中国缙云甲龙化石的挖掘、修理、研究和复原①

郑文杰

一、 概述

中国缙云甲龙化石发现于浙江省缙云县壶镇丽缙工业园区工地，是浙江省目前已发现的保存最多最完整的恐龙化石。2013年，化石主要由浙江自然博物院、缙云县博物馆和日本福井县立恐龙博物馆专业人员联合抢救性采集所获，其中有5个不同大小的个体。保存的化石几乎涵盖了全身骨架所有部位，其中包括近乎完整的头骨和发达的尾锤。从2013年发现化石以来，浙江自然博物院专业人员对中国缙云甲龙进行了持续的化石修复、保护和研究工作，完成了从化石的野外挖掘、室内修理、科学研究、骨骼复原装架和恐龙生态复原的全过程。以保证化石安全为前提，采用有效的化石修理方法，利用各种化石修复工具对化石进行修复保护，通过科学研究鉴定，确定其为恐龙新属新种，分析其与其他恐龙的系统发育关系、讨论其在甲龙类中的演化意义并在国际专业期刊发表研究论文。最后利用最新的三维数字化技术复原恐龙模型，制作动画，用于博物馆展示和科普活动。

近年来，随着我国自然博物馆、地质博物馆及古生物博物馆的蓬勃发展，综合性博物馆中的化石研究和展示也在不断增加，对古生物化石标本的保护、修复、研究和展示亟需加强。本文详细总结中国缙云甲龙化石的野外挖掘、室内修理、研究和复原过程，为其他博物馆提供典型参考案例，此案例入选“2021全国优秀文物藏品修复项目”，对相关工作具有现实意义。

二、 化石的发现和野外挖掘采集

浙江缙云壶镇最早于20世纪70年代就发现了恐龙化石[1-2]，但是当时并未进行专业野外挖掘和研究，大部分化石标本也已去向不明，仅小部分化石保存在浙江省地质院和浙江自然博物院。2008年6月，壶镇当地村民李美云在工业区建筑工地发现了恐龙化石，由浙江自然博物院和缙云县博物馆对该化石进行了抢救性挖掘，化石保存了一具不完整的甲龙类头后骨骼。自2011年开始，浙江自然博物院联合缙云县博物馆和日本福井县立恐龙博物馆对该地进行了数年的恐龙化石野外跟踪调查，发现多处化石线索，并结合当地工业园区施工情况，于2013年3月至4月对发现的恐龙化石进行了抢救性发掘，由此开始了中国缙云甲龙化石的野外挖掘、修理、研究和复原等工作。

野外挖掘是古生物化石研究过程的第一步，只有采用科学的技术和方法，才能为今后的研究打好坚实的基础，任意采集和挖掘会影响化石的科学价值[3-4]。在野外发掘过程中，需按照科学的化石发掘步骤进行(见图1)，同时对化石进行及时的保护处理，用丙烯酸树脂颗粒(Paraloid B72，俗称帕劳德颗粒胶或颗粒胶)溶入丙酮，形成保护试剂并涂到化石表面以渗入内部起到加固作用。丙烯酸树脂颗粒是广泛用于文物保护修复的一种聚合物材料[5-6]，在国内外古生物化石的加固中得到了广泛使用。野外挖掘时，在采集化石前绘制化石分布图，记录好化石编号。传统上记录野外化石分布图时用1m×1m的探方为单元绘制分布图。近些年，随着摄影测量学技术在古生物学中的应用，可以更为精确地记录化石的野外分布情况。摄影测量无需三维扫描仪，只需要用相机从不同方向对需要记录的化石区域进行拍摄，不同方向的照片要有一定的重叠，当有足够的照片从不同方向覆盖目标区域后，再用摄影测量软件进行处理，就可以进行化石分布的三维重建。对于范围较大的区域，可以使用无人机进行拍摄。

