2.98億年前，烏達大地氣候溫暖濕潤，森林植被茂密豐富、生機盎然。但突如其來的火山噴發(fā)打破了這個美好的畫面，傾斜而下的火山灰飄來，將這片熱帶森林瞬間定格。上世紀(jì)以來，大規(guī)模的露天采礦掘開了內(nèi)蒙古烏達煤田封存已久的地層，精美沼澤森林的壯麗景觀以化石的形式露出真容。
這片烏達二疊紀(jì)植被化石產(chǎn)地的保存方式，與古羅馬龐貝城遺址如出一轍。公元79年，維蘇威火山爆發(fā)，龐貝古城被洶涌的火山灰和熔巖淹沒，直到19世紀(jì)才重見天日，考古學(xué)家挖掘時發(fā)現(xiàn)，古城的神殿、街道、房舍面貌原封不動地保存下來。正因如此，通過細致的研究，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員王軍團隊將烏達二疊紀(jì)植被化石產(chǎn)地命名為“植物龐貝城”，這一研究成果2012年在《美國科學(xué)院院報》發(fā)表后，驚動了國際地質(zhì)古生物學(xué)界。
近日，在韓國釜山召開的第37屆國際地質(zhì)大會上，國際地質(zhì)科學(xué)聯(lián)合會（以下簡稱“國際地科聯(lián)”）公布了全球第二批100個地質(zhì)遺產(chǎn)地名錄，中國3地入選第二批國際地科聯(lián)地質(zhì)遺產(chǎn)地，其中之一就是位于內(nèi)蒙古烏海的《植物龐貝城——烏達二疊紀(jì)植被化石產(chǎn)地》。
在接受新京報記者專訪時，中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所所長王軍表示，“植物龐貝城”將成為古植物學(xué)圣地，也是煤炭資源形成過程的最佳科普資料。目前，煤田中剩余的“植物龐貝城”亟須得到科學(xué)保護。
由直立莖干發(fā)現(xiàn)“化石寶庫”
新京報：你通過什么契機來到烏海進行研究的？“植物龐貝城”是如何被發(fā)現(xiàn)的？
王軍：30多年前，我在中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所博士后流動站做瓢葉目植物的研究，我的老師送了我一塊精美的瓢葉目植物化石標(biāo)本。標(biāo)本只有兩厘米大小，當(dāng)時的技術(shù)無法像現(xiàn)在做CT一樣掃描其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。做切片的話，兩刀下去，標(biāo)本的一大半就損失掉了。所以，我必須重回化石產(chǎn)地去尋找更多的標(biāo)本進行研究。
根據(jù)老師回憶的考察位置，我來到寧夏回族自治區(qū)與內(nèi)蒙古自治區(qū)交界處的賀蘭山脈進行尋找。走到烏達煤田時，我發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化后裸露出來的巖石層中有非常完整和豐富的植被化石。后來我查詢文獻了解到，中國地質(zhì)大學(xué)也有老師發(fā)現(xiàn)了這一巖石層，并發(fā)表了化石標(biāo)本的論文。但當(dāng)時的文獻認為，這些植物生長在湖泊周圍，是被河流沖走沉到湖底保存下來的。
后來為了收集更多精美的化石，我又多次來到烏達煤田，2003年竟然有了意外發(fā)現(xiàn)。從切面上看，6號煤層與7號煤層是黑色的，兩個煤層之間夾著一層醒目的灰白色巖層，就像三明治一樣，中間的巖層就是含化石層，有66厘米厚，我驚訝地發(fā)現(xiàn)了一根“站”著的莖干埋藏其中。我們順著巖層繼續(xù)找，每隔3到5米就有一根，這是以往沒有發(fā)現(xiàn)的。
含化石層。中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所供圖
這么多的密集標(biāo)本提醒我們，這些植物并非被狂風(fēng)暴雨沖進湖底并埋藏，而是原地被火山灰掩埋，和龐貝古城消亡的方式一樣，這是非常值得重視的。經(jīng)過切片分析，我們發(fā)現(xiàn)保存化石的灰白色巖層是典型的火山凝灰?guī)r。
