泥河湾层中的哺乳动物化石，早在1927年就由巴尔博作了报道。1930年，德日进.皮孚陀发表了《泥河湾哺乳动物化石》。在该书中，他们把三趾马红土以上、马兰黄土以下这段地层里采集到的哺乳动物化石，定为泥河湾动物群，并说此动物群可与欧洲维拉弗朗期动物群相对比。他们的研究工作第一次提供了从蓬蒂纪到中第四纪这一重要历史时期的确切证据。这些哺乳动物化石是纳玛象、中国犀、披毛犀近似种、板齿犀、犀、爪兽类(现认为是蹄兔目)、中国长鼻三趾马、三门马、李氏野猪、巨副驼、中国麂、双叉四不象鹿、布氏真枝角鹿、华丽黑鹿、黑鹿、中国羚羊、鹅喉羚羊、印度羚羊属、翁氏转角羚羊、山东绵羊、古中华野牛、狐、中国貉、直隶犬、直隶犬掌形亚种、直隶犬小型亚种、熊、桑氏鬣狗、缟鬣狗、桑氏水獭、鼬、獾、泥河湾巨剑齿虎、似锯齿似剑齿虎、猞猁、虎、更新豹、刺猬、五指跳鼠、丁氏鼢鼠、复齿鼠兔等。现将保存在天津自然博物馆的几个标本简介如下。 似锯齿似剑齿虎 剑齿虎的残骸在泥河湾层中是比较常见的一种化石。似锯齿似剑齿虎是1925年发现的三件完整头骨中的一件。1930年研究者把它们订为泥河湾剑齿虎新种，并把它订为二号头骨。该头骨除枕骨部分被打碎外，其它都保存比较完好。似锯齿似剑齿虎是泥河湾动物群的重要成员，身体较小，但比泥河湾巨剑齿虎稍大。因它上犬齿前后均有锯齿，德日进将它从泥河湾剑齿虎中改为现在这个名字。地质时代属更新世早期。这种剑齿虎在非洲臭都威地层中亦有发现，其时代与泥河湾期相同。 古中华野牛 (B型头骨)古中华野牛是小牛科的一种非常原始的类型，是泥河湾地层中最普遍的动物之一。这类化石在这一地区相当丰富，发现有三个完整的头骨。小牛科介于丽牛和野牛之间，而接近野牛。它是我国最古老的牛科，因为中国目前还没有发现丽牛的化石。丽牛是划分第四纪与第三纪的标示性动物。古中华野牛有可能是我国第四纪的指示性化石。地质时代更新世早期至中更新世早期。古中华野牛个体小而原始。与较后期种类比较，其顶骨较长(较丽牛短)。B型可能是一个雌性个体。头骨最高处在角心后缘额骨中部(其它种类则位于角心之后的上枕骨处)。角心向后伸展，强烈指向后方。向上升出额面，不旋转。 翁氏转角羚羊 翁氏转角羚羊是泥河湾地层中相当普遍的一种化石。照片17是一件较完整的带角心的颅骨，另外还有三件大致完整的角心和下颌骨。我国除在泥河湾有发现外，还在山西榆社的更新世早期和周口店第一地点更新世中期也有发现。翁氏转角羚羊角心粗壮，长而直，稍向两侧分开并明显后向倾斜；由角基至角尖旋转不多于一圈；有一条明显的前棱，有时有一条不明显的后棱。眶上孔而深。顶骨厚，在眶上孔处额骨厚而多孔。 双叉四不象鹿 双叉四不象鹿又名双叉麋鹿，是泥河湾动物群的主要成员之一。1930年研究时，根据它的特征订了一个新种叫双叉。照片18是一件保存完整的右边的角一枝，附部分颅骨顶部，颅骨还有左边的连接点。该化石发现于下沙沟的大水沟。它与现在麋鹿有着共同起源，但它不是现生麋鹿的直接祖先，而是同一进化线上的一个侧支。它也是我国目前所知的最早有记录的四不象鹿化石。地质时代更新世早期。这种鹿的角简单为完整的双分角；主枝大，圆柱状，成一大弯曲，在顶端分成二叉。这种鹿非常奇怪，很难有其它种类可与相比，但有一个主要的特征，即主枝的双分，只有现生四不象鹿有此特征，原研究者把它放于麋鹿这个属内。 华丽黑鹿 华丽黑鹿是泥河湾地层中最普遍的鹿。在泥河湾发现的这些鹿角几乎全被打碎了，因为不可能知道成年个体是三个侧枝(黑鹿型)，还是四个侧枝(斑鹿型)。