地学万卷书——山旺化石

1 目 录 C O N T E N T S “万卷书”的珍奇“书页”/8 山旺“万卷书”不是一本纸质的书，而是一本由 “石头”做成的书，这些“石头”便是“万卷书”的 “书页”。这一页页薄如纸张的“石头”是怎么形成的 呢？ Part 1 Part 2 走进“万卷书” 解读“万卷书” “万卷书”的神奇由来/2 “读万卷书，行万里路”，是地学人的座右铭。山 旺既是一本“无字”的“万卷书”，又是一条通往远古 的“万里路”。那么，山旺何来“万卷书”之美誉？ “万卷书”的宝贵价值/3 著名古生物学家陈均远曾经说过：“化石本身并不 宝贵，宝贵的是它蕴藏的东西。”山旺“万卷书”记录 了1 800万年前新近纪中新世时期地球的发展历程，记录 了大自然千万年的沧桑巨变，是观察中新世地球历史的 重要窥孔。 2 地学万卷书——山旺化石 Shanwang Fossil：The “Encyclopaedia”of Geoscience 植物界的发展演化/20 植物是生命的主要形态之一，植物界的演化是由简 单到复杂、低级到高级、水生到陆生，经历了漫长的地 质时期，发展到现在种类繁多的以被子植物占优势的植 物群。 山旺“植物王国”/24 山旺植物化石有藻类、苔藓、蕨类、裸子植物、被 子植物及真菌类。到目前为止，山旺化石宝库除藻类18 属近100个种外，还发现其他植物155种，分属50科104 属。 Part 3 “万卷书”之“植物王国” “万卷书”的精美“语言文字”/11 “万卷书”中记载的是什么呢？又是用什么样的 “语言文字”写成的呢？书中的“语言文字”便是大量 精美的古生物化石。 “万卷书”的形成/12 构成“万卷书”的这些“石头”其实是许多薄如纸 张的硅藻土页岩。那么,“万卷书”是怎么形成的呢？这 要从山旺古湖——玛珥湖说起。 目  录 3 Contents 动物界的发展演化/34 动物是生命的另一主要形态，根据构成现代动物体 的组织、器官的有无及其简单和复杂的程度，从简单到 复杂，从低级到高级，分为单细胞动物和多细胞动物。 山旺“动物乐园”/35 山旺动物化石群主要包括两大类：节肢动物和脊椎 动物。节肢动物主要包括昆虫类和蜘蛛类；脊椎动物主 要包括鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类。 化石组合剖面/62 层层叠叠，叠叠层层！这是解家河南剖面给人的第 一印象。山旺无数精美的古生物化石大多便发现于该剖 面，它也成为“万卷书”的主体。 山旺阶研究剖面/64 历史悠久、意义不凡！这是对角岩山剖面最好的 概括。自20世纪30年代山旺发现第一块化石以来，这座 不过30 m高的山便成了萦绕在许多古生物学家心中的宝 山！从此，“万卷书”揭开了她神秘的面纱…… Part 4 Part 5 “万卷书”之“动物乐园” “万卷书”之“地层剖面” 4 地学万卷书——山旺化石 Shanwang Fossil：The “Encyclopaedia”of Geoscience 尧山组标准剖面/66 万事俱备，只欠东风！尧山组完美地扮演了“东 风”这一角色。尧山组的火山岩覆盖在富含动植物化石 的山旺组之上，完好地保存了动植物化石。 火山地貌景观剖面/68 竹林排立，参差簇拥，直指蓝天！这是尧山东火山 岩景观剖面的壮观景象，是科研教学及观赏、想象的绝 佳地。 保护管理 步入正轨/71 1980年，山旺成为我国第一个以保护古生物化石为 目的的自然保护区。随着山旺古生物化石保护管理所的 成立和国家关于古生物化石保护的一系列措施的提出， 山旺化石群的保护管理工作走上了规范化道路。 开发建设 排上日程/74 在保护中开发，在开发中保护。2001年山东山旺国 家地质公园成立后，山旺加快了建设步伐、加强了保护 力度，开始面向全国，走向世界。 科普活动 越办越红/79 古生物化石保护的真正动力源自内生的求知欲，而 科普正是保护古生物化石的目的和途径。 Part 6 呵护“万卷书” 目  录 5 Contents 宏伟蓝图 正在实施/81 为了进一步提高山旺“万卷书”的知名度，山旺人 正在积极创造条件，不断向世界地质公园迈进…… 参考文献/85 玛珥湖/16 原地埋藏和异地埋藏/37 最早的两栖动物化石——鱼石螈/42 龟鳖类 化石的保存/45 “中国第一鸟”——山旺山东鸟的故事/47 始祖鸟/49 哺乳动物时代 /50 珍贵的鼠类化石/52 地层/62 硅藻土揉皱/63 球状风化/68 柱状节理/69 植物 叶片化石的保存方法/76 中国第一座古生物化石博物馆/80 “万卷书”之最/84 地学知识窗 走进“万卷书” “富家不用买良田，书中自有千钟粟；安居不用架高楼，书中自有 黄金屋；娶妻莫恨无良媒，书中自有颜如玉。”