热河生物群的演化经历了早、中、晚三个阶段,分别对应于花吉营组(或大北沟组)、义县组和九佛堂组。早期对义县组和九佛堂组的生物化石和同位素年代学研究,将热河生物群的年龄确定为131～120 Ma,相应的持续时间为1100万年。近年来,在冀北丰宁四岔口盆地花吉营组新发现的反鸟类(丰宁原羽鸟、多齿胫羽鸟、马氏始鹏鸟)、今鸟型类(弥曼始今鸟)和一些更基干的鸟类,以及丰宁北票鲟等关键类群化石,成为迄今为止热河生物群最早的脊椎动物化石记录。但是,花吉营组底部热河生物群早期阶段的重要化石尚无精准的同位素年代学约束,导致热河生物群出现这一关键节点的年龄尚未准确确定,严重阻碍了对关键物种的生态分异、辐射过程及其与早白垩世陆地生态系统关系的认识。

在国家自然科学基金和中科院先导专项的资助下,中科院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室杨赛红博士后和贺怀宇研究员、朱日祥院士、邓成龙研究员、李秋立研究员、俞志强博士,以及中科院古脊椎所周忠和院士、金帆研究员、王敏研究员、邹晶梅研究员,山东临沂大学张福成教授,中国地质大学(武汉)吴元保教授共同合作,在对四岔口盆地油坊、团瓢沟和芥菜沟等3个剖面的花吉营组进行精细的古生物化石及地层对比的基础上,系统采集了与含化石页岩层互层的8个凝灰岩/凝灰质砂岩样品(图1),进行了SIMS锆石U-Pb测年,获得了8个谐和的年龄结果(图2)。其中,油坊剖面的128.7±0.8 Ma、128.8±0.7 Ma和130.3±0.8 Ma,团瓢沟剖面的129.6±1.2 Ma和芥菜沟剖面的129.5±0.9 Ma等5个年龄数据表明,四岔口盆地花吉营组含鸟化石层的沉积时代为130～129　Ma,这与本团队先前报道的含鸟化石层⁴⁰Ar/³⁹Ar同位素年龄结果(He et al., 2006, G-cubed)在误差范围内一致;这三个剖面分别获得的132.5±2.9 Ma、132.6±0.9 Ma和135.4±1.2 Ma等年龄数据表明,含哺乳动物和鲟鱼化石层的沉积时代为135～132 Ma(图1、2)。

图1　丰宁四岔口盆地油坊(A)、团瓢沟(B)和芥菜沟(C)剖面的地层序列和年龄数据。蓝色五角星代表含化石层位,红色箭头代表样品采集位置及年龄;黑色箭头表示He et al.(2006)的采样位置及年龄

图2　油坊(A-E)、团瓢沟(F-J)和芥菜沟(K-N)三个剖面花吉营组凝灰岩中SIMS锆石U-Pb年龄,样品位置见图1

综合热河生物群的古生物化石和同位素年代学研究结果,本研究获得如下重要认识:(1)反鸟类和今鸟型类(中生代两个最重要的鸟类群)最早出现于约131 Ma,将今鸟型类的起源时间向前推进了500～600万年;(2)花吉营组出现的最原始的丰宁原羽鸟、进步的多齿胫羽鸟等反鸟类、处于基干位置的郑氏始孔子鸟,以及比较进步的弥曼始今鸟等今鸟型类,指示了热河生物群主要鸟类支系在这个时期已经开始出现分化和辐射;(3)将热河生物群最早出现的时间向前推至约135 Ma,并结合本团队先前获得的九佛堂组晚期热河生物群约120 Ma的⁴⁰Ar/³⁹Ar同位素年龄(He et al., 2004, GRL),将热河生物群的生存时代确定为135～120 Ma,根据GTS2016,相当于早白垩世Valanginian晚期至Aptian中期,时间跨度约1500万年。

研究成果发表于国际顶级学术期刊PNAS。(Yang　S　H,　He　H　Y,　Jin　F,　Zhang　F　C,　Wu　Y　B,　Yu　Z　Q,　Li　Q　L,　Wang　M,　O'Connor　J　K,　Deng　C　L,　Zhu　R　X,　Zhou　Z　H.　The　appearance　and　duration　of　the　Jehol　Biota:　constraint　from　SIMS　U-Pb　zircon　dating　for　the　Huajiying　Formation　in　northern　China[J].　Proceedings　of　the　National　Academy　of　Sciences　of　the　United　States　of　America,　2020.　DOI:　10.1073/pnas.1918272117　)　(原文链接)