通過火山灰內(nèi)高精度鋯石定年表明為距今約2.98億年，與石炭-二疊紀(jì)之間的界線年齡十分接近，是最早的二疊紀(jì)成煤森林。于是，我們還原了2.98億年前的這一幕——火山噴發(fā)使大量火山灰落到烏達大地，把遠古森林“封”住了。
新京報：這些植被化石保存得如此完整，科研人員推測火山灰是多快將森林掩埋的？它們和其他植被化石有何不同？
王軍：火山灰的降落可能是數(shù)天甚至數(shù)月，可以考證的是，火山進行了一次連續(xù)的噴發(fā)，森林是被一次性掩埋的。中間不存在火山噴發(fā)停止后，又有樹木新生長的情況?；鹕交衣裣聛淼暮穸犬?dāng)時約為1.2米-1.5米，現(xiàn)在壓縮到只有66厘米了。遠古森林中的樹木高達數(shù)十米，除了保留在火山凝灰?guī)r中的直立莖干，植物上面的部分最終都倒下了。
異地保存的植被化石中無法看到直立莖干。一棵樹被水沖走，肯定是倒下并以平躺的姿態(tài)被水流運送到另一個地方，大多數(shù)樹葉已經(jīng)散落。所以，迄今為止，被找到的植被化石中，有99%是植物的碎片。但“植物龐貝城”的化石標(biāo)本完整性很高，有完整的枝條，甚至有長著果實的樹冠，它們經(jīng)絡(luò)分明，栩栩如生，這是和其他化石產(chǎn)地最重大的區(qū)別。
化石中的完整植物。中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所供圖
復(fù)原近3億年前的森林
新京報：從航拍圖上可以看到，科研人員在一大片巖石層表面畫了密密麻麻的白色小格子，你們是如何通過樣方法（一種調(diào)查取樣方法）完成植物重建的？這樣的森林復(fù)原圖有什么意義？
王軍：“植物龐貝城”保存了遠古時期森林的群落結(jié)構(gòu)。如果想復(fù)原某一個個體植物，未必使用樣方法，這個方法主要是為了復(fù)原森林，確定每一個植物生長的位置。
我們先將巖石層上面的煤層去掉，再在巖石層上打樣方后會定坐標(biāo)，橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別由26個字母和數(shù)字組成，每一個格子都有一個位置信息，比如5B或者7D，在這些格子中發(fā)現(xiàn)的植物化石被一一記錄，由此，我們實際就復(fù)原了整片森林。
科研人員在巖石層上打樣方后定好坐標(biāo)，通過這種方法復(fù)原遠古森林。中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所供圖
在此之前，沒有進行過大規(guī)模的遠古森林實際復(fù)原。大家想了解成煤森林長什么樣，以往一些博物館和科普書中有大量的復(fù)原圖，但它們只能叫做概念性復(fù)原圖，有巨大的時間和空間誤差。
在時間誤差上，一個物種可以延續(xù)百萬年，但概念性復(fù)原圖會把跨越幾千萬年的不同植物壓縮在一張圖上，好比關(guān)公戰(zhàn)秦瓊。空間誤差上，不同區(qū)域的植被也可能出現(xiàn)在同一幅復(fù)原圖上，實際上它們從來沒有這么鄰近過。
“植物龐貝城”是遠古森林一次性被火山灰掩埋的，這些植物是同時期在地球上真實存在過的，這樣的實際復(fù)原圖更能真實地反映遠古森林的樣貌。我們目前累計已獲得近萬平方米的實際復(fù)原數(shù)據(jù)。
新京報：億萬年前，大量植物殘骸經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)、地球化學(xué)、物理化學(xué)作用后轉(zhuǎn)變成煤。通過研究可以發(fā)現(xiàn)，形成煤的遠古森林景觀是什么樣子的？和現(xiàn)在的森林有什么不同？
王軍：從宏觀上看，近3億年前的這片森林和現(xiàn)在的熱帶雨林在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)非常相似了，植被長勢茂密，有高有低、錯落有致，其中包括攀援植物、地面上的小草。但是物種完全不一樣，很多高達數(shù)十米的樹木已經(jīng)在地球上滅絕了，但有一些相同譜系的樹木通過不斷進化保留至今。
