2022, Vol. 31
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硅化木是树木因地质作用而被埋入地下, 由于与空气隔绝, 木质不易腐烂, 在漫长的地质作用过程中被二氧化硅交代而保留了木质的纤维结构和树干外形的化石[1]. 硅化木不仅为古地理、古环境、古气候、古生态的研究提供了重要信息[2-6], 而且因其硅化、玉化和玛瑙化程度各异, 色泽丰富已成为天然宝石而被加工开发利用[7]. 北京延庆地区拥有原地埋藏较为集中、保存条件较好的硅化木群, 是研究北京及华北地区古植物、古气候和古地理环境的重要载体. 前人[8-9]对延庆硅化木的研究仅停留在种属方面, 尚未发现延庆硅化木相关的化学元素和矿物组成的深入研究. 现代分析测试技术的飞速发展, 为硅化木化学元素、矿物组成的研究提供了可能[10-18]. 作者利用X射线荧光分析法(XRF)、红外光谱法(FT-IR)、X射线衍射仪法(XRD)和偏光显微镜对北京延庆硅化木标本进行了分析研究, 以期为延庆地区硅化木研究和保护工作提供基础数据资料和理论依据.
1 实验部分 1.1 样品文中用于测验的2个硅化木标本(DYSYQGHM-1和DYSYQGHM-2)均采于北京延庆地区, 产出层位为下侏罗统土城子组. 其中, 标本DYSYQGHM-1(下文称标本1)大小约为4 cm × 3 cm × 2 cm, 为较粗大树干残块, 仅保存有次生木质部, 未见髓及初生木质部, 整体呈土黄色, 木质纹理清晰(图 1a); 经切片分析, 当前标本横切面具清晰的生长轮(图 1b), 径切面管胞径壁纹孔为异木型, 交叉场纹孔为窗格型(图 1c、d), 因此在分类上应归入异木属(Xenoxylon Gothan). 标本DYSYQGHM-2 (下文称标本2)大小约为3 cm × 2 cm × 1 cm, 为较细树干残块(图 1e), 整体呈褐红色, 木质纹理清晰, 仅保存有次生木质部, 未见髓及初生木质部; 经切片分析, 当前标本横切面具清晰的生长轮(图 1f), 径切面管胞径壁纹孔为混合型(图 1g), 交叉场纹孔为南洋杉型(图 1h), 因此在分类上应归入短木属(Brachyoxylon Hollick and Jeffrey).
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图 1 延庆晚侏罗世硅化木外部形态及木材解剖构造特征 Fig.1 External morphology and anatomical structure of the Late Jurassic silicified wood in Yanqing District 标本DYSYQGHM-1:a-外部形态(external morphology); b-横切面生长轮(growth ring in cross section); c、d-径切面管胞径壁纹孔及交叉场纹孔(tracheid pit and cross-field pit in radial section). 标本DYSYQGHM-2:e-外部形态(external morphology); f-横切面生长轮(growth ring in cross section); g-径切面管胞径壁纹孔(tracheid pit in radial section); h-径切面交叉场纹孔(cross-field pit in radial section) |
1) X射线荧光分析(XRF)采用日本理学公司波长色散X射线荧光光谱仪(B-U)ZSX PrimusⅡ进行光谱分析. 测试参数为: 真空光路, 与样品直径对应准直器面罩20 mm, 测量顺序以先测量高能量谱线, 步长0.02°, 时间0.2 S, 速度6°/min. 元素分析采用UQ软件进行半定量分析.
2) X射线衍射(XRD)分析采用日本理学公司D/MAX-RA型衍射仪, 测试条件: Cu靶, 电压40 kV, 电流40 mA, 扫描角度2θ在3~70°, 步长为0.02°, 扫描速度10°/min.
3) 红外光谱(FTIR)分析采用天津港东科技发展股份有限公司FTIR-650型傅里叶变换红外光谱仪, 光谱分辨率为4 cm-1, 测试范围4000~400 cm-1, 波数精度0.01 cm-1, 累计扫描16次, 红外反射光谱经K-K变换为红外吸收光谱.
4) 显微镜下标本薄片观察采用日本奥林巴斯公司BX53偏光显微镜.
2 结果与讨论 2.1 X射线荧光分析标本1和标本2的XRF分析结果见表 1和表 2. 从表中而可知, 标本1和标本2的元素组成有如下特点.
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表 1 标本DYSYQGHM-1的X射线荧光光谱分析SQX计算结果 Table 1 XRF spectral analysis results of specimen DYSYQGHM-1 |
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表 2 标本DYSYQGHM-2的X射线荧光光谱分析SQX计算结果 Table 2 XRF spectral analysis results of specimen DYSYQGHM-2 |
1) 标本1中存在的主要元素为O和Si, 微量元素为Ca、Fe、Al、Na、Mg、P、S、Cl、K、Mn、Ni、Zn、Sr; 标本2中主要元素为O和Si, 微量元素为Fe、Ca、Al、Na、Mg、P、S、K、Mn、Ni、Sr、Ba. 标本1和标本2中主要元素种类一致, 均为O和Si; 微量元素大部分种类相同, 小部分种类不同, 其中标本1含有Cl、Zn, 而标本2含有Ba. 表明不同种属植物对不同元素的吸收情况不同[18].
