国际上恐龙足迹化石发现和研究程度较高的国家有美国、加拿大、韩国、中国、日本、法国、英国、南美(如阿根廷、巴西)、蒙古等(Kuhn, 1958; Haubold, 1971; Farlow, 1981, 1992; Leonardi and Sarjeant, 1986; Lockley, 1986; Matsukawa, 1995, 2005, 2006a, 2006b; Sarjeant et al., 1998; Lockley et al., 2001, 2005, 2006, 2008, 2012c; Paik et al., 2001, 2006; Huh et al., 2003, 2012)。中国属于恐龙足迹化石十分丰富的国家之一, 目前已在全国24个省、市、自治区发现50多个恐龙足迹点(陈伟, 2000; 李日辉和张光威, 2000; Chen et al., 2006; 邢立达, 2009a, 2009b, 2009c, 2009d, 2010a, 2010b, 2011; 徐莉等, 2010; 李建军等, 2011; Lockley et al., 2012c; Xing et al., 2012), 而且近年仍不断有新发现报道。中国最早于1929年发现的恐龙足迹当属杨钟健和德日进在陕西神木发现的一个禽龙足迹, 其在30年后被德国学者Oskar Kuhn命名为杨氏中国足迹(Young, 1943, 1960; Kuhn, 1958; Lockley et al., 2002)。此后, 杨钟健又发现和命名了7属9种恐龙足迹, 奠定了中国恐龙足迹学研究的基础。甄朔南先生及其团队做了大量开创性和系统的恐龙足迹学研究工作, 特别是将国外的研究成果及研究方法系统引进到中国, 建立了中国恐龙足迹学理论、研究体系与工作方法(甄朔南等, 1983, 1986, 1994, 1996; Zhen et al., 1989)。

2000年以来, 中国恐龙足迹研究已经取得了较大的进展。内蒙古鄂托克旗早白垩世恐龙足迹被系统描述(李建军等, 2011); 山东省侏罗纪— 白垩纪恐龙足迹得到深入研究(李日辉和张光威, 2000; 李日辉等, 2001, 2005a, 2005b, 2008; Li et al., 2005, 2008, 2011); 李大庆等(2001)、杜远生等(2002)和Li 等(2006)对甘肃永靖盐锅峡的大型蜥脚类恐龙足迹进行了描述; 陈伟(2000)总结了20世纪中国已经发现的恐龙足迹。邢立达等分别对重庆綦江(邢立达等, 2007)、辽西四合屯(邢立达等, 2009a)、河北赤城(邢立达等, 2009b)、云南(邢立达等, 2009c)、广东(邢立达等, 2009d)、山东(邢立达等, 2010a; Xing et al., 2012)、新疆(Xing et al., 2011)、西藏(邢立达等, 2011)及江苏(邢立达等, 2010b)等地侏罗纪— 白垩纪恐龙足迹进行了一系列研究; 黑龙江(董枝明等, 2003)、河南(徐莉等, 2010)和浙江(吕君昌等, 2010)等地也报道过恐龙和翼龙足迹研究的成果。

山东省是中国恐龙发现和研究的重要省份。不仅在白垩纪已发现多个时代不同层位的大量恐龙骨骼化石或蛋化石, 而且还发现了多个地点的丰富足迹化石。除上侏罗统三台组零星产出的足迹外(李日辉, 2002), 山东省的恐龙足迹化石主要赋存于下白垩统的2个层位, 即下白垩统下部莱阳群和上部大盛群。前者如诸城北部黄华镇黄龙沟(Li et al., 2011)、山东即墨(Xing et al., 2012)和莱阳龙旺庄镇(李日辉和张光威, 2000)等报道的恐龙足迹; 后者则是本研究的重点层位。

野外地质调查进一步证实, 沿江苏省西北— 山东省中部北北东走向(诸城— 莒南— 临沭— 郯城一线)的中生代断裂带(沂沭断裂带)下白垩统上部大盛群中(早白垩世晚期)保存了至少8个恐龙足迹群点(图 1)。其中一个足迹点产出的蜥脚类恐龙足迹直径近1.0 m, 可能仅次于前人报道的兰州盐锅峡下白垩统河口群中的足迹化石(李大庆等, 2001; 杜远生等, 2002), 该地最大蜥脚类足迹的前脚宽、长分别为790 mm× 1120 mm, 后脚1500 mm× 1420 mm, 被认为是世界上发现的最大恐龙足印化石之一(李大庆等, 2001; 杜远生等, 2002)。

沭河裂谷带下白垩统上部大盛群不仅恐龙足迹化石丰富, 造迹属种多样, 而且保存足迹化石的地层层位也较多, 沉积地层序列齐全; 同时, 指相标志丰富, 恐龙足迹与大量波痕、泥裂、雨痕等同生沉积构造共生等, 这些都为进一步分析和研究恐龙足迹发育的古地理环境奠定了良好基础。然而, 尽管前人对沭河裂谷带内以及鲁东下白垩统部分足迹点的恐龙足迹形态、分类学等已做过部分初步的研究, 但对沭河裂谷带内以及鲁东地区白垩系恐龙足迹化石的系统研究, 特别是区域大地构造背景、足迹时空分布规律以及足迹点和足迹群整装性综合研究尚属首次。作者除将概略阐述沭河裂谷带大盛群恐龙足迹的时空分布、描述形态学特征外, 同时也将简要探讨造迹恐龙行为学和生活习性与古地理环境, 并开展区域或洲际性的对比, 进一步的工作还在进行中。

