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纪念第一个“北京人”头盖骨化石发现90周年——岩溶作用成就了周口店古人类的家

吕金波 韦京莲 李良景

    1929年12月2日傍晚,石破天惊,北京大学毕业两年的裴文中发现了第一颗完整的猿人头盖骨,使得周口店遗址震惊中外。那么周口店古人类的“家”是怎么形成的呢?很少有人谈起。没有天哪有地,没有地哪有家,岩溶作用成就了周口店古人类的家——岩溶洞穴。


北京猿人头盖骨


猿人遗址

    化石的发现让我们找到了古人类的家

    1913年建立了中国的第一个地质研究机构——地质调查所,1914年聘请顾问瑞典人安特生,1918年安特生发现了周口店猿人遗址南面的鸡骨山,1921年安特生和师丹斯基发现了周口店猿人遗址,1923年发现两颗中更新世古人类牙齿化石。1929年12月2日裴文中发现第一颗完整的中更新世猿人头盖骨,确立了猿人为人类发展的一个阶段,使周口店古人类学的研究领先世界。1930年发现了晚更新世山顶洞人化石,随后发现古人类使用的骨针和祭祀用的赤铁矿。1936年贾兰坡发现3颗中更新世猿人头盖骨。第二次世界大战期间,周口店猿人遗址先后出土的5个中更新世猿人头盖骨失踪。1966年裴文中率领发掘队发现了现在仅存的中更新世猿人头盖骨化石。1973年顾玉珉在第4地点旁边发现晚更新世新洞人化石。2003年同号文率领发掘队发现了晚更新世田园洞人化石。

    古人类家的建筑材料——可溶性岩石

    岩溶洞穴是古人类最早的家,形成洞穴离不开可溶性岩石,海洋沉积的地层和燕山运动构造有利于岩溶洞穴的形成。形成周口店古人类家的地层有2层,一层是4.6亿年前海洋沉积形成的奥陶纪马家沟组石灰岩,另一层是15亿年前陆表海沉积形成的中元古代雾迷山组硅质条带白云岩。

猿人遗址马家沟组石灰岩


田园洞雾迷山组硅质条带白云岩

    周口店古人类的家一共发现8个地点。

周口店遗址8个古人类家的证据

地点

古人类化石

古人类活动遗存

时代

地层

构造

第1地点(猿人洞)

北京猿人锁骨、顶骨、下颌骨等化石200件,为40个猿人个体。

数万件石器

数层灰烬层

中更新世

4.6亿年前马家沟组石灰岩

北岭向斜东南扬起端

第3地点

——

用火遗迹

晚更新世

第4地点

(新洞)

古人类的前臼齿

81件石制品、

2件骨片烧石和烧过的朴树籽

晚更新世

第13地点

——

石片7件、

灰烬和烧骨

中更新世

第15地点

——

6800多件石制品、烧骨、灰烬

中更新世

第22地点

——

5件石英石器

中更新世

第26地点(山顶洞)

3颗完整头骨、残破头盖骨、上颌骨、下颌骨、脊椎骨、盆骨、大腿骨、小腿骨、膝盖骨和零散牙齿等,8个古人类个体化石。

25件石器、120多件骨装饰品及穿孔贝壳、碳屑及赤铁矿粉沫

晚更新世

第27地点(田园洞)

锁骨、下颌骨、桡骨、脊椎骨等。

——

晚更新世

雾迷山组

石门背斜

    大地是一本书,正常情况下,上新下老,地质工作者将自然界中出露最完整的书用当地的地名命名,称为地层剖面。古人类8个地点中的7个地点均位于距今约4.6亿年前沉积的马家沟组地层。

    马家沟组这本书来自哪里呢?马家沟组属于距今4.6亿年前的奥陶纪,1922年北京大学教授美国人葛利普(墓地进北大西门向右)在河北省唐山市开平镇马家沟村记录了石灰岩地层,创名马家沟组。

周口店的这本马家沟组地层位于石花洞,从上至下描述如下:

    上覆地层:太原组

    - - - - - - - - - -平行不整合- - - - - - - - - -

    马家沟组:  厚度68.14米

    6.黄白色中厚层条带状大理岩                    

    5.灰白色中厚层纹带状大理岩与纹带状白云岩互层  

    4.薄层白云岩与薄层大理岩互层,中夹深灰色板岩 

    3.灰色中层状白云质大理岩及青灰色纹带状大理岩 

    2.灰色薄层状白云岩与大理岩互层               

    1.灰色、灰白色薄层白云质大理岩夹薄层纹带大理岩               

    - - - - - - - - - -平行不整合- - - - - - - - - -

    下伏地层:亮甲山组:

