希腊莱斯沃斯硅化森林特点与成因探析

曾昱昕

(中国地质大学(北京)能源学院，北京100083)

莱斯沃斯硅化森林位于希腊东南部、爱琴海东北的莱斯沃斯岛西部，是世界上最重要的自然遗产之一。这里有成百上千、形态各异的硅化树干，是在中新世早期(约2000～1600万年前)强烈火山活动下形成的一个完整的硅化森林生态系统，对研究爱琴海地区的地质演化、古植物和古气候环境具有重要的科学意义。1985年希腊政府将该区域列为国家自然保护区(图1)，该区域面积15000hm2，由硅化森林公园、Sigri公园、Plaka公园、Nisiopislet保护区等组成，硅化树干主要集中分布在Sigri、Antissa和Eressos 3个城镇附近，莱斯沃斯岛西部其他地区有少量分布[1]。

图1 莱斯沃斯硅化森林自然保护区(绿色部分)位置示意图

1 研究区区域地质背景

莱斯沃斯地区的构造单元由老到新依次为[2]：原地系统(基底)、火山沉积体系(构造盖层)、蛇绿岩构造盖层和准阿尔卑斯建造。

区内最老的岩系—原地岩系在莱斯沃斯的东南地区出露，由变质岩(主要为片岩)组成。这套岩石的特点是低级变质，存在灰岩和大理岩夹层，无绿片岩产出，年代为晚古生代—三叠纪。

火山沉积岩系与原地岩系呈构造接触，主要由不同类型的低级变质准基性岩和沉积岩(结晶灰岩和某些片岩)组成。

蛇绿岩逆掩在三叠纪岩石之上，有2种岩石类型：上部群主要由辉石橄榄岩、纯橄岩和蛇纹石化橄榄岩组成，下部群主要由变质蛇绿岩组成。

准阿尔卑斯建造可再分为新第三系和第四系。新第三系包括火成碎屑物质、各种类型的熔岩及海相或湖相沉积。在该岛的中西部，有一系列沿SW-NE向分布的火山中心，这些火山中心的火山岩(玄武岩和安山岩)多处出现强烈高岭石化。第四纪岩石有安山岩和英安岩，在某些地段还有流纹岩。在东南部地区，熔结凝灰岩盖层产于火山岩与变质岩之间。

该地区的火山岩序列如下：(1)下部熔岩单元：安山岩、玄武岩、英安岩，它们均遭受了强烈热液蚀变。(2)酸性火山岩：火成碎屑岩、熔结凝灰岩和流纹岩。(3)上部熔岩单元：玄武岩、安山岩和英安岩。(4)侵入岩：英安岩岩颈。

2 莱斯沃斯硅化森林主要特点

图2 硅化树干群

图3 直立硅化水杉树干

图4 倒塌横卧硅化水杉树干

莱斯沃斯硅化森林是迄今世界上发现的最完整的硅化森林生态系统，具有数量多规模大、原生环境硅化、特征保存完好和植物种类繁多等独有的特点。

2.1 数量多规模大

在15000hm2的硅化森林保护区内，随处可见硅化树干(图2)，已发现各类硅化树干上千棵，这些硅化树干或直立、或倒塌横卧，直立的树干通常1～2m高，最高的超过7m，倒塌横卧的树干最长的超过20m。图3为巨大硅化水杉树干，高7.02m、周长8.58m，是迄今世界上发现的最大直立硅化木，推测在硅化前这颗树的高度超过100m。图4中倒塌横卧的硅化树干为20m长的硅化水杉树干。

2.2 原生环境硅化

在硅化森林保护区内，许多硅化树干仍保持了直立状态，且根部系统保存完好(图5)，证明是在自然生长状态下原地硅化的，是土生土长的硅化森林。

2.3 特征保存完好

已发现的硅化树木多数外部和内部结构特征保存完好，如树皮、树根、年轮等，说明硅化完全充分且后期保存条件良好。图6中硅化树干的树皮保存完好，横断面上的年轮清晰可见。

2.4 植物种类繁多

硅化树木植物特征的完好保存，为植物种类鉴别提供了便利。据莱斯沃斯硅化森林自然历史博物馆统计，已鉴别出的不同植物种类超过46种，主要为针叶植物和被子植物，偶见蕨类植物，如在Sigri化石区发现的新月蕨。针叶植物在硅化树木中占主导地位，主要包括松树、红豆杉和柏树。被子植物在硅化森林中最常见的是月桂树和榉树，属于双子叶植物；在低海拔处以各种棕榈树为主导，属单子叶植物。另外，已鉴别出的植物种类还有柿树科、杨柳科、桦木科植物，以及一些其他种类如菩提树、枫树、黑刺莓和漆树。