山旺是一部描写中新世 古生物化石产地的教科书，是一本大自然写就的地学“万卷书”。开卷 有益，让我们一同翻开“万卷书”,用心品读…… Part 1 2 地学万卷书——山旺化石 Shanwang Fossil：The “Encyclopaedia”of Geoscience 山 旺位于山东省潍坊市临朐县城以 东22 km，上林镇以东2.5 km，村 庄坐落在尧山前坡。也许，很多人都从来 没到过这个地方，甚至没有听说过它，但 这个小村庄的名字却早已蜚声海内外，因 为它是一个令无数地学人向往的地方，是 地学人心中神圣的“殿堂”。 所谓“万卷书”，指的就是山旺地区 的硅藻土层（图1-1）。它是由硅藻的遗 体和黏土胶结而成，内含大量能够呈现丰 富地学信息的古生物化石和各种地质遗 迹。它质地细腻，颜色灰白，黑白相间， 层薄如纸，稍经风化即可层层翘起，宛若 张张翻开的书页，所以被形象地称为“万 卷书”。 关于山旺“万卷书”的记载最早见 于清康熙年间临朐贡生张新修所著《筒 丸录》中, 文曰：“ 神龙易骨, 必于土 内, 尧山曾出一具……头如牛, 一角当 顶……”。尧山即今山旺北麓尧山。由此 “万卷书”的神奇由来 记载可以看出山旺化石在清初即被发现, 但当时并未被人们认识。 光绪十年（1884）《临朐县志》载： “灵山东南五里俗传山麓溪边有特别产 物，曰‘万卷书’，自地面掘取极易。 其质非土非石，平态洁白，层叠如纸。 揭视，内现黑色花纹，昆虫、鱼、鸟、 兽……诸形态。” 1935年，《临朐续志》（图1-2）卷 二十一至二十三载：“尧山东麓有巨涧， 涧边露出矿物，其质非石非土，平整洁 白，层层成片，揭视之，内有黑色花纹， 虫者、鱼者、鸟者、兽者……山水人物花 卉者不一其状，俗名万卷书，唯干则碎 裂，不能久存。”记载中，除了所谓的 “山水人物”是指岩层的花纹与山水和人 物相似以外，其余都指的是古生物化石。 由此可以看出，我国古人就已经将山 旺地区的地层形象地比喻为“万卷书”。 这便是“万卷书”最初的记载和由来。 3 走进“万卷书” Part 1 山 旺“万卷书”中蕴藏着丰富的科 学知识，具有重要的地学价值、 美学价值、旅游价值和人文历史价值。 “万卷书”的地学价值 “ 万 卷 书 ” 的 文 字 —— 古 生 物 化 石，保存精美，丰度颇高。迄今已发现 包含硅藻、苔藓植物、裸子植物、被子 植物、节肢动物、脊椎动物等逾12个门类 700多个化石种，昆虫、被子植物、脊椎 动物、硅藻化石丰度之高、保存之精美， 举世罕见，是世界著名的特异埋藏化石 宝库，对于了解中新世的生物多样性有 着极为重要的价值。“书”中的哺乳动 物化石对地层划分起着重要的作用，这 些化石不仅具有重要的时代意义，而且 是进行陆相地层划分和对比的主要依 据。“书”中丰富的植物化石不仅对地 层的时代划分提供依据，更重要的意义 在于它可以反映古环境和古气候特征。 植物类群和植被组成是重要的环境指示    图1-1  “万卷书”——硅藻土页岩    图1-2  《临朐续志》书影 “万卷书”的宝贵价值 4 地学万卷书——山旺化石 Shanwang Fossil：The “Encyclopaedia”of Geoscience 生物标志。通过对山旺植物化石进行研 究可以总结1 800多万年来气候变化的 规律，有助于预测未来的气候变化，以 指导人类自身遵循大自然规律，实现人类 与环境的和谐。 “万卷书”的书页——山旺组岩石， 既是精美化石的载体，也是研究化石宝库 形成、中新世东亚地区地球表层环境变化 的重要方面。三大类岩石含有丰富的矿物 类型，如黑云母、斜长石、钾长石、石 英，以及玄武岩中的橄榄石、辉石、斜长 石等。这些矿物是研究新生代中新世亚洲 大陆东部地球表层环境变化与深部变化的 重要对象。牛山组、尧山组火山岩对于了 解中新世中国东部火山活动及地球深部变 化具有重要的科学研究价值。 “万卷书”的书库——山旺盆地，为 一中新世的古玛珥湖盆地。由于玛珥湖沉 积蕴含丰富的地球表层环境变化的信息， 近年来成为国际上研究第四纪全球变化的 重要场所之一。中新世是新生代全球环境 变化的重要时期，山旺玛珥湖因而具有极 为重要的科学研究价值。 “万卷书”的藏地——山旺地区，属 于全球中新世火山活动强烈地区，区内玄 武岩熔岩流、火山集块岩、火山锥、火山 口、次火山等分布广泛，是山旺国家地质 公园地质遗迹和地质景观形成的基础，为 了解中新世中国东部火山活动规律提供了 不可多得的重要依据。 “万卷书”的美学价值与旅游价值 “万卷书”中的化石因保存异常精美 而具有特殊美学价值，昆虫翅膜上的翅 脉、植物叶的叶脉、花的花序、啮齿类的 毛发等细节清晰可辨，很多昆虫和植物叶 保存有原始色彩，鱼、蛙、蝾螈、蛇、蝌 蚪似乎处于游动的状态，哺乳动物各个姿 态自然，甚至动物临死前的痛苦痉挛都可 在化石中显现出来。在显微镜下，微体化 石真菌、硅藻及孢粉也有着精美的微细构 造。化石犹如1 000多万年前大自然缤纷 的碎片完好地保留至今，给人以特殊的美 感享受。火山地貌也因经历了1 000多万 年的风雨、地震、剥蚀而呈现一种沧桑之 美。山旺组主剖面规模宏大，气势宏伟， 令人震撼。 “万卷书”在当地旅游业发展中的地 位和作用越来越突出和重要。许多国内外 游客慕名前来，一睹这部地学巨著的风 采。自山旺国家地质公园成立以来，共接 待来到这里进行科学考察和旅游的游客、 专家达数百万人。 5 走进“万卷书” Part 1 “万卷书”的教学科普价值 “万卷书”中包含有古生物化石、地 层剖面、古玛珥湖、火山地质地貌景观 等，是进行中新世古生物学、地层学、沉 积学、火山地质学等方面科学研究的极佳 场所；游客在有限的空间内，便可获取一 系列地学知识，因此也是地学科普的良好 场所；同时，这里也是进行高等地学野外教 学、地学科普教育的重要基地（图1-3）。 “万卷书”的人文历史价值 山旺地区文化底蕴丰厚，年代久远， 具有深厚的人文历史价值。 山旺盆地西侧的尧山以尧帝的名字命 名（图1-4、图1-5），上有纪念尧帝在 此活动的尧帝祠、尧山、尧河、尧沟，这 些以远古尧帝命名的山地、川谷，加上周 围（临朐、青州、昌乐三县交界地区）的 大汶口和龙山文化的数十处原始社会遗 址，足以证明这里是尧帝的重要活动场 所。尧山最高峰海拔405.50 m，由四个连 续的山体簇拥而成，因风化剥蚀作用，山 体已经不甚完整。传说中尧王东巡，看到 此山绿树环绕，清泉长流，又见山中神奇 的石楼、浑然天成的石月亮、栩栩如生的 山旺化石等奇观，流连忘返，携清风邀明 月而独酌，大醉三日，醒来仍赞不绝口， 大呼“真吾之仙山哉”，后封为尧山。 另一座名山——灵山则因春秋战国时 期齐景公于此地祈雨而甘霖普降得名，后 成为齐国著名的祭天之地（图1-6）。到    图1-3  青少年学生参加科普教育活动 Shanwang Fossil：The “Encyclopaedia”of Geoscience 6 地学万卷书——山旺化石 唐初灵山上建有金钟寺，是江北屈指可数 的大寺之一。灵山悠久的历史、古老的文    图1-4  尧山远景    图1-5  尧山石棺与尧山石月亮 化，在《青州府志》《临朐县志》《昌国 艅艎》等史书中多有载述。    图1-6  灵山 解读“万卷书” 自然的力量是无穷的，大自然用上百万年时间谱写了一部地学巨 著，并使之沉睡在地下千万年。现在这部著作又重见天日，呈现在世人 面前，应该说这是大自然对人类的慷慨馈赠！让我们翻开“万卷书”， 去仔细解读…… Part 2 8 地学万卷书——山旺化石 Shanwang Fossil：The “Encyclopaedia”of Geoscience 硅 藻（图2-1）是一类最重要的水生 浮游植物，分布极其广泛，只要 有水的地方，一般都有硅藻的踪迹，尤其 是在温带和热带海区。因为硅藻种类多、 数量大，被称为海洋的“草原”。 硅藻种类繁多，达11 000多种。海洋 中硅藻的种类最多，淡水和潮湿的土壤中 也不少。据估测，每1 cm3土壤中有羽纹 藻约1亿个。硅藻是一类具有色素体的单 细胞植物，常由几个或很多细胞个体连接 成各式各样的群体。硅藻种间个体差异 大，小者3.5 μm，大者300~600 μm。硅 藻的细胞壁由大量的硅质组成，分为上、 “万卷书”的珍奇“书页” 下两部分，上面的盖叫上壳，下面的底叫 下壳，上壳套住下壳，并且上、下壳面的 纹饰图案非常精美，如同透明的水晶箱， 又好比一间精致的玻璃小屋。 硅藻为什么要住在玻璃屋里呢？科学 家研究发现，这些漂亮可爱的外壳实际上 与其功能是紧密相连的。4 000万~6 000万 年前，地球大气层内的二氧化碳越来越 低，硅藻便把自己装在玻璃容器里，因为 这样能在有限的空间内浓缩到足够的反应 物质。另外，玻璃壳上那些微孔与细微的 纹路让硅藻产生了比平滑表面更多的表面 积，这些表面积让硅藻的光合作用更有效    图2-1  硅藻 解读“万卷书” Part 2 9 率。