晚第三纪以前形成古土壤的鉴别_分类及其在古环境研究中的应用

文章编号:100128166(2006)0920911207

地球科学进展

ADVANCESINEARTHSCIENCE

Vol.21　No.9

Sep.,2006

晚第三纪以前形成古土壤的鉴别、分类

及其在古环境研究中的应用

3

黄成敏,王成善

123

(11四川大学建筑与环境学院环境科学与工程系,四川　成都　610065;

2.中国地质大学地球科学与资源学院,北京　100083)

摘　要:晚第三纪以前形成的古土壤可以揭示地质时期的古环境。辨识古土壤的主要标志包括野

外形态特征、微形态特征、地球化学特征等。当前古土壤分类一般基于现代土壤的系统分类体系,即采用诊断层和诊断特征,辅之以古土壤总体的化学性质等指标划分古土壤类型。形成于晚第三纪以前的古土壤可以重建全球范围的古气候变化历史,同时揭示前寒武纪时期古大气O2分压以及后寒武纪时期古大气CO2浓度水平的演化过程;古土壤具有空间和时间等多重信息,能反映流域或区域的古景观、古地貌、古水文特征。但目前缺乏一个广为接受的古土壤分类系统,成岩作用对古土壤特征的影响以及古土壤记录的古环境信息机制与解译等方面也还需要深入探讨。今后必须加强成岩作用对古土壤特性的影响以及现代土壤与其环境的对应关系的研究。关　键　词:晚第三纪以前;古土壤辨识;古土壤分类;古气候;古大气成分中图分类号:P597;S151　　　文献标识码:A　　土壤是环境的记录者,因而在过去环境条件下形成的古土壤可以揭示不同地质时期的古环境、古气候、古生态以及重大地质事件,是过去全球变化、古地理学、古气候学和古生态学以及沉积地质学的

[1]

重要研究对象。晚第三纪以来形成的古土壤,因埋藏时间相对较短、受成岩作用影响小、保存较好、分布广、易识别等原因,获得广泛而深入研究。然而近年来,因其蕴藏丰富的古环境信息,并随研究的深入,对晚第三纪以前形成的古土壤的研究逐渐成为国际热点,在古气候变化与模拟、古大气成分变化、古生态恢复、古地理与古景观恢重建等方面均取得重要进展。

“古土壤”的涵义与类型存在多种界定。依据形成年代与保存环境可以将古土壤简明地划分为埋藏型(buried)、埋藏裸露型(exhumed)和残余型(rel2

[1,4]

[2,3]

[5]

ict)古土壤。残余型古土壤是形成于过去环境与

景观下,未被年轻的沉积物埋藏的土壤,自初始形成阶段直至现代均受地表环境影响;埋藏型古土壤也是形成于古环境条件,但随后被沉积物长期掩埋;埋藏裸露型古土壤是形成于古环境条件后被埋藏,但因上部覆盖物被侵蚀而再暴露地表的土壤。残余型和埋藏裸露型古土壤因暴露地表,接受后期成土作用的影响,为不同成土环境叠加作用的结果,用于恢复古环境的难度较大。埋藏型古土壤相对受后期成土作用的影响少,记录的古环境信息相对单一,且保存较好,故研究较多。我们下文讨论的古土壤也限定为晚第三纪以前形成的埋藏型古土壤。

目前国内在这一领域的研究十分缺乏,少量论文局限于解释层序地层学和沉积环境分析等领[6,7]域。而国际上对这类形成年代久远的古土壤,

3

　收稿日期:2006202227;修回日期:2006208230.

(编号:2006CB701406)资助.3基金项目:国家重点基础研究发展计划项目“白垩纪重大地质事件与温室气候变化综合研究”

　作者简介:黄成敏(19682),男,四川省成都人,副教授,主要从事土壤形成与环境演变研究.E2mail:cmhuang@tom.com3通讯作者:王成善(19512),男,黑龙江省哈尔滨人,教授,主要从事沉积地质学与青藏高原地质研究.E2mail:chshwang@cugb.edu.cn

912　　　　　　　　　　　　　　　　　地球科学进展　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第21卷

特别是研究方法及其古环境意义还缺乏综合、全面

的论述;为此,我们总结和讨论古土壤分类、辨识和研究方法及现有的难点,以促进这类古土壤在国内相关领域的应用与发展。

1　古土壤辨识与分类

1.1　古土壤鉴别特征

目前,鉴别古土壤主要有以下特征和标志:(1)野外形态特征。如古土壤发育表明一个沉积间断事件发生,因而古土壤层应与上覆地层为不整合面;生物是土壤形成的主要因素之一,特别是表层,植物根系密集,生物活动强烈,所以古土壤层顶层具大量植物根系或大量生物扰动的其他特征,可被粘粒、次生氧化物和碳酸盐等充填的生物活动遗迹;不同与一般的风化物搬运后的沉积层,古土壤层中一般可以观察到根孔或动物穴居等痕迹;古土壤多保存有原土壤构造、土壤发生层,如钙磐或钙积层、石膏层以及土壤新生体如次生结核(碳酸盐结核、铁锰结

