曾昱昕

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京100083)

萊斯沃斯硅化森林位于希臘東南部、愛琴海東北的萊斯沃斯島西部，是世界上最重要的自然遺產(chǎn)之一。這里有成百上千、形態(tài)各異的硅化樹干，是在中新世早期(約2000～1600萬年前)強(qiáng)烈火山活動(dòng)下形成的一個(gè)完整的硅化森林生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)研究愛琴海地區(qū)的地質(zhì)演化、古植物和古氣候環(huán)境具有重要的科學(xué)意義。1985年希臘政府將該區(qū)域列為國家自然保護(hù)區(qū)(圖1)，該區(qū)域面積15000hm2，由硅化森林公園、Sigri公園、Plaka公園、Nisiopislet保護(hù)區(qū)等組成，硅化樹干主要集中分布在Sigri、Antissa和Eressos 3個(gè)城鎮(zhèn)附近，萊斯沃斯島西部其他地區(qū)有少量分布[1]。

圖1 萊斯沃斯硅化森林自然保護(hù)區(qū)(綠色部分)位置示意圖

1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景

萊斯沃斯地區(qū)的構(gòu)造單元由老到新依次為[2]：原地系統(tǒng)(基底)、火山沉積體系(構(gòu)造蓋層)、蛇綠巖構(gòu)造蓋層和準(zhǔn)阿爾卑斯建造。

區(qū)內(nèi)最老的巖系—原地巖系在萊斯沃斯的東南地區(qū)出露，由變質(zhì)巖(主要為片巖)組成。這套巖石的特點(diǎn)是低級(jí)變質(zhì)，存在灰?guī)r和大理巖夾層，無綠片巖產(chǎn)出，年代為晚古生代—三疊紀(jì)。

火山沉積巖系與原地巖系呈構(gòu)造接觸，主要由不同類型的低級(jí)變質(zhì)準(zhǔn)基性巖和沉積巖(結(jié)晶灰?guī)r和某些片巖)組成。

蛇綠巖逆掩在三疊紀(jì)巖石之上，有2種巖石類型：上部群主要由輝石橄欖巖、純橄巖和蛇紋石化橄欖巖組成，下部群主要由變質(zhì)蛇綠巖組成。

準(zhǔn)阿爾卑斯建造可再分為新第三系和第四系。新第三系包括火成碎屑物質(zhì)、各種類型的熔巖及海相或湖相沉積。在該島的中西部，有一系列沿SW-NE向分布的火山中心，這些火山中心的火山巖(玄武巖和安山巖)多處出現(xiàn)強(qiáng)烈高嶺石化。第四紀(jì)巖石有安山巖和英安巖，在某些地段還有流紋巖。在東南部地區(qū)，熔結(jié)凝灰?guī)r蓋層產(chǎn)于火山巖與變質(zhì)巖之間。

該地區(qū)的火山巖序列如下：(1)下部熔巖單元：安山巖、玄武巖、英安巖，它們均遭受了強(qiáng)烈熱液蝕變。(2)酸性火山巖：火成碎屑巖、熔結(jié)凝灰?guī)r和流紋巖。(3)上部熔巖單元：玄武巖、安山巖和英安巖。(4)侵入巖：英安巖巖頸。

2 萊斯沃斯硅化森林主要特點(diǎn)

圖2 硅化樹干群

圖3 直立硅化水杉樹干

圖4 倒塌橫臥硅化水杉樹干

萊斯沃斯硅化森林是迄今世界上發(fā)現(xiàn)的最完整的硅化森林生態(tài)系統(tǒng)，具有數(shù)量多規(guī)模大、原生環(huán)境硅化、特征保存完好和植物種類繁多等獨(dú)有的特點(diǎn)。

2.1 數(shù)量多規(guī)模大

在15000hm2的硅化森林保護(hù)區(qū)內(nèi)，隨處可見硅化樹干(圖2)，已發(fā)現(xiàn)各類硅化樹干上千棵，這些硅化樹干或直立、或倒塌橫臥，直立的樹干通常1～2m高，最高的超過7m，倒塌橫臥的樹干最長(zhǎng)的超過20m。圖3為巨大硅化水杉樹干，高7.02m、周長(zhǎng)8.58m，是迄今世界上發(fā)現(xiàn)的最大直立硅化木，推測(cè)在硅化前這顆樹的高度超過100m。圖4中倒塌橫臥的硅化樹干為20m長(zhǎng)的硅化水杉樹干。

