玉門市硅化木基本特征和向光性分析

高 磊，周洪瑞，王訓練，蔣子堃

(1.廣州市地質調查院，廣東 廣州 510440；2.中國地質大學 地球科學與資源學院，北京 100083；3.中國地質科學院，北京 100037)

1 引言

硅化木又稱木化石、樹化玉、石化木、木石玉等，是地質歷史時期植物莖干經硅化作用形成的產物，是一種重要的生物化石[1]。對硅化木及賦存地層的研究，在植物學、寶石學、地質學等方面均有重要的意義。甘肅省玉門地質公園內下溝組地層中，分布著一百余株裸露出地表的硅化木，其化石紋理清晰，質地堅硬，年輪可辨，是國內少有的中生代硅化木化石群，具有極高的科研價值和科普教育意義[2]。

2 區域地質背景及硅化木野外分布特征

研究區位于酒西盆地西端，靠近青藏高原北緣阿爾金斷裂與祁連山北緣逆沖斷裂的交匯處，屬處于塔里木地塊、阿拉善地塊和北祁連加里東褶皺帶的交接部位[3]。酒西盆地內廣泛發育中新生代地層，其中，白堊系不整合于侏羅系之上，由下至上劃分為赤金堡組、下溝組和中溝組，硅化木化石群就埋藏于下溝組砂泥巖中(圖1)。

圖1 研究區區域地質

硅化木化石位于甘肅省玉門市東南約40 km處的紅柳峽地區，玉門地質公園內西側，地理坐標N39°59′，E97°8′，分布面積約1.8 km2。共出露100余株形態各異的硅化木，主要為植物根莖，平均出露長度約2～3 m，最長可達5 m，莖干平均直徑約0.8 m，最大根展達4 m。受沉積時介質運動和保存情況影響其產狀各異，有直立埋藏于地下的植物根莖，可見明顯樹木年輪，屬原地埋藏硅化木，也有順層埋藏于地層中的樹木枝干，表面樹皮、裂縫及木質結構均清晰可見，為經過搬運異地埋藏硅化木。由于周圍圍巖風化剝蝕，部分硅化木樹根裸露，根展較大，垂直于圍巖層理。

3 硅化木基本特征

本次工作采集硅化木標本進行研究，樣品風化面呈褐灰色、新鮮面為灰色，可見明顯木質纖維結構，塊狀構造，具貝殼狀斷口，硬度略大于小刀，質地堅硬，硅化程度較低，表面具蠟狀光澤，拋光后可達玻璃光澤，半透明至不透明。對所采硅化木樣品分別磨制縱向、橫向巖礦薄片，并留樣送至北京遠洋環宇石油技術有限公司進行主微量化學成分分析，對其礦物成分、化學元素含量和植物學特征進行了分析研究。

3.1 礦物成分及化學元素分析

硅化木化石礦物成分主要為石英(以隱晶質或細粒石英為主)及石英變種，含量約占85%，鐵白云石含量約占5%～10%，表明其形成后期受到鈣化作用的影響，含少量方解石、褐鐵礦、磁鐵礦和碳質等。石英充填于細胞腔和木射線等木質結構中，多為無色，表面光滑，呈他形粒狀，粒度比較均一，顆粒直徑約50 μm，正交偏光下可見明顯波狀消光，干涉色多為一級黃白；蛋白石主要構成硅化木的纖維素，鏡下呈均質體，顏色為白色—灰白色，多為不規則粒狀。根據主微量化學元素分析結果，硅化木化學成分主要為SiO2，含量約在70%～90%之間，含少量Na2O、CaO、K2O等，總量約占10%。微量元素主要為MnO、Fe2O3、SrO、BaO等十余種，各種微量元素的含量大體在0.01%～4%之間。含多種氨基酸，包括天冬氨酸、蘇氨酸、谷氨酸、甘氨酸等。

3.2 植物學特征

玉門硅化木莖干較粗，根展較大，莖干處樹皮、年輪和表面木質結構保存完整。硅化木木質部中未見導管、木質纖維等結構，可見十分明顯的管胞和射線，整體結構比較簡單，應屬于比較古老的植物類型[4]。所采硅化木樣品均為樹木莖干邊材部分，分別觀察其橫切、徑切面，結構特征如圖2。

圖2 硅化木橫切面(a)、徑切面(b)單偏光鏡下照片

橫切面不具明顯的生長輪，早材的管胞較大，多為橢圓形至四邊形，管胞壁較薄，直徑約0.05～0.1 mm，晚材壁較厚，多為不規則形狀，細胞腔相對較小。早材到晚材為漸變，早材管胞逐漸變小，而晚材管胞壁增厚且管胞形狀發生明顯變化與早材相區別，未見明顯樹脂道，反映樹木生長期光照、溫度、水分等都十分適宜，處于一個時間較長的十分有利的生長期。可見少量橢圓形—近圓形硬結，直徑約1 mm，為昆蟲活動的痕跡。木射線較多，均平行排列，為單列射線，寬度約0.04 mm，屬細木射線，1 mm約6～7根，顏色較深。

