木化石是泛指在整个地质历史时期中被石化的木材。因此，它的一般概念与现生木材是相对而言的。因为木化石的成因和沉积环境不同，所以种类繁多，但是我们接触较多的、具有较大研究价值的主要有三大类：渗矿化木、煤和木炭、煤核。
1.1.1 渗矿化木
在渗矿化木中，由于矿化介质成分不同，又可分为硅化木、钙化木和黄铁矿化木等。
1.1.1.1 硅化木
在世界各地所收集到的化石木材标本中，硅化木是数量最多，也是最为普通的一种木化石。因为它的矿化物质成分主要由二氧化硅（SiO2） 组成，所以称为硅化木。二氧化硅是火山岩或深成岩的次生产物，也有的是热水溶液的产物，常与玉髓 （SiO2·nH2O），石英 （SiO2） 相组合。在外生条件下，二氧化硅呈非晶质硅胶，有的就地沉积，有的被携带到各种水体或水介质中。当木材被浸入到含有适当浓度的二氧化硅水溶液中后，经长时间渗透，树干内部所有组织和细胞便会灌满二氧化硅的溶液，经过脱水和石化作用后，就变成了硅化木。经研究证明，在水介质中，二氧化硅的含量对硅化木的质量是非常重要的因素。因为二氧化硅的含量过低，不容易形成硅化木，或木材在硅化之前就已腐烂。在这种情况下，既使木材形成了硅化木，其质量也很不好，因为植物体内会被泥砂等杂质填充，细胞结构往往得不到很好的保存。如果二氧化硅含量过高，它们对植物体内的细胞会产生强烈的破坏作用，因为过饱和的二氧化硅溶液往往会产生“玛瑙化”，这样就使细胞壁和各部的组织结构遭到瓦解或破坏 （张武，等，2005；Zheng et al.，2008）。
硅化木的形成环境是多种多样的，但最主要的可分为两大类：原地埋藏型和异地埋藏型。当一片茂密的森林，突然遭到火山喷发的侵袭，由于火山喷发的熔岩流伴随着高温和热浪，那些距火山喷发中心较近的森林将会被炽热的熔岩流吞没或烧毁，化为灰烬。但距喷发心中较远的森林，除了被高温、热浪烘烤之外，同时还会被飘落的火山灰埋没在原生长地上，变成直立的硅化树桩或就地掩埋的倒木。保存较好的硅化木，长可达20～30 m。如在深圳仙湖植物园和沈阳植物园中异地保存的 “木化石森林” （图1.1.1，图1.1.2），以及在辽宁省本溪和朝阳市国家地质公园中异地建造的 “木化石林” （图1.1.3，图1.1.4）。上述所有的硅化木，其原产地均为中国辽宁西部的中侏罗统髫髻山组火山岩系的凝灰岩夹层（距今164～165 Ma） （陈文，等，2004）。这些硅化木在原产地中均属于原地埋藏型。
原地埋藏型硅化木 在世界各地有广泛的分布，如在澳大利亚西部的南蓬国家公园中，在一片沙地上，保存有带小尖顶的直立的硅化木桩，数量可达数百棵之多，它们产生于距今约4万年前的更新世（图1.1.5）。美国黄石国家公园中直立的 “北美红杉” 树桩，形成于距今约50 Ma的始新世 （图1.1.6）。
异地埋藏型硅化木 在漫长的地质历史时期中，每当有狂风骤雨、地震、海啸或海侵事件发生时，可能会引起山体滑坡或泥石流，使大片的森林坍塌，或因洪水冲垮森林绿地，或因飓风将树木连根拔出或折断。大量毁坏的树木被洪水冲走，当洪水过后，漂木被搁浅下来，如在台湾岛东海岸海滩上被搁浅的漂木（图1.1.7），如果这些漂木长期暴露在大气中，它们会因慢慢腐烂而消失；如果它们被搬运到地势低洼的水体中，同时又被泥砂迅速掩埋起来，在含有适量二氧化硅的水溶液作用下，就会变成硅化木。
图1.1.1 深圳仙湖植物园中异地保存的木化石 （张武摄）
图1.1.2 在沈阳植物园中异地保存的木化石 （张武摄）
硅化木的形成环境包括河床相、河漫滩相、湖盆相，以及山间盆地堆积相等。异地埋藏的硅化木与原地埋藏的硅化木相比，其产状是没有直立的或与岩层层面垂直的根系和树桩，而仅有少数与层面近于平行的圆木或树木的一些断片。异地埋藏的硅化木的一个较好的实例是在中国辽宁义县上石洞沟下白垩统沙海组河床相砾岩中沉积的松柏类木化石 （图1.1.8）。
图1.1.3 辽宁本溪国家地质公园中异地保存的木化石 （张武摄）
图1.1.4 辽宁朝阳国家地质公园中异地保存的 “木化石森林” （张武摄）