图1 化石野外发掘流程图

记录好野外化石分布后，下一步就要开始采集化石。对于小块断裂的化石，用502胶和ARONALPHA瞬间粘合剂等快速胶水进行粘合，编号、拍照和记录后保存。对于保存比较分散的化石，加固后单独采集，用棉纸或泡沫棉等包装保护，编号、拍照和记录后放入标本箱带回室内。野外挖掘根据围岩大小用不同尺寸的钢钎、凿子、锤子、手动修理细钢针、毛刷等工具，有时也会使用到大型风钻、挖掘机甚至破石机等用于清理离化石较远的岩石或覆盖在化石上方的岩石。对于化石关联保存或多块化石叠加保存在一起的，需去除周边围岩，加固后用石膏、麻袋和木条等将化石和围岩制作成化石皮劳克(1)“皮劳克”一词是俄语音译，意为“石膏壳”。，最后一起打包运回室内[7](见图2)。野外挖掘采集时间短，一般不要求完全清除围岩，而是在保证化石安全的前提下把化石尽快取出运回室内。

图2 野外去除围岩(左)；制作皮劳克保护化石(右)

三、 室内精细修理和保护

化石经野外发掘运回室内后，大部分仍然保存在围岩中，暂时无法进行详细鉴定、研究和展示，有些则被石膏壳包裹，完全看不见化石。需要在室内进行进一步科学修复，以去除化石的围岩，这样才能实施进一步的鉴定、研究、复原和展示[8-9]。化石修理是古生物研究中非常重要的流程，室内修理时主要修理化石周边的围岩，而修理不当容易对化石造成不可挽回的损失，因此制定化石修理方案和修理流程必须科学谨慎，必须在确保化石安全的前提下进行。同时，在修理过程中，专业研究人员要持续跟踪以保证化石安全，满足科学研究需要，也同时考虑化石的展示效果。

中国缙云甲龙化石产自白垩系砂岩地层中，化石与围岩区分较为明显，主要用机械修理的方式清除围岩，根据化石实际情况，研究人员制定了相应的修理方案和流程(见图3)。

第一，对于单独带回室内的化石，在室内进行拼接后进行加固，修理、编号、记录后保存(见图4)。

第二，对于皮劳克整体打包运回室内的化石，为了保留原始保存状态信息，需在打开皮劳克后先对其中一面进行修理(见图4)，在一面修理完成后，利用硅胶和树脂等材料制作1：1翻制模型(见图5)，同时绘制化石分布图，拍照存档(见图6)。

第三，为了数字化石存档，在翻制模型后，对整个化石通过不同角度进行拍摄，利用摄影测量学软件进行三维复原建模和存档，如图7显示的就是利用不同方向的87张照片对皮劳克上表面进行了三维重建。

第四，对皮劳克另一面进行修理，对于不以原始关节状态保存的化石，需对所有化石进行

图3 化石室内修理流程图

图4 单独保存化石修理(左)；皮劳克打包的化石修理(右)

图5 模具及模型制作

图6 化石分布图

图7 摄影测量学软件三维重建

编号后再取出化石；对于关联保存的化石，如尾锤化石，需清除周边围岩后，制作皮劳克外托保护化石。

第五，对每块取出的化石进行修理，修理过程注意加固，特别是对新修理出的化石面。对于其中缺失的部分用石膏或树脂等进行充填以到加固作用。

第六，对每块修理完成的化石，使用丙烯酸树脂颗粒溶入丙酮涂到化石表面进行加固。修理出的化石在泡沫保护下放入标本箱。整体保存的化石做好皮劳克底托。

中国缙云甲龙化石的修复使用了多项化石修复技术：

第一，传统机械修理技术。对于大的围岩，专业修复人员使用不同尺寸的钢钎、凿子和锤子进行敲除，过程中时刻注意化石的安全。

第二，气动笔修理技术。对于化石周边的围岩，采用不同强度的气动笔(使用PaleoTools ME-9100和MicroJack系列气动笔，共有6个强度级别)进行修理，普通标本在10倍带灯放大镜下修理，而较小且复杂标本在体视显微镜下修理(见图8)。