正因为演化出这个玻璃壳，才让硅藻 成为地球上数量最多的生物体。 硅藻靠太阳光和吸收水中的无机物生 活。每到春季来临，明亮而温暖的阳光便 使这些微小的植物苏醒过来。优越的自然 条件，给浮游植物的生长带来良好的时 机，于是它们迅速繁殖，没有过多久，就 铺满了广阔的水面……没阳光，硅藻不能 生存，所以它们大多生活在阳光充足的水 体表层。硅藻自身不能运动，但体态轻 盈，有一些长了许多突起物和刚毛，长成 球形，或者长得像降落伞，尽量扩充身体 的表面积，以便增加浮力或摩擦力，使它 们毫不费力就可长期漂浮在水中。 浮游生物的个体虽然小得微不足道， 却是水中原始食物的生产者，没有它们， 水里的其他生命恐怕也就无法生存了。尤 其是硅藻，营养丰富，容易消化，浮游动 物、小鱼小虾和贝类都喜欢吃，许多大家 伙像鲸等又都以小鱼小虾等为食料。因 此，硅藻等浮游生物的多寡明显地决定着 鱼类的数量。另据报道，浮游生物每年制 造的氧气就有360亿t，占地球大气氧含量 的70%以上。由于硅藻数量又占浮游生物 数量的60%以上，可以推算，假设现在地 球上没有硅藻了，不用3年地球上的氧气 就耗干了，动物和我们人类也就都没法呼 吸了。 硅藻死后，它们坚固多孔的外壳—— 细胞壁也不会分解，而会沉于水底，经过 亿万年的积累和地质变迁成为硅藻土。硅 藻土主要由古代的硅藻遗体组成，主要化 学成分是含水的SiO2。 硅藻土页岩（图2-2）是一种沉积矿 产，是一种生物成因的硅质沉积物，是由 单细胞的硅藻类长年累月沉积在湖水底 部，体内原生质分解，以硅酸为主要成分 的壳体成层集积而成。 通过观察硅藻土页岩可以发现，硅藻 土页岩的颜色深浅纹层相间，一层深的、 一层白的组合在一起，称为一对层偶。层 偶是由两个不同类型的纹层——硅藻纹层    图2-2  硅藻土页岩 10 地学万卷书——山旺化石 Shanwang Fossil：The “Encyclopaedia”of Geoscience 和黏土纹层或有机纹层组成的。层偶内的 纹层之间一般呈现渐变过渡关系。由下部 的硅藻纹层逐渐向上过渡为黏土纹层或有 机纹层，表现为硅藻含量由高逐渐降低， 而有机质含量则由低逐渐增高，颜色表现 为由白色或浅色逐渐加深为黑色或暗色。 沉积物深浅颜色相间的形成原因是十 分复杂的，但主要与气候季节性变化相 关，不同季节气温变化产生了不同颜色的 沉积层。一般认为白色或浅色层是温度偏 低的季节形成的，此时季节性水流减少或 断流，有机物和泥质相对减少。黑色或暗 色层是温度适宜的季节形成。此时较大季 节性水流挟带的有机物和泥沙入湖量较 多，导致了硅藻土层深、浅纹层的形成。 所以，一个层偶记录了一年的沉积，代表 了一年的时间，就像是树干的年轮。然而 一对层偶的厚度也不过是100 μm。1万年 对人类来说是一个漫长的存在，但对硅藻 土来说，1万年只是1 m的高度，据此可知 大自然谱写这本“万卷书”花了几十万甚 至上百万年的时间。 如今，硅藻土已经成为山东省特色矿 产之一。硅藻土质地多孔，具有良好的吸 收性、吸附性、过滤性和漂白作用，是一 种十分难得的、非常重要的非金属矿产。 硅壳上有无数间隙，孔隙度极高，具有任 何不纯粒子难以逃脱的过滤性和稳定性， 具有非常广泛的用途，可用作隔热、隔音 材料，石油工业、化学工业催化剂载体及 助滤剂和漂白材料（图2-3），广泛应用 在医学、啤酒、化学药品、上下水道过滤 等方面，同时还是重要的建筑材料、保温 材料和绝热材料。    图2-3  硅藻隔热砖和硅藻土助滤剂 硅 藻 土1~3 m m 解读“万卷书” Part 2 11 时光穿梭到1 800万年前，山旺地区在 很长一段地质时期内经历多次岩浆喷溢， 火山活动强烈，形成了一座座古火山，如 现在的尧山、鹁鸽山、擦马山等。“万卷 书”所在的山旺盆地正是由地表下大量水 汽和岩浆相互作用发生爆炸而形成的圆形 火山口，被众多低矮的古火山包围，火山 口充水形成的火山口湖。今天的山旺是典 型的温带大陆性气候，但1 800万年前山 旺地区与今完全不同。当时的山旺地区， 年平均气温比现在高，空气温暖湿润，大 气降水丰沛，属温暖湿润的亚热带气候， 茂盛的植被为各种动物的繁衍生息提供了 保障；丰富的火山物质给湖中硅藻提供了 营养，导致硅藻繁殖速度惊人，伴随着硅 藻的沉积，植物和大量的死亡动物也一起 在湖中沉积下来；硅藻类死亡后沉积在湖 中，历经千万年，形成了厚厚的硅藻土页 岩，便是“万卷书”的“书页”。 