图1.1.5 澳大利亚西部的南蓬国家公园中的石化森林（据卢莉芬）
图1.1.6 美国黄石国家公园中直立的 “北美红杉” 树桩 （据卢莉芬）
图1.1.7 中国台湾岛东海岸海滩上被搁浅的漂木。由于山洪暴发，冲毁森林后又被洪水搬运到海滩上的树干和木材的断片 （郑少林摄）
图1.1.8 中国辽宁义县上石洞沟下白垩统沙海组砾岩层中异地埋藏的硅化圆木 （郑少林摄）
1.1.1.2 钙化木
钙化木是指当木材被含有碳酸盐的水溶液浸泡后，经过成岩作用而形成的木化石。碳酸盐矿物大多为外生成因的，主要由沉积作用形成。碳酸盐矿物的晶质体又称方解石 （CaCO3）。方解石在自然界中是分布较广泛的矿物之一。碳酸盐矿物的集合体形态多种多样，其中有致密块状的，如石灰岩；粒状的，如大理岩等。石灰岩、大理岩在风化过程中被地下水溶解并进入水溶液中。当木材被浸泡在这样的水体中时，碳酸钙在植物体的细胞内和各种组织中沉淀下来，使木材成为钙化木。从木化石研究的角度来看，钙化木不如硅化木的质量好，因为硅酸盐非晶质胶体溶液在常温常压下不形成晶质体，对细胞构造无破坏作用；而碳酸盐溶液在常温常压下可以形成方解石的斜方晶体或其他类质同相晶体，有时会对植物体内的细胞构造产生破坏作用，致使解剖构造不清。但在大多数情况下，钙化木在经过解剖切片后，基本上都可以保存有较好的内部构造。因此，钙化木也是木化石标本的重要来源之一。含有碳酸盐的水体一般多集中在石灰岩地层较发育的地区，或与海水有关系的水体或水介质中，因为海水中往往含有丰富的碳酸盐矿物。
1.1.1.3 黄铁矿化木
黄铁矿（FeS2） 是地壳中含量较高的一种矿物。在沉积岩中，特别是在还原环境的煤系地层中，黄铁矿化木的形成，可能与植物残体的分解作用有关。黄铁矿的单个晶体多呈六面体，集合体为粒状、致密块状、浸染状或球状；隐晶质胶体则称胶黄铁矿。黄铁矿化木材，一般不适合作为研究标本，因为用它们制作薄片时很容易破碎，必须经过煮胶，用以加强其坚固性。另外，黄铁矿在常温常压下，很容易形成六面晶体，它们对植物体的内部构造可能产生破坏作用。而且黄铁矿在遭受风化作用后，会因失去硫离子而转化为褐铁矿（Fe2O3·nH2O），它的颜色深暗，更容易造成铁锈状污染，至使解剖构造不清。但在有些情况下，黄铁矿化木也是可能利用的，如潘随贤（1983） 在中国山西上古生界太原组的2-3号煤层中发现有一些黄铁矿化的煤核，经研究，也可以鉴定出一些植物的属种。
1.1.2 煤和木炭 （丝炭）
煤可定义为一种压缩化石。它是在一段时间里被压缩的异质混合物 （Scott，1987）。一般来说，煤的变质程度与植物细节的保存有直接关系。低等级的煤，在保存植物细节方面，要比高等级的煤好。较高等级的煤，是指更多的煤已经变质和有较高的含炭量。煤的等级由低到高为：褐煤、亚烟煤、烟煤和无烟煤。褐煤在煤的形成过程中代表早期阶段，所以在褐煤中的植物器官和组织没有被压碎或腐朽，通常是可以辨认的。一般情况下，保存于褐煤中的化石木材及植物的各个部分，在扫描电子显微镜下是能够识别的 （Alvin and Muir，1969）。例如，在美国佛蒙特州一个著名的早中新世植物产地的布兰登褐煤中，梳理分离的植物断片和各种构造并将其恢复成植物整体就是一个很好的实例（Haggard and Tiffney，1997）。烟煤是变质更深的煤，其中植物部分压得更扁，但在烟煤中研究植物断片也是可能的。无烟煤，是最高等级的变质类型，它的变质等级已经达到使最初的植物材料很少能够认出的程度。
为了获得木化石的信息，把煤制作成薄片，其中的木材碎片、孢子、花粉粒可以被认出。另外，还可以用环氧树脂把煤包埋起来，磨光煤的表面，并把它放在一种低温的等离子场中蚀刻，采用撕片法，将蚀刻的表面制成薄膜，用光学显微镜或扫描电镜确定煤的生物成分 （Winston，1989）。这种方法可以成功地确定在不同类型的煤中各种植物的含量 （Winston，1986）。还可以用化学试剂，浸软煤的固体碎块，使其释放出植物碎片。通过对植物成分的检查，进一步确定在古代成煤沼泽中生长的植物种类。13C核磁共振 （NMR） 技术的应用和高温分解-气相色谱分析，确定煤形成的不同阶段（Hatcher et al.，1989）。相同的技术也被用于新生代叶部化石和木材的鉴定 （Yang et al.，2005）。煤的成分还可以用于古生态方面的分析 （Poole et al.，2006）。
