遼寧北部地區(qū)下白堊統(tǒng)木化石及其古氣候意義

丁秋紅，李曉海，李文博，張志斌，陳樹旺，張 健，孫守亮，張渝金

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧沈陽(yáng) 110034

0 引言

木化石是生長(zhǎng)在地質(zhì)歷史時(shí)期的植物保存在地層中的植物莖干經(jīng)過特殊的礦化作用而成.保存較好的木化石具有清晰的木材解剖結(jié)構(gòu)特征，如橫切面的生長(zhǎng)輪（年輪）有較長(zhǎng)的時(shí)間跨度，包括一個(gè)至多個(gè)生長(zhǎng)季的管胞.現(xiàn)代植物解剖學(xué)研究表明，植物維管形成層細(xì)胞切向分裂形成次生木質(zhì)部，形成層細(xì)胞活動(dòng)包括產(chǎn)生細(xì)胞的數(shù)量、大小、壁厚等，隨著氣候的交替和環(huán)境的改變而有規(guī)律地變化，因而木材解剖結(jié)構(gòu)可以直接反映植物生長(zhǎng)期間氣候和環(huán)境的變化［1-3］.現(xiàn)代樹木生長(zhǎng)輪氣候?qū)W的發(fā)展，為通過木化石解剖結(jié)構(gòu)分析古氣候變化提供了可能［4-7］.木化石的研究不僅可以幫助我們了解地質(zhì)歷史時(shí)期植物群的組成特征，而且可以提供有關(guān)陸相古氣候變化的重要信息.本研究通過木化石切片法，對(duì)產(chǎn)自遼寧北部法庫(kù)地區(qū)下白堊統(tǒng)沙海組的木化石進(jìn)行解剖構(gòu)造學(xué)研究.基于對(duì)木化石生長(zhǎng)輪特征的分析，利用相關(guān)參數(shù)，分析沙海組沉積時(shí)期的古氣候和古環(huán)境特征.遼北木化石新材料的發(fā)現(xiàn)既豐富了區(qū)域古生物化石資料，又揭示了該地區(qū)早白堊世古氣候演化特征，為研究區(qū)的油氣地質(zhì)調(diào)查工作提供可利用的地質(zhì)資料依據(jù).

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)下白堊統(tǒng)自下而上發(fā)育義縣組、九佛堂組、沙海組，以陸相盆地沉積為特征.沙海組主要出露在法庫(kù)地區(qū)西北部，地表多呈NE向條帶狀分布，受NE向斷裂控制明顯，平行不整合于義縣組之上，為一套以河流相沉積為主夾湖泊相沉積的地層，巖性主要由灰黃色-灰綠色復(fù)成分礫巖、長(zhǎng)石砂巖、泥巖及粉砂巖組成，局部夾煤層、油頁(yè)巖，產(chǎn)木化石，鉆孔資料揭示本組厚786 m.

2 木化石解剖特征

本研究木化石材料采集于遼寧北部法庫(kù)地區(qū)（圖1），化石產(chǎn)出層位為下白堊統(tǒng)沙海組.野外采集的木化石主要為木化石碎塊，未見大型木材莖干化石.對(duì)16件保存較好的木化石制作了三向切片（橫切面、徑切面和弦切面），經(jīng)系統(tǒng)鑒定，當(dāng)前木化石均為硅化保存的次生木質(zhì)部，未見髓及初生木質(zhì)部.基于次生木質(zhì)部解剖特征分析，上述化石分屬Protocupressinoxylon（原始柏型木）、Protopiceoxylon（原始云杉型木）和Xenoxylon（異木）3個(gè)分類群.

圖1 遼寧北部地區(qū)木化石采集點(diǎn)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of petrified wood sampling sites in northern Liaoning

2.1 原始柏型木

原始柏型木（未定種）Protocupressinoxylonsp.

標(biāo)本編號(hào)：HGZ6（圖2）

化石保存為次生木質(zhì)部，未見髓部.橫切面：生長(zhǎng)輪明顯，早晚材過渡類型為急變式（Abrupt Trasition）；早材管胞橫切面多數(shù)為徑向伸長(zhǎng)的長(zhǎng)方形（20μm×30μm～30μm×40μm），晚材帶較窄，僅由1～2層細(xì)胞組成，管胞橫切面呈壓扁的橢圓形；木射線線型，兩條相鄰的射線之間間隔1～5個(gè)管胞.徑切面：具緣紋孔單列至雙列，雙列者互生，排列不緊密，紋孔口扁圓形—圓形；交叉場(chǎng)紋孔1～4個(gè)，單個(gè)紋孔呈柏木型，彼此分離，往往排成一行；木射線細(xì)胞水平壁及端壁平滑，未見冷杉式壁孔.弦切面：木射線多數(shù)單列，僅局部雙列射線，單列射線（2～）7～16（～38）個(gè)細(xì)胞高，細(xì)胞形態(tài)多呈橢圓形，射線細(xì)胞大小約15μm×20μm～20μm×25μm，射線密度25～32條/mm2；未見弦向壁紋孔.

