惡地變寶地 ：台灣團隊發現月世界出土百萬年前海膽化石

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文：許家昕（英國南安普頓大學海洋與地球科學學院）

2023年秋季，筆者正準備申請博士班時，中研院生多中心的林千翔老師傳來一則訊息，告訴我他們在月世界進行野外考察時，發現了疑似海膽化石。幾天後，我前往老師的研究室查看標本，第一眼便被這批化石深深吸引。

海膽化石在一般人的審美觀下雖然稱不上美麗，甚至可說醜陋無比，但在台灣近150年的海膽化石研究歷史中，從未發現過這類化石的產狀與保存狀況。經過一年多的研究，我與林千翔老師及台大地質系的林日白老師合作，將這一海膽富集層的發現發表於國際古生物學期刊《Geobios》，並探討這批標本的重要古環境與地質意義。




古亭坑層野外考察即景，尖峰利脊、溝壑交錯。
圖片來源：許家昕提供


惡地變寶地 深海古生物的秘境


說到高雄田寮的「月世界」，許多人應該都不陌生。當地地勢陡峭，坡地光禿，呈現尖峰利脊、溝壑交錯的地貌，如同月球表面，因此得名。月世界所屬的「古亭坑層」，形成於約500萬至100萬年前，當時這片土地仍沉沒在台灣西南方的深海之下。

古亭坑層主要由細粒泥質沉積物懸浮沉降至海床而成，本質上就是「泥巴」。因此，當地層出露地表後，便展現出泥巴的特性，乾燥時堅硬如石，一遇水則鬆軟易崩。下雨時，坡地經常發生泥流，而長期的侵蝕作用使地表光禿，讓坡面上幾乎無法生長植被。

但這樣的「惡地」對古生物學家而言，反而是難得一見的寶地。

與台灣大多數被濃密植被覆蓋的地區不同，裸露的地層提供了天然的窗口，讓我們能一眼望穿數百萬年的地層，並進行相關研究分析。此外，台灣的地層多為淺海相沉積，海洋古生物化石記錄也多偏向淺海生物，像古亭坑層這樣的深海沉積環境，就能幫助填補空白。




海膽化石出土的露頭，位於高雄田寮距今約一百萬年的古亭坑層。
圖片來源：Hsu, C.-H., Lin, J.-P., & Lin, C.-H. （2024）


化石特殊保存情況 鑑定大不易


化石出土後，鑑定是最重要的工作。大多數化石因為無法保存DNA，形態學成為唯一可用的依據。但化石在埋藏與化石化過程中，經歷數百萬年的地質作用，出土時往往已發生變形，與生物的原始形態有所差異，使鑑定更具挑戰。

在這批海膽化石中，幾乎所有標本都明顯遭受壓扁。此外，由於殼體極為脆弱，幾乎所有標本僅存印模，缺乏殼體細節，使鑑定更加困難。

經過一年多次採集後，我們終於獲得保存口面與骨板排列清晰的標本，並透過詳盡的形態比對，最終確認這 67 件海膽化石標本隸屬於兩個類群：裂星海膽（Schizaster sp.）與沐海壺海膽（Brissopsis sp.）。




海膽化石標本，左圖為裂星海膽，右圖為沐海壺海膽。
圖片來源：Hsu, C.-H., Lin, J.-P., & Lin, C.-H. （2024）



海膽化石標本，左圖為裂星海膽，右圖為沐海壺海膽。
圖片來源：Hsu, C.-H., Lin, J.-P., & Lin, C.-H. （2024）


死亡後迅速被埋藏


除了展現古生物多樣性，化石還能用來重建古環境。例如，珊瑚多生長於熱帶溫暖的淺海，因此在地層中發現珊瑚化石，可能意味著該地層沉積於類似的環境。這類能指示特定沉積環境的化石稱為「指相化石」，在地球漫長的歷史中，指相化石幫助地質學家解決了許多關鍵問題。

但在推測前還有一個重要前提：化石必須是原地埋藏（in situ）或僅經過短距離搬運。若生物在死亡至埋藏的過程中，經歷了長距離運輸或長時間暴露，則可能導致古環境重建的誤判。

