1.1.1滲透礦化木材
根據礦化介質成分的不同，礦化木材可分為矽化木材、鈣化木材和黃鐵礦化木材。
1.1.1.1矽化木
在世界各地收集的木化石標本中，矽化木是數量最多、最常見的木化石。因其礦化物質成分主要由二氧化矽(SiO2)組成，故稱矽化木。二氧化矽是火山巖或深成巖的次生產物，也是熱水溶液的產物，常與玉髓(SiO2 nH2O)和應時(SiO2)結合。在外源條件下，二氧化矽為無定形矽膠，有的原位沈積，有的被帶到各種水體或水介質中。當木材浸泡在含有適當濃度二氧化矽的水溶液中時，經過長時間的浸潤，樹幹內部的所有組織和細胞都會充滿二氧化矽的溶液，經過脫水和石化，就成為矽化木。已經證明水介質中二氧化矽的含量是影響矽化木質量的壹個非常重要的因素。因為二氧化矽含量太低，不容易形成矽化木，或者木材在矽化之前已經腐爛。在這種情況下，即使木材形成矽化木，其質量也不好，因為植物體會被泥砂等雜質填充，細胞結構往往保存不好。如果二氧化矽含量過高，它們會對植物中的細胞產生強烈的破壞作用，因為過飽和的二氧化矽溶液往往會產生“agation”，使細胞壁和各部分的組織結構解體或破壞(張武等，2005；鄭等，2008).
矽化木的形成環境多種多樣，但主要可分為就地埋藏型和異地埋藏型兩大類。當壹片茂密的森林突然遭到火山噴發的襲擊時，由於火山噴發的熔巖流伴隨著高溫和熱浪，那些靠近火山噴發中心的森林就會被熾熱的熔巖流吞噬或燒毀，化為灰燼。而遠離噴發中心的森林，不僅會被高溫熱浪烘烤，還會被落下的火山灰埋在原來生長的土地裏，變成直立的矽化樹樁或被埋在原地的倒下的樹木。保存完好的矽化木長度可達20 ~ 30 m。如保存在深圳胡仙植物園和沈陽植物園的“木化石林”(圖1.1，圖1.1.2)和建在遼寧本溪和朝陽國家地質公園的“木化石林”(圖1.65438)。上述矽化木均來自遼西中侏羅統髫髻山組火山巖系的凝灰巖夾層(164 ~ 165 Ma)(陳文等，2004)。這些矽化木在成因上屬於原地埋藏型。
原位埋藏矽化木在世界各地廣泛分布。例如，在西澳大利亞的南彭國家公園，壹片沙地上有數百個直立的矽化木樁，上面有小尖塔，它們產生於大約4萬年前的更新世(圖1.1.5)。黃石國家公園直立的“紅杉”樹樁形成於約50 Ma前的始新世(圖1.1.6)。
在漫長的地質歷史中，每當發生風暴、地震、海嘯或海侵時，埋藏在不同地方的矽化木都可能引發滑坡或泥石流，使大面積的森林坍塌，或因洪水沖走森林綠地，或因颶風將樹木連根拔起或折斷。大量受損的樹木被洪水沖走了。洪水過後，浮木擱淺，如臺灣省島東海岸沙灘上擱淺的浮木(圖1.1.7)。如果這些浮木長時間暴露在大氣中，會因緩慢腐爛而消失。如果運到低窪水體，迅速被泥沙掩埋，在含有適量二氧化矽的水溶液作用下，就會變成矽化木。
圖1.1.1深圳胡仙植物園異地保存的木化石(張武攝)
圖1.1.2沈陽植物園異地保存的木化石(張武攝)
矽化木的形成環境包括河床相、泛濫平原相、湖盆相和山間盆地堆積。與原地埋藏的矽化木相比，異地埋藏的矽化木沒有垂直的樹根和樹樁，只有幾根近乎平行於地層的圓木或樹木。矽化木異地埋藏的壹個很好的例子是中國遼寧義縣上石東溝下白堊統沙河組礫巖中沈積的針葉木化石(圖1.1.8)。
圖1.1.3遼寧本溪國家地質公園不同地點保存的木化石(張武攝)
圖1.1.4遼寧朝陽國家地質公園內異地保存的“木化石林”(張武攝)
圖1.1.5西澳南彭國家公園石化林(據魯·)
圖1.1.6美國黃石國家公園挺立的“北美紅杉”樹樁(據魯·)
圖1.1.7中國臺灣省島東海岸沙灘上擱淺的浮木。因山洪暴發，被森林沖走並被洪水帶到海灘上的樹幹和木材碎片(鄭少麟攝)