中国东部最显著的地质特征就是发育1条NE向展布的巨型区域性断裂带— — 郯庐断裂带, 自形成以来经历了长期、复杂的走滑、伸展或挤压的构造演化史, 控制着沿线分布的一系列中、新生代沉积盆地的形成和演化。郯庐断裂带在山东省境内部分称沂沭断裂带(抑或“ 沂沭裂谷带” ), 呈北东向展布, 长300km左右, 宽20~60 km, 由4条同向断裂组成(图 1), 自东向西分别为昌邑— 大店断裂、安丘— 莒县断裂、沂水— 汤头断裂和鄌郚— 葛沟断裂, 并共同呈现“ 两堑夹一垒” 的地貌(许志琴等, 1982)。沭河裂谷带位于沂沭断裂带地垒的东部, 系由昌邑— 大店断裂、安丘— 莒县2条断裂夹持控制的线性裂谷带。沂沭断裂带(含)以西称鲁西地区, 发育华北克拉通基底和元古代— 古生代的沉积盖层, 中生界发育下三叠统、侏罗系和白垩系陆相地层; 沂沭断裂带以东又以深大断裂为界划分为南部苏鲁早中生代造山带(扬子板块), 北部胶莱白垩纪盆地和胶北隆起带(具有华北克拉通基底), 中生界只出露白垩系陆相地层(图 1)。

图1

Fig.1

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	图1 山东省地质— 构造简图与恐龙(骨骼与足迹)化石分布 ①— 鄌郚— 葛沟断裂; ②— 沂水— 汤头断裂; ③— 安丘— 莒县断裂; ④— 昌邑— 大店断裂Fig.1 Sketch map showing geology and tectonic and distributions of dinosaur(skeleton and footprints)fossils in Shandong Province

鲁西和胶莱盆地的白垩系划分为下白垩统莱阳群、青山群+大盛群和上白垩统王氏群(谭锡畴, 1923)。沂沭断裂带内不发育莱阳群。下白垩统莱阳群(K₁l)下部为河流— 冲积扇相粗碎屑岩, 中部为河流— 湖泊— 三角洲相细碎屑岩局部夹泥灰岩, 上部为河流— 冲积扇相粗碎屑岩, 组成巨型沉积旋回序列(图 2), 厚度1000~2500 m, 空间上显示存在莱阳南和诸城北2个沉积、沉降中心。莱阳群产热河生物群狼鳍鱼类、东方叶肢介和延吉叶肢介、昆虫以及其他属种的无脊椎动物化石(刘明渭等, 2003)。目前仅在鲁西莱阳群中上部马连坡组产师氏盘足龙(Wiman, 1929; Wilson et al., 2009), 其余地区尚未发现恐龙骨骼化石。莱阳群下部玄武质火山岩长石Ar-Ar 测年130~131 Ma(张岳桥等, 2008), SHRIMP 锆石U-Pb测年129 Ma(张岳桥等, 2008)。诸城黄骅镇黄龙沟村莱阳群水南组(杨家庄组)发现国内外罕见的超大规模恐龙足迹群(Li et al., 2011; 许欢等, 2013); 鲁东即墨龙旺庄组也分别发现翼龙、兽脚类足迹(Xing et al., 2012)(图 1)。

图2

Fig.2

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	图2 山东省晚中生代地层格架与恐龙足迹及骨骼化石发育层位Fig.2 Stratigraphic framework and dinosaur(skeleton and footprints) fossil beds of the Late Mesozoic in Shandong Province

青山群(K₁q)主要是一套钙碱性为主的中性火山岩夹沉积岩巨厚序列, 鲁东主要沿五莲— 青岛— 即墨— 海阳断裂带发育, 鲁西局部或沿沂沭断裂带分布(图 1, 图2)。青山群火山岩长石Ar-Ar定年120~105 Ma(邱检生等, 2001; 凌文黎等, 2006; 唐嘉锋等, 2008)。本研究获得莱阳青山群底部SHRIMP斜锆石U-Pb年龄121Ma。

下白垩统大盛群主要发育于沂沭断裂带内, 是1套冲积扇— 河流— 湖泊相碎屑岩夹泥灰岩、灰岩沉积岩石组合与序列, 自下而上分为“ 马朗沟组、田家楼组、寺前村组和孟疃组” 。前人将其对比青山群上部(刘明渭等, 2003), 认为大盛群和青山群应为同期异相产物, 发育于青山群火山喷发间歇期(图 1, 图2)。本研究认为, 下白垩统大盛群主要发育于沂沭断裂带强烈沉降时期(青山群八亩地组玄武岩— 安山岩之上), 主体为1套湖相沉积序列。由于沿断裂带边缘不同地区盆地“ 基底” 岩石组合的差异和所处裂谷盆地部位不同与断裂活动强度差异等原因, 导致时空上裂谷盆地内冲积扇、河流相或河流— 湖泊— 三角洲相等或呈渐变过渡, 或为突变相变关系。也即原划分由下至上“ 马朗沟组和寺前村组, 田家楼组与孟疃组” 可能为同期异相沉积, 而不存在早晚关系(图 3)。作为盆地堆积主体和分布面积最大的大盛群田家楼组/孟疃组湖泊相沉积以深灰色、黄绿色、紫红色细碎屑岩为主, 偶夹白云质泥岩及泥晶白云岩, 厚度大于500 m。各种浅水湖泊环境的沉积构造以及钙质结核或条带十分发育, 裸子、蕨类等植物繁盛(过渡缝鞘杉Suturovagina intermedia, 坚叶杉Pagiopyllum sp.), 表明早白垩世晚期从潮湿进入干旱炎热气候环境。前人曾报道产恐龙(股骨)化石Prodeinodon(原恐齿龙)。本研究或沿沭河裂谷带新发现的所有恐龙足迹化石皆属于田家楼组/孟疃组。

