平均值達(dá)到8.5×10-5SI,可能表示氣候相對(duì)溫暖;而在剖面中上部的第2層,磁化率普遍較低,磁化率平均值僅為1.75×10-5SI,可能表示氣候轉(zhuǎn)涼;在剖面頂部的第1層,磁化率值有較大波動(dòng),較為明顯的變化是(角)礫夾層的磁化率值達(dá)到17×10-5SI,而細(xì)顆粒沉積物的磁化率值與第2層接近。2.3不同層系的黏土礦物黏土礦物在各種類型的沉積物和沉積巖中都有分布,其形成和分布受生物氣候條件的影響,因此,堆積物中黏土礦物組合的變化,可以作為古氣候變遷的重要指標(biāo)之一。作者利用PW-1700X型X射線衍射儀,依據(jù)SY/T5163-1995《沉積巖黏土礦物相對(duì)含量X射線衍射分析方法》,進(jìn)行樣品的黏土礦物X射線衍射分析,分析結(jié)果見表3。田園洞沉積物的黏土礦物主要為伊利石-綠泥石-高嶺石和綠蒙混層組合,以伊利石和綠蒙混層為主要黏土礦物。相關(guān)研究表明,蒙脫石在溫帶半濕潤(rùn)區(qū)沉積物中的含量較高,高含量的蒙脫石是與寒冷的氣候聯(lián)系在一起,其含量隨氣候變暖而減少,伊利石和綠泥石一般代表比較干冷的氣候,而高嶺石一般是溫暖濕潤(rùn)的氣候條件下富集,是低緯度的黏土礦物,它們?cè)谕唤M合中出現(xiàn),反映了田園洞當(dāng)時(shí)的氣候具有溫帶的氣候特征,不太熱,也不太冷。從剖面的縱向變化來(lái)看,下部第3層和頂部第1層伊利石的含量小于中部第2層,表明第2層的氣候相對(duì)下部和上部偏干冷,而下部和上部則較溫濕。蒙脫石在轉(zhuǎn)化過(guò)程中,如果有Fe2+離子等存在,即相對(duì)濕潤(rùn)的還原環(huán)境,則首先轉(zhuǎn)化為蒙脫石-綠泥石混層,進(jìn)而再轉(zhuǎn)化為綠泥石。剖面下部和上部的綠蒙混層含量大于中部層位,表明其氣候相對(duì)于第2層要濕潤(rùn)些(圖3)。2.4鐵與氣候能力的關(guān)系沉積物中氧化物含量與一個(gè)地區(qū)的氣候條件具有一定的關(guān)系,尤其是SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO和TiO2對(duì)氣候的反映比較敏感,常作為反映第四紀(jì)沉積物的氣候替代性指標(biāo)被運(yùn)用于洞穴堆積中。沉積物中Al2O3和Fe2O3在氣候溫暖濕潤(rùn)的條件下相對(duì)富集,而SiO2和FeO則多在相對(duì)寒冷和干旱氣候條件下富集;TiO2屬穩(wěn)定氧化物,不易淋濾流失,在溫暖濕潤(rùn)的氣候條件下含量較高。在濕熱的氣候條件下,由于氧化作用強(qiáng),鐵以高價(jià)的形式存在,而在干冷的氣候條件下,地表更趨于還原環(huán)境,鐵一般以低價(jià)鐵(亞鐵)的形式存在,因此,沉積物中不同價(jià)態(tài)鐵的含量可指示氣候的溫濕條件。由于Al2O3、Fe2O3和FeO呈負(fù)相關(guān),故常采用SiO2/Al2O3和SiO2/Fe2O3作為反映氣候溫暖濕潤(rùn)和相對(duì)干涼的替代性指標(biāo),并用Fe3+/Fe2+值來(lái)推算沉積物沉積時(shí)的年均古溫度,其古溫度推算公式如下:t=T+T×M/m式中:t為推算的古溫度;T為某地區(qū)現(xiàn)今年均溫度;M為某樣品Fe3+/Fe2+值與該剖面各點(diǎn)平均值之差;m為各測(cè)點(diǎn)樣品Fe3+/Fe2+平均值。利用飛利浦PW2404X射線熒光光譜儀,采用GB/T14506.28-93硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法,對(duì)堆積物的樣品進(jìn)行了氧化物、主、次元素量測(cè)試,結(jié)果見表4。在田園洞A-B剖面中,第3層和第1層的SiO2/Al2O3和SiO2/Fe2O3較低,而第2層其比值相對(duì)較高,這說(shuō)明前者的氣溫較溫暖濕潤(rùn),而后者的相對(duì)偏干涼。TiO2的測(cè)試數(shù)據(jù)表明,第3層的數(shù)值明顯偏高,第2層的數(shù)據(jù)相對(duì)偏低,表明第3層的氣候較第2層要溫暖濕潤(rùn)些。從根據(jù)推算公式得出的不同層位的古溫度來(lái)看,第3層和第1層的古溫度平均值分別達(dá)到了14.11℃和12.87℃,稍高于目前該地區(qū)11.5℃的數(shù)值,但明顯大于第2層8.20℃的平均數(shù)值,這表明第3層和第1層的氣溫較高,而第2層的氣溫相對(duì)偏低(圖3)。3園林洞穴是古地理的表現(xiàn)田園洞堆積物的沉積和充填過(guò)程以重力作用為主,自洞穴發(fā)育至充填完成氣候環(huán)境經(jīng)歷了冷濕→溫暖→干冷→溫暖濕潤(rùn)的變化過(guò)程。在早期即42kaBP之前,在大氣降水和內(nèi)部裂隙水的作用下巖溶開始發(fā)育,在洞穴底部的基巖面保留了底礫層,形成了田園洞洞穴的空間框架。在古人類集中活動(dòng)的快速充填階段(第3層),氣候相對(duì)溫暖、濕潤(rùn),總體氣候與現(xiàn)今接近,動(dòng)植物繁盛,古人類在該期活動(dòng)頻繁。在隨后的穩(wěn)定沉積期(第2層),氣候逐漸轉(zhuǎn)為相對(duì)偏涼,動(dòng)物活動(dòng)頻次降低,隨著洞穴空間的減小,古人類亦遠(yuǎn)離該洞穴。在經(jīng)歷了末次盛冰期后,進(jìn)入全新世,洞穴充填進(jìn)入完成期(第1層),氣候又轉(zhuǎn)為相對(duì)溫暖濕潤(rùn),并