以月世界的海膽化石為例，雖然這些海膽的殼體極薄，但幾乎所有標本都是完整個體，而非破碎殘骸。這代表了它們很可能是原地埋藏，或僅經過短距離搬運，才能保持如此高的完整度。此外，海膽的棘刺通常在死亡後一週內脫落，然而，月世界的標本仍附著棘刺，代表這些海膽在死亡後迅速被埋藏。此時我們可以確定，這批海膽化石是極佳的指相化石，能用來重建當時的沉積環境。




附有棘刺的海膽化石標本，右圖為棘刺特寫。
圖片來源：Hsu, C.-H., Lin, J.-P., & Lin, C.-H. （2024）


幫百萬年前的海膽重建古環境


確認海膽能作為古環境指標後，下一步是從化石推測其生存環境。幸運的是，由於這兩類海膽至今仍生存於海洋中，可以透過現生海膽的棲息生態來回推其古環境。

現生的裂星海膽僅分布於水深 100 公尺以內的海域，這為我們提供了關鍵線索。。根據海膽化石的整體形態與瓣帶特徵，我們推測它們適應的環境為低水力能量、細顆粒沉積物、水深較深的環境。

當我們將這批海膽富集層與全球紀錄比對後，發現奧地利與西班牙的類似地層也包含相近的海膽組成。而且，這些地層的岩性與推測的古環境，與月世界的發現高度一致。進一步證明，海膽是一種廣泛適用的古環境指標，其化石可用於全球不同地層的環境重建。




沐海壺海膽活體。
圖片來源：Bernard Picton / iNaturalist （CC BY 4.0）


台灣造山運動的見證者


另一方面，這些海膽的分布與台灣的地質歷史密切相關。透過對全台灣海膽富集層的分析，我們發現裂星海膽的分布呈現有趣的時空變化。600萬年前，這類海膽主要分布於台灣北部，但之後，其化石幾乎僅見於台灣南部。

這一轉變很可能與古環境變遷有關。裂星海膽偏好細顆粒沉積物、水深稍深但淺於100公尺的環境，而台灣的蓬萊造山運動可能是影響其分布變遷的關鍵因素。

600萬年前，台灣仍是一片海洋，而隨著歐亞板塊與菲律賓海板塊碰撞，使陸地自北向南被抬升。北部地區因造山導致海水變淺、沉積顆粒變粗，不再適合這類海膽生存，因此族群逐漸向南遷移。




台灣裂星海膽為主的海膽化石富集層分布。
圖片來源：Hsu, C.-H., Lin, J.-P., & Lin, C.-H. （2024）


此外，台灣最古老的裂星海膽化石所在的岩層，因造山運動經歷高溫高壓變質，已轉變為板岩。一般而言，變質作用會抹除原始沉積特徵，使地層難以回溯其原岩。但令人驚訝的是，這些海膽富集層在約4000萬年前的板岩與約100萬年前的泥岩中的類群無異，直接證明部分台灣的板岩原岩正是與古亭坑層類似的泥岩。

這一發現在全球堪稱教科書級的地質案例，也是台灣這個「活的地質教室」的絕佳例證。台灣雖然面積不大，卻能完整呈現各類岩石的前世今生。




上圖為古亭坑層泥岩內海膽化石，下圖乾溝層板岩內海膽化石。
圖片來源：Hsu, C.-H., Lin, J.-P., & Lin, C.-H. （2024）


滄海桑田 世界之最


我曾羨慕國外的大江大海、看不完的地層、挖不完的恐龍。在台灣，茂密的叢林掩蓋了地層，沒有暴龍，只有小雞。

今（2025）年3月某天，我一如往常地在倫敦自然史博物館的庫房收集資料，突然心血來潮，借來新生代海膽化石收藏櫃的鑰匙，想一探這座全球數一數二的古生物標本庫中，究竟藏有何種珍寶。

讓我驚訝的是，從始新世之後，英國的海膽化石幾乎是一片空白，什麼都沒有。不禁回想起台灣，擁有琳瑯滿目的新生代海膽化石，種類豐富，數量驚人，與英國形成了強烈對比。這一刻，我才真正意識到，台灣的地質與化石竟是如此獨特。

數年前在徐澔德老師的沉積學課堂上，他曾說過：「我們之所以覺得台灣的地質理所當然，只是因為我們生在台灣，習以為常。但放眼全球，這裡其實是極為特殊的存在。」



資料來源 : 環境資料中心
https://e-info.org.tw/node/241770