上白垩统王氏群(K₂w)主要分布于胶莱盆地, 沂沭断裂带与鲁西则发育局限。鲁东王氏群沉积物以紫色、砖红色砾岩和砂岩的频繁韵律为特征, 局部夹泥灰岩, 是1套辫状河— 冲积扇相为主的沉积相组合序列。最厚沉积物堆积发育于诸城次级断陷盆地内, 大于3000 m, 胶莱盆地王氏群平均厚1000~3000 m(图 1~3)。胶莱盆地王氏群产出丰富恐龙骨骼化石, 由下至上至少发育5个以上的独立化石层位。诸城龙骨涧— 臧家庄恐龙骨骼化石集群埋藏地层层位属于王氏群底部。莱阳将军顶— 金岗口恐龙骨骼化石层位于王氏群中上部和顶部。王氏群中部玄武岩K-Ar和全岩 ⁴⁰Ar-³⁹Ar 测年为76~66 Ma(赵广涛等, 1993; 闫峻等, 2003; 孟繁聪等, 2006)。本研究新近实测诸城王氏群下部获得的6个碎屑锆石样品, 锆石ICP-MS测年结果显示, 王氏群下部地质年代不老于70 Ma(数据结果与讨论将另文发表)。

图3

Fig.3

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	图3 山东沭河裂谷带下白垩统大盛群沉积地层序列Fig.3 Stratigraphic succession of the Lower Cretaceous Dasheng Group in Shuhe Rifting Zone in Shandong Province

由上可知, 截至2013年3月足迹野外调查和综合研究资料显示, 山东省白垩系恐龙足迹分别发育在2个主要时期, 其一为早白垩世中期莱阳群最大湖泛期— — 水南组、杨家庄组、龙旺庄组沉积时期, 时代为130~120 Ma, 主要在山东省东部的胶莱盆地出露; 其二为早白垩世晚期最大湖泛期— 大盛群(田家楼组、孟疃组)沉积时期, 时代为110~100 Ma, 主要在沂沭断裂带内东侧的沭河裂谷带出露。

截至2013年3月, 沭河裂谷带内大盛群内已发现的8个大盛群恐龙足迹化石点, 由南至北分别位于江苏东海, 山东省郯城市(2处)、临沭市(2处)、莒南县(1处)以及诸城市西北(2处)(图 1, 图2, 图4)。本研究已完成上述8处足迹点共计650余个恐龙足迹的野外数据测量统计以及初步的室内综合研究工作。这些足迹既有正型印痕, 也有负型铸模。造迹者以蜥脚类为主, 同时也有丰富的兽脚类和部分鸟脚类足迹或行迹, 零星产出鸟类足迹(李日辉等, 2000, 2008; 邢立达等, 2010; Xing et al., 2010)。上述化石点的恐龙足迹中, 前人仅对诸城市张祝河湾村(邢立达等, 2010)、莒南县后左山镇(李日辉等, 2005a, 2005b, 2008)、江苏东海县山左口镇(Xing et al., 2010)3个足迹点的部分足迹进行过初步描述, 余下5个足迹点或为本次新发现, 或为本研究首次系统描述。

本文将着重从区域角度, 整体、概要介绍沭河裂谷带早白垩世末期产于大盛群中的恐龙足迹特征, 包括时空分布、形态学, 复原造迹恐龙, 分析足迹层古环境, 探讨沭河裂谷盆地与古地理演化。诸城棠棣戈庄村、郯城县、临沭市等本研究新发现或首次描述统计的足迹点, 以及沭河裂谷带大盛群恐龙足迹发育特征对比研究等成果(陈军等, 2013; 彭楠等, 2013; 王宝红等, 2013; 汪明伟等, 2013; 许欢等, 2013)。沭河裂谷带大盛群足迹和行迹分布(点)以及实测、统计数据见图4和表1。

图4

Fig.4

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	图4 山东沭河裂谷带下白垩统上部大盛群含恐龙足迹沉积序列和足迹类型Fig.4 Sedimentary successions bearing dinosaur footprints and footprint types of the upper Lower Cretaceous Dasheng Group in Shuhe Rifting Zone in Shandong Province

表1

Table1

表1(Table1)

表1 山东沭河裂谷带下白垩统上部大盛群恐龙足迹特征 Table1 Dinosaur footprints of the upper Lower Cretaceous Dasheng Group in Shuhe Rifting Zone in Shandong Province 地点 剖面点 /个 行迹数 /条 有数据的 脚印数/个 素描 /个 鸟脚类 /个 兽脚类 /个 蜥脚类 /个 疑似甲 龙类/个 无法确 定/个 备注 棠棣戈庄 1 1 23 23 / / 23 / / 新发现 莒南 14 9 199 199 77 94 22 / 6 前人已部分发表 东海 3 4 83 83 1 12 67 / 3 前人已部分发表 临沭B 11 8 172 172 28 4 127 10 3 未发表 临沭A 10 1 135 135 1 5 100 2 27 未发表 郯城北 1 3 / 21 / / 21 / / 新发现 郯城东 1 3 19 19 / 1 18 / / 新发现 总数 41 28 653 652 107 116 378 12 39 东海* 4 7 58 58 / 4 54 / / Xing et al., 2010b 莒南* 1 ? ? ? ? 6 ? / / 李日辉等, 2005, 2008; Lockley et al., 2007 张祝河湾* 1 / 13 6 3 / 10 / / Xing et al., 2010a 总数* 6 7 71 64 3 10 64 注: ?为数量不详, /为未提及, * 为已发表数据。

表1 山东沭河裂谷带下白垩统上部大盛群恐龙足迹特征 Table1 Dinosaur footprints of the upper Lower Cretaceous Dasheng Group in Shuhe Rifting Zone in Shandong Province

3.4 沭河裂谷带南部郯城— 东海恐龙足迹化石点(3处)

