高 磊，周洪瑞，王训练，蒋子堃

(1.广州市地质调查院，广东 广州 510440；2.中国地质大学 地球科学与资源学院，北京 100083；3.中国地质科学院，北京 100037)

1 引言

硅化木又称木化石、树化玉、石化木、木石玉等，是地质历史时期植物茎干经硅化作用形成的产物，是一种重要的生物化石[1]。对硅化木及赋存地层的研究，在植物学、宝石学、地质学等方面均有重要的意义。甘肃省玉门地质公园内下沟组地层中，分布着一百余株裸露出地表的硅化木，其化石纹理清晰，质地坚硬，年轮可辨，是国内少有的中生代硅化木化石群，具有极高的科研价值和科普教育意义[2]。

2 区域地质背景及硅化木野外分布特征

研究区位于酒西盆地西端，靠近青藏高原北缘阿尔金断裂与祁连山北缘逆冲断裂的交汇处，属处于塔里木地块、阿拉善地块和北祁连加里东褶皱带的交接部位[3]。酒西盆地内广泛发育中新生代地层，其中，白垩系不整合于侏罗系之上，由下至上划分为赤金堡组、下沟组和中沟组，硅化木化石群就埋藏于下沟组砂泥岩中(图1)。

图1 研究区区域地质

硅化木化石位于甘肃省玉门市东南约40 km处的红柳峡地区，玉门地质公园内西侧，地理坐标N39°59′，E97°8′，分布面积约1.8 km2。共出露100余株形态各异的硅化木，主要为植物根茎，平均出露长度约2～3 m，最长可达5 m，茎干平均直径约0.8 m，最大根展达4 m。受沉积时介质运动和保存情况影响其产状各异，有直立埋藏于地下的植物根茎，可见明显树木年轮，属原地埋藏硅化木，也有顺层埋藏于地层中的树木枝干，表面树皮、裂缝及木质结构均清晰可见，为经过搬运异地埋藏硅化木。由于周围围岩风化剥蚀，部分硅化木树根裸露，根展较大，垂直于围岩层理。

3 硅化木基本特征

本次工作采集硅化木标本进行研究，样品风化面呈褐灰色、新鲜面为灰色，可见明显木质纤维结构，块状构造，具贝壳状断口，硬度略大于小刀，质地坚硬，硅化程度较低，表面具蜡状光泽，抛光后可达玻璃光泽，半透明至不透明。对所采硅化木样品分别磨制纵向、横向岩矿薄片，并留样送至北京远洋环宇石油技术有限公司进行主微量化学成分分析，对其矿物成分、化学元素含量和植物学特征进行了分析研究。

3.1 矿物成分及化学元素分析

硅化木化石矿物成分主要为石英(以隐晶质或细粒石英为主)及石英变种，含量约占85%，铁白云石含量约占5%～10%，表明其形成后期受到钙化作用的影响，含少量方解石、褐铁矿、磁铁矿和碳质等。石英充填于细胞腔和木射线等木质结构中，多为无色，表面光滑，呈他形粒状，粒度比较均一，颗粒直径约50 μm，正交偏光下可见明显波状消光，干涉色多为一级黄白；蛋白石主要构成硅化木的纤维素，镜下呈均质体，颜色为白色—灰白色，多为不规则粒状。根据主微量化学元素分析结果，硅化木化学成分主要为SiO2，含量约在70%～90%之间，含少量Na2O、CaO、K2O等，总量约占10%。微量元素主要为MnO、Fe2O3、SrO、BaO等十余种，各种微量元素的含量大体在0.01%～4%之间。含多种氨基酸，包括天冬氨酸、苏氨酸、谷氨酸、甘氨酸等。

3.2 植物学特征

玉门硅化木茎干较粗，根展较大，茎干处树皮、年轮和表面木质结构保存完整。硅化木木质部中未见导管、木质纤维等结构，可见十分明显的管胞和射线，整体结构比较简单，应属于比较古老的植物类型[4]。所采硅化木样品均为树木茎干边材部分，分别观察其横切、径切面，结构特征如图2。

图2 硅化木横切面(a)、径切面(b)单偏光镜下照片

横切面不具明显的生长轮，早材的管胞较大，多为椭圆形至四边形，管胞壁较薄，直径约0.05～0.1 mm，晚材壁较厚，多为不规则形状，细胞腔相对较小。早材到晚材为渐变，早材管胞逐渐变小，而晚材管胞壁增厚且管胞形状发生明显变化与早材相区别，未见明显树脂道，反映树木生长期光照、温度、水分等都十分适宜，处于一个时间较长的十分有利的生长期。可见少量椭圆形—近圆形硬结，直径约1 mm，为昆虫活动的痕迹。木射线较多，均平行排列，为单列射线，宽度约0.04 mm，属细木射线，1 mm约6～7根，颜色较深。