2.2 原生環(huán)境硅化

在硅化森林保護(hù)區(qū)內(nèi)，許多硅化樹干仍保持了直立狀態(tài)，且根部系統(tǒng)保存完好(圖5)，證明是在自然生長(zhǎng)狀態(tài)下原地硅化的，是土生土長(zhǎng)的硅化森林。

2.3 特征保存完好

已發(fā)現(xiàn)的硅化樹木多數(shù)外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征保存完好，如樹皮、樹根、年輪等，說明硅化完全充分且后期保存條件良好。圖6中硅化樹干的樹皮保存完好，橫斷面上的年輪清晰可見。

2.4 植物種類繁多

硅化樹木植物特征的完好保存，為植物種類鑒別提供了便利。據(jù)萊斯沃斯硅化森林自然歷史博物館統(tǒng)計(jì)，已鑒別出的不同植物種類超過46種，主要為針葉植物和被子植物，偶見蕨類植物，如在Sigri化石區(qū)發(fā)現(xiàn)的新月蕨。針葉植物在硅化樹木中占主導(dǎo)地位，主要包括松樹、紅豆杉和柏樹。被子植物在硅化森林中最常見的是月桂樹和櫸樹，屬于雙子葉植物；在低海拔處以各種棕櫚樹為主導(dǎo)，屬單子葉植物。另外，已鑒別出的植物種類還有柿樹科、楊柳科、樺木科植物，以及一些其他種類如菩提樹、楓樹、黑刺莓和漆樹。

3 萊斯沃斯硅化森林成因分析

硅化木亦稱木化石，是數(shù)千萬年前樹木因各種突發(fā)原因被迅速掩埋，在地層中周圍的化學(xué)物質(zhì)如二氧化硅、硫化鐵、碳酸鈣等通過地下水長(zhǎng)期與樹干發(fā)生交代作用，進(jìn)入到樹干內(nèi)部，替換原來的木質(zhì)成分，經(jīng)過石化而形成的。萊斯沃斯硅化森林的形成，與愛琴海東北部中新世早期的強(qiáng)烈火山活動(dòng)密不可分，同時(shí)該地區(qū)的古氣候環(huán)境、地下水和后期保存條件也是不可或缺的因素。

圖5 根系完好的硅化樹干圖6 樹皮完好年輪清晰的硅化樹干

3.1 地質(zhì)成因

硅化木遺址(黃點(diǎn)所示): 1.硅化森林公園;2.Sigri公園;3.Plaka公園;4.Nisiopis let保護(hù)區(qū);5.Chamandroula公園; 6.Skamiouda公園。火山口(紅線所示)：1.Lepetymnos;2.Vatousa;3.Agra;4.Anemotia?；鹕降刭|(zhì)遺址(紅點(diǎn)所示)： 4.Eresos穹頂；5.Ipsilou穹頂；6.Petra火山頸；7.Panagia isl柱狀熔巖；8.Alyfanta火山堤；9.Filia火山堤；10.Anemotia柱狀熔巖；11.Hidira穹頂；12.Eresos巖盤； 13.Pelopi柱狀熔巖； 14.Molyvos穹頂。圖7 萊斯沃斯島地貌圖及主要硅化森林和火山口及解釋的火山地質(zhì)遺址

大約在4500～3500萬年前的始新 世至漸新世時(shí)期，北部歐亞大陸和南 部非洲大陸兩大巖石圈板塊在基克拉 澤斯(Cyclades)地區(qū)聚合，非洲板塊 向北俯沖至歐亞板塊之下，導(dǎo)致地殼 巖石層壓縮和亞歐板塊下方的洋殼下 沉。當(dāng)冷的洋殼進(jìn)入熱糊狀地幔內(nèi)部， 洋殼巖石會(huì)下沉數(shù)百公里，形成一個(gè) 沉降帶并被融化成巖漿，由于融化的 巖石比地幔密度低，它會(huì)向地殼方向 上升，從而導(dǎo)致2個(gè)板塊聚合后的火 山活動(dòng)。板塊聚合是一個(gè)持續(xù)的地質(zhì) 過程，隨著時(shí)間的推移和2個(gè)板塊的 相對(duì)位置變化，非洲板塊的俯沖角會(huì) 不斷增大，導(dǎo)致火山活動(dòng)區(qū)域的不斷 遷移，并在下中新世時(shí)期遷移至愛琴 海東北地區(qū)，強(qiáng)烈的火山活動(dòng)在愛琴 海東北地區(qū)所有島嶼都有證據(jù)，如萊 斯沃斯島、Limnos、Agios Evstratios、Imvros、Tenedos以及 Chios和Psara的南部。