沭河裂谷带南端江苏省与山东省交界, 围绕马陵山发育3个毗邻的恐龙足迹化石点(图 1, 图4, 表1), 其中江苏东海县山左口镇含足迹地层下部为棕红色中层中砂岩夹厚层泥质粉砂岩, 恐龙足迹化石发育于褐灰色粉砂岩层面, 其中部分恐龙足迹前人做过初步研究(邢立达, 2010)。另2处足迹点属于山东省郯城县:郯城东足迹产于厚层三角洲前缘砂岩中, 共19个足迹, 其中17个蜥脚类足迹构成3条行迹(图 5-3)。郯城北恐龙足迹产于紫灰色粉细砂岩层面, 在3个层面上共发现30个足迹(图 5-4), 其中尤以发现的21个巨型蜥脚类足迹构成的巨型行迹为特征(图 5-4-a)。该行迹中单个后足迹直径近100 cm(图 5-4-a* )。若以臀高等于足径的4倍为计算依据(Alexander, 1976; Thulborn, 2011)来还原造迹恐龙大小, 那么该造迹恐龙至少达4 m高。此外还发现了一些兽脚类的足迹及行迹。野外勘查表明, 郯城东足迹层位高于东海山左口镇南古寨村足迹产出层位。

图5

Fig.5

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图5 山东沭河裂谷带下白垩统上部大盛群典型足迹及行迹特征 1— 棠棣戈庄村恐龙足迹点, 出露23个清晰足迹, 平面上构成一近乎圆形、半径约1.5 m的弧型行迹; 2— 紫色粉砂质泥岩、粉砂岩上巨大的蜥脚类足迹, 直径达到50~40 cm, 主要是垂直波脊线方向, 往北东方向行进, 与水流方向平行, 地层产状112° ∠64° , 左下角玫瑰图指示波脊线方向, 临沭B剖面; 3— 郯城东, 3列行迹, 地层产状:33° ∠21° , 水流方向为110° , 波脊线方向为20° 方向; 其中带圈数字如①, 表示足迹编号及个数, 红色箭头指示行迹方向, 黑色平行实线为行迹宽(TWW), L为左脚, R为右脚, 可能均为后足足迹(与邢立达口头交流); 4— 地层产状:98° ∠46° , 波脊线东西向, 古流向南, 行迹方向约为280° , 3列蜥脚类恐龙行迹(a, b, c)中的a列可能为目前中国第2大蜥脚类足迹, 郯城北清泉寺, manus表示前足, pes表示后足Fig.5 Characteristics of typical footprints and trackways of the upper Lower Cretaceous Dasheng Group in Shuhe Rifting Zone in Shandong Province

图6

Fig.6

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图6 山东沭河裂谷带下白垩统上部大盛群典型恐龙足迹类型 1— 恐龙右足迹印模(凸型)(左侧)及被砂质充填的小型干裂(右侧), 莒南; 2— 蜥脚类足迹叠印在明显未固结的泥质干裂上, 干裂隙被中断, 层面上保留了轮廓清晰的足迹, 诸城石桥子镇棠棣戈庄村; 3— 蜥脚类恐龙的右后足迹, 5趾依次排列, 爪不明显, 长大于宽, 足跟半圆形, 脚印踩踏较深, 说明当时沉积物富含水, 非常松软, 郯城东; 4— 钙质胶结的黄绿色粉砂质泥岩上光滑清晰的甲龙(?)足印, 临沭后店子村西; 5— 土黄色细沙形成硬底, 在还未完全固结时, 清晰的兽脚类足迹印于其上, 似正处于快速行走状态, 足跟印浅, 指垫及爪印深, 清晰可辨; 6— 含水中等的钙质砂岩表面留下的清晰鸟脚类恐龙足迹; 7— 干裂上叠加的鸟脚类恐龙足迹, 含水率相对较低及钙质胶结, 足迹很浅; 8— 鸟脚与兽脚类足迹, 向不同方位行进, 其中兽脚类主要向西行进, 鸟脚类则向北行进; 足迹大小不一, 显然为不同造迹者所为; 9— 足迹与浪成波痕叠置, 地表暴露了一定时间, 含水率已相对较低, 巨型蜥脚类恐龙足跟部位的波痕已被压平; 10— 干涉波痕上一行兽脚恐龙的足迹嵌入软泥中, 行迹方向为北西, 波痕主流向指向南南东; 11— 在紫灰色波痕发育的2个层面上, 蜥脚类恐龙足迹陷入软泥中, 黄绿色与紫红色泥岩相间, 处于松软的状态, 说明沉积物中含水充分, 为水下沉积; 12— 临沭天塔桥附近陡崖上灰色细粉砂岩上发育两列蜥脚类恐龙的行迹, 波痕指示的流向(75° )与行迹方向相反, 左上角玫瑰图指示的是波脊线方向, 近于南北向Fig.6 Dinosaur footprint types of the upper Lower Cretaceous Dasheng Group in Shuhe Rifting Zone in Shandong Province

图7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图7 山东沭河裂谷带下白垩统上部大盛群田家楼组足迹伴生的沉积特征Fig.7 Sedimentary characteristics accompanying with dinosaur footprints in the Tianjialou Formation of upper Lower Cretaceous Dasheng Group in Shuhe Rifting Zone in Shandong Province