圖1.1.8中國遼寧義縣上石東溝下白堊統沙海組礫巖層中不同位置埋藏的矽化原木(鄭紹麟攝)
1.1.1.2鈣化木材
鈣化木是指木材浸泡在含碳酸鹽的水溶液中，經成巖作用形成的木化石。碳酸鹽礦物多為外源性，主要由沈積作用形成。碳酸鹽礦物的結晶體也稱為方解石(CaCO3)。方解石是自然界中分布最廣的礦物之壹。碳酸鹽礦物的聚集形式多種多樣，包括致密的和塊狀的，如石灰石；粒狀的，如大理石。石灰巖和大理石被地下水溶解，在風化過程中進入水溶液。當木材浸泡在這樣的水體中時，碳酸鈣沈澱在植物的細胞和各種組織中，使木材鈣化。從木化石研究的角度來看，鈣化木的質量不如矽化木，因為矽酸鹽無定形膠體溶液在常溫常壓下不形成結晶體，對細胞結構沒有破壞作用；而碳酸鹽溶液在常溫常壓下可形成方解石菱形晶體或其他類質同象晶體，有時會破壞植物中的細胞結構，使解剖結構不清。但大多數情況下，鈣化木材解剖後基本能保持良好的內部結構。因此，鈣化木材也是木化石標本的重要來源之壹。含碳酸鹽的水體壹般集中在石灰巖地層發育的地區，或與海水有關的水體或水介質中，因為海水中往往富含碳酸鹽礦物。
1.1.1.3黃鐵礦化木材
黃鐵礦(FeS2)是地殼中含量很高的壹種礦物。在沈積巖中，特別是在還原環境下的煤系地層中，黃鐵礦化木的形成可能與植物殘體的分解有關。黃鐵礦單晶多為六面體，集合體呈粒狀、致密塊狀、浸染狀或球狀；隱晶質膠體稱為膠磷礦。黃鐵礦化的木材壹般不適合作為研究標本，因為用它們制作薄片時容易斷裂，必須經過水煮以加強其堅固性。此外，黃鐵礦在常溫常壓下容易形成六方晶體，可能破壞植物內部結構。而且黃鐵礦風化後由於硫離子的流失會轉化為褐鐵礦(Fe2O3 nH2O)，顏色較暗，更容易造成鐵銹樣汙染，使解剖結構不清。然而，在某些情況下，也可以使用黃鐵礦化木材。例如，潘綏賢(1983)在中國山西上古生界太原組2-3號煤層中發現了壹些黃鐵礦化煤球。經過研究，壹些植物種類也能被識別出來。
1.1.2煤和木炭(絲炭)
煤可以被定義為壓縮化石。它是壹種非均質混合物，經過壹段時間的壓縮(Scott，1987)。壹般來說，煤的變質程度直接關系到植物細節的保存。在保存植物細節方面，低級煤比高級煤好。更高等級的煤意味著更多的煤已經變質並且具有更高的碳含量。煤的等級從低到高依次為:褐煤、次煙煤、煙煤、無煙煤。褐煤代表了成煤過程中的早期階段，因此褐煤中的植物器官和組織沒有被壓碎或腐爛，通常是可以辨認的。壹般來說，褐煤中保存的化石木和植物的各個部分，在掃描電鏡下都能被識別出來(Alvin和Muir，1969)。例如，在美國佛蒙特州著名的早中新世植物產區布蘭登褐煤中，將分離的植物碎片和各種結構進行梳理，恢復成完整的植物就是壹個很好的例子(Haggard和Tiffney，1997)。煙煤是壹種變質程度較深的煤，其中植物部分較為扁平，但也可以研究煙煤中的植物碎片。無煙煤是變質程度最高的壹種，其變質程度已經到了原植物材料很難辨認的地步。
為了獲得木化石的信息，將煤制成薄片，在薄片中可以識別木碎片、孢子和花粉粒。另外，煤可以用環氧樹脂包埋，煤的表面可以拋光，在低溫等離子體場中進行刻蝕，刻蝕後的表面可以通過撕裂制成薄膜，用光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡確定煤的生物成分(Winston，1989)。該方法可以成功地測定不同類型煤中各種植物的含量(Winston，1986)。化學試劑也可以用來浸軟煤的固體碎片，釋放出植物碎片。通過對植物組成的考察，進壹步確定了生長在古成煤沼澤中的植物種類。13C核磁共振(NMR)技術和熱解-氣相色譜分析的應用確定了煤形成的不同階段(Hatcher等人，1989)。同樣的技術也被用來識別新生代的樹葉化石和木材(楊等，2005)。煤的成分也可用於古生態學分析(Poole等人，2006)。