所以说，“万卷书”是由硅藻的遗体 和黏土胶结而成的珍奇“书页”。 “万卷书”的精美“语言文字” 生 物一旦死亡，很快便成为其他生 物的美味佳肴，即便幸存下来， 也大多难逃腐烂瓦解，终将消失于无形， 被掩埋并经历漫长的成岩作用而成为化石 的寥寥无几。曾有人估计，1万个古生物 个体，可能只有1个变成了化石。因此， 在地球史上，生物完整的遗骸或其残片能 被保存下来完全是一种幸运，1 800万年 前叶片清晰的叶脉和鸟类的羽毛能成为化 石保存在岩层中，则更加不可思议，这也 正是山旺化石的独特和令人叫绝之处。 翻开偌大的“万卷书”，其中不知 “书写”了多少大自然的生物造化。 来到山旺，站立于百丈之高的“万卷 书”面前，手翻书页，令人顿觉“页岩翻 看带插图，穿林雎鸟跃溪鱼。君来此地惊 开眼，大自然存万卷书。”步入造型别致 的山旺博物馆大楼，聆听细观于各展厅 12 地学万卷书——山旺化石 Shanwang Fossil：The “Encyclopaedia”of Geoscience 间，催人感悟的则是“河鱼野鹿几还真？ 造物无言自觉新。唯恐后人多不识，夹藏 石卷到如今。”山旺化石种类广泛，迄今 为止已发现并研究命名的古生物化石达12 个门类700余种，尽显古生物的生命轨迹 和古代生态环境，并给后人留下了取之不 尽的宝藏。 “书页”质地细腻，颜色灰白，里层 极为发达和丰富，分层很薄，1 cm厚的硅 藻土竟可剥开四五十层之多，“书页”上 的“语言文字”更是精美绝伦，大量精美 的古生物化石、多彩的地质遗迹跃然其 上。 从某个角度细观，这些硅藻土岩层如 书本侧面一模一样，要领略其中“文字” 之妙，需要用薄刀片沿层面小心翼翼地拨 开，翻开“书页”，植物的花、叶，昆虫 的翅膀，小鱼，动物的须毛……跃然纸 上。“‘万卷书’怕风吹”，在我们感叹 大地留给我们如此珍贵的礼物、感受大自 然的神奇造化和鬼斧神工时，心中也不由 生出了几分怜爱。 “万卷书”的形成 山旺古湖——玛珥湖的形成 “万卷书”正是一个由古老的玛珥湖 沉积所形成的。 通常情况下，火山爆发涌出大量熔 岩，形成一个锥状火山，火山锥相对高差 由几十米到几百米不等，火山外壁坡度一 般10°～30°不等，形状呈截顶圆锥体， 其上火山口保存完整，再经过多次的降 雨，雨水汇集，火山口内便形成了湖泊。 而玛珥湖的形成过程则与之相去甚远。 山旺古玛珥湖的形成和发展主要经历 了四个大的阶段。 第一阶段为玛珥湖形成前的玄武岩台 地形成阶段。在新近纪中新世初期（距今 约2 000万年前），山旺及其周围地区有 多期的大规模的基性火山喷发，岩浆沿裂 隙不断涌出，四处流动，玄武岩和火山喷 发间隙的沉积夹层共同构成了牛山组地 解读“万卷书” Part 2 13 层，冷却后形成了玄武岩台地。 第二阶段为玛珥湖火山口形成阶段 （图2-4、图2-5、图2-6）。大规模火山 喷发结束后，火山进入弱活动阶段，这时 地下水也充填在地层中。地下水会沿着早 期的构造裂隙下渗，当再次发生岩浆活动 时，灼热的岩浆与地下水相遇，导致水在 极短的时间内转变为高温、爆炸性的水蒸 气；体积的急剧膨胀导致地层内部压力骤 然升高，超过临界值后，使岩浆与水的混 合物冲破上部岩层，形成巨大威力的喷 发，如此强力的大爆炸在地表形成深切地 层的圆形火山口；大量的岩石碎屑从漏斗 形火山口喷出，在火山口周围形成低矮的 岩石碎屑环带，筑起了不高的围堰，并产 生了大量火山灰。如此形成的火山口湖地 势相对比较低矮，没有明显的锥状火山山 体，甚至低于地表，且多为圆形。这就是 玛珥火山口。 第三阶段是玛珥湖沉积物堆积阶段 （即盆地充填阶段，图2-7），也可称为 “万卷书”的“成书阶段”。 经过火山爆发作用形成火山口之后， 地层内压力大大降低，岩浆失去向上运动 的能力，火山进入休眠状态。在此期间， 大量的地下水涌入火山口内，加上少量的 大气降水，火山口变成积水盆地，开始接 受沉积物的堆积。至此，玛珥湖雏形已基 本形成了。 在该阶段一开始，盆地内的堆积物主 要来自于火山口边缘的松散火山碎屑物。 火山口外高内低，环形的围堰将湖水与外    图2-4  玛珥湖形成阶段（一）    图2-5  玛珥湖形成阶段（二） 火山活跃地带形成的沟谷 活跃地带 基岩 基岩 火山口发生大爆炸 上升的岩浆 地下水饱和区域 岩浆与水接触引发爆炸 地下水饱和区域 爆炸点处形成空穴 14 地学万卷书——山旺化石 Shanwang Fossil：The “Encyclopaedia”of Geoscience 界隔绝，地表径流不能进入，只能接收大 气降水，外源物质很少进入玛珥湖。