“植物龐貝城”的攀援植物。中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所供圖
我們研究發(fā)現(xiàn)，“植物龐貝城”的植物群由七大類植物構(gòu)成，包括石松類、有節(jié)類、蕨類、前裸子植物、種子蕨類、早期松柏植物和蘇鐵類植物，具備了現(xiàn)代植被類群中除被子植物以外的各大類群。許多化石還記錄了昆蟲與植物之間的相互作用，比如被昆蟲咬食的葉片。
研究證明，“植物龐貝城”囊括了5項世界之最：最大面積的遠古森林復(fù)原、最豐富的成煤植物群化石標(biāo)本收藏、最古老的蘇鐵植物、最豐富的瓢葉目植物群落以及最多的化石植物整體重建。
地下冒火、地上揚塵的發(fā)掘現(xiàn)場
新京報：烏海煤礦的環(huán)境是什么樣的？科研人員在現(xiàn)場勘探有哪些難點？發(fā)掘現(xiàn)場有哪些事情令你印象深刻？
王軍：我擔(dān)任所長后，管理職責(zé)比較重，去現(xiàn)場的次數(shù)少了，在此之前，我一年去五六趟烏達煤田是很正常的事。我從小在農(nóng)村長大，所以覺得還好，但對于團隊的年輕人來說，當(dāng)?shù)丨h(huán)境確實比較艱苦。
“植物龐貝城”處于邊生產(chǎn)邊保護的狀態(tài)。之所以說是搶救性發(fā)掘，是因為去那里工作的時間不是由我們決定的，而是生產(chǎn)現(xiàn)場挖到了含化石層，我們就要趕緊過去，不然現(xiàn)場可能就被破壞了。
我印象比較深的是2015年夏天去煤田，當(dāng)?shù)貧夂虮旧砭脱谉?，地?0多米深處煤層還有自燃現(xiàn)象，有時我們勘查時可以從巖縫中看到火苗，順著縫隙冒出地面的那股熱氣是不得了的。內(nèi)蒙古干燥風(fēng)大，我們每天的工作現(xiàn)場旁邊都是挖掘機和鏟車，他們將煤裝到車上時，只要有一點點風(fēng)，灰塵嘩地就飄出來了。我戴著口罩呼吸不暢，干脆摘了它。一天下來，我們臉上除了煤灰就是汗。
2015年，王軍在“植物龐貝城”發(fā)掘現(xiàn)場搬運植被化石。中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所供圖
盡管戴著安全帽，回到駐地洗澡時，頭發(fā)至少得打三遍洗發(fā)水，才能洗干凈。嘴里和鼻子里也吸進很多煤灰。
我和同學(xué)們喜歡精美的化石，有時候發(fā)現(xiàn)一個好的，兩眼放光，興奮得很，也不怎么知道累。但是工作一停下來的時候，渾身的疲倦就涌上來了。有一天中午，山上要進行開采前的爆破，我們就來到遠處的礦工休息處休息，啃完饅頭面包后，我看孩子們累得直接躺在地上睡著了。為了研究這些化石，年輕人確實吃了不少苦頭。
“植物龐貝城”助力氣候變化研究
新京報：“植物龐貝城”有哪些研究價值，尤其對應(yīng)對氣候變化將有什么助益？
王軍：“植物龐貝城”化石標(biāo)本保存完整且精美，是古植物系統(tǒng)分類學(xué)研究的最佳材料，其中已經(jīng)完成整體復(fù)原重建的物種有9個，另有30余種保存良好，具備深入研究的潛力?！爸参稞嬝惓恰睂⒊蔀槿?qū)崿F(xiàn)化石植物整體重建復(fù)原種屬最多的古植物學(xué)圣地，為古生物演化生命樹增添了最多的新物種。
“植物龐貝城”所處地球自然環(huán)境的歷史演變階段十分特殊，它經(jīng)歷的冰室-溫室氣候轉(zhuǎn)換，為探索現(xiàn)代冰室-溫室氣候轉(zhuǎn)換背景下植物與氣候環(huán)境的協(xié)同演化提供了參考，對于探索和預(yù)測地球的宜居性演變規(guī)律也極具價值。
“植物龐貝城——烏達二疊紀(jì)植被化石產(chǎn)地”復(fù)原圖。中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所供圖
