远古的“森林”去了哪里
责任编辑: 张佳楠
作者简介 About authors
沈博伟,高级工程师,四川省自然资源厅地质环境类专家库成员,成都市科普专家库成员,成都天府新区直管区“天府英才计划”优秀人才,中国矿业权评估师,四川省第三次全国土壤普查质量检查员,“陈斌科普+创新工作室”地质科普讲师。长期从事地质公园(地质遗迹)等环境地质、生态环境保护与建设领域的调查研究工作。
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文图/沈博伟, 陈斌, 尹力, 胡志涛, 宋云.
提及数亿年前的远古时代,我们脑海中最先闪现的大多是电影《侏罗纪世界》和《冰河世纪》,里面展现了曾统治地球长达1.5亿年的恐龙和遍地冰川覆盖的冰雪世界,不但有伶俐的翼龙、凶猛的霸王龙、迟钝的马门溪龙、还有贪吃的树獭、善良的长毛象和狡猾的剑齿虎······它们俨然成为了远古时代的代名词。殊不知,在地球漫长的地史演化进程中,除了各具特色的远古动物渐次登场,远古植物也在通过遗传、变异和自然选择,从低级到高级,从简单到复杂,种类由少到多地进化着、发展着。地球上曾经温暖湿润的适宜气候,不单造就了动物发展的繁荣昌盛,也迎来了陆地裸子植物的极盛期:苏铁类和银杏类的发展达到高峰,松柏类和真蕨类也占到重要地位,一片生机盎然的远古森林逐步形成。

时光流转,地质变迁。伴随着生存环境的不断变化,地球生物也重复着从繁盛到消亡再到繁盛的不断循环。透过博物馆内以恐龙为代表的动物化石,我们依稀可以看到地球曾在远古时期的热闹与辉煌,不禁又会发出这样的疑问:那些远古植物如今又都去了哪里?
我们都知道,恐龙化石是恐龙死后身体中的软组织因腐烂而消失,骨骼(包括牙齿)等硬体组织沉积在泥沙中,处于隔绝氧气的环境下,经过几千万年甚至上亿年的沉积作用和石化作用,骨骼完全矿物化而得以保存下来的生物遗体和遗迹。同样的,那些死去的植物也在不同环境的地质作用下,变成了不同形态的物质:有的形成了精美的化石;有的在高温、高压、缺氧的地质环境下变成煤炭、石墨;有些在高压、低温、缺氧的条件下变为硅化木;有的成为了似石非矿的炭化木。还有些植物则凭借坚韧的生命力和顽强的适应性存活至今,成为远古植物的孑遗分子,堪称植物界的“活化石”。
树成炭,点亮生活的自然资源——煤
煤炭是由远古植物残体没入水中,经受生物化学作用,然后被地层覆盖并经物理作用与化学作用而形成的有机生物岩,包括泥炭和煤。
生成过程:整个成煤过程一般需要几千万年到几亿年的时间,可划分为两个阶段:即泥炭化作用和煤化作用。煤化作用又分为两个连续的过程,即成岩作用和变质作用。

泥炭化作用阶段:植物死亡后被水淹没,在缺氧环境里的植物体不会很快地分解、腐烂。随着倒木数量的不断增加,最终形成了植物遗体的堆积层。这些堆积层在厌氧细菌的作用下,不断地被分解、化合,渐渐形成泥炭层(主要是腐殖酸和沥青质),是煤形成的第一步。
煤化作用阶段:由于地壳运动,泥炭层下沉,被泥沙、岩石等沉积物覆盖,在沉重压力和地热作用下,发生压紧、失水、胶体老化、固结等一系列变化, 石炭含量逐渐增加,氧含量逐渐减少,腐殖酸含量逐渐降低,逐渐变成较为致密的岩石状的褐煤。随着褐煤层不断沉降到地壳较深处时,上覆岩层压力不断增大,地温不断增高,褐煤中的物理化学作用速度加快,内部分子结构、物理性质和化学性质发生进一步变化,煤化程度逐渐升高,逐渐变成烟煤、无烟煤。

形成时期:地球历史上最有利于成煤的地质年代除了中生代的晚三叠世(约2.37亿~ 2.014亿年前)、侏罗纪(约2.014亿~ 1.45亿年前)和白垩纪(约1.45亿~ 6 600万年前),还有晚古生代的石炭纪(约3.58亿~ 2.98亿年前)、二叠纪(约2.98亿~ 2.51亿年前),以及新生代的古近纪(约6 600万~ 2 330万年前),其中以侏罗纪煤层最厚。
我国共有14个成煤期,其中最重要的成煤期是华北地区石炭纪—二叠纪,华南地区二叠纪、晚三叠纪世,西北地区早—中侏罗世,东北地区晚侏罗世—早白垩世,以及东北地区、西南地区及沿海地区的古近纪。其中早—中侏罗世成煤期煤炭资源量占全国总量的60%,华北地区石炭纪—二叠纪成煤期资源量占全国资源总量的26%。
树化玉,凝固时间的自然遗产——硅化木
硅化木又称木化石、树化石。它是远古植物因火山喷发或地壳运动等地质作用而被埋入地下,由于处于缺水的干旱环境或与空气隔绝,木质不易腐烂,在漫长的地质作用过程中被含硅钙物质交换替代而形成的树木化石,它保留了树木的木质结构和纹理。