徑切面可見較密集木射線近平行排列，為單列木射線，具射線管胞，單個射線內管胞數量介于2～15之間，局部有黑色物質充填，未見具緣紋孔，交叉場紋孔為單孔窗格型。結合玉門硅化木結構特征和相關植物結構照片對比，確定其為裸子植物，屬寬孔異木(松柏類的一種，屬于分類位置不明的松柏類)，推測為葉枝杉型木[5]。

4 向光性分析

植物的生長過程中受到單方向陽光照射的影響，植物生長器官發生生長彎曲或生長速度差異的現象稱為植物的向光性。北半球樹木莖干常呈現出“南大北小”的特點。此次研究發現玉門硅化木生長過程中也曾受到向光性的影響，幾處原地埋藏硅化木樹樁均表現出莖干“南粗北細”的特點。這是由于樹木生長過程中，受溫度和光照的影響，向陽面形成原始細胞分裂速度相對較快，徑向生長加快，故樹木向陽面莖干年輪較寬，后埋藏地下，并經過復雜的地質作用，最終石化，但樹木基本形態與典型木質結構較好地保存了下來，形成了木化石(圖3)。

圖3 原地埋藏硅化木雙樹樁(a)和年輪寬面方向(b)

根據古植物年輪寬面方向判斷地層倒轉和板塊漂移旋轉具有一定的實用價值。已有學者通過對大量現代樹木年輪形態觀察，證明在正常條件下，樹木年輪最粗大的方向為210°±5°[6,7]。本次工作中測得原地埋藏硅化木年輪寬面方向為221°，與現代樹木相比，年輪方向存在約10°的差異，結合前人對古地磁及古植物的研究認識，認為這一差異是研究區所在板塊旋轉所致[8]。研究區位于華北板塊西北緣，其顯生宙時期的運動特征及其與周圍塊體的碰撞時間一直是古地磁和大地構造研究的重要課題。近年來，隨著古地磁、生物古地理研究成果的不斷豐富，古大陸再造不斷取得新的進展和認識，眾多學者對古生代以來華北板塊的漂移和旋轉的認識已日趨一致，對顯生宙以來中國各主要塊體運動及碰撞特征及時間都有了一定的認識。前人對華北板塊古地磁數據和視極移曲線研究結果直觀地反映了華北板塊顯生宙以來的運動特征[9,10]。早寒武紀時期，華北板塊位于南半球13°左右，至晚古生代早期，華北板塊已經越過赤道，位于北半球低緯度地區。早白堊世，華北、揚子、塔里木三大主要塊體已完成拼合，不存在明顯的地殼縮短與相對運動[11]。早白堊世以后，上述塊體繼續向北漂移，并發生10°左右的整體順時針旋轉。研究區原地埋藏硅化木莖干表現出“南粗北細”的特點，反應樹木生長時期研究區處于北半球，硅化木所在層位下溝組的時代為早白堊世，為其形成前經歷搬運和埋藏的時間，火山活動時代則大致反映了樹木埋藏之后熱液侵入和硅質交代的時間。本次研究對硅化木埋藏點東側約1 km處火山頸玄武巖進行了鋯石U-Pb測年，測得其原生鋯石年齡約為109 Ma，反映研究區火山活動的時間為早白堊世末期。表明研究區內硅化木生長時代為早白堊世晚期以前。而本次測得研究區10°左右的順時針旋轉，很可能是白堊系之后印度、歐亞板塊的碰撞擠壓造成青藏高原北緣阿爾金斷裂發生左旋走滑所致[12](圖4)。

圖4 華北板塊古生代以來的向北漂移和旋轉

5 盆地分析及構造演化

研究區位于酒西盆地西部，位于阿爾金斷裂與祁連山北緣斷裂交匯部位，酒西盆地是中生代伸展斷陷和新生代擠壓撓曲所疊合而成的盆地，其形成演化與區域上板塊縫合、地殼隆生剝蝕密切相關。早白堊世，盆地先后經歷了初始斷陷期、斷陷擴張期和斷陷萎縮期，之后隨著構造活動和火山活動的影響，盆地面貌發生了很大改變，可能經歷了較長時間的抬升剝蝕。晚中生代到早新生代，隨著印度板塊與歐亞大陸板塊的碰撞，區域構造應力方向從NS到近NEE向轉變，導致其北部的阿爾金斷裂發生大規模左旋走滑，研究區發生較大規模離散拉張，整體發生順時針旋轉。

6 結論

(1)甘肅玉門硅化木化石數量多，規模大，可見明顯的木質結構和年輪紋理，具有重要的科研和觀賞價值。通過偏光顯微鏡對硅化木樣品橫、縱切面進行觀察分析，確定玉門硅化木屬古松柏綱，整體結構較簡單，為了解酒西盆地晚中生代古植物類型和古環境演化提供了重要參考。

(2)玉門原地埋藏硅化木樹樁年輪寬面方向約221°，與現代樹木年輪寬面方向(210°±5°)存在約10°的偏差，很可能是白堊系之后印度、歐亞板塊的碰撞擠壓造成青藏高原北緣阿爾金斷裂發生左旋走滑所致。