當(dāng)前木化石標(biāo)本的次生木質(zhì)部特征，如具緣紋孔、木射線和交叉場(chǎng)紋孔的形態(tài)、類型，顯示其系統(tǒng)分類學(xué)屬性應(yīng)歸入原始柏型木屬（ProtocupressinoxylonEckhold［8］）.該屬在我國(guó)已報(bào)道化石記錄包括產(chǎn)自河南義馬中侏羅統(tǒng)義馬組的Protocupressinoxylonsp.［9］和黑龍江密山下白堊統(tǒng)城子河組的Protocupressinoxylon mishanenseZheng et Zhang［10］等，時(shí)代分布從中侏羅世到早白堊世.但當(dāng)前木化石標(biāo)本在具緣紋孔排列方式、木射線的高度和交叉場(chǎng)紋孔數(shù)量等方面的特征均與上述兩種存在差異.

2.2 原始云杉型木

原始云杉型木（未定種）Protopiceoxylonsp.

標(biāo)本編號(hào)：HGZ5（圖3）

化石保存為次生木質(zhì)部，未見髓部.橫切面：生長(zhǎng)輪受外力擠壓變形扭曲，生長(zhǎng)輪明顯；早晚材過渡類型為漸變式，早材管胞橫切面多數(shù)為徑向伸長(zhǎng)的方圓形—多邊型（20μm×30μm～30μm×40μm），晚材帶10～12層細(xì)胞組成，管胞橫切面呈壓扁的橢圓形—長(zhǎng)方形；見創(chuàng)傷樹脂道；木射線線型，兩條相鄰的射線之間間隔2～6個(gè)管胞.徑切面：管胞寬40～60μm；管胞徑壁具緣紋孔為單列式，紋孔呈微壓的扁圓形，緊接排列，具緣紋孔直徑20～30μm，紋孔口圓形；交叉場(chǎng)紋孔柏木型，每場(chǎng)多數(shù)1個(gè)，偶見2個(gè)；木射線細(xì)胞水平壁具冷杉式紋孔.弦切面：木射線單列，（2～）8～18（～32）個(gè)細(xì)胞高，細(xì)胞形態(tài)多呈橢圓形，射線細(xì)胞大小約15μm×20μm～20μm×25μm；射線密度23～28條/mm2；未見弦向壁紋孔，未見縱向創(chuàng)傷樹脂道.

當(dāng)前木化石標(biāo)本的次生木質(zhì)部特征，如具緣紋孔、木射線和交叉場(chǎng)紋孔的形態(tài)、類型和數(shù)量，顯示其系統(tǒng)分類學(xué)屬性應(yīng)歸入原始云杉型木屬（ProtopiceoxylonGothan［11］）.該屬的化石記錄在中國(guó)分布比較廣泛，目前已經(jīng)報(bào)道的有8種，其中P.exstinctumGothan產(chǎn)自河北涿鹿夏家溝上侏羅統(tǒng)，P.yabei（Shimakura）Sze產(chǎn)自吉林火石嶺下白堊統(tǒng)，P.dakotense（Knowlton）Sze產(chǎn)自遼寧本溪下白堊統(tǒng)［11］，P.amurenseDu產(chǎn)自黑龍江嘉蔭下白堊統(tǒng)寧遠(yuǎn)村組［12］，P.xinjiangense產(chǎn)自新疆奇臺(tái)上侏羅統(tǒng)石樹溝群［13］，P.chaoyangensiDuan產(chǎn)自遼寧朝陽(yáng)、義縣中侏羅統(tǒng)髫髻山組［14］，P.moheenseDing產(chǎn)自黑龍江下白堊統(tǒng)漠河九峰山組［15］，P.yizhouenseDuan et Cui產(chǎn)自遼寧下白堊統(tǒng)義縣沙海組［16］.在我國(guó)，已知種的時(shí)代分布從中侏羅世至早白堊世，但當(dāng)前木化石標(biāo)本次生木質(zhì)部的具緣紋孔形態(tài)、排列方式，交叉場(chǎng)紋孔形態(tài)、數(shù)量，木射線單列及數(shù)量等特征均與已知種不同.

