人類在東北亞的最早出現(xiàn)

朱日祥 K.A.Hoffman R.Potts 鄧成龍 潘永信 郭 斌 石采東 郭正堂 袁寶印 侯亞梅 黃慰文

＊本文刊載得到Nature出版集團公司的許可，由鄧成龍先生譯自：

Zhu R X， Hoffman K A， Potts R， Deng C L， Pan Y X， Guo B， Shi C D， Guo Z T， Yuan B Y， Hou Y M， Huang W W. Earliest presence of humans in northeast Asia. Nature， 413， 413～417， 2001.

在人類演化研究中，不同地區(qū)早期人類及石器技術(shù)的年代問題一直是爭論的焦點[1—4]。對華北泥河灣盆地的小長梁和洞溝這兩個平行的湖相沉積剖面作了詳細的磁性地層學研究，為20多年前在這里發(fā)現(xiàn)的舊石器[5]進行了精確定年。古地磁結(jié)果表明，小長梁石器層位于奧杜韋和哈拉米洛兩個正極性亞時之間的負極性帶內(nèi)。假定這一負極性帶形成時間段內(nèi)的沉積速率恒定，那么小長梁石器層的形成年齡大約是距今1.36 Myr。這一結(jié)果是東亞高緯度地區(qū)（40°N）古人類活動的最早證據(jù)。

東亞地區(qū)的舊石器年代問題不但關(guān)系到古人類在這一地區(qū)出現(xiàn)的最早時代，而且關(guān)系到人類起源和遷移、擴散的整體框架的建立。由于缺乏適合同位素精確測年的物質(zhì)，東亞舊石器地點的年代問題長期以來一直存在爭議。然而，在東亞，尤其是中國的新生代陸相沉積物中包含豐富的哺乳動物化石，為生物地層學和磁性地層學研究提供了堅實的基礎(chǔ)。泥河灣盆地便是一個極好的例子（圖一）。

泥河灣盆地位于華北平原與內(nèi)蒙古高原的過渡帶上，面積約150～200 平方公里，盆地內(nèi)廣泛出露上新世至全新世的湖相及風成沉積，出露厚度普遍大于90 米。由于發(fā)育良好的晚新生代地層及其中富含的哺乳動物化石，自上世紀20年代以來，泥河灣盆地吸引了全世界地質(zhì)學家和古生物學家的目光。這些哺乳動物被稱為“泥河灣動物群”，其時代相當于歐洲的“維拉方動物群”[6，7]。

泥河灣盆地發(fā)現(xiàn)的一系列早更新世舊石器遺址，有助于理解東亞早期人類的活動歷史。這些遺址主要分布于盆地的東部邊緣，特別是小長梁（40.2°N，114.65°E）[5]和東谷坨遺址[8]，曾經(jīng)被認為是東亞地區(qū)最早的直立人活動證據(jù)之一[9]。小長梁遺址的石器由采自附近露頭的石料加工而成，材料主要是細、粗粒的燧石及火山巖，石英、石英巖和砂巖很少見[5，10，11]。

已研究的石制品（總共3113件）由石片和片狀殘塊組成，包括可以清晰辨別和分類的石器及石核[5，10，12]，它們主要是邊刮器和凹缺刮器及少量端刮器、雕刻器和石核（圖二）。石器的剝片和精加工采用直接打擊法，兩極法很少見。石制品主要由廢片和斷塊組成，石核、修理石片和成型的石器比較少。一些學者側(cè)重小長梁石器工業(yè)的原始及簡單特征[9，10，13]；而另一些學者則注意到近柱狀石核、石葉及平坦的石核臺面的出現(xiàn)，認為小長梁石器技術(shù)已經(jīng)超越了最原始的工藝階段[11，14—16]。