木炭或丝炭：木炭产生于有机物质的不完全燃烧，还可称为丝质体或丝炭，它们是古植物材料的重要来源之一 （Cope and Chaloner，1985；Lupia，1995）。关于木炭化植物的残体可以追溯到最早的陆生植物 （Glasspool et al.，2004b）。有一些技术用于检查木炭化石 （Sander and Gee，1990；Guoand Bustin，1998；Figueiral et al.，2002），它们提供有关埋藏学和古生态学方面的信息 （Scott et al.，2000），包括过去的大气成分（Scott and Glasspool，2006），以及在古生态系统中野火的存在 （Uhl etal.，2004，2007a；Collinson et al.，2007）。在世界各地的白垩纪岩层中发现有保存得很漂亮的木炭化的花 （Tiffney，1977；Friis and Skarby，1981）。这些发现，使我们获得了有关化石木材的大量信息。
丝炭是地质时期野火活动的结果。野火是干旱—半干旱生态系统中的一种自然现象，其成因可能与火山活动和大气中的雷电作用有关。当森林火灾过后，会留下许多燃烧未尽的植物残片和残体的炭块。它们可以保留部分木质结构，经成岩和压缩作用后变成了丝炭。丝炭经过酸溶液浸解后，变成黄褐色的透明材料，木材结构和细胞及各种组织的构造清晰可见。何德长 （1995） 在我国内蒙古霍林河和伊敏煤田中，获得了许多丝炭的样品并以此确定了一些木材化石属种 （图1.1.9），大大丰富了我国白垩纪木化石组合的内容。但是，丝炭材料多数都是一些细小的茎干残片，虽然可以获得较好的径切面和弦切面上的解剖特征，但往往很难得到木材横切面的材料，因此必须进行详细的统计和对比研究。关于丝炭的形成环境，就多数而言，可能属于异地埋藏，但不能排除原地埋藏的可能。何德长（1995） 认为在伊敏组中，16号煤层含有丰富的丝炭式木化石，估计丝炭含量可达20％，它们是原地植物经氧化而形成的，并非木材燃烧的结果。最近，张武等人在辽宁西部朝阳市异地保护木化石林公园中发现一棵木化石，作为一个整体是被硅化的，但其中有一部分却是炭化木材，这部分经切片研究，它的木质结构保存完好（图1.1.10）。这个事实说明，在地质历史时期中，经雷电或野火烧焦的木材形成炭化木的实例是存在的。
图1.1.9 丝炭木材的横向、弦向和径向切片，显示木材的内部构造
图1.1.10 辽宁西部朝阳市异地木化石森林公园中的炭化木标本（据郑少林）
1.1.3 煤核
煤核 （Coal balls） 代表渗矿化的泥炭沉积物，而且几乎完全是由保存在碳酸钙中的植物部分组成的。首次在英国发现的一些煤核几乎全是球形的，因此取名为煤核，但是它们的实际形态是不规则的，体积也是变化的，而在厚度方面可变化于几厘米至几米之间。我们所知道的石炭纪煤沼植物的解剖、形态以及生物学知识比任何其他时代的都要多，这主要是由于煤核的发现。在石炭纪期间，北美和欧洲与赤道是接近的，分布着广泛的热带森林。今天，它们为这些地区提供了丰富的煤炭资源。与这些煤炭相联系的是煤核，它们的形态是各种各样的，出现在产煤的矿层中。对于煤矿矿工来说，这些碳酸盐岩煤核，在煤层中代表一种杂质，它们通常是采煤的 “障碍”；但对古生物学家来说，它们却提供了一个有极大吸引力的信息来源。这些信息可以用于对几亿年前生长在泥炭沼泽中植物生物学的研究。最老的煤核有一些产自德国和捷克的上纳缪尔阶 （上密西西比亚阶），中国的二叠纪含煤地层中也有产出 （李星学等，1995；王士俊等，2009）。对它们可以通过切片和揭膜技术进行研究 （图1.1.11）。