    马家沟组石灰岩沉积后,经历了加里东运动、印支运动、燕山运动和新构造运动的改造,特别是燕山运动使得地壳下部的房山花岗岩体上拱,地层上卷,形成北岭向斜,地质图上呈现日月同辉的画面,周口店遗址位于北岭向斜的东南扬起端。

红色区域为房山岩体、构成圆日形状,蓝色绿色区域为北岭向斜、构成弯月形状


北岭向斜的形成过程

    白垩纪,房山花岗岩体的热力作用将马家沟组烤软,产生固态流变,形成了次一级的164背斜(周口河东面)和安特生最早挖掘化石(第6地点)的鸡骨山向斜(南坡货场)。

    古人类的8个地点中,仅有第27地点田园洞人的家位于中元古代雾迷山组地层的顶部,地层剖面如下:

    上覆地层:洪水庄组灰绿色页岩

    ———整合————

    雾迷山组第四段  厚670.64米

    8.灰色—深灰色极薄层白云岩                                                

    7.浅灰色薄层含硅质条带白云岩                                               

    6.浅灰色中薄层硅质条带纹层白云岩                                          

    5.浅灰色—白灰色厚层纹层白云岩                                            

    4.深灰色厚层含硅质条带纹层白云岩                                          

    3.浅灰色薄层白云岩                                                          

    2.褐红色构造角砾岩及靡棱岩                                                 

    1.硅质条带白云岩                                            

    ———整合————

    下伏地层:雾迷山组第三段深灰色叠层石白云岩

    田园洞位于周口店遗址西南约6千米,属于石门背斜的北翼。石门背斜以石门花岗岩体为中心,南翼产修建北京古都的汉白玉大理岩,北翼为云居寺——云水洞所在的白带山,在雾迷山组顶部的白云岩溶隙中形成了云水洞和田园洞,其中的田园洞发现了古人类化石。

    古人类家的搭建——岩溶作用

    岩溶最早称为喀斯特(Karst),因为巴尔干半岛斯洛文尼亚的喀尔斯(Kras)高原发现波斯托伊纳(Postojna)洞,德国学者研究该区域的地貌,德语译为Karst。1966年我国第2届喀斯特学术会议将喀斯特改为岩溶。1981年在山西召开北方岩溶学术会议,议定岩溶与喀斯特通用。周口店地区的可溶性岩石为马家沟组和雾迷山组,伴随着喜马拉雅山隆起的新构造运动,岩溶作用造就了古人类的家。

    岩溶作用形成锁孔形横断面形态。山顶洞和猿人遗址组成上部椭圆形下部垂直裂隙型的锁孔形岩溶洞穴,上部的椭圆形断面代表地壳稳定,下部的垂直型裂隙代表地壳瞬速隆升。

猿人遗址锁孔形溶蚀形态内的第四纪地层


石花洞的锁孔形溶蚀形态

    北岭向斜东北扬起端石花洞也发育锁孔形断面,说明新构造运动隆升对区域岩溶洞穴的形成是一致的。上部山顶洞和下部猿人洞构成了锁孔形溶蚀形态,溶洞内沉积了第四纪地层。

    岩溶作用形成岩溶石柱和脚洞。第4地点(新洞)属于岩溶石柱的脚洞,岩溶石柱为石灰岩经过溶蚀、侵蚀后残留的上下直径大致一致的柱状岩体,脚洞为石柱脚下由水流侵蚀、溶蚀发育的流入型洞穴。洞内堆积物为晚更新世红色砂质粘土,发现晚更新世古人类前臼齿1枚,并有石器、朴树仔和灰烬等。

顶盖堆积处的岩溶石柱


岩溶石柱的脚洞出土的新洞人牙齿化石

    岩溶作用形成雾迷山组顶部的垂直溶隙。第27地点(田园洞)位于周口店遗址西南约6千米,发育在与北岭向斜相邻的石门背斜北翼东部,地层为15亿年前陆表海沉积形成的雾迷山组顶部。这与周口店遗址其它洞穴均发育在4.6亿年前海洋沉积的奥陶系马家沟组石灰岩明显不同。洞穴沿岩石垂直裂隙发育,洞内堆积了灰白色粉砂及小块砾石,发现了晚更新世古人类的下颌骨、锁骨等多部位骨骼化石,以及26种动物化石。