在被 隔离和水较深两大条件下，玛珥湖水体的 物理、化学性质稳定，旱季来临时湖水蒸 发、浓缩，硅质浓度逐渐增高，在这种环 境下，硅藻植物大量繁殖，而对其他生物 来说却是个“死湖”。湖周围自然死亡的 生物会落入湖中、沉入湖底，由于火山口 壁斜坡非常陡峭，大量来湖边饮水的动 物，如鹿、犀牛、半岛原河猪、鸟类等， 不小心就会摔进湖内，或是陷进松软的火 山碎屑物中没能再爬上来，抑或是被崩塌 下来的火山碎屑物质砸中落进湖中……冬 去春来，年复一年，玛珥湖内物质缓慢沉 积，死去的生物被硅藻迅速掩埋，在湖底 年复一年地沉积起来。硅藻土极为细腻， 所以动物化石都保留了完好的形态。天长 日久，湖水渐渐干涸，沉积物石化成为硅 藻土岩层。山旺“万卷书”历经大自然的 千秋万变，终于谱写完成。 最后阶段为玛珥湖的封闭阶段。玛珥 湖接收的堆积历史行将结束时，新的玄武 质熔岩涌入加速了玛珥湖的封闭。在这个 阶段，盆地一方面接收少量沉积，一方面 接收盆地外涌入的熔岩，最终使整个盆地 的堆积物质被掩埋在了玄武岩层之下，山 旺“万卷书”便被深深地埋藏了起来。 火山还在继续活动，一座潜火山冒了 出来，但化石侥幸逃过了这一劫，有一场 更剧烈的火山喷发喷出了大量的岩浆，岩 浆覆盖了硅藻土形成了玄武岩层，将化石 保护起来。由于地壳的变化，山旺化石所 在的地层隆起，顶层的玄武岩被剥离掉 了，在化石遭到破坏之前科学家发现了它 们，这本地球的“无字天书”终于得以重 见天日，展现在世人面前。    图2-6  玛珥湖形成阶段（三）    图2-7  玛珥湖形成阶段（四） 基岩基岩 水源灌入斗形区域 低平火山口湖 （玛珥湖） 形成于空穴上的岩石碎屑环 流入的地下水 凝灰岩壁 凝灰岩壁 凝灰岩壁 凝灰岩壁 凝灰岩、基层杂岩 碎屑填入斗形空穴 凝灰岩、基层杂岩 碎屑填入斗形空穴 解读“万卷书” Part 2 15 山旺古湖——古玛珥湖的演化 山旺古玛珥湖的演化主要经历了三个 主要阶段。 一是山旺玛珥湖形成的初期阶段。此 时湖水面积较小，地势高差较大，在四周 较高的山地里则有较多的山地针叶树林。 由于水体面积尚小，生态适应幅度较广的 属种，如胡桃属、栎属等相对较多，在低 洼的湖岸四周形成了以阔叶落叶林为主的 植物景观，在湖岸浅水地带开始生长少量 的眼子菜等水—沼生植物。从植物群的生 态环境分析，大多数属种反映了暖温带的 特性，但也有一定数量的亚热带成分及 少量的典型亚热带成分，所以，此时的 古气候为北亚热带气候下的温暖期（图 2-8）。 湖内沉积物主要由一套粗碎屑的沙泥 岩组成，中间夹数层薄层黑灰色泥岩及 灰白色硅藻土，厚度由几十米至几米不 等，多分布于玛珥湖的四周边缘地带。 二是山旺玛珥湖发展的全盛阶段。该 阶段湖盆面积最大，地势渐趋平缓，加 之气候更为温暖湿润，使得性喜湿热的 亚热带植物得到进一步发展，因而在湖 岸四周的平原上形成了一片片郁郁葱葱 含有常绿阔叶成分的落叶阔叶混交林。 只有在距湖较远的四周低山丘陵地带才 分布一些以松科各属为主的山地针叶 林，形成了针叶阔叶混交林。由于气候 温暖雨量充沛，在湖岸浅水地带开始繁    图２-8  玛珥湖初期古地理环境 低山 低山湖区 16 地学万卷书——山旺化石 Shanwang Fossil：The “Encyclopaedia”of Geoscience 盛一些水生草本植物，在湖中尚有一些菱 科植物生长。此时的气候比早期更加温暖 湿润，古气候带上划归为亚热带的暖湿期 （图2-9）。 该阶段的沉积为山旺盆地山旺组的主 体，一般厚度大而稳定，由一套细的灰白 色硅藻土和杂色泥岩、页岩等典型的湖相 沉积地层组成。 三是山旺玛珥湖衰亡阶段。此时由于 地壳运动渐趋活跃，一次又一次的火山喷 发使地势高差分异再次加大，湖泊面积大 大缩小，湖水变浅，局部出现沼泽。所 以，该阶段地层分布非常局限，厚度较 小，主要岩性为黑色炭质页岩及杂色泥 岩，反映了湖泊沼泽相的沉积类型。再次 出现了山地针叶属种相对增加的趋势， 喜静水生活的菱科植物消失，一些陆生草本 植物的含量明显增加，而亚热带成分比中期 显著减少，气候上反映了温带气候的因素增 强。从整体上仍不失为亚热带古气候。该阶 段可以称为亚热带的温凉期（图2-10）。 总之，山旺玛珥湖的兴衰演变过程大 体上受地壳活动的控制和气候变化的影 响。在山旺玛珥湖的形成阶段，古地理表 现为低山丘陵，湖盆面积不大，古气候处 于亚热带的温暖期，古植被为针叶—落叶 阔叶混交林。