3 莱斯沃斯硅化森林成因分析

硅化木亦称木化石，是数千万年前树木因各种突发原因被迅速掩埋，在地层中周围的化学物质如二氧化硅、硫化铁、碳酸钙等通过地下水长期与树干发生交代作用，进入到树干内部，替换原来的木质成分，经过石化而形成的。莱斯沃斯硅化森林的形成，与爱琴海东北部中新世早期的强烈火山活动密不可分，同时该地区的古气候环境、地下水和后期保存条件也是不可或缺的因素。

图5 根系完好的硅化树干图6 树皮完好年轮清晰的硅化树干

3.1 地质成因

硅化木遗址(黄点所示): 1.硅化森林公园;2.Sigri公园;3.Plaka公园;4.Nisiopis let保护区;5.Chamandroula公园; 6.Skamiouda公园。火山口(红线所示)：1.Lepetymnos;2.Vatousa;3.Agra;4.Anemotia。火山地质遗址(红点所示)： 4.Eresos穹顶；5.Ipsilou穹顶；6.Petra火山颈；7.Panagia isl柱状熔岩；8.Alyfanta火山堤；9.Filia火山堤；10.Anemotia柱状熔岩；11.Hidira穹顶；12.Eresos岩盘； 13.Pelopi柱状熔岩； 14.Molyvos穹顶。图7 莱斯沃斯岛地貌图及主要硅化森林和火山口及解释的火山地质遗址

大约在4500～3500万年前的始新 世至渐新世时期，北部欧亚大陆和南 部非洲大陆两大岩石圈板块在基克拉 泽斯(Cyclades)地区聚合，非洲板块 向北俯冲至欧亚板块之下，导致地壳 岩石层压缩和亚欧板块下方的洋壳下 沉。当冷的洋壳进入热糊状地幔内部， 洋壳岩石会下沉数百公里，形成一个 沉降带并被融化成岩浆，由于融化的 岩石比地幔密度低，它会向地壳方向 上升，从而导致2个板块聚合后的火 山活动。板块聚合是一个持续的地质 过程，随着时间的推移和2个板块的 相对位置变化，非洲板块的俯冲角会 不断增大，导致火山活动区域的不断 迁移，并在下中新世时期迁移至爱琴 海东北地区，强烈的火山活动在爱琴 海东北地区所有岛屿都有证据，如莱 斯沃斯岛、Limnos、Agios Evstratios、Imvros、Tenedos以及 Chios和Psara的南部。

莱斯沃斯岛的火山活动主要发生在中新世早期，形成了许多大型的火山构造，在中西部沿SW-NE轴分布了一系列火山地质遗迹，如火山穹顶，火山堤和火山颈等[3](图7)。中新世早期火山岩在岛的中部和西部分布居支配地位，发现的最老火成岩是Eressos熔岩，距今约2150万年；最新火成岩是Mesotopos岩脉，距今约1620万年。强烈的火山活动喷发出来大量的火山灰，是同时期位于西边的森林被迅速掩埋并形成硅化森林的决定性因素。

3.2 古气候环境

古植物群组合研究，该地区植物特征与东南亚和美洲的亚热带地区类似，表明爱琴海地区在中新世早期属亚热带气候，莱斯沃斯硅化森林在硅化前是一个混合亚热带森林，它的繁荣期在下中新世约18.5百万年前的布尔迪加尔阶(Burdigalian Stage)[3]。

硅化森林中罕见中新世早期动物化石，到目前为止仅发现了1种长鼻类动物和7种微哺乳动物化石，对这些动物化石的研究表明，它们是生活在一个湿润多水的热带或亚热带气候环境[4,5]。

3.3 地下水条件

湿润多水的亚热带古气候环境，使得莱斯沃斯岛地下水非常丰富。该地区北部活动的地热体系和发现的大量硅质矿脉[6]，加上地下长期的火山岩浆活动，说明地下水温度高且富含硅。根据目前我国对硅化木成因的研究，周世全等归纳了5类硅质来源[7]，分析推测其中2种硅质来源在该地区占据主导地位：一是上地幔和下地壳去硅作用产生的硅，欧亚大陆和非洲大陆两大岩石圈板块聚合过程中，亚欧板块下方的洋壳下沉进入热糊状地幔内部形成一个沉降带并被融化成岩浆，在它向地壳方向上升时携带有大量的上地幔和下地壳去硅作用产生的硅；二是火山岩浆作用过程中提供的硅质溶液。