2.3 寬孔異木

寬孔異木Xenonxylon latiorosum（Gramer）Gothan

標(biāo)本編號(hào)：HGZ2（圖4）

圖4 遼北地區(qū)下白堊統(tǒng)沙海組寬孔異木Fig.4 Xenonxylon latiorosum（Gramer）Gothan from Lower Cretaceous Shahai Formation in northern Liaoning

化石保存為次生木質(zhì)部，未見髓部.橫切面：生長(zhǎng)輪受外力擠壓變形，生長(zhǎng)輪明顯，存在假輪，早晚材過渡類型為漸變式；早材管胞橫切面多數(shù)為徑向伸長(zhǎng)方圓形（20μm×30μm～30μm×40μm），晚材帶1～4層細(xì)胞組成，管胞橫切面呈壓扁的橢圓形；木射線線型，兩條相鄰的射線之間間隔2～6個(gè)管胞.徑切面：管胞寬60～80μm；具緣紋孔單列；單列具緣紋孔為微壓扁圓形，緊接排列；具緣紋孔直徑20～30μm，紋孔口圓形；交叉場(chǎng)紋孔1個(gè)，偶見2個(gè)，具有清楚的斜向伸長(zhǎng)軸的橢圓形或?qū)捖研渭y孔；木射線細(xì)胞水平壁及端壁平滑.弦切面：木射線單列或局部雙列射線，單列射線（2～）7～18（～27）個(gè)細(xì)胞高，細(xì)胞形態(tài)多呈橢圓形，射線細(xì)胞大小約15μm×20μm～20μm×25μm；射線密度7～17條/mm2；未見弦向壁紋孔.

當(dāng)前木化石標(biāo)本的次生木質(zhì)部特征，如具緣紋孔、木射線和交叉場(chǎng)紋孔的形態(tài)、類型和數(shù)量，顯示其分類學(xué)屬性應(yīng)歸入異木屬（XenoxylonGothan）［11］，其特征與已知種Xenoxylon latiporosum（Gramer）Gothan一致.異木屬是中生代木化石的重要組成分子，廣泛分布于北半球中—高緯度地區(qū).目前，該屬在世界范圍內(nèi)已報(bào)道超過30種，其中在我國(guó)報(bào)道的化石記錄有14種，時(shí)代分布從晚三疊世至晚白堊世［17-18］.

3 古氣候和古環(huán)境分析

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)木化石橫切面進(jìn)行切片，根據(jù)生長(zhǎng)輪特征（包括寬度、細(xì)胞個(gè)數(shù)、早材細(xì)胞平均大小、早晚材比率等4個(gè)指標(biāo)），采用木化石的年敏感度（AS）和平均敏感度（MS）等相關(guān)參數(shù)，對(duì)遼寧北部地區(qū)下白堊統(tǒng)沙海組沉積時(shí)期的古氣候和古環(huán)境特征進(jìn)行分析.

3.1 早晚材比率

早晚材比率（E/L）是指同一生長(zhǎng)輪內(nèi)生長(zhǎng)早期形成的細(xì)胞寬度與末期的寬度之比.早材的細(xì)胞直徑較大，細(xì)胞壁較??；而晚材的細(xì)胞則較小，壁較厚.木化石的生長(zhǎng)輪分析中，一般認(rèn)為生長(zhǎng)輪越寬，所指示的氣候越溫暖，因?yàn)樵跇淠旧L(zhǎng)季，溫暖適宜的溫度會(huì)加快形成層的生長(zhǎng)，從而使得生長(zhǎng)輪中細(xì)胞個(gè)數(shù)變多，早材細(xì)胞直徑變大.一個(gè)較長(zhǎng)較有利的生長(zhǎng)季將導(dǎo)致一個(gè)生長(zhǎng)輪中早晚材的比率較高［19］.

遼北地區(qū)沙海組產(chǎn)出的木化石均具有明顯的生長(zhǎng)輪，一般早材帶較寬，晚材帶很窄；每一輪早材帶與晚材帶的寬度之比相差非常懸殊，早晚材比率變化幅度在0.84～64之間.從木化石連續(xù)生長(zhǎng)輪寬度的變化情況看，在連續(xù)生長(zhǎng)輪中，往往存在個(gè)別寬度較窄的生長(zhǎng)輪，其寬度僅為最寬生長(zhǎng)輪寬度的1/3～1/4（圖5）.這些特征表明：這些木材所生長(zhǎng)的氣候具有明顯的季節(jié)性變化；早材時(shí)間跨度長(zhǎng)表明管胞分裂旺盛，水分、溫度、濕度、光照等因素較為適宜的時(shí)間較長(zhǎng)；生長(zhǎng)輪寬窄不一的出現(xiàn)表明氣候可能存在一定的年際變化，即其年均溫或年降水量存在一定的差異.此外，狹窄生長(zhǎng)輪的出現(xiàn)可能反映了不適宜條件的出現(xiàn)，如氣候變干旱，降水量減少，光照降低等導(dǎo)致樹木生長(zhǎng)變緩.