1, 2, 3— 诸城石桥子镇棠棣戈村足迹发育层位特点:1为足迹岩性:灰紫色泥质粉砂岩, 产状多变, 地层有褶皱, 整体西倾:276° ∠39° , 2为足迹上覆岩层, 由黄绿色泥岩夹钙质粉砂岩与紫红色泥岩不等厚互层, 滨浅湖相沉积; 4— 诸城张祝河湾村, 足迹产出层岩性:薄层灰紫色粉砂质泥岩, 产状为225° ∠13° ; 5, 6, 7, 8— 莒南足迹产于中厚层交错层理发育的紫灰色细砂岩中, 产状为142° ∠40° , 139° ∠39° ; 9— 疑似甲龙(?)足迹产出地, 黄绿色钙质泥岩、粉砂质泥岩中夹钙质条带及钙质结核, 临沭后店子村; 10— 临沭岌山恐龙化石产出地层, 主要岩性:黄绿色泥岩、粉砂质泥岩或泥质粉砂岩、灰紫色泥质粉砂岩, 产状不一, 变化大, 南侧剖面产状为246° ~219° ∠60° ~84° , 北侧产状为9° ~123° ∠40° ~85° ; 11— 东海山左口乡南古寨西南, 砖红色— 土黄色中— 细砂岩, 产状为208° ∠21° , 发育大型交错层理, 波痕、泥裂; 12, 13— 砖红色中厚层交错层理发育的中— 细砂岩, 产状为233° ∠21° , 郯城东; 14, 15— 郯城北足迹亦产于中厚层紫灰色细砂— 粉砂岩中, 各种层理、泥裂、波痕发育, 地层产状为98° ∠46°

研究区恐龙足迹有凸形(图 6-1)和凹形2种(图 6-2至图6-12)。对沭河裂谷带大盛群中由北到南共计650多个足迹基本特征的野外系统考察和详细数据实测、描述与综合分析研究表明(表 1, 图4), 造迹者包括了蜥脚类、鸟脚类和兽脚类恐龙(图 4, 表1, 图6-2至图6-7)。其中蜥脚类足迹378个、鸟脚类107个和兽脚类116个(表 1)。以本研究为基础并结合前人已发表的足迹研究成果进一步显示(表 1), 沭河裂谷带内东海县(图 6-9)、郯城县(图 6-3)及临沭市(图 6-4, 6-11, 6-12)基本上以蜥脚类恐龙足迹为主, 也含部分兽脚类和鸟脚类足迹; 莒南县则主要为兽脚类和鸟脚类(图 6-1, 6-5, 6-6, 6-7, 6-8, 6-10)。

实测与统计结果显示, 东海县、临沭市及莒南县发育的兽脚类恐龙足迹普遍偏小(L< 23 cm), 造迹者有可能为小型虚骨龙类; 通常蜥脚类足迹规模不一, 其中已发现的最大后足直径近100 cm(郯城), 最小者不超过33 cm; 但鸟脚类足迹变化不大, 长度一般在20~30cm之间。

应用恐龙足迹复步长与臀高之比值(即用复步长SL与臀高h比值, SL/h)可以计算恐龙行走的速度和表示恐龙的行走状态(SL/h< 2.0为慢行状态, 2.0< SL/h< 2.9为小跑, SL/h> 2.9为奔跑)(Alexander, 1976; Thulborn, 2011)。依此方法和原理计算了沭河裂谷带大盛群足迹数据, 发现造迹恐龙多处于漫步行走状态, 而进一步推论则可认为这些造迹恐龙正处于栖息生活状态。

恐龙足迹的能否保存及其好坏与深浅, 除了与恐龙自身的身高、体重、行走速度有关外, 还与地表物质组分、干湿程度及黏度密切相关。通常在含水率高、粒度细、黏度大的层面上留下的足迹要深, 反之则浅; 但又不能太湿、太细或太黏。太湿、太细可能保存不住, 马上被水冲掉或是垮掉或被踩塌的物质掩埋; 太黏则会使留下的足迹变形而难于识别; 但也不能太干, 太干则根本留不下足迹。其次, 痕迹留下后应迅速被沉积物掩埋, 掩埋后需要地壳下降, 使其经过成岩作用过程被石化。另外, 还要求保留凹型足迹的岩石与后来的覆盖层岩性不一样, 这样才能在后来的差异风化中将足迹暴露出来, 被人们所发现(甄朔南等, 1996)。有这种条件的地表一般都出现在湖滨、海滨及河滩地, 因而多与波痕、泥裂、雨痕等共同出现。图5、图6所示, 足迹出现在干裂层的表面, 足迹与干裂、波痕等沉积构造同时产出是非常普遍的特征。由于干裂泥面主要由泥质粉砂质沉积物组成, 富含水分而松软, 恐龙足迹较深, 也容易使干裂在足迹处中断(图 6-2)。但莒南足迹点则显示, 足迹是钙质胶结的粉砂层面上形成细小干裂后踩上去的, 底层结实, 足部很浅, 干裂纹也保存得很好, 足迹处干裂隙仍连续分布(图 7)。更多的是足迹叠加在波痕上, 如果足底岩层面含泥少, 为细砂— 粉砂, 且相对较硬一些, 足底处的波痕就得以保留(图 6-9, 6-12); 而粒度细一些, 含水率高一些, 足迹就陷入较深(图 6-11), 反之会浅一些。

总之, 恐龙足迹多保存在细砂或粉砂岩地层中, 并与波痕、泥裂、雨痕、冰雹痕共生, 因砂层粒度大小、饱水程度、钙质胶结程度不同而使足印深浅不一。北部诸城棠棣戈庄及中南部临沭岌山地区A剖面沉积物粒度细、粉砂为主, 脚印深度大; 南部东海、郯城东沉积物粒度较粗, 中— 细砂, 但由于松散的砂层厚度大, 饱水程度高(水下沉积), 脚印也很深; 莒南及临沭岌山地区B剖面及郯城北, 沉积物为细砂, 但钙质胶结严重, 水体相对较浅, 足迹浅。