這片遠古森林所處的歷史時期是2.98億年以前，當(dāng)時地球正經(jīng)歷冰室氣候向溫室氣候轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在全球氣候變暖引起了廣泛關(guān)注，地球正在從第四紀(jì)以來的冰室氣候過渡到溫室氣候。如果地球兩極的冰蓋逐步融化，生態(tài)環(huán)境和氣候?qū)l(fā)生變化。植物也會為了適應(yīng)氣候變化進行調(diào)整，有的轉(zhuǎn)移，有的演化進化，無法適應(yīng)的會滅絕。這些變化的規(guī)律是什么？“植物龐貝城”所處的地質(zhì)歷史時期也經(jīng)歷著這樣的環(huán)境，為研究現(xiàn)代植被適應(yīng)冰室過渡到溫室的變化提供了重要參考。我們的糧食都是植物，所以研究過去對預(yù)測未來有重要的價值。
新京報：目前，對于“植物龐貝城”的研究處于什么階段？未來還可能有哪些發(fā)現(xiàn)？
王軍：一個化石點的研究是無窮無盡的。國際上也有一些經(jīng)典的化石點，比如蘇格蘭的萊尼燧石層中的化石是熱泉和火山熔巖將植物礦化后形成的。那里的化石保存沒有“植物龐貝城”完整，但已經(jīng)供好幾代古植物學(xué)家開展了研究，而且現(xiàn)在還在研究，并產(chǎn)出重要成果。
和我一起合作的科學(xué)家有40多位，其中包含國際上的20多人，我們在《美國科學(xué)院院報》等國際知名期刊上累計發(fā)表論文60余篇。每一代人的認知水平是有歷史局限性的，我們這代科學(xué)家可以把“植物龐貝城”的總體面貌揭露出來，可能把大部分的物種弄清楚，但科學(xué)研究是沒有天花板的，隨著技術(shù)和思路的突破，將不斷有新的發(fā)現(xiàn)。
所以我不遺余力地呼吁，讓“植物龐貝城”在原址留下來一定的范圍。一旦挪走了，其科學(xué)發(fā)展的高度會受影響。
保護化石的緊迫性
新京報：“植物龐貝城”的整體面積有多大？目前有多少受到了保護？含化石層上方的6號煤層也需要同步保護嗎？
王軍：煤田的原始面積約為35平方公里，根據(jù)我掌握的地質(zhì)資料，大部分范圍都有“植物龐貝城”。但當(dāng)?shù)卮_實也面臨經(jīng)濟壓力，目前原始煤田開采基本接近尾聲了。由于烏達煤田長期的露天開采、滅火工程及回填復(fù)墾等，想在剩下的煤田中找出一片完整的1平方公里的“植物龐貝城”分布，肯定是做不到了。
我們預(yù)計有幾個百余平方米的零星分布，究竟還有多少需要詳細摸“家底”調(diào)查。我很早就向當(dāng)?shù)卣粲?，今?月中上旬，內(nèi)蒙古自治區(qū)自然資源廳組織對烏達煤田等地區(qū)開展了“植物龐貝城”埋藏普查工作，已有初步成果。
如果6號煤層挖掉了，含化石層露在那里，久而久之風(fēng)化后，也不利于化石保存，所以最好也能同步保護。
王軍（左）在“植物龐貝城”發(fā)掘現(xiàn)場。中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所供圖
新京報：去年10-12月和今年7-8月，團隊開展了化石異地保護工作，具體是如何進行的？
王軍：我們2017年一共平移了70平方米的“植物龐貝城”，是很小的一部分，去年和今年則是先原地修出植物化石的完整形態(tài)，然后將這些樹完整打包回市內(nèi)博物館庫房，即當(dāng)?shù)匾粋€現(xiàn)成的空間，未來有望建立“植物龐貝城”博物館。但化石最終還是應(yīng)該原地保護，都做成異地保護，科學(xué)發(fā)展絕對受損失。
新京報：未來應(yīng)該如何平衡地方經(jīng)濟發(fā)展和化石保護？
王軍：我可以理解當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟壓力，如果全面停止，可能會面臨較大的經(jīng)濟損失。但是為了當(dāng)?shù)卣屠习傩盏目沙掷m(xù)發(fā)展，必須有個科學(xué)的判斷。隨著煤田一點一點減少，煤挖完了就不可再生了，隨之消失的還有珍貴的化石寶庫。如果留下“植物龐貝城”，未來有機會建設(shè)世界地質(zhì)公園，哪一種方式更有利于當(dāng)?shù)乜沙掷m(xù)發(fā)展需要論證。
“植物龐貝城”確實在煤田里已經(jīng)所剩無幾，作為建設(shè)世界地質(zhì)公園的最關(guān)鍵元素，加以保護是非常緊迫的。
新京報記者 張璐
編輯 張磊 校對 趙琳