圖5 遼北地區(qū)下白堊統(tǒng)沙海組木化石生長(zhǎng)輪寬度連續(xù)統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.5 Histograms showing the frequency distribution of growth ring width of petrified woods

3.2 年敏感度和平均敏感度

年敏感度（AS）可以用來衡量生長(zhǎng)輪的寬度和樹木生長(zhǎng)環(huán)境的變化.平均敏感度（MS）反映樹木生長(zhǎng)各年水分條件的變化，是氣候變化的重要指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

其中，X為生長(zhǎng)輪寬度，t為生長(zhǎng)輪序號(hào)，n為生長(zhǎng)輪總數(shù).

前人研究結(jié)果表明，大多數(shù)樹木的平均敏感度（MS）在0～0.6之間.MS小于0.3則為水分條件滿足，表明樹木生長(zhǎng)在年降水量或水供應(yīng)較均勻的環(huán)境下；MS大于0.3則為水分條件敏感，表示樹木生長(zhǎng)過程中各年的水分條件變化較大，表明這些樹木的生長(zhǎng)環(huán)境不規(guī)律［20］.

根據(jù)上述計(jì)算公式研究結(jié)果，筆者對(duì)當(dāng)前木化石生長(zhǎng)輪的解剖結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了測(cè)量和計(jì)算（表1）.結(jié)果表明，當(dāng)前各種木化石的平均敏感度在0.23～0.30之間，樹木生長(zhǎng)在年降水量或水供應(yīng)敏感的環(huán)境下，樹木生長(zhǎng)過程中各年的水分條件變化較大.

表1 下白堊統(tǒng)沙海組木化石生長(zhǎng)輪數(shù)據(jù)Table 1 Data for growth rings of petrified woods from Lower Cretaceous Shahai Formation

3.3 特殊解剖構(gòu)造

木化石存在一些特殊解剖構(gòu)造，如：假輪、創(chuàng)傷樹脂道、生長(zhǎng)輪扭曲、蟲孔等，都指示了古生態(tài)環(huán)境中某種短時(shí)的擾動(dòng)影響樹木的生長(zhǎng)（圖6）.

（1）假輪（圖6a）：表明樹木生長(zhǎng)季節(jié)性暫?；驎壕彛诟珊档臍夂驐l件下極容易形成假輪.在生長(zhǎng)季節(jié)樹木受到病蟲害、嚴(yán)重干旱、臺(tái)風(fēng)吹斷粗大枝條等均可造成樹木停止生長(zhǎng).

（2）創(chuàng)傷樹脂道（圖6b）：莖干在受外界刺激（如風(fēng)、雷電、冰雹等傷害）影響下，在其木材中很容易形成創(chuàng)傷樹脂道.

（3）生長(zhǎng)輪扭曲（圖6c）：橫切面生長(zhǎng)輪有規(guī)律地扭曲，存在生長(zhǎng)輪扭曲的橫切面也可見創(chuàng)傷樹脂道，推測(cè)其成因與風(fēng)災(zāi)有關(guān).

（4）蟲孔（圖6d）：多為昆蟲活動(dòng)留下的孔洞.

圖6 遼北地區(qū)下白堊統(tǒng)沙海組木化石的特殊解剖構(gòu)造Fig.6 Special anatomical structure of petrified woods from Lower Cretaceous Shahai Formation

4 結(jié)論

（1）產(chǎn)自遼寧北部法庫(kù)地區(qū)下白堊統(tǒng)沙海組的木化石均為硅化保存的裸子植物次生木質(zhì)部，其屬級(jí)分類群分別屬于Protocupressinoxylon、Protopiceoxylon和Xenoxylon.

（2）木化石生長(zhǎng)輪清晰，早晚材比率 在0.84～64之間，平均敏感度在0.23～0.3之間，表明樹木生長(zhǎng)在年降水量或水供應(yīng)較均勻的環(huán)境下，氣候具有明顯的季節(jié)性.連續(xù)生長(zhǎng)輪寬窄不一的出現(xiàn)反映氣候有波動(dòng)，每年的溫度、水分等的變化造成連續(xù)生長(zhǎng)輪不均勻.

（3）木化石中存在假輪、創(chuàng)傷樹脂道、生長(zhǎng)輪扭曲、蟲孔等特殊解剖構(gòu)造，揭示了古生態(tài)環(huán)境中存在旱災(zāi)、風(fēng)災(zāi)以及蟲害等短時(shí)間內(nèi)不利于樹木生長(zhǎng)的影響因素.

致謝：本文木化石切片由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心李莉工程師制作，在此深表感謝！