对莱斯沃斯岛地下水砷的分布研究发现，该岛中部火成岩地区地下水硅含量明显比东南部非火成岩地区高[8]，推测在西部硅化森林地区地下水的硅含量更高。在硅化森林地区，现今仍有多处富含硅的地热泉流出地表，温度高达80℃以上(图8、9)。

图8 硅化森林区地表热泉1图9 硅化森林区地表热泉2

3.4 保存条件

爱琴海地区一直是地球上地质活动最活跃的地区之一，这里地震和火山活动频发，地质活动显著。但莱斯沃斯硅化森林发现的许多直立硅化木根部系统基本上都保存完好，整个硅化森林生态系统较为完整地保存下来，说明自硅化森林开始形成以来，该地区的地质构造总体上处于相对稳定状态，未受过大规模的破坏。

晚第四纪相对海平线变化研究表明，莱斯沃斯岛海平线相对较为稳定，尤其是东北部海岸，所有古海洋标记目前都在水下，尽管该地区的地震活动频繁，但在这一部分地区没有观察到海岸抬升的迹象[9]。这从侧面佐证了莱斯沃斯岛长期以来地质构造总体处于较为稳定的状态。

3.5 形成过程

中新世早期，莱斯沃斯岛处于湿润多水的亚热带气候环境，森林生长繁荣茂密。随着强烈的火山爆发，处于火山口附近的植物被喷发出来的高温熔岩瞬间摧毁，同时巨量火山灰连续抛射到空中，随风飘落到远处地表形成火山灰层。由于是湿润多水环境，造成了火山爆发后的强烈降雨，与堆积在高地势处的巨量火山灰层形成巨大的火山灰泥流，从地势较高的中部由东向西掠过，位于西边较远处幸存下来的森林整体被迅速掩埋。森林中的树木要么连根拔起、要么拦腰折断，树干的下部及树根被就地掩埋，这就是今天直立硅化木的前身；折断的树干随火山灰泥流运移一段距离后被掩埋，形成了如今倒塌横卧在火山灰泥流地层中的硅化木。

森林植物被掩埋后，与地表环境隔离并长期处于无氧状态，在该地区充足的高温富含硅地下水作用下，热液循环促使植物与周围地下水进行分子置换，在这个过程中，植物中的有机物质被地下水中的二氧化硅替代，在理想状态下植物组织被完全硅化，树木的外观、年轮和内部结构等特征被完美地保存下来。而自硅化森林开始形成以来，该地区的地质构造总体上处于相对稳定状态，使得硅化森林能够完好地保存至今。

莱斯沃斯硅化森林是通过自然侵蚀和人们的挖掘工作呈现在世人面前的。在对横卧倒塌的硅化树干挖掘过程中，发现有相当多数量的被子植物硅化树干是从较高地层运移下来的，表明在硅化的针叶类植物原始生长的层位之上，有新的被子植物森林生长，经历繁荣期后被硅化。说明该地区中新世早期几百万年的火山活跃时期，在强烈火山爆发后的平静期内有新的森林生长，硅化森林不是一次性而是多期形成的。

与我国新疆地区奇台将军戈壁硅化木群对比[10～12]发现，奇台硅化木群形成时间更早，为中、上侏罗统时期，莱斯沃斯硅化森林具有形成时间晚、原生环境硅化、生态系统完整和后期保存条件好等特点，两者在成因方面较为相似：适宜的古气候条件保证了植物繁盛，突发的地质事件致使植物被快速掩埋并长期处于缺氧环境，充足且富含硅的地下水作用致使植物得以充分硅化，后期相对稳定的地质构造环境使得硅化木较为完好地保存至今。

4 结论

莱斯沃斯硅化森林是迄今世界上发现的最完整的硅化森林生态系统，是中新世早期在强烈火山活动作用下多期硅化形成的，具有数量多规模大、原生环境硅化、特征保存完好和植物种类繁多等独有的特点。莱斯沃斯硅化森林的形成与该地区在中新世早期的强烈火山活动、湿润多水的亚热带古气候环境、充足的高温富含硅地下水资源和后期良好的保存条件密不可分，是这些因素完美叠加组合的结果。