径切面可见较密集木射线近平行排列，为单列木射线，具射线管胞，单个射线内管胞数量介于2～15之间，局部有黑色物质充填，未见具缘纹孔，交叉场纹孔为单孔窗格型。结合玉门硅化木结构特征和相关植物结构照片对比，确定其为裸子植物，属宽孔异木(松柏类的一种，属于分类位置不明的松柏类)，推测为叶枝杉型木[5]。

4 向光性分析

植物的生长过程中受到单方向阳光照射的影响，植物生长器官发生生长弯曲或生长速度差异的现象称为植物的向光性。北半球树木茎干常呈现出“南大北小”的特点。此次研究发现玉门硅化木生长过程中也曾受到向光性的影响，几处原地埋藏硅化木树桩均表现出茎干“南粗北细”的特点。这是由于树木生长过程中，受温度和光照的影响，向阳面形成原始细胞分裂速度相对较快，径向生长加快，故树木向阳面茎干年轮较宽，后埋藏地下，并经过复杂的地质作用，最终石化，但树木基本形态与典型木质结构较好地保存了下来，形成了木化石(图3)。

图3 原地埋藏硅化木双树桩(a)和年轮宽面方向(b)

根据古植物年轮宽面方向判断地层倒转和板块漂移旋转具有一定的实用价值。已有学者通过对大量现代树木年轮形态观察，证明在正常条件下，树木年轮最粗大的方向为210°±5°[6,7]。本次工作中测得原地埋藏硅化木年轮宽面方向为221°，与现代树木相比，年轮方向存在约10°的差异，结合前人对古地磁及古植物的研究认识，认为这一差异是研究区所在板块旋转所致[8]。研究区位于华北板块西北缘，其显生宙时期的运动特征及其与周围块体的碰撞时间一直是古地磁和大地构造研究的重要课题。近年来，随着古地磁、生物古地理研究成果的不断丰富，古大陆再造不断取得新的进展和认识，众多学者对古生代以来华北板块的漂移和旋转的认识已日趋一致，对显生宙以来中国各主要块体运动及碰撞特征及时间都有了一定的认识。前人对华北板块古地磁数据和视极移曲线研究结果直观地反映了华北板块显生宙以来的运动特征[9,10]。早寒武纪时期，华北板块位于南半球13°左右，至晚古生代早期，华北板块已经越过赤道，位于北半球低纬度地区。早白垩世，华北、扬子、塔里木三大主要块体已完成拼合，不存在明显的地壳缩短与相对运动[11]。早白垩世以后，上述块体继续向北漂移，并发生10°左右的整体顺时针旋转。研究区原地埋藏硅化木茎干表现出“南粗北细”的特点，反应树木生长时期研究区处于北半球，硅化木所在层位下沟组的时代为早白垩世，为其形成前经历搬运和埋藏的时间，火山活动时代则大致反映了树木埋藏之后热液侵入和硅质交代的时间。本次研究对硅化木埋藏点东侧约1 km处火山颈玄武岩进行了锆石U-Pb测年，测得其原生锆石年龄约为109 Ma，反映研究区火山活动的时间为早白垩世末期。表明研究区内硅化木生长时代为早白垩世晚期以前。而本次测得研究区10°左右的顺时针旋转，很可能是白垩系之后印度、欧亚板块的碰撞挤压造成青藏高原北缘阿尔金断裂发生左旋走滑所致[12](图4)。

图4 华北板块古生代以来的向北漂移和旋转

5 盆地分析及构造演化

研究区位于酒西盆地西部，位于阿尔金断裂与祁连山北缘断裂交汇部位，酒西盆地是中生代伸展断陷和新生代挤压挠曲所叠合而成的盆地，其形成演化与区域上板块缝合、地壳隆生剥蚀密切相关。早白垩世，盆地先后经历了初始断陷期、断陷扩张期和断陷萎缩期，之后随着构造活动和火山活动的影响，盆地面貌发生了很大改变，可能经历了较长时间的抬升剥蚀。晚中生代到早新生代，随着印度板块与欧亚大陆板块的碰撞，区域构造应力方向从NS到近NEE向转变，导致其北部的阿尔金断裂发生大规模左旋走滑，研究区发生较大规模离散拉张，整体发生顺时针旋转。

6 结论

(1)甘肃玉门硅化木化石数量多，规模大，可见明显的木质结构和年轮纹理，具有重要的科研和观赏价值。通过偏光显微镜对硅化木样品横、纵切面进行观察分析，确定玉门硅化木属古松柏纲，整体结构较简单，为了解酒西盆地晚中生代古植物类型和古环境演化提供了重要参考。

(2)玉门原地埋藏硅化木树桩年轮宽面方向约221°，与现代树木年轮宽面方向(210°±5°)存在约10°的偏差，很可能是白垩系之后印度、欧亚板块的碰撞挤压造成青藏高原北缘阿尔金断裂发生左旋走滑所致。