    古人类家的证据——充填作用保留了古人类的生活遗迹

    岩溶作用形成了椭圆形山顶洞和裂隙形猿人洞的组合式形态——锁孔形横断面。中更新世的流水充填堆积作用,在猿人洞内堆积了碎屑沉积物,科学家由上至下分为17层,杨钟健划分了1~10层,贾兰坡划分了11~13层,杨子赓等划分了14~17层。其中在第3层上部发现了现在仅存的头盖骨化石,第4层最早发现人类牙齿化石,第8~9层含化石的角砾岩层内发现3颗猿人头盖骨,第10层北部支洞东侧发现了第一颗完整的猿人头盖骨。晚更新世的流水充填堆积作用,在山顶洞内碎屑堆积物中埋藏了晚更新世古人类、赤铁矿和骨针等。

    古人类家的生存环境在石花洞中被记录

    周口店地区和石花洞地区的岩溶洞穴主要分布在房山岩体周边的北岭向斜南北两端的奥陶系马家沟组石灰岩中。早更新世,周口店遗址没有发现古人类化石。中更新世,周口店遗址为湿热环境,降水多,石花洞中沉积了钙板和粗犷石笋。晚更新世,周口店遗址为干凉环境,降水少,石花洞中沉积了杆状石笋。

石花洞中的粗犷石笋和杆状石笋

    周口店地区碎屑沉积物与石花洞内化学沉积物对比

地质年代

及环境

周口店洞穴碎屑沉积物

石花洞内

洞穴碳酸钙

晚更新世

干凉

新洞人和山顶洞人化石,砂质土夹大量灰岩角砾

石花洞组:

杆状石笋

中更新世晚期

湿热

周口店第1地点(猿人洞)西壁剖面:

第1层.角砾层,钙质胶结。

第2层.角砾夹钙板层。

 第3层.灰岩角砾,钙质胶结。

云水洞组:

粗犷石笋

中更新世早期

湿热

周口店第1地点(猿人洞)西壁剖面:

第8层.灰白色风化灰岩角砾,顶部有钙板夹层。

钙板组:

钙华沉积

    古人类家中最多的石器是石英

    周口店遗址石器材料的岩性多达40余种,但以石英最多,占比80%以上,其次为水晶、燧石和砂岩,其它岩性占比很少。

    石英主要为脉石英,来自马家沟组灰岩中后期热液沿着裂隙充填的石英脉。燧石来自雾迷山组的硅质部分。水晶来自周口店西北约13千米的大草岭水晶矿。砂岩母岩为周口河上游的四盒子组砂岩,崩塌后,经过周口河的搬运和古人类的加工,形成可用的石器。

山顶洞人使用的石英石器(据卫奇)


马家沟组灰岩中的脉石英

    山顶洞人家中的赤铁矿粉体现了人类最早的“礼”

    山顶洞内发现了古人类用于祭祀的赤铁矿粉,将中国儒家思想“礼”的来源上溯到距今约3万年前。赤铁矿粉可能来自周口店附近芹峪运动所在的铁岭组与下马岭组之间的风化壳,也可能来自远处宣化烟筒山串岭沟组底部的赤铁矿。

    该文刊登在《化石》2019第4期。



    作者介绍:吕金波,博士,教授级高级工程师,北京市地质调查研究院原副总工程师,北京地质学会理事。

    主要从事地质调查工作,完成了区域地质图在北京地区的全覆盖,建立北京平原区地质剖面,获中国地质调查局优秀图幅奖。发表论文60余篇。通过测量永定河8级阶地和石花洞8层溶洞,提出北京西山8次抬升。研究了《水经注》中有关北京地理的科学思想,研究了中山公园的五色土,在地质大厦放置了对北京城市发展有突出贡献的岩石。调查了丹霞山,提出《拓展丹霞地貌的研究范围》。研究了张家界,进行了《张家界砂岩地貌成因分析》。

    正在编写《中国区域地质志—北京志》、《北京地质学会史》和《中国房山世界地质公园地质作用与演化对古人类文化产生的影响研究》。

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