恐龙足迹能否保存下来受到苛刻的沉积环境与埋藏、保存条件的限制, 是不可多得的宝贵地质遗迹, 通过详细分析和对比足迹层系沉积岩相特征, 可以很好地恢复恐龙生存时期的古地理环境特点, 这有益地补充了恐龙骨骼化石研究方面的不足。因为恐龙骨骼化石及其地层沉积特征, 反应的是恐龙死后的埋藏环境, 二者可以相得益彰, 共同构建恐龙从生存到死亡— 埋藏— 成岩的全过程。

图8

Fig.8

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图8 山东沭河裂谷带下白垩统上部大盛群田家楼组足迹发育剖面伴生的各种层面构造 1— 紫灰色粉砂岩上由干裂裂隙间充填物(钙质粉砂)形成的网状硬棱, 其上泥岩已被风化剥蚀掉, 可能由于干裂程度不高、泥质层厚度较薄的情况下被快速充填, 裂隙间互相牵引呈弯曲状, 产地为莒南后左山地质公园; 2— 粉砂岩底面钙质胶结, 干裂隙充填物为钙质粉砂岩与泥砾的混合物, 裂隙宽, 反映薄层泥岩被快速干燥, 形成干裂, 短时间又被强烈水动力条件下冲刷而来的物质快速充填, 干热环境的产物, 产地为郯城马陵山清泉寺; 3— 砂岩面上凹坑密布, 为泥砾充填沉积时嵌进未固结的砂中所致, 网格状的裂隙充填残留物, 显示当时泥裂的规模相当大, 但泥质较厚, 干旱程度较深, 与足迹共生, 产地为郯城马陵山清泉寺; 4— 干裂较小, 表明干裂速度比较慢, 泥质层面被剥蚀, 产地为郯城东; 5— 浪成波痕上叠加了小型干裂, 滨湖沉积, 产地为郯城东; 6— 黄绿色泥质粉砂岩, 层面上发育浪成波痕, 滨浅湖沉积, 产地为临沭岌山; 7— 紫灰色钙质粉砂岩, 层面上发育不对称波痕, 流向北(75° ), 其上叠加大小不等的冰雹痕, 产地为临沭岌山; 8— 莒南地质公园内, 足迹层面向上5, cm处钙质粉、细砂岩面上发育大量舌状波痕, 并有大量雨痕叠加; 9, 10— 褐色粉砂岩中生物钻孔水平的垂直都有, 9产地为郯城东, 10产地为莒南; 11, 12— 细粉砂岩中大量泥砾, 分选磨圆差, 11产地为郯城北, 12产地为莒南Fig.8 Bedding-plane structures accompanying with dinosaur footprints in the Tianjialou Formation of upper Lower Cretaceous Dasheng Group in Shuhe Rifting Zone in Shandong Province

图9

Fig.9

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图9 山东莒南地质公园第C层恐龙足迹特征 第C层具体位置见莒南剖面第14层(图4), 可分为2个层面:其中Site C-1层面上干裂与足迹共生, 保留有多个足迹, 仅能识别出1条行迹; Site C-2为波痕与足迹共生, 足迹行进方向与水流方向相反, 由于砂多泥少, 砂质含水量低, 足迹都比较浅。在莒南多个岩层面上都发育有足迹同波痕共生的情形, 波脊线以北西— 南东向或北北西— 南南东向为主, 足迹前进方向, 多数情况下与波脊线方向垂直, 表现为向湖方向行走的特征, 但也有部分平行波脊线, 表现为沿岸行走特征; 图下方6幅玫瑰图所示为足迹行进方位, 其编号分别对应图4莒南剖面相应编号的足迹层; O— 鸟脚类足迹, T— 兽脚类足迹Fig.9 Footprint and trackway characteristics of site C in Jü nan Geopark in Shandong Province

棠棣戈庄村新发现的足迹产于陡倾斜的黄绿色泥岩与紫灰色粉砂岩韵律层面, 与大型菱型泥裂构造共生(图 7-1)。沉积韵律层由下至上砂岩单层厚度或夹层数逐渐增多, 粉砂岩或细砂岩中发育丰富的双向交错层理, 砂岩钙质胶结, 属于典型滨浅湖相沉积(图 7-2, 7-3); 张祝河湾村古鸟类与恐龙足迹沉积层序和沉积构造特征与其基本一致(图 7-4)。

莒南后左山村赋存恐龙足迹沉积序列由小砾岩、砂砾岩、砂岩、粉砂岩与泥岩构成向上变细沉积序列, 其中大型槽状交错层理、板状交错层理、小型波状纹层以及不对称波痕、雨痕、泥裂和泥砾等十分发育, 局部还见有腹足、双壳等化石。含有大量恐龙足迹的泥质粉砂岩层面都呈现丰富的泥裂、波痕及雨痕等浅水— 暴露的沉积构造(图 7-5, 7-6, 7-7, 7-8; 图8-1, 8-8), 此外还发育虫迹(图 8-10), 层系底部具泥砾(图 8-12), 代表了从曲河流— 河流三角洲— 滨浅湖环境的变化和沉积序列。同时, 沉积物呈浅紫色, 普遍出现钙质胶结和钙质条带、钙质泥岩、泥晶白云岩等特征说明当时具相对干旱的古气候和不断咸化的水体条件。正是由于这种气候、环境特点, 加之足迹发育层单层厚度薄、泥质含量低, 造成沉积物质地脆硬, 导致恐龙足迹深度较浅。

临沭A剖面下部为黄绿色粉细砂岩, 紫红色中细砂岩、粉砂岩、泥岩和灰绿色、黄绿色细粉砂岩、泥岩韵律, 足迹多产于黄绿色粉细砂岩与钙质粉砂岩层面(图 7-9, 7-10), 并与大量的波痕, 尤其是浪成波痕(图 6-6, 图8-6)和零星泥裂构造等浅水— 暴露沉积构造共生, 代表较浅湖沉积环境。临沭B剖面恐龙足迹主要出现在紫红色粉砂岩中(图 5-2), 恐龙足迹多与波痕、雨痕和冰雹痕(图 8-7, 图6-12)叠加在一起, 指示着明显的滨湖沉积环境。