图8 气动笔修理

第三，超声波修复技术。对于较小易碎、结构精细复杂的部位，如头骨等，则使用超声波修复笔(Minimo US21)在体视显微镜下进行修理。超声波修复笔力度较小，适合清除化石表面的微小围岩，可以最大限度减少对化石本身的破坏风险。

第四，外托制作保护技术。对于较大的化石，用石膏、麻布片和木条等制作皮劳克外托进行保护，外托和化石之间放置硅胶或薄的海绵起到缓冲的作用。对于较小的化石，先将珍珠棉割成标本盒大小放入盒中，然后在珍珠棉内部割出化石的外形作为外托，珍珠棉的厚度适当超出化石的高度，然后在上面盖一层薄的珍珠棉，使整块化石都由珍珠棉包裹。

第五，摄影测量学技术。对于野外化石分布和皮劳克内化石分布的情况，传统上用素描图或照片等进行记录。而借助摄影测量学，对需要记录的区域从不同角度拍摄照片，用专业摄影测量学软件进行三维重建，获得的数据更为精确，可以对化石进行数字保存，甚至可以进行三维打印模型。

第六，复制模型制作技术。利用硅胶和树脂等材料制作化石模具，并翻制1∶1模型，可以记录一些化石的原始保存信息，并可用于骨架复原和展示，部分模型可以替代化石用于展示，而原化石可以用于进一步的研究工作。

工作人员经过修理和鉴定后确定，至少发现了5个甲龙类个体的化石，每个个体大小不一，其中有成年个体也有幼年个体，虽然每个个体保存不完整，但是其中保存了一个近于完整的头骨和尾锤(见图9～13)。5个个体保存了不同部位化石，综合来看，5个个体几乎涵盖了恐龙骨架的所有部位，是目前为止浙江发现的保存最为完整的化石，也是目前保存最好的甲龙类化石之一。

图9 修理过程中的头骨化石(左：背侧视；右：腹侧视)

图10 修理完成的头骨化石(左：背侧视；右：腹侧视)

图11 修理前的尾锤化石，刚移除上方皮劳克时的状态

图12 完成上表面修理的尾锤化石

四、 科学研究与复原

化石修理完毕后，研究人员对化石进行对比研究，研究内容包括传统的肉眼形态学观察对比、CT扫描研究和骨组织切片研究等。化石修理完成后，专业研究人员对化石进行鉴定和分类，查阅目前全世界已发表的所有关于甲龙类恐龙的论文和专著，同时到中国科学院古脊椎动物与古人类研究所、河南地质博物馆，以及美国、加拿大、澳大利亚、英国和匈牙利等各地的博物馆观察对比已有甲龙类标本，经过详细对比研究后确认该恐龙属于甲龙类的新物种，通过系统发育分析(phylogenetic analysis)厘清与其他甲龙类之间的关系。

研究人员根据研究成果撰写论文，于2018年2月在施普林格·自然旗下杂志《科学报告》(ScientificReports)发表研究成果，正式发表这一新属种，并命名为中国缙云甲龙(Jinyunpeltasinensis)[10]。研究发现中国缙云甲龙是目前为止发现的具有尾锤的生存时代最早的甲龙类，比之前发现的最早具有尾锤的甲龙类早了至少1000万年。中国缙云甲龙的发现对于甲龙类和尾锤演化的研究提供了非常重要的信息。2021年，专业人员又发表了关于中国缙云甲龙牙齿微痕分析的最新成果[11]。这些科学研究为之后的复原工作打下坚实的科学基础。