在山旺玛珥湖的发展及全盛 阶段，由于地壳活动相对平静，湖在不断 下沉，加之雨量不断增加，湖水面积进一 步扩大，古气候处于亚热带的暖湿期，古 植被表现为含常绿成分的阔叶落叶林。在 山旺玛珥湖的消亡时期，由于火山喷发， ——地学知识窗—— 玛珥湖 “玛珥（Maar）”一词来源于拉丁文“Mare”，其原意为“海”，而“Maar”则是生 活在德国艾菲尔地区莱茵河畔的人们对当地湖泊和湿地的称呼。19世纪初期，德国地质学 家采用“Maar”作为表述具有特殊成因的低平火山口的专用地质名词。德国艾菲尔地区是 著名的火山活动区，以其重要的地质构造和著名的火山地貌，特别是玛珥湖的存在，成为 吸引科学家考察和人们旅游的地质公园，并被联合国教科文组织认定为世界自然历史文化 遗产。 解读“万卷书” Part 2 17 地壳活动复趋活跃，湖区全面抬升，面积 萎缩，形成残湖沼泽，古气候反映为亚热 带的温凉期。 依据山旺古湖区植被的生态演化特 征，新的科学研究将其划分为 “湿润环 境下的混交中生林”“干旱环境下的混交 中生林”“湿润湖岸环境下的混交中生 林”“山地、湿润及碱性环境下的混交中 生林”和“碱性环境下的混交中生林”5 个阶段（图2-11），更为详尽地恢复和 重建了山旺古植被演替的动态变化。 如今的玛珥湖俨然已成为一个“聚宝 盆”，其中记录着丰富的地球气候的宏观 和微观变化、区域地壳运动和热活动史。    图２-9  玛珥湖中期古地理环境 低山丘陵 低山丘陵湖区    图２-10  玛珥湖晚期古地理环境 低山 低山湖沼区 Shanwang Fossil：The “Encyclopaedia”of Geoscience 18 地学万卷书——山旺化石 其中埋藏着的门类繁多、保存完美的动植 物化石，不仅为我们呈现了当时的各种植 物生存状态，更向我们提供了植被变化、 动物演化、生态环境变化、太阳周期性活 湿润湖岸环境下的混交中生林 D C E 动以及地震等多方面的信息，有着重要的 科研价值。 放眼望去，千万年前的玛珥湖，如今 也只剩下了一块干涸的盆地——山旺盆地 （图2-12），默默地承载着村庄、农田 和树林。 干旱环境下的混交中生林 B A   图２-11  山旺中新世植被的演替   图２-12  古玛珥湖盆地（山旺盆地）  湿润环境下的混交中生林 碱性环境下的混交中生林 山地、湿润及碱性环境下的混交中生林 “万卷书”之 “植物王国” 山旺盆地不只是个盆地，而是一个“聚宝盆”！“万卷书”中保存有既 丰富而又精美的植物化石，如树叶的叶脉、花的花序以及植物的果实等，印 痕清晰、保持原态，有的甚至保持了原来的色彩，堪称“植物王国”！ Part 3 20 地学万卷书——山旺化石 Shanwang Fossil：The “Encyclopaedia”of Geoscience 植 物界有低等植物和高等植物之分 （图3-1）。低等植物包括菌类、 藻类等，由单细胞或多细胞组成，结构简 单，植物体无根、茎、叶的分化。高等植 植物界的发展演化 物包括苔藓植物、蕨类植物、裸子植物和 被子植物，高等植物都是多细胞植物，有 了根、茎、叶的分化。高等植物的产生是 适应陆生环境的结果，绝大多数高等植物 绿藻 红藻 裸藻 蓝藻 甲藻 金藻 轮藻 硅藻 黄藻 真菌 褐藻 苔藓植物 真蕨植物 石松植物 裸子植物 被子植物 种子植物门   图3-1  植物进化 谱系树 松叶兰植物 楔叶植物 “万卷书”之“植物王国” Part 3 21 都是陆生的。 植物界发展的第一个阶段——菌 藻植物时代 地 球 形 成 初 期 ， 处 于 天 文 演 化 阶 段，没有生物的存在，因此也就无化石 可言。最早的单细胞生物是菌藻生物， 它也是地球上最早的古植物。最早的藻 类是出现在距今约35亿年前的蓝藻。在 其后的20多亿年里，藻类植物得到繁盛 发展，几乎占了地球上生物界全部历史 的4/5。菌藻植物发展和繁盛的时期长达 30亿年左右，说明植物界从低等发展到 高等、从水生进化到陆生经历了漫长的 岁月（图3-2）。   图3-2  现生藻类与菌类 植物发展的第二个阶段——裸蕨 植物时代 在该阶段，发生了全球性的海退，陆 地面积扩大，某些海生绿藻经历了长期的 适应性改变后，终于登上了近海陆地。最 早登陆的是裸蕨植物，为大地首次添上了 绿装，但当时它们也只能生活在近海沼泽 地带。这个阶段以原始陆生植物裸蕨的出 现、发展为标志，并有原始的石松、真蕨 和楔叶等蕨类植物。裸蕨植物登陆是植 物界发展史上的重要阶段，裸蕨植物也 自然成为当时陆生植物发展的标志（图 3-3）。 