研究者只能根据鹿角大致把它们分为A、B、C三种类型。黑鹿在欧洲到了更新世早期就绝灭了，但亚洲的古北区和中国都长期保存下来，到现代这一属的鹿还分布于东洋区的大部分地区，其分布区域北面可达到我国四川。地质时代更新世早期。华丽黑鹿A型是一利小型的黑鹿。角柄短。第一枝位于角节部上很高处，长而直，与主枝间成锐角。主枝直或稍弯，但不是琴弓状。第二枝比第三枝长(非适应性)。角表面光滑或有沟。 布氏真枝角鹿 布氏真枝角鹿是泥河湾动物群中的一群很漂亮的鹿类。这群鹿过去在亚洲并不显著，而在桑干河地区则显得非常一致。1930年研究者认为这一群鹿与欧洲的鹿有密切关联。为了感谢沟通这方面工作的布日耶教授，把这新种的名字送给了他。他使研究者们更加了解欧洲上新世和更新世的历史。这组鹿在泥河湾地区的发现，使人们了解和增加了动物学和古生物学方面的重要性，扩大了鹿科化石的地理分布。地质时代更新世早期。这种鹿有六种不同类型的角，分为两组。它们共同的特点是角柄相当短，有六个侧枝，除第二侧枝外，其余的枝都象梳齿那样排列着。而第二枝总是约70°的角度向内伸；第一、二枝横切面为圆形，通常较短。为此，也有译为步氏真梳鹿。见照片20~21。 三门马 在泥河湾动物群中，发现有一种大型马类的遗骸存在。马类的出现表明了第四纪的来临。研究者们作了许多研究对比工作，最后给桑干河马取了一个专门性的名字——三门马，以便提起人们对其特殊地层意义的注意。三门马生存于蓬蒂期后、黄土期前的这段时期，在中国北方地质上称为三门系，①其命名“三门”亦由此而来。时代为早更新世至中更新世。马属主要特征为牙及蹄的构造，足趾仅有中指存留，第二、第四趾退化或消失。牙冠特别高，牙根极短，前臼齿臼齿化，除第一个和最后一个略呈三角形外，余呈方形。三门马常与中国长鼻三趾马共生，是地层上划分第四纪与第三纪的分界标示化石。 纳玛象 在桑干河流域象类的遗骸经常被发现。但是象照片26这样完整的头骨，是比较罕见的。它于1977年夏发现于泥河湾村西的上沙嘴村附近的三级阶地上，地层时代为更新世晚期。纳玛象与毛象(猛玛象)相似，上门齿特大。第三臼齿硕大，臼齿狭长，齿冠很高。左第三臼齿为191/2个齿板，右为18 1/2个齿板。齿频率5.5~5.6，珐琅质具有强烈褶曲。该头骨前颌骨左半部，骨骼扁平，齿槽骨壁比右侧厚得多。中间留有一个很小很浅的门齿齿槽，估计左象牙在早期已纪脱落，大概是在幼体的时候，因受伤或病态造成的。 从世界上发现的现有材料来看，纳玛象从更新世早期到晚期，一直生活在欧亚大陆上。我国不仅华南许多地方都有分布，而且在黄河流域以北也有发现。从上沙嘴发现的化石亦可说明，纳玛象在桑干河流域生存的历史悠久，从更新世早期至晚期，都有它们存在。 泥河湾动物群的主要性质是：第一，其中有三趾马、板齿犀等一些典型的第三纪末期种属的残余代表。第二，有许多近代哺乳动物的属，如象、骆驼、野牛、羊等，均在泥河湾期早更新世初次出现。泥河湾动物群与第三纪晚期上新世蓬蒂期比较起来，中国北方蓬蒂期的哺乳动物群中有许多代表南方的种属。这一动物群可以从中国与印度(西瓦利克系中部)往西延伸到欧洲地中海一带，而且其中有一些如转角羊、长颈鹿等现代标准的北非相的动物，都是那时候开始在中国境内出现的。与蓬蒂期相反，中国泥河湾期的动物群中则有许多代表北方型的动物，而与亚洲南部同时期的动物有明显的区别。 1954年以来，我国科学院工作者有泥河湾湖盆新发现的动植物化石情况如下。 ——1959年10月，中国科学院地质研究所高福清在泥河湾村东三个点，发现了大量食肉类动物的粪化石，所采标本计150多个。其中一个点有成层的粪化石出现，其层位固定，约有10厘米厚。粪化石保存在黄土质的粉砂岩中，其上为粘土，其下为不厚的砂和砾石，再下为泥灰质粘土层。粪化石保存完好，破碎及磨损情况极少。从粪化石成层，可以推知当时泥河湾地区有大量食肉类动物存在。据其形状、大小，经与现代动物的粪便比较后，可分为虎粪化石、大型食肉哺乳动物粪化石，鬣狗粪化石三类。另外，还发现两种较大的粪化石，一种稍大于现代东北虎粪便，另一种则大一倍以上。后者发现数目较多，可以肯定它是属于一种体型较大的食肉类动物。从粪化石产状来看，这一层之下的砾砂石层，无疑是河相沉积，说明当时有河流存在，为动物饮水及活动场所。其上，粪化石层中含黄土质粉砂较多及粪化石的保存完好，说明当时此地河道为河漫滩或趋于干涸。由粪化石的存在，可知河湖相的泥河湾沉积，有一层为陆相沉积。 ——1965~1973年，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所王择义、盖培、卫奇以及泥河湾新生代地层小组，先后采集到三趾马、纳玛象、披毛犀、原始牛、赤鹿、驼鸟蛋片、鼠兔、泥河湾多刺鱼和介形类化石。其中采掘泥河湾多刺鱼标本达400多个体，代表着刺鱼类化石在我国的首次发现，对这一带新生代地层的划分增加了依据，也有助于了解该类鱼的发展和分布情况。与鱼化石同层产出的植物有花揪属、珍珠梅属、卫矛属、南蛇藤属、似沙草属、角果藻属，它们代表晚第三纪。 ——1972~1974年，盖培、卫奇在虎头梁发掘的化石有蛙、鸵鸟蛋皮、似布氏田鼠、蒙古黄鼠、中华鼢鼠、变种仓鼠、狼、纳玛象、野马、野驴、披毛犀、鹿、牛、普氏羚羊、鹅喉羚、扭角羚、野猪等。 ——1974~1979年，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所贾兰坡、卫奇等，在许多窑至侯家窑发掘到脊椎动物化石计鸟类1种、哺乳类5目19种：鸵鸟、鼠免、中华鼢鼠、似布氏田鼠、狼、虎、瑙曼古菱齿象、披毛犀、蒙古马(或普氏野马)、野驴、河套大角鹿(或鄂尔多斯大角鹿)、赤鹿、葛氏梅花鹿(或葛氏斑鹿)、许家窑扭角羊、普氏扭角羊、普氏原羚、鹅喉羚、羚羊属(未定种)、原始牛、野猪属(未定种)。其中以野马、披毛犀和羚羊的化石数量最多，仅依马牙化石统计就有300多匹。这些动物就是当时许家窑人猎取的对象。许家窑扭角羊是一个新种。标本为三件残破的角心。许家窑动物群中，绝大部分是些能适应寒冷条件的种类，其中野马、披毛犀、河套大角鹿、赤鹿、原始牛等，都是在末次冰期常见的化石种。由此推测当时气候处于一个冰期阶段。从动物态来看，当时既有适应森林、灌木、野草丛生环境的动物，如虎、野猪、赤鹿、鼠兔等；也有适应沙漠、草原或丘陵环境的驼鸟、蒙古马、野驴、中华鼢鼠，似布氏田鼠，原羚、鹅喉羚等；还有能适应草地和森林边缘的动物，如葛氏梅花鹿、河套大角鹿、原始牛等。 ——1976年，在丁家堡水库施工过程中，从桑干河河床底部全新统的地层里发现一批动物化石，计软体动物5种：厚美带蚌、巴氏丽蚌、杜氏珠蚌、黄蚬、圆旋螺；脊椎动物7种：白鹳、貉、亚洲象、野马、披毛犀、赤鹿、原始牛。其中亚洲象是我国已知亚洲象分布最北的纪录。丁家堡水库发现的动物群中，有的种类明显地反映了全新世时期的气候变化。亚洲象是热带、亚热带气候条件下生活的一种大型哺乳动物，喜水，喜热，但怕阳光直射，栖于低山坡或沟谷河边间有稀树草原的森林里，过着群居的生活。