图1.1.11 煤核木材的横切面：显示茎干的髓部、次生木质部圆筒和皮层
关于煤核的形成方式，已有少数古植物学家进行了评述 （Falcon-Lang，2008）。Stopes andWatson （1908） 对此进行研究，但这个形成过程，迄今并没有被完全弄清楚。新鲜的泥炭或部分腐烂植物在还没有被充分压紧之前，已被含有碳酸盐 （纤维状方解石） 的溶液渗透。因为有些煤核是与海相石灰岩相联系的，所以它也被暗示，这些植物是生长在低洼的与海接近的沼泽地区。这个假设提供了在石炭纪期间，与中北美大陆相适合的古地理。在暴风雨或海侵期间，煤炭沼泽被海水淹没，它为植物体的渗矿化提供了一个碳酸钙的来源 （Mamay and Yochelson，1962）。这个假设解释了在有些煤核中保存有植物和海生动物的残体，表明了淡水和咸水生物的混生性质。
Scott and Rex （1985） 提出，不是所有的煤核都以同样方式形成，并提出一个非海相生成的形成模式，认为渗矿化的流体是来源于含高碳酸盐地下水的渗透。Scott et al. （1996） 检查了石炭纪和二叠纪产于欧美和中国的煤核的起源，并包括了有些被复杂化了的不同途径，认为它们的成因应依照煤核在煤层中所处的地区和位置而定。根据碳同位素，他们发现了一些煤核与一种海水和淡水的混合物通过泥炭渗透有关，多数煤核至少形成于具有一些受海相成因影响的淡水盆地中。在这里存在一个小疑问，煤核的形成是一个高度特化的过程，因为在石炭纪—二叠纪之后，我们对煤核的知识就什么都不知道了 （Taylor et al.，2009）。
从严格的定义上讲，煤核本身并不完全属于木化石，因为在煤核中，除了含有一些植物茎干的木质部残片以外，大多是由植物的营养器官，如叶、根、蕨类的根茎，以及生殖器官，如大小孢子叶穗，裸子植物的雌雄球果、果穗、种子和孢粉等组成。在裸子植物的茎干中，仅有木质部的部分是属于木化石的研究范畴。我国煤核原始物质的堆积环境均为滨海沼泽，煤核植物代表了古滨海泥炭沼泽和冲入泥炭沼泽中的植物埋葬群。这种堆积环境与较多的煤核形成可能有一定的联系 （田宝霖、王士俊等，1995）。煤核的渗矿化物质成分也是多种多样的。大多数煤核与海相沉积较为密切，由于海水中碳酸盐的成分很丰富，所以多数煤核以钙化为主。但是在特殊的情况下也可以形成黄铁矿化的煤核 （潘随贤，1983）。而在西欧，晚石炭世的斯蒂芬阶 （Stephanian） 的煤核产地还发现有硅化的煤核，如法国的Grand Croix地区，但该区的煤核产于砾岩中，所在地层的层位高出含煤岩系数百米，一般被认为它是次生堆积而成的 （田宝霖、王士俊等，1995）。
图1.1.12 变质硅化木的横切面，示残留的髓部、次生木质部圆筒和沿着生长轮和木射线方向灌入的次生石英脉
图1.1.13 变质硅化木，显示在硅化木内部残留的次生木质部碎片
另外，还应稍加说明的是“再沉积硅化木化石” 和“变质木化石”：前者是指已经矿化了的木化石，经过风化剥蚀，被流水携带到新的沉积地点，之后被再一次沉积下来，形成新的岩石。这种经过剥蚀、搬运后再沉积的木化石，在研究中必须充分加以说明，因为它们不能作为所在层位地质时代的证据，更不能用它作为讨论地理环境的依据。后者主要是指木化石在形成之后，由于含木化石的岩层受到局部的动力变质 （如构造运动） 或热力变质 （如岩浆活动或火山喷发、岩脉侵入） 等影响，致使木化石渗矿化物质成分产生重熔后再结晶现象。有的可能经过变质后原来的木材结构已经面目皆非，无法辨认，这种木化石一般研究价值较低。但有的还保留局部的木材结构，在横切面中，生长轮和管胞清晰可见。这种经变质的木化石，由于木质结构遭到严重破坏，一般都无法进行确切的鉴定和分类研究。但它们经过变质后，可能会有少量稀有金属元素混入，被染成各种各样的颜色，其中还保留或残留一些木材的原有构造，形成美丽的花纹和图案，具有一定观赏价值，因此，它们可作为“奇石” 加以开发和利用 （图1.1.12，图1.1.13）。