根据二氧化硅的结晶情况和程度,硅化木可分为三种:若木质被交代成胶质二氧化硅即蛋白石,称为蛋白石硅化木;若被交代成隐晶质石英(即玉髓或玛瑙),则称为玉髓或玛瑙硅化木;若被交代成微粒的石英,则称为普通硅化木。

生成过程:硅化木的形成是硅替换取代木质纤维的过程,即同时发生溶解作用和沉积作用,从而使一种物质取代另一种物质的“交代作用”。
数亿年前的树木在自然力量下被大量埋入地层,在高压、低温、缺氧环境下,树干周围的化学物质如二氧化硅、硫化铁、碳酸钙等在地下水作用下进入到树木内部,发生物质交换替代现象,替换了原来的木质成分碳元素。如果溶解和交替速度相等,且以分子相交换,则可保存树木的微细结构,如年轮及细胞轮廓等。如交替速度小于溶解速度,则主要保存了树木的形态,年轮一般不清楚。最后,树木原来的成分已荡然无存,全部由含硅钙成分的石质所取代,只保留下树木的原始形态及构造特点。之后,经过压实、固结、成岩等石化作用,原来的树木就完全变成了坚硬的石头——木化石。
硅化木在中国广泛分布,尤其集中于新疆、辽宁、浙江等古构造运动频繁区域,代表性产地主要是新疆奇台县、浙江新昌县、辽宁北票市、内蒙古赤峰市、北京延庆区、云南元谋县,此外还有甘肃敦煌、玉门,四川自贡、射洪,广东深圳,山东临朐、日照等地。国际代表性产地包括美国亚利桑那州、阿根廷巴塔哥尼亚、埃及撒哈拉沙漠、澳大利亚昆士兰州、加拿大艾伯塔省,其他一些重要产地则是缅甸、印度尼西亚、马来西亚等。
硅化木作为跨越亿万年的自然瑰宝,既是解码地球演化的时空密码,也是承载人文审美的艺术载体。其保留的树木年轮、细胞结构及共生化石,为研究古气候、生态链及地质年代提供了重要实证,是地球演化史的 “活档案”;而其稀缺性、独特的硅化纹理与矿物色彩,以及承载的文化象征意义,则使其成为高端收藏市场的宠儿。这种不可再生的自然瑰宝,既是科学探索的载体,也是艺术与财富的象征,未来价值潜力持续看涨。
形成时期:硅化木主要形成于古生代石炭纪到中生代白垩纪时期。