厚美带蚌和黄蚬均属现生种，生活在气候温暖的环境里。上述事实充分说明了在三四千年前的夏、商时代，华北地区的年平均气温比现在高很多，跟现在的华南一样。 ——1978年，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所尤玉柱、汤英俊等，在小长梁发掘的哺乳动物化石，有鬣狗、三趾马、三门马、腔齿犀、古菱齿象、羚羊以及牛类、鹿类、啮齿类等。在我国旧石器时代遗址中，发现三趾马与真马共存的，只有山西芮城西侯度和河北阳原小长梁、东谷坨三处。 ——1981年，卫奇等在东谷坨发掘的哺乳动物化石，有中华鼢鼠、狼、熊、古菱齿象、三门马、披毛犀、野牛、羚羊。同年，卫奇在泥河湾村一带发现大角鹿一具头骨化石。这是一个接近老年个体的不很完整的头骨，顶骨上具一对角，角的眉枝和主枝的掌状部分大部破损。种的特征：眉枝叶面垂直主干，与头骨矢状面斜交。主枝圆柱状部分较长，掌状面与眉枝叶面的夹角为50°左右(见照片22)。 几乎在所有关于泥河湾层的著述中，皆或多或少地涉及泥河湾层的古地理环境问题。早在本世纪20年代，巴尔博等人即根据泥河湾动物群的性质，认为泥河湾期相当温暖湿润，同时也指出该层上部的蒸发岩，标志着后期气候变干的趋势。60年代以来，北京大学等单位对湖盆演变及其与新构造运动的关系等问题，作了较为详细的研究。80年代以来微体古生物的研究，提供了大量古气候信息。中国科学院地质研究所周昆叔等(1983年)，研究了红崖南沟剖面下部孢粉谱，认为这里记录了一个“冷期”。中国科学院南京地质古生物研究所刘金陵，研究了虎头梁剖面下部孢粉谱，认为它代表一种“凉——北方型”气候，等等。正如地层学上认识到泥河湾层是跨时代地层一样，人们逐渐认识到，泥河湾层不仅是某种单纯性古气候环境下的产物，而且历经了一个复杂的环境变迁过程。现将夏正楷、刘锡清(1984年)关于泥河湾层堆积的古气候环境研究成果介绍如下。 泥河湾层堆积作用从早更新世初，到晚更新世早期，历时二三百万年之久。对其研究程度尚不够高，但从现有资料亦可看出更新世以来气温逐渐下降，并出现了日趋频繁的冷暧干湿交替。 一、下更新统地层大致可分三段，分别代表早更新世气候演变的三个阶段。 1.早更新世早期地层仅出露在红崖一带。该段产轭齿象、三趾马以及比一般泥河湾动物群成员老一点的属种，如变异猞猁、副驼、旋角羚等。这些化石表明，此段要比产泥河湾动物群的下沙沟剖面层位低，亦反映温暖湿润的环境。该段含有大量软体动物化石，如大楔蚌、丽蚌、田螺和介形类，皆指示一种湿润气候条件下的淡水生境。在红崖南沟剖面获得了大量孢粉，类型达54个之多。孢粉谱特征是：⒈木本花粉占多数，含量为31.1~100%，草本花粉占少数，含量为0~55%；⒉乔木中松占34.1~64.9%，冷杉占23.7~53.1%，云杉占4.4~13%，显示暗针叶林分子占重要地位；⒊温带葇荑花序属种数目很多，如桦、栎、榆、朴、柳等；⒋亚热带分子花粉含量很少，但属种仍然不少，不仅有高山针叶树，而且还有落叶或常绿阔叶树，如罗汉松、泪杉、雪松、铁杉、栲、漆、山核桃、银杏等。这个孢粉谱代表以针叶林为主的针阔叶混交林植被。暗针叶林成份大量出现，表明气候要比上新世凉爽得多。但尚有许多亚热带分子存留，表明气温不可能比现在低，而要比现在温暖得多，是一种温暖湿润气候。 2.早更新世中期地层出露在红崖剖面上部、郝家台剖面下部、下沙沟及东城辛窑子剖面。