图14 骨架复原流程图

基于科学对比和研究结果，专业人员对中国缙云甲龙的整体骨架进行复原(见图14)，绘制完整的中国缙云甲龙骨架图(见图15)，利用硅胶和树脂等对化石进行模型翻制。首先选取保存部位最好的两个个体为主要依据，用其他个体化石来补充这两个个体未保存部位，对部分保存不完整的部位则根据解剖学进行补缺(见图16)，最终使用原始化石1∶1翻制模型部分比重达80%以上。然后根据骨架设计图用铁架将骨骼以关节的状态组装起来，为了尽量保留骨骼原始形态，装架采用外走铁方式，将各部分骨骼模型固定在钢架上(见图17)，形成完整的骨架(见图18)。外走铁的外形需要沿着骨骼形态，尽量与骨骼贴合，在位置上尽量位于身

图16 用于装架的骨骼模型

图17 铁架焊接与装架

图18 中国缙云甲龙骨架之一

体内侧，将骨骼扣住的扣件在保证安全牢固的前提下要尽量小型化。装架完成后外走铁对骨架的美观度影响较小，经过多年常设展览和巡回展览的展示也证明其满足牢固度的需要。复原整个骨架时需要注意的是，虽然发现的化石涵盖了几乎所有部位，但是分别属于不同个体，不同个体的大小存在一定的差异，在骨架复原时需要对模型做一定的缩放。

完成全身骨架复原后，在电脑中利用3D雕刻软件ZBrush和Blender等制作三维数字化恐龙复原，然后对表面进行复原上色，制作不同的姿势，配合当时的植物环境和其他动物进行生态复原(见图19～20)。制作的数字化三维模型可以通过3D打印机，打印成不同大小的模型用于展示，也可打印成小的模型用于文创产品开发。

图19 中国缙云甲龙数字复原流程图

图20 数字复原制作

三维数字化复原相比传统的绘画雕塑复原过程，虽然需要更多的软件技术知识和设备成本，但大幅节省过程中的修改时间，减少人为因素导致的不准确，提升制作效率和准确性。制作好的恐龙模型，可以渲染输出不同角度，添加背景和光影气氛制作成为复原插图。在多媒体应用方面，可以在建模的基础上进一步制作动画、增强现实(AR)或虚拟现实(VR)产品，用数字手段让恐龙“复活”。目前部分中国缙云甲龙的化石、骨架和复原的三维模型已在浙江自然博物院常设展览和线上展出，观众还可以对线上展览的三维模型进行互动操作。

五、 总结

通过野外挖掘和室内修理，目前已发掘修理了5个个体的缙云甲龙化石，几乎囊括全身各部位的骨骼，这是浙江首次发现完整的恐龙头骨。总共修理300多块不同部位的骨骼化石，基于这些化石材料已研究发表SCI索引的研究论文2篇，还有相关研究正在进行中，同时，复原的骨架被选为《自然科学博物馆研究》2020年第1期的杂志封面。

中国缙云甲龙化石经过野外挖掘、修理、研究和复原装架，成为非常珍贵的古生物化石模式标本，对了解浙江地区中生代恐龙和甲龙类的演化具有重要意义，并具有重要的收藏与展示价值。这批化石和复原骨架等在浙江自然博物院、缙云县博物馆、苏州博物馆和日本福井县立恐龙博物馆等地展出[12]，服务国内外观众500万人次以上，取得了很好的社会效益和经济效益。

中国缙云甲龙化石修复以科学研究为基础，采用目前通用和先进的修理、保护和复原技术，保护、复原和“复活”了恐龙，丰富了展示内容，并使用不同的展示手段以更好地吸引观众，对展览展示和科普教育发挥了重要作用。对中国缙云甲龙化石的野外挖掘、修理、研究、复原装架和复原等各阶段的工作进行总结分析，对其他自然博物馆或古生物化石的修复展示有积极的借鉴意义。

致谢：余朝河和刘安浩等负责具体实施化石修理、模型制作和骨架复原装架等工作。浙江自然博物院金幸生和严洪明对本文的写作提供了很多有益的建议。