小長梁石器層位于桑干河南岸的陡壁上，厚0.5～0.8 米，在全新世土壤層之下約66.5 米，沉積物為灰白色粘土質(zhì)粉砂及粉砂質(zhì)砂（圖一、三）。該石器層保存了豐富的脊椎動物化石，包括上新異費鼠相似種（Allohaiomyscf. A. pliocaenicus）、中華鼠（Mimomyschinensis）、桑氏鬣狗（Hyaena（Pachycrocuta） licenti）、古菱齒象（Palaeoloxodon sp.）、三趾馬（Hipparion sp.）、中國長鼻三趾馬（Proboscidipparion sinense）、三門馬（Equussanmeniensis）、披毛犀（Coelodonta antiquitatis）、貂（Martes sp.）、鹿（Cervussp.）和羚羊（Gazellasp.） [5，17]。在這些泥河灣動物群的分子中，前6種指示時代為晚上新世至早更新世[5，17—20]，三門馬的生存年代為早、中更新世[17，18]，而其他動物有的一直生存到更新世末（如披毛犀），有的由于不能詳定而無法給出一個較為確切的年代范圍（如貂）。顯然，僅僅據(jù)動物群無法精確確定小長梁舊石器遺址的年代。

我們對73 米厚的小長梁剖面作了詳細的古地磁研究，并選擇1 公里外的洞溝剖面（厚90 米）作對比研究（圖一 ）。小長梁剖面以25 厘米為采樣間距，共280個采樣水平層；洞溝剖面以35 厘米為采樣間距，共257個采樣水平層。每個水平層采取3個獨立定向的樣品。這兩個剖面相距很近，因此有助于地層的精確對比，并有效減小橫向相變造成地層對比的不確定性。兩剖面具有相似的沉積序列，并含有特征明顯的標志層（圖三）。尤其是小長梁石器層之上覆蓋有一層特征的黑色粉砂質(zhì)粘土層（厚度2 厘米），在洞溝剖面62.20 米深度處也發(fā)現(xiàn)這一標志層。數(shù)層具有高磁化率的細砂層位于兩個剖面磁極性序列中相對應(yīng)的位置（圖三、四）。因此，小長梁與洞溝剖面在巖性和地層上都可以對比。

在對天然剩磁進行退磁處理以建立磁極性地層之前，我們通過各種巖石磁學方法（如磁化率各向異性）檢驗古地磁記錄的可靠性。結(jié)果表明，準單疇顆粒的純磁鐵礦是主要的剩磁載體，沉積磁組構(gòu)自沉積以來沒有受到擾動。

經(jīng)過系統(tǒng)的熱退磁和（或）交變退磁以后，三套平行樣品的平均特征剩磁向量的方向用來計算虛地磁極緯度及其誤差估計，從而確定兩個剖面的磁極性序列。洞溝剖面記錄了五個磁極性帶（圖四，a）：三個正極性帶，分別表示為N1（0～18.72 米），N2（45.20～48.77 米）和N3（81.12 米到剖面底部）；兩個負極性帶，R1（18.72～45.20米）和R2（48.77～81.12 米）。小長梁剖面記錄了四個磁極性帶（圖四，b）：兩個正極性帶，N1（0～20.95 米）和N2（46.55～49.35 米）；兩個負極性帶，R1（20.95～46.55 米）和R2（49.35 米到剖面底部）。磁性地層學和巖石學研究結(jié)果都表明，兩剖面經(jīng)歷了非常相似的沉積歷史，只是洞溝剖面下部的沉積物更老一些，記錄了N3正極性帶。唯一可能的沉積間斷出現(xiàn)在磁極性帶N1中（圖三），位于8.5 米深度處，即湖相沉積物頂面與風成沉積物底面之間。石器層位于小長梁剖面磁極性帶N2底面以下17.6 米處（圖四）。

小長梁和洞溝兩個剖面的湖相沉積可以認為是基本連續(xù)的。事實上，與其他類型的陸相沉積相比，湖相沉積更可能連續(xù)堆積而不受擾動。由于全新世土壤、馬蘭黃土及末次間冰期古土壤覆蓋于湖相沉積物之上，說明兩個剖面的湖相沉積可能延續(xù)至中更新世晚期，甚至晚更新世，因此，這兩剖面的磁極性序列可與第四紀標準地磁極性年表對比[21]。更詳細地說，磁極性帶N1、N2和N3分別對應(yīng)于布容極性時、哈拉米洛極性亞時和奧杜韋極性亞時。這一對比結(jié)果得到了生物年代地層學的支持，即泥河灣哺乳動物群的年代為晚上新世—早更新世[17—20]。