似石非矿的古韵至宝——乌木
除了煤炭和硅化木,远古植物还以另一种物质形态在地质历史中保留下来,并常因分辨不清而被混淆为硅化木,那就是乌木。

乌木又称阴沉木,是树木因地震、洪水、泥石流等自然原因埋入低洼淤泥中,在缺氧、高压状态下,受厌氧细菌等微生物的作用,经历长达成千上万年的炭化过程而形成,故又称“炭化木”。
生成过程:乌木的形成是一个复杂的地质和化学过程,涉及特定的环境条件、时间跨度及生物化学变化。
数万年前,树木因自然灾害(如洪水、地震、泥石流或火山喷发)被冲入河流、湖泊、沼泽或沿海淤泥中,被瞬间深埋于水底或地下沉积层,与氧气隔绝。在缺氧(厌氧)环境中,厌氧微生物开始分解木材中的纤维素和半纤维素等有机物,并在此过程产生有机酸(如腐殖酸)和甲烷等副产物。在高压(来自上层沉积物的重量)和温度(地热或深层埋藏)的共同作用下,木材中氢、氧元素逐渐流失,碳元素相对富集,形成稳定的碳结构,这一过程被称为 “不完全碳化”(与煤炭形成类似,但程度较低)。地下水携带的矿物质(如铁、锰、硫化物)逐渐渗入木材孔隙,与残留有机物结合,形成致密结构。随着时间推移(通常数千年至上万年),上层沉积物不断增厚,对埋藏的树木施加巨大压力,使其木质纤维被压缩、脱水,结构变得更加坚硬致密。尽管有机成分部分分解,但树木的年轮、细胞结构甚至树皮可能因快速掩埋和碳化得以保留。通过这一过程,普通树木最终转变为质地坚硬、色泽深沉的乌木,成为自然与时间共同塑造的珍贵产物。
乌木会有不同程度的碳化,但又没有全煤碳化,是木化石的最早期形态,远没有成为木化石或者煤炭。因此,乌木既非木化石又非矿产资源,但它本质坚硬,有独特的纹理和香气,经后期加工雕琢,颇受市场欢迎,具有很高的收藏价值。
乌木的核心产地集中在热带地区,包括非洲的加蓬、喀麦隆、尼日利亚,东南亚的印度尼西亚(苏拉威西、苏门答腊)、菲律宾、马来西亚,南亚的斯里兰卡,美洲的巴西、墨西哥,中国的四川(岷江、金沙江流域)、长江中下游(江西、湖南、湖北)、云南、贵州,等等。
形成时期:乌木的形成时间一般在2 000年至数万年之间,主要是新生代(约6 600万年前至今),尤其是新生代第四纪冰河期(约200万年前)之后。
乌木与硅化木、煤炭的主要区别
特征 | 乌木(阴沉木) | 硅化木(木化石) | 煤炭 |
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形成时间 | 数千年至万年 | 数百万年以上 | 数千万年至数亿年 |
主要成分 | 碳化有机物 | 二氧化硅 | 碳、硫、氢等 |
颜色 | 黑、深褐、青灰 | 多彩(红、黄、蓝等) | 黑色或黑褐色, 有一定光泽 |
质地 | 硬木,保留纤维结构 | 坚硬如石,可能结晶化 | 硬度相对较低,质地不均 |
科学分类 | 碳化木材 | 化石 | 化石燃料(矿物) |
典型用途 | 工艺品、家具、收藏 | 科研、装饰、收藏 | 能源、化工原料 |
远古遗珠,植物演化的活化石
在地壳运动、火山活动、气候恶化等自然灾害的影响下,远古植物不断优胜劣汰:或死亡,成为讲述植物演化的真化石,如硅化木,沉稳内敛、温润细腻;或蜕变,成为见证植物演化的“活化石”,如桫椤、苏铁,朝气蓬勃、欣欣向荣,它们都是研究古气候、古环境变迁、古生物学、物种形成、植物地理学等内容的重要证据。

桫椤属桫椤科桫椤属,又名蕨树或树蕨,国家二级保护濒危植物。桫椤发源于中生代的晚三叠世或早侏罗世,一度成为侏罗纪植物界霸主。作为冰川时代的幸存者、“植物界的大熊猫”,桫椤是公认的极其珍稀的冰川前期植物,是地球上爬行动物时代的标志植物,是在白垩纪—古近纪灭绝事件中幸存下来的孑遗蕨类植物,唯一的木本蕨类植物,被称为地球生命演化的“活化石”。

苏铁属苏铁科苏铁属,是现存最古老的种子植物,大约起源于3亿年前的晚石炭世,在侏罗纪达到最盛期。目前,苏铁被世界自然保护联盟红色名录列为极度濒危物种,是中国国家一级重点保护植物,对研究种子植物的起源演化、植物与动物的协同进化、植物区系、古地理和古气候的变迁等具有重要的意义。全世界现存苏铁类植物有3科11属约280种,星散分布于热带与亚热带地区。

珙桐又称“中国鸽子树”、水梨子、鸽子树,珙桐科珙桐属落叶乔木,国家一级重点保护植物,我国特有的单型属植物,是1 000万年前新生代新近纪古热带植物的孑遗种。几百万年前,地球上曾一度广泛地生长过珙桐,但随着第四纪冰川的到来,全球性急剧降温,大部分珙桐都被冰川所吞没而灭绝,只有在中国南方的一些地区幸存下来,目前野生种只生长在中国西南四川省和中部湖北省和周边地区。

银杏又名白果树,银杏科银杏属,落叶乔木,是第四纪冰川运动后遗留下来的裸子植物中最古老的孑遗植物。银杏最早出现于3.45亿年前的石炭纪,曾广泛分布于北半球的欧、亚、美洲,中生代侏罗纪银杏曾广泛分布于北半球,白垩纪晚期开始衰退。至50万年前,发生了第四纪冰川运动,地球突然变冷,在欧洲、北美和亚洲绝大部分地区灭绝,只有中国自然条件优越,银杏才奇迹般地保存下来。野生状态的银杏残存于中国江苏徐州北部(邳州市)、山东南部临沂(郯城县)地区、浙江西部山区。

水杉属杉科水杉属,落叶、针叶大乔木,国家一级保护植物,中国特有树种,分布在我国华南、华东和华北部分地区。它不仅是经历了第四纪冰川浩劫的珍贵孑遗植物,而且还有很强的生命力和广泛的适应性,生长迅速,是优良的绿化树种,不但已在我国各地广为栽培,世界很多国家也争相引种栽培,使这珍贵的树木在全球范围内生生不息。
“物竞天择,适者生存”,曾经繁盛的远古森林都去了哪里?它们或化作迸发生命之光的黑色黄金点亮我们的生活;或成为藏匿亿年光阴的时间使者对地球故事娓娓道来;更有不屈的生命强者成为远古遗珠,是讲述植物演化的活化石。它们历经岁月轮回,古朴而神秘,都是地球历史永不褪色的远古记忆。