2) 标本1与标本2中各种元素含量不完全相同, 如Na、Mg、Al、O、Si、P和S等大部分元素含量基本相同, 仅Ca和Fe等少数元素含量相差较大. 由此说明相同埋藏环境下形成的硅化木成因类似, 但并不完全相同.
3) 标本1中Mn、Ca和Ni元素含量是标本2中的2倍左右, 而Fe元素含量是标本2的0.6倍. 含Mn较多时, 颜色发黑; 含Ca较多时, 颜色发黄; 含Ni较多时, 颜色发白; 含Fe较多时, 颜色发红. 从图 1可知, 标本1与标本2颜色不同, 标本1偏黄, 标本2偏红. 这表明硅化木的颜色与自身所含部分元素及其含量密切相关[19-20].
2.2 X射线衍射分析标本1和标本2的XRD测试结果如图 2、3和表 3、4所示. 标本1和标本2的X射线衍射图谱非常相似, 衍射峰的峰位基本一致, 峰值非常接近, 仅有极微小差异. 标本1主要d值为4.2709(2θ=20.781), 3.3531 (2θ=26.562), 1.8206 (2θ=50.061);标本2主要d值为4.2595 (2θ=20.837), 3.3461 (2θ=26.618), 1.8186 (2θ=50.118). 与SiO2(石英)的特征谱线一致[21]. 图 2、3显示2个标本中均未出现其他矿物的明显峰位, 表明其主要组成物相为SiO2, 其他矿物极微量.
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图 2 标本DYSYQGHM-1的XRD光谱 Fig.2 XRD spectra of specimen DYSYQGHM-1 |
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图 3 标本DYSYQGHM-2的XRD光谱 Fig.3 XRD spectra of specimen DYSYQGHM-2 |
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表 3 标本DYSYQGHM-1的XRD衍射分析结果 Table 3 XRD results of specimen DYSYQGHM-1 |
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表 4 标本DYSYQGHM-2的XRD衍射分析结果 Table 4 XRD results of specimen DYSYQGHM-2 |
红外光谱测试结果(图 4、5)表明: 标本1和标本2的红外吸收光谱特征一致, 在指纹区有3个很强的吸收峰, 其中以1083.80 cm-1的红外吸收峰最强, 为O-Si-O的非对称伸缩振动; 800.31 cm-1为O-Si-O的对称伸缩振动; 464.76 cm-1和466.69 cm-1为O-Si-O的弯曲振动, 以上3峰说明2个硅化木标本主要成分一致, 均为SiO2, 属石英质玉石[16, 22-24], 与辽宁朝阳、重庆綦江的硅化木相同[7, 10]. 此外, 在3432.67 cm-1的弱吸收峰为吸附水分子间的O-H伸缩振动, 表明2个标本中均含有少量吸附水.
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图 4 标本DYSYQGHM-1红外图谱 Fig.4 Infrared spectrum of specimen DYSYQGHM-1 |
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图 5 标本DYSYQGHM-2红外图谱 Fig.5 Infrared spectrum of specimen DYSYQGHM-2 |
标本1和标本2的薄片在显微镜下观察结果见图 6. 单偏光镜下可见均保留了原植物细胞结构, 细胞壁为棕色, 细胞质为无色. 棕色可能是因为微量元素比较集中的部位, 而无色是较纯净的隐晶质石英部位. 在正交偏光镜下, 可显示一级灰白的干涉色(薄片过厚时可达到一级红或更高的干涉色), 但是无石英颗粒的明确边界, 而是类似于波状消光的渐变性质. 因此, 2个硅化木标本中所含石英均为隐晶质结构, 与云南硅化木的晶质结构和缅甸硅化木的微晶质结构不同[25].
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图 6 硅化木标本横切面偏光显微镜照片 Fig.6 Microphotographs of cross sections of silicified wood specimens 标本DYSYQGHM-1:a-单偏光照片(plane-polarized light); b-正交偏光照片(cross-polarized light). 标本DYSYQGHM-2:c-单偏光照片(plane-polarized light); d-正交偏光照片(cross-polarized light) |
北京延庆地区土城子组山间湖沼相沉积的浅绿色页岩和粉砂岩地层中原地保存有数十株直径0.2~1.5 m的硅化木. 由此推断, 晚侏罗世早期这里有过茂密的森林, 并存在大规模的湖泛活动和火山活动[26]. 异木属是比较喜欢温湿环境的植物[27], 而短木属则是比较喜欢干旱环境的植物[28]. 同一层位不同的植物种属表明, 这里当时为浅水环境, 与前人得出的延庆地区在晚侏罗世早期处于半干旱-半湿润的气候条件结论一致[29].
3 结论1) 2个不同植物种属但在同一埋藏地形成硅化木标本成因相似, 其颜色与所含元素种类及含量密切相关, 但其主要组成物相一致, 均为SiO2(石英), 其他矿物极微量.
2) 2个硅化木标本的红外吸收谱带基本一致, 均显示典型的石英质玉石红外吸收光谱, 且含有少量吸附水.
3) 偏光显微镜下显示, 2个硅化木标本的主要矿物均为隐晶质石英, 与云南硅化木晶质结构和缅甸硅化木微晶质结构不同.
4) 延庆土城子组硅化木的沉积环境为较浅的湖沼沉积, 当时处于半干旱-半湿润的气候条件下, 并伴随火山活动.
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