22 地学万卷书——山旺化石 Shanwang Fossil：The “Encyclopaedia”of Geoscience   图3-3  工蕨和库克逊蕨复原图 植物界发展的第三阶段——蕨类 植物时代 在该阶段，陆地进一步扩大，真蕨植 物也得到了发展，这个阶段是石松、楔叶 和真蕨等蕨类植物与种子蕨、苛达等原始 裸子植物的繁盛时期（图3-4）。这一时 期，由于气候湿润，植物高度繁盛，巨大 的蕨类植物和原始裸子植物，形成了大规 模的森林，成为地球上规模最大的造煤时 期。   图3-4  种子蕨复原图与化石标本 植物发展的第四个阶段——裸子 植物时代 在该阶段，全球陆地扩大到了顶峰， 大片近海沼泽干涸、消失，海盆隆起成 山，陆上干旱面积明显扩大，原盛极一 时、喜湿的蕨类植物和原始裸子植物大量 衰退死亡，而具有发达根系的裸子植物银 杏、松柏和苏铁迅速发展起来。因此，这 个阶段是以银杏、松柏（图3-5）和苏铁 等裸子植物为主和中生代真蕨类植物的繁 盛时期。随着全球气候变暖，裸子植物高 度繁盛，成为中生代的重要造煤时期。 “万卷书”之“植物王国” Part 3 23   图3-5  银杏与松柏 植物发展的最后一个阶段——被 子植物时代 这个阶段是被子植物的繁盛时期和裸 子植物的大衰退时期。被子植物和裸子植 物都属于种子植物，但被子植物的营养器 官和生殖器官都比裸子植物更为完善， 光合作用更强，更能适应陆生环境（图 3-6）。到晚白垩世后，被子植物很快 兴起，取代了裸子植物，成为最占优势 的陆生植物群。正是被子植物的花开花 落，才把四季分明的现代地球装点得分 外美丽。   图3-6  被子植物成熟花朵 柱头 花柱 花丝 胚珠 子房 蜜腺 花轴 关节 花梗 雄蕊 小孢子囊 药隔 花药 24 地学万卷书——山旺化石 Shanwang Fossil：The “Encyclopaedia”of Geoscience 山 旺植物化石绝大部分是以叶片的 形式保存下来，也有果实或种 子的化石。在灰色、白色的硅藻土页岩 层面上清晰地印着褐色的叶片，叶脉清 晰、轮廓分明，圆基香椿含苞欲放，羌 花形态俏丽，还有华吴茱萸、披针叶绣 球、胡桃……如果不是亲眼所见，很难 相信这些叶片在地层中竟然沉睡了千万 年。大自然可谓是当仁不让的大画家。在 已发现的山旺植物化石中，除藻类18属近 100种外，还包括苔藓1种，蕨类1种，裸 子植物4种，被子植物149种，合计155 种 ， 其 中 单 子 叶 植 物 3 种 ， 分 属 5 0 科 山旺“植物王国” 表3-1          山旺植物化石群构成 科 属 种 被子植物 100 149 裸子植物 2 4 蕨类植物 1 1 1 苔藓植物 1 1 1 藻类植物 18 近100 植物类型 分类单位 104属（表3-1）。真菌化石分布很广， 大多寄生在各种植物上，但目前对真菌 化石研究的程度相对较低，尚未形成一 套完整成熟的分类系统。 硅藻 这是藻类植物中属种最多、能进行 光合作用的一类单细胞植物，它个体微 小，因细胞壁高度硅化而得名，具有 上、下两个壳体，似盆，壳上布满孔 洞。山旺硅藻土中的硅藻化石，属种繁 多，数量丰富，保存极其完好，在发现 的18属近100种和变种化石中，现生种 占85％，而15％为灭绝种或山旺古湖的 特有种。山旺藻类化石群中的优势种是 直链藻属的一些种，其次是羽纹藻等。 在山旺古湖的深水处，有浮游直链藻， 浅水处有数量可观的着生或附生的桥穹 藻、异端藻等。 “万卷书”之“植物王国” Part 3 25 山东桅杆藻 该藻类壳面呈线形或线状椭圆形，末 端呈钝圆形（图3-8）。长25~45 μm， 宽9~10 μm。轴区呈不规则线形或发育 不完全。线条纹较粗，呈平行密集排 列，70 μm中有10~11条。   图3-9  山旺舟形藻化石   图3-8  山东桅杆藻化石 山东桥穹藻 该 藻 类 壳 面 呈 宽 披 针 形 ， 背 缘 呈 拱形，末端呈略尖的圆形（图3-7）， 长48~55 μm，宽17~20 μm。轴区呈线 形，中央区几乎扩大。线条纹呈射出状排 列，由密点组成。在10 μm中有22~24个 点，有11~12条线纹。   图3-7  山东桥穹藻化石 山旺舟形藻 壳面呈 椭圆形，长38~44 μm，宽 23~25 μm（图3-9）。轴区窄，呈线披 针形，中央区扩大近圆形。脊缝呈较宽的 线形。线条纹射出状排列，线条粗，由密 集点组成。 孢子花粉 整个植物界，根据繁殖器官的性质， 可分为孢子植物和种子植物两大类。孢子