木炭或絲炭:木炭是有機物不完全燃燒產生的，也可稱為絹雲母或絲炭，是古代植物材料的重要來源之壹(Cope和Chaloner，1985；盧皮亞，1995).燒焦植物的遺跡可以追溯到最早的陸地植物(Glasspool等人，2004b)。有壹些技術用於檢查木炭化石(桑德和吉，1990；國和巴斯汀，1998；Figueiral等人，2002年)，提供了有關埋葬和古生態學的信息(Scott等人，2000年)，包括過去的大氣成分(Scott和Glasspool，2006年)和古生態系統中野火的存在(Uhl等人。，2004，2007a；Collinson等人，2007年).在世界各地的白堊紀地層中都發現了保存完好的燒焦的花(Tiffney，1977；弗裏斯和斯卡比，1981)。這些發現使我們能夠獲得許多關於化石木材的信息。
絲炭是地質時期野火活動的結果。野火是幹旱-半幹旱生態系統中的壹種自然現象，其成因可能與火山活動和大氣中的閃電有關。當森林火災結束時，會有許多未燃燒的植物碎片和碳塊。它們能保留部分木質結構，經成巖壓縮後成為絲炭。經過酸性溶液浸出後，絲炭成為黃褐色的透明物質，木材結構和細胞及各種組織的結構清晰可見。何德昌(1995)在我國內蒙古霍林河和伊敏煤田獲得了許多絲炭樣品，並據此確定了壹些木化石的屬種(圖1.1.9)，極大地豐富了我國白堊紀木化石組合的內容。但絕大部分絲炭材料都是小莖段。雖然徑向和弦向剖面可以獲得良好的解剖特征，但木材橫切面材料往往難以獲得，因此需要詳細的統計和對比研究。至於絲炭的形成環境，大部分可能是異地埋藏，但不排除就地埋藏的可能。何德昌(1995)認為，在伊敏組中，16煤層富含絲炭木化石，估計絲炭含量可達20%，是原位植物氧化形成的，而不是木材燃燒的結果。近日，張武等人在遼西朝陽市受保護的木化石森林公園發現了壹具木化石。整體上是矽化的，但有壹部分是炭化木。經切片研究，其木質結構保存完好(圖1.1.10)。這壹事實說明，在地質歷史時期，有被閃電或野火燒焦的木材形成炭化木的例子。
圖1.1.9絲炭木材的橫、切、徑切片顯示了木材的內部結構。
圖1.1.10遼西朝陽市珍奇木化石森林公園炭化木標本(據鄭少林)
1.1.3煤球
煤球代表滲出和礦化的泥炭沈積，它幾乎完全由保存在碳酸鈣中的植物組成。在英國首次發現的壹些煤球幾乎都是球形的，因此被命名為煤球。然而，它們的實際形狀是不規則的，它們的體積也在變化，它們的厚度可以從幾厘米到幾米不等。我們對石炭紀煤沼植物的解剖學、形態學和生物學的了解比其他任何時代都多，主要是因為煤球的發現。石炭紀時期，北美和歐洲靠近赤道，分布著大片熱帶森林。今天，他們為這些地區提供了豐富的煤炭資源。與這些煤伴生的是煤球，其形態多種多樣，出現在煤層中。對於煤礦工人來說，這些碳酸鹽巖的煤球代表了煤層中的壹種雜質，通常是采煤的壹個“障礙”；但是對於古生物學家來說，它們提供了壹個非常有吸引力的信息來源。這些信息可以用來研究幾億年前生長在泥炭沼澤中的植物的生物學。壹些最古老的煤球產於德國和捷克的上納穆爾階(上密西西比亞階)，也產於中國二疊紀含煤地層(李興學等，1995；王士軍等人，2009年)。它們可以通過切片和揭蓋技術來研究(圖1.1.11)。