自早更新世初期以来，山体持续抬升，此时河流不但未积极下切，反而堆积数十米厚的沉积物，当属一种气候堆积。在郝家台剖面地层中，发现品种单调的有孔虫和结节正星介、邱县美星介等，表明湖水盐度可能有所提高，出现微咸水生境。该段孢粉稀少，主要有松、蒿、藜、禾本科等，未见亚热带分子，代表森林草原植被。此段地层脊椎动物化石尤为丰富，可能和埋藏速度快、保存条件好有关。从动物化石习性上看，既有喜热的，也有耐寒的，既有喜湿的，也有能适应干旱的。这正是北方森林草原动物群特征，说明当时是一种温凉半湿润气候。但从该期沉积具有多韵律性和哺乳动物混杂性看，尚存在更频繁的次级气候振荡。 3.早更新世晚期地层见于郝家台剖面中部和小长梁剖面下部。该段地层脊椎动物化石也较为丰富，含泥河湾大角鹿。孢粉亦稀少，其中木本占优势，达58%，主要有松、云杉、冷杉、铁杉，代表以森林为主的森林草原植被。微体化石以淡化介形类为主，但也有个别适应微咸水属种，如湖陆花介。这些资料表明，该期气候可能比中期变得温和湿润，属温和半湿润气候。 二、中更新统地层出露于郝家台剖面上部、虎头梁剖面下部及大黑沟剖面等。目前，该层掌握的资料远不及下更新统丰富。从虎头梁中更新统孢粉谱来看，大致也可分为三个阶段。 1.中更新世早期孢粉谱，针叶树花粉占绝对优势，含量达95%以上。其中松占48～80%，云杉占18～45%，尚有少量的冷杉、罗汉松属、雪松属、铁杉属、麻黄属、柏科，总含量占3%。阔叶树有椴、榆、栎。草本有蒿属、藜属、禾本科、水龙骨科等，总含量占1～4%。显然这是一种暗针叶林植被。它与红崖南沟孢粉谱所不同的是亚热带阔叶树种已经不见，温带阔叶树种亦大为减少，代表一个气温较低的时期。有人曾以该区现代暗针叶林海拔高度和大气温度垂直梯度为参数，计算当时年平均气温要比现今低3℃(这种计算尚未考虑湿度参数)。当时大湖存在，湖区湿度比现在高，暗针叶林高度要低，从当时还有亚热带高山针叶树看，气温不一定比现在低得多，很可能年平均气温接近现在，是一种温凉湿润气候。 2.中更新世中期，孢粉谱以草本花粉居首位，一般可达70%以上，其中最多是蒿属、藜属和十字花科，其次是禾本科、莎草科、菊科和毛茛科等。阔叶树种比早期有所增加，主要是桦占6%，栎占1～3%，榆占1～3%，并见个别的椴、朴、槭、柳等。这是一种森林草原植被，相对早期气温增高，属温和半干燥气候。 3.中更新世晚期孢粉谱又类同早期，其气候亦大致相同。在虎头梁剖面该段地层中见石膏晶簇。在大黑沟和李家窑等地，可见泥河湾湖相沉积与离石黄土或洪积物呈相过渡。这些反映气候干燥的标志和暗针叶林存在的湿润条件是相互矛盾的，实际上，由于我国地处东亚季风区，冰期气候变得干寒，蒙古高压反气旋异常强大，有利于风成黄土沉积。而在泥河湾古湖区，可能存在湿润小气候。这样就在辽阔的干草原背景上，生长着岛状暗针叶林。 三、晚更新世早期地层仅发育在虎头梁、许家窑至侯家窑等局部地区，从孢粉资料看，是森林草原向草原过渡的植被类型，属温和半干燥气候。在湖相层顶部再次出现较薄的钙板，表明气候变得干燥。晚更新世晚期，泥河湾层堆积已经告终，在湖相层之上覆盖了风成马兰黄土，二者常呈渐变的过渡关系，在若干地区的黄土层之下的泥河湾层顶部，发育冻融褶曲。这种次生构造的形成，不仅要有冰缘气候条件，而且还要覆盖适当的载荷。因此它形成在黄土堆积有一定厚度之时。这表明晚更新世后期出现了寒冷的冰缘气候。
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