萊斯沃斯島的火山活動(dòng)主要發(fā)生在中新世早期，形成了許多大型的火山構(gòu)造，在中西部沿SW-NE軸分布了一系列火山地質(zhì)遺跡，如火山穹頂，火山堤和火山頸等[3](圖7)。中新世早期火山巖在島的中部和西部分布居支配地位，發(fā)現(xiàn)的最老火成巖是Eressos熔巖，距今約2150萬年；最新火成巖是Mesotopos巖脈，距今約1620萬年。強(qiáng)烈的火山活動(dòng)噴發(fā)出來大量的火山灰，是同時(shí)期位于西邊的森林被迅速掩埋并形成硅化森林的決定性因素。

3.2 古氣候環(huán)境

古植物群組合研究，該地區(qū)植物特征與東南亞和美洲的亞熱帶地區(qū)類似，表明愛琴海地區(qū)在中新世早期屬亞熱帶氣候，萊斯沃斯硅化森林在硅化前是一個(gè)混合亞熱帶森林，它的繁榮期在下中新世約18.5百萬年前的布爾迪加爾階(Burdigalian Stage)[3]。

硅化森林中罕見中新世早期動(dòng)物化石，到目前為止僅發(fā)現(xiàn)了1種長(zhǎng)鼻類動(dòng)物和7種微哺乳動(dòng)物化石，對(duì)這些動(dòng)物化石的研究表明，它們是生活在一個(gè)濕潤(rùn)多水的熱帶或亞熱帶氣候環(huán)境[4,5]。

3.3 地下水條件

濕潤(rùn)多水的亞熱帶古氣候環(huán)境，使得萊斯沃斯島地下水非常豐富。該地區(qū)北部活動(dòng)的地?zé)狍w系和發(fā)現(xiàn)的大量硅質(zhì)礦脈[6]，加上地下長(zhǎng)期的火山巖漿活動(dòng)，說明地下水溫度高且富含硅。根據(jù)目前我國對(duì)硅化木成因的研究，周世全等歸納了5類硅質(zhì)來源[7]，分析推測(cè)其中2種硅質(zhì)來源在該地區(qū)占據(jù)主導(dǎo)地位：一是上地幔和下地殼去硅作用產(chǎn)生的硅，歐亞大陸和非洲大陸兩大巖石圈板塊聚合過程中，亞歐板塊下方的洋殼下沉進(jìn)入熱糊狀地幔內(nèi)部形成一個(gè)沉降帶并被融化成巖漿，在它向地殼方向上升時(shí)攜帶有大量的上地幔和下地殼去硅作用產(chǎn)生的硅；二是火山巖漿作用過程中提供的硅質(zhì)溶液。

對(duì)萊斯沃斯島地下水砷的分布研究發(fā)現(xiàn)，該島中部火成巖地區(qū)地下水硅含量明顯比東南部非火成巖地區(qū)高[8]，推測(cè)在西部硅化森林地區(qū)地下水的硅含量更高。在硅化森林地區(qū)，現(xiàn)今仍有多處富含硅的地?zé)崛鞒龅乇?，溫度高達(dá)80℃以上(圖8、9)。

圖8 硅化森林區(qū)地表熱泉1圖9 硅化森林區(qū)地表熱泉2

3.4 保存條件

愛琴海地區(qū)一直是地球上地質(zhì)活動(dòng)最活躍的地區(qū)之一，這里地震和火山活動(dòng)頻發(fā)，地質(zhì)活動(dòng)顯著。但萊斯沃斯硅化森林發(fā)現(xiàn)的許多直立硅化木根部系統(tǒng)基本上都保存完好，整個(gè)硅化森林生態(tài)系統(tǒng)較為完整地保存下來，說明自硅化森林開始形成以來，該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造總體上處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，未受過大規(guī)模的破壞。