山左口镇含足迹地层下部为棕红色中层中粒砂岩夹厚层泥质粉砂岩(图 7-11), 向上泥质粉砂岩夹层逐渐增厚, 砂岩中槽状和楔状交错层理发育; 中部为棕红色薄层粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩组成高频韵律段, 偶夹棕红色薄层细砂岩, 泥裂、波痕发育, 恐龙足迹化石发育在褐灰色泥质粉砂岩层面; 上部为棕红色中— 薄层中砂岩与中— 薄层的细砂岩、粉砂岩组成的韵律, 砂岩中见楔状交错层理。郯城东足迹层位应较东海左口山镇足迹层位高, 产于厚层三角洲前缘砂岩中, 大型交错层理十分发育(图 7-12, 7-13; 图8-4, 8-5)。郯城北恐龙足迹产于紫灰色粉细砂岩层面, 各类中小型交错层理, 不同规模和形态的泥裂与波痕、泥砾及变形构造十分发育(图 7-12, 7-13; 图8-2, 8-3, 8-11)。马陵山周边的这3个足迹层的沉积特征都指示了三角洲环境的特点。

一般波痕指示的水流方向是由湖心(河心)向岸或由于回岸浪而产生干涉波痕, 因而, 海、湖波痕在平面上的分布有平行滨线的趋势(何幼斌和王文广, 2007), 而不对称波痕所指示的水流方向有垂直滨线, 并有可能指向滨岸方向的趋势。通过对保存恐龙足迹层系发育的波脊线方向、波痕所指示的流向以及恐龙行迹方位等数据实测和统计分析, 莒南县一带的恐龙行迹方向多与波脊线方向垂直或相交。恐龙行进方向为NE-SW向, 而该区地层稳定, 产状一致, 层面上的波脊线方向一致表现为NW-SE(图 9)。且行迹表现为向与水流相反的方向(往湖心或河心的方向)行走, 可能处于前往饮水状态, 如图9中, 在Site C-2面上, 共识别出8个足迹, 其中兽脚类3个, 鸟脚类5个, 上方有一列行迹, 行进方向指向西方, 恐龙足迹行进的方向多为南西(SW)向, 波痕指示的流向为NE, 波脊线方向为NW-SE; 也有部分足迹与波脊线方向一致(图 4, 图9)。临沭的恐龙行迹方向也多与波脊线方向垂直, 亦表现为逆水流方向行进(向湖行进)(图 5-2, 图6-12)。而其余足迹点恐龙既有沿岸(与波脊线方向平行)行走的, 也有(顺水流方向)向岸方向行走的(图 5-2, 5-3)。

表2

Table2

表2(Table2)

表2 山东沭河裂谷带不同足迹化石发育点沉积特征对比 Table2 Summary of sedimentary characteristics of different footprint sites in Shuhe Rifting Zone in Shandong Province 沉积特征 东海 郯城东 郯城北 临沭A 临沭B 莒南 诸城(棠棣戈庄) 岩性 中— 厚层中、细砂岩与粉砂岩 中— 厚层中、细砂岩与粉砂岩 中— 厚层中砂岩、细砂岩 中— 薄层粉砂岩、细砂岩为主 中— 厚层黄绿色、灰紫色中砂岩 厚层细砂岩、粉砂岩与中砂岩 粉砂岩、细砂岩与泥质粉砂岩 泥岩颜色 棕红色 砖红色 棕红色 黄绿色、深灰色 黄绿、灰紫 紫灰色 黄绿色、灰绿色 层理 槽状, ++ 中型板状, 楔状, +++ 各种交错层理及变形层理发育, +++ 小型交错层理, 地层较破碎, 层理不清 平行层理发育, +++ 板状、楔状交错层理发育, +++ 小型沙纹层理、交错层理与平行层理, +++ 波痕 小型, 流水波痕, ++ 中— 小型, 浪成及流 水波痕, ++ 中型, ++ 小— 中型, 浪成波痕为主, +++ 大中型, 浪成对称和非对称波痕及流水波痕均发育, +++ 小, +++ - 干裂 小, 较深, ++ 小型, 较深, ++ 中等, 裂隙较深, +++ 局部, 小, 较深, + - 中等, 裂隙较浅, +++ 大但裂隙浅, +++ 波脊线方向 NNE-SSW E-W E-W NNE-SSW NW-SE 古流向 SSW SEE S NE 足迹方向 NE-SW NEE-SWW, E-W N-S NEE-SWW NW-SE SW-NW NE-SW 沉积环境 三角洲 三角洲 三角洲前缘 滨浅湖滩 滨湖— 三角洲前缘 三角洲前缘 滨浅湖滩 注:+++发育, ++较发育, +少量, -未见; 江苏东海地区的古流向由交错层理测得, 山东郯城和莒南由波痕测得。

表2 山东沭河裂谷带不同足迹化石发育点沉积特征对比 Table2 Summary of sedimentary characteristics of different footprint sites in Shuhe Rifting Zone in Shandong Province

从沭河裂谷带不同地点大盛群田家楼组足迹层系岩性、同生沉积构造特征的总结、对比可见(图 5, 图6, 图7, 图8, 图9, 表2), 足迹层系反映的原始沉积环境较为类似, 说明早白垩世晚期沭河裂谷带处于陆相湖盆沉积环境, 足迹都几乎保存在滨湖或三角洲前缘砂岩和粉砂岩岩相中。