圖1.1.11煤球木材橫切面:顯示莖的髓、次生木質部圓筒和皮層。
少數古植物學家對煤球的形成有過評論(Falcon-Lang，2008)。Stopes andWatson (1908)對其進行了研究，但其形成過程至今尚未完全了解。新鮮的泥炭或部分腐爛的植物在被完全壓實之前已經被含有碳酸鹽(纖維狀方解石)的溶液滲透。由於壹些煤球與海相石灰巖伴生，也有人提出這些植物生長在靠近大海的低窪沼澤地區。這個假說提供了適用於中北美大陸石炭紀的古地理。在風暴或海侵期間，煤炭沼澤被海水淹沒，這為植物的滲透和礦化提供了碳酸鈣的來源(Mamay和Yochelson，1962)。這壹假說解釋了某些煤球中存在植物和海洋動物殘留物，並顯示了淡水和鹹水生物的混合性質。
Scott和Rex (1985)提出並不是所有的煤球都是以同樣的方式形成的，並提出了壹個非海相的形成模式，認為成礦流體來自於含高碳酸鹽的地下水的滲入。Scott等人(1996)考察了歐洲、美洲和中國在石炭紀和二疊紀的煤球成因，並納入了壹些復雜的方式，認為其成因應取決於煤球在煤層中的區域和位置。根據碳同位素，他們發現壹些煤球與海水和淡水的混合物通過泥炭的滲透有關，大多數煤球至少形成於壹些受海洋因素影響的淡水盆地。這裏有壹點值得懷疑的是，煤球的形成是壹個高度專業化的過程，因為在石炭紀-二疊紀之後，我們對煤球壹無所知(Taylor et al .，2009)。
嚴格來說，煤球本身不屬於木化石，因為在煤球中，除了含有部分植物莖的木質部碎片外，大部分都是由植物的營養器官組成，如葉、根、蕨類植物的根莖，以及生殖器官，如小孢子的果穗、雌雄球花、果穗、裸子植物的種子和孢粉等。在裸子植物的莖中，只有木質部屬於木化石的研究範疇。中國煤球原始物質的堆積環境是濱海沼澤，煤球植物代表了古代濱海泥炭沼澤和被沖入泥炭沼澤的植物埋藏群。這種聚集環境可能與許多煤球的形成有關(田、、等。, 1995).煤球中礦化物質的成分也各不相同。大部分煤球與海洋沈積物關系密切，由於海水中富含碳酸鹽，大部分煤球主要鈣化。但在特殊情況下，也可形成黃鐵礦化煤球(潘綏賢，1983)。在西歐，晚石炭世Stephanian的煤球中也發現有矽化煤球，如法國Grand Croix地區，但該地區的煤球產於礫巖中，其地層的層位比含煤巖系高出數百米，壹般認為是次生堆積(田、等。, 1995).
圖1.1.12變質矽化木橫切面顯示沿年輪和木射線方向註入的殘余髓、次生木質部圓筒和次生應時脈。
圖1.1.13變質矽化木，顯示矽化木內部殘留的次生木質部碎片。
另外，要稍微解釋壹下“再沈積矽化木化石”和“變質木化石”:前者是指經過礦化、風化、剝蝕，被流水搬運到新的沈積場所，然後再次沈積形成新的巖石的木化石。這種被剝蝕、搬運、再沈積的木化石在研究中必須得到充分的解釋，因為它們不能作為層位地質時代的證據，更不能作為討論地理環境的依據。後者主要是指木化石形成後，含木化石的巖層受到局部動力變質作用(如構造運動)或熱變質作用(如巖漿活動或火山噴發、巖脈侵入)的影響，導致木化石的礦化物質成分重熔後再結晶的現象。部分原始木結構可能已經變質無法辨認，這類木化石壹般研究價值較低。但有些仍保留了局部的木質結構，在橫切面上可以清晰地看到生長輪和管胞。由於木結構破壞嚴重，壹般無法對這種變質的木化石進行準確的鑒定和分類。但經過變質作用後，可能會混入少量稀有金屬元素，染成各種顏色，木材原有的壹些結構仍然存在或保留，形成美觀的花紋和圖案，具有壹定的觀賞價值。因此，它們可以作為“奇石”來開發利用(圖1.1.12，圖1.66)。