晚第四紀(jì)相對(duì)海平線變化研究表明，萊斯沃斯島海平線相對(duì)較為穩(wěn)定，尤其是東北部海岸，所有古海洋標(biāo)記目前都在水下，盡管該地區(qū)的地震活動(dòng)頻繁，但在這一部分地區(qū)沒有觀察到海岸抬升的跡象[9]。這從側(cè)面佐證了萊斯沃斯島長(zhǎng)期以來地質(zhì)構(gòu)造總體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.5 形成過程

中新世早期，萊斯沃斯島處于濕潤(rùn)多水的亞熱帶氣候環(huán)境，森林生長(zhǎng)繁榮茂密。隨著強(qiáng)烈的火山爆發(fā)，處于火山口附近的植物被噴發(fā)出來的高溫熔巖瞬間摧毀，同時(shí)巨量火山灰連續(xù)拋射到空中，隨風(fēng)飄落到遠(yuǎn)處地表形成火山灰層。由于是濕潤(rùn)多水環(huán)境，造成了火山爆發(fā)后的強(qiáng)烈降雨，與堆積在高地勢(shì)處的巨量火山灰層形成巨大的火山灰泥流，從地勢(shì)較高的中部由東向西掠過，位于西邊較遠(yuǎn)處幸存下來的森林整體被迅速掩埋。森林中的樹木要么連根拔起、要么攔腰折斷，樹干的下部及樹根被就地掩埋，這就是今天直立硅化木的前身；折斷的樹干隨火山灰泥流運(yùn)移一段距離后被掩埋，形成了如今倒塌橫臥在火山灰泥流地層中的硅化木。

森林植物被掩埋后，與地表環(huán)境隔離并長(zhǎng)期處于無氧狀態(tài)，在該地區(qū)充足的高溫富含硅地下水作用下，熱液循環(huán)促使植物與周圍地下水進(jìn)行分子置換，在這個(gè)過程中，植物中的有機(jī)物質(zhì)被地下水中的二氧化硅替代，在理想狀態(tài)下植物組織被完全硅化，樹木的外觀、年輪和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等特征被完美地保存下來。而自硅化森林開始形成以來，該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造總體上處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，使得硅化森林能夠完好地保存至今。

萊斯沃斯硅化森林是通過自然侵蝕和人們的挖掘工作呈現(xiàn)在世人面前的。在對(duì)橫臥倒塌的硅化樹干挖掘過程中，發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)多數(shù)量的被子植物硅化樹干是從較高地層運(yùn)移下來的，表明在硅化的針葉類植物原始生長(zhǎng)的層位之上，有新的被子植物森林生長(zhǎng)，經(jīng)歷繁榮期后被硅化。說明該地區(qū)中新世早期幾百萬年的火山活躍時(shí)期，在強(qiáng)烈火山爆發(fā)后的平靜期內(nèi)有新的森林生長(zhǎng)，硅化森林不是一次性而是多期形成的。

與我國新疆地區(qū)奇臺(tái)將軍戈壁硅化木群對(duì)比[10～12]發(fā)現(xiàn)，奇臺(tái)硅化木群形成時(shí)間更早，為中、上侏羅統(tǒng)時(shí)期，萊斯沃斯硅化森林具有形成時(shí)間晚、原生環(huán)境硅化、生態(tài)系統(tǒng)完整和后期保存條件好等特點(diǎn)，兩者在成因方面較為相似：適宜的古氣候條件保證了植物繁盛，突發(fā)的地質(zhì)事件致使植物被快速掩埋并長(zhǎng)期處于缺氧環(huán)境，充足且富含硅的地下水作用致使植物得以充分硅化，后期相對(duì)穩(wěn)定的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境使得硅化木較為完好地保存至今。

4 結(jié)論

萊斯沃斯硅化森林是迄今世界上發(fā)現(xiàn)的最完整的硅化森林生態(tài)系統(tǒng)，是中新世早期在強(qiáng)烈火山活動(dòng)作用下多期硅化形成的，具有數(shù)量多規(guī)模大、原生環(huán)境硅化、特征保存完好和植物種類繁多等獨(dú)有的特點(diǎn)。萊斯沃斯硅化森林的形成與該地區(qū)在中新世早期的強(qiáng)烈火山活動(dòng)、濕潤(rùn)多水的亞熱帶古氣候環(huán)境、充足的高溫富含硅地下水資源和后期良好的保存條件密不可分，是這些因素完美疊加組合的結(jié)果。