早白垩世晚期伊始, 沭河裂谷带基底强烈拉张— 断陷, 中基性火山岩喷发, 随之进一步演化为沿线状裂谷带发育的大盛群, 堆积冲积扇— 河流— 湖泊相等沉积建造。沉积序列与沉积物组成上, 下部以砾岩、砂岩与泥页岩组合为主, 上部以黄绿色薄层粉砂岩、页岩、夹钙质泥岩及泥晶灰岩条带或结核等为岩石组合特征。图9和表2中不同足迹发育层波脊线方位和水流方向数据统计显示, 交错层理指示沭河一带总体为南流水系(向西南或东南方向), 波脊线主要呈近东西向展布, 波痕流向指向东北(为岸线方向), 从而表明恐龙生活在沿东西(或NE-SW)向展布的宽浅湖泊北岸, 进一步指示当时北高南低, 裂谷盆地呈西缓东陡的古地貌特征。田家楼组顶部钙质胶结和钙质结核与条带的出现, 表征着早白垩世晚期气候已由潮湿逐渐向半干旱与干旱气候条件转变。因此, 早白垩世晚期, 沭河沿线地区广布宽而浅的淡水湖泊。长长的湖岸线, 开阔的湖泛平原, 半干旱、半潮湿的古气候环境与条件, 包含恐龙动物群等无数生灵在此栖息、繁衍, 山川、湖泊、动植物、气候等要素构成了早白垩世晚期优良的生态系统。110~100Ma时期沭河地区大量恐龙足迹的发现充分印证了这个曾经繁荣的生态环境(图 10)。到田家楼组顶部钙质胶结及钙质结核与条带的出现, 表征着早白垩世末期气候已由潮湿逐渐向半干旱至干旱气候条件转变。

图10

Fig.10

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	图10 山东沭河裂谷带大盛群沉积环境复原图Fig.10 Sedimentary environment reconstruction of the Dasheng Group in Shuhe Rifting Zone in Shandong Province

沭河裂谷带早白垩世晚期发育的恐龙足迹与同时期东亚和东北、华北等广大区域上出现的恐龙足迹基本可以对比(Xin et al., 2010; 柳永清等, 2011)。如冀北— 辽西(Yabe et al., 1940; Zhao et al., 2004; 张永忠等, 2004; Chen et al., 2006; Fujita et al., 2007; Sullivan et al., 2009; Xing et al., 2009, 2010, 2011)、鄂尔多斯北部(李建军等, 2010; Li et al., 2012)、内蒙古中部(Lockley et al., 2002)、甘肃西部(Zhang et al., 2006)以及东亚韩国(Paik et al., 2001, 2006; Huh et al., 2003, 2012; Lockley et al., 2005, 2008, 2012a, 2012b; Matsukawa et al., 2006; Kim et al., 2009)与日本(Matsukawa et al., 1997, 2005, 2006)等, 无论是产出足迹的种类及特征, 还是足迹产出地层的岩性及沉积特征都较为相似。实际上, 早白垩世东亚地区普遍发育着以鹦鹉嘴龙为代表的恐龙动物群, 与其伴生的是热河生物群(Lycoptera-Eoestheria-Ephemeropsis), 该动物群从Barremian-Albian期持续了近20 Ma(Lucas, 2006)。鹦鹉嘴龙动物群的广泛分布和可对比性表明, 早白垩世的整个东亚地区应存在统一的古地理、古气候环境背景。Matsukawa等(1995, 1997)曾对日本、韩国以及中国朝阳、滦平、内蒙古地区早白垩世兽脚类足迹及鸟脚类、虚骨龙类骨骼化石进行了对比研究, 认为早白垩世中国东北部、韩国、日本存在相同的遗迹相, 且可能处于相同的古地理环境。这不仅说明山东与东亚地区在早白垩世晚期普遍繁衍着中生代晚期规模最为庞大的恐龙动物群, 以及早白垩世晚期恐龙动物群具有着更广阔地理分布范围, 也进一步说明中国北方与东亚地区早白垩世古地理、古生态环境的相似性或一致性, 这对于研究中国北方、乃至东亚地区白垩纪恐龙动物群构成、生活习性、生物古地理与生态环境和古地理重建等都具有极其重要的科学意义。

沭河裂谷带由北至南发育8个早白垩世晚期(大盛群)的恐龙足迹群化石点, 恐龙足迹主要产出于大盛群田家楼组, 地质年代属于早白垩世晚期(110~100 Ma, Aptian晚期— Albian)。造迹者包括蜥脚类、鸟脚类和兽脚类及少量甲龙类恐龙。足迹多保存在细砂— 粉砂岩沉积物的表层, 含足迹的沉积岩层上频现波痕、泥裂、雨痕等沉积构造。足迹和行迹研究显示造迹恐龙为群居和栖息地慢步行走状态。足迹原位保存特征及赋存地层沉积学研究表明, 研究区早白垩世中晚期气候处于温暖湿润与炎热干旱的过渡期, 发育冲积扇— 河流— 湖泊相的砾岩— 砂岩— 粉砂岩夹泥灰岩组合, 而恐龙繁盛的田家楼期处于湖盆最发育时期, 湖泊呈北东— 南西向展布, 受古地形影响, 西缓东陡, 有着广阔的湖泛平原及三角洲地带, 该环境中大量恐龙足迹说明当时栖息、繁衍着相当庞大的恐龙动物群, 之后气候逐渐转向干旱。足迹岩系和沉积岩相古地理环境的对比说明, 中国早白垩世恐龙动物群有着更广阔的地理分布和相似的古环境特点。山东与中国北方、乃至东亚地区早白垩世古地理环境的相似性, 以及恐龙动物群的广阔地理分布, 将更好地揭示早白垩世时期的生态环境, 并为古地理重建提供了证据。

致谢 特别感谢山东省国土资源厅地质调查院和地质科学实验研究院以及山东省临沭市政府和国土局等领导和同事们的大力支持与协助。