雖然小長梁剖面沒有記錄到極性帶R2的底界，但在洞溝剖面上厚32.35 米 的R2極性帶被完整記錄下來。極性帶R2位于奧杜韋極性亞時頂界與哈拉米洛極性亞時底界之間，持續(xù)時間約0.7 Myr[21]，這一時間段的平均沉積速率為4.6 cm kyr-1。洞溝剖面上62.20 米深度處2 厘米厚的黑色粉砂質(zhì)粘土層（圖三，a中G層），位于哈拉米洛極性亞時底界以下13.4 米處，通過線性內(nèi)插得到該層的年齡約為1.36 Myr。由于該層與小長梁剖面石器層之上的2 厘米厚的黑色粉砂質(zhì)粘土層（圖三，b中G'層）相對應(yīng)，因此，小長梁石器層的年齡也約為1.36 Myr。

這一結(jié)果標志著泥河灣盆地最早的人類活動記錄，為東亞地區(qū)早期人類活動歷史提供了新證據(jù)。即使東亞地區(qū)更早的石制工具可能存在于中國南方[22]，我們提供的年齡證明了東亞地區(qū)不容置疑的石器組合的最早出現(xiàn)，同時也是 （40°N）早期人類活動的最早證據(jù)。緊隨著早期人類在距今1.7 Myr出現(xiàn)在西亞高緯度地區(qū)[3]，東亞高緯度地區(qū)的泥河灣盆地也迎來了早期居民。早期人類能擴散到這一緯度，表明東亞地區(qū)早更新世的人類已經(jīng)能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的氣候條件。即使青藏高原可能限制了早期人類遷移的北方路線，他們還是到達了東亞，并在較寬的緯度范圍內(nèi)擴散。此外，小長梁舊石器遺址的年齡比位于泥河灣盆地西南約900 公里處、黃河中游的藍田直立人（約1.15 Myr）還早約0.2 Myr[23]。這兩處古人類遺址表明，在全球及區(qū)域性氣候變化加劇的時期（比如中國北方周期性干旱化）[24，25]，早期人類已經(jīng)能夠在相當大的區(qū)域內(nèi)（比如從泥河灣盆地到黃土高原南部邊緣）定居和遷移。

實驗方法

巖石磁學等溫剩磁用變梯度磁力儀（最大磁場強度2.2 T）和脈沖磁力儀（最大磁場強度2.7 T）逐步獲得。95％的樣品在0.3 T以下獲得了90％的飽和磁化強度，表明低矯頑力的磁性礦物是剩磁的主要載體，去掉粗顆粒組分（>100 μm）之后，利用熱磁分析方法確定其居里點為580°C，這是純磁鐵礦的特征。用變梯度磁力儀測定飽和磁化強度（Ms）、飽和剩余磁化強度（Mrs）、矯頑力（Hc）和剩磁矯頑力（Hcr）。并利用剩磁比和矯頑力比作Day圖[26]，結(jié)果表明磁鐵礦的顆粒大小主要是準單疇。詳細的巖石磁學結(jié)果將另文發(fā)表。

磁化率各向異性磁化率各向異性（AMS）使用KLY—3S測量，根據(jù)Jelinek的方法[27]，對15個方向的測量結(jié)果計算每個樣品的磁化率張量。為了避免加熱過程中引起的磁性礦物變化[28]，我們在熱退磁之前完成AMS測量。共研究了666個樣品，結(jié)果表明磁線理小于磁面理，說明磁化率各向異性橢球體是扁平的，大多數(shù)最小磁化率軸接近于直立并垂直于層面（Imean=78.3°），且密集分布；而最大磁化率軸很平緩（Imean=6.7°）。這些結(jié)果證明原始沉積磁組構(gòu)自沉積以來沒有受到擾動。

退磁剩磁測量是用安裝在零磁空間（<300 nT）的2G三軸超導磁力儀完成的。使用逐步熱退磁和交變退磁方法對兩個剖面的1611塊樣品進行系統(tǒng)退磁，兩種方法都能去掉一種或兩種軟磁組分，得到特征剩磁。小長梁和洞溝剖面分別有223（80%）和207（81%）個采樣面的669和621塊定向樣品給出了可靠的特征剩磁方向。小長梁剖面669塊樣品的天然剩磁（NRM）強度為30.6～1792 mA m-1， 平均值為285.2 mA m-1。洞溝剖面621塊樣品的天然剩磁（NRM）強度為29.6～1770 mA m-1，平均值是248.9 mA m-1。

致謝本工作受中國國家自然科學基金項目資助。

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〔責任編輯：張金棟〕