[8]

核)、根圈等特征。(2)微形态特征。通过光学显微镜或扫描电镜观察古土壤,可以发现其具有土壤垒结结构、粘粒胶膜、成壤碳酸盐与铁锰氧化物淀积[9211]

以及孔隙充填等特征。(3)地球化学特征。在土壤形成过程中,难迁移和易淋溶元素一般会在土体中或部分土层中富集和亏损,因此,利用SiO2、Al2O3、TiO2以及K2O、Na2O、MgO、Al2O3/SiO2、FeO/Fe2O3、Al2O3/(CaO+MgO+K2O+Na2O)等常量元素氧化物含量及其比值以及Ba、Sr、V、Zr、Th、Zn、Ni、Cu、Ba/Sr等微量元素含量以及部分元素比值等可以识别古土壤,并能反映土壤发育程[13,14]

(4)其它特征。土壤发生过程中土壤表层度。

磁化率和有机质含量一般会增大,土壤B层粘粒含量增加,故表土磁性增强、有机质含量、粘粒含量等

[14,15]

指标也用于古土壤识别。1.2　古土壤分类

古土壤分类的目的主要在于进行不同时代和地区古土壤之间,更重要是古土壤与现代土壤之间的对比,并利用与古土壤相似的现代土壤的性质来恢复古环境、古气候。

国际上流行的现代土壤分类系统主要有美国土壤系统分类、联合国世界土壤图例单元以及国际土壤分类参比基础等3类,均属于土壤系统分类体系,其最主要特点是以土壤诊断层和诊断特性为分类基础,采用定量化的指标划分土壤类型。以地理环境发生为分类基础,以成土条件为土壤类型划分依据

的前苏联地理发生分类体系影响范围逐渐减少,在

[16]

俄罗斯等一些国家使用。目前古土壤分类系统方案也主要是基于现代土壤的分类系统,特别是土壤系统分类体系。将现代土壤系统分类理论与方法应用于古土壤分类,对照现代土壤的诊断层和诊断特征,确定诊断层和诊断特征;同时由于埋藏古土壤,经历成岩作用,难以保存完整、特征明显的诊断层和诊断特征,所以也常辅之以古土壤总体的化学性质:如Al2O3/盐基,Al2O3/SiO2,Na2O/K2O等来划分和命名古土壤

[17220]

。

2　古土壤在古环境研究中的应用

土壤形成受气候、生物、母质、地形、时间等五大

成土因素控制。因此,在一定的时间内,气候、生物等成土因素(或成土环境)特征决定土壤发生过程和演化方向。在一定的成土环境中,必然发育形成与之相适应的土壤类型和土壤性质。因此,土壤类型和土壤特征与成土环境具有相互对应关系,土壤是环境信息的记录者。古土壤是过去环境条件下形成的产物,必然蕴含丰富古环境与古气候、古植被、古水文等信息,所以,研究古土壤类型与古土壤特征,再对比相同或相似现代土壤类型和土壤特征,依据这些现代土壤对应的成土环境,可以推导和重建古土壤形成时期的古环境。2.1　古气候信息

古土壤类型与特征所反映的成土古环境以及土壤中成壤碳酸盐的碳氧同位素是利用古土壤恢复古气候的重要手段。西班牙北部属半干润冲积新成土的Barrios古土壤表明当地在早石炭世出现过短暂

[8]

的半干旱亚热带气候。而晚石炭世和早二叠世古土壤的矿物学与化学分析,验证了美国德克萨斯州中北部米德兰(Midland)盆地晚古生代在泛古赤道西部地区(westernequatorialPangea)发生由湿润向更干旱环境变化的假设。由古土壤形态以及粒度等特征推测晚侏罗世美国科罗拉多(Colo2

[22]

rado)地区存在气候逐渐湿润的过程。Lameta古土壤的特征也反映印度中部在白垩纪晚期主要受半干旱—热气候控制,推测为当时古印度处于低纬度

[23]

和无古季风环流引起这一气候现象。对北美洲西部内陆地区,古土壤类型由发育于湿润、半湿润气候条件下的淋溶土转变为半干旱、干旱气候条件下形成的钙质土和变性钙质土,表明白垩纪晚期干旱

[8]

程度加深。朝鲜半岛的早白垩世形成的氧化土,

[24]

表明当地为森林环境。由古钙质土特性推断美

[21]

第9期　　　　　　　黄成敏等:晚第三纪以前形成古土壤的鉴别、分类及其在古环境研究中的应用　　　913国俄勒冈(Oregon)中部早渐新世、早和中中新世的

[25]

草地类型有差异,当时年降水量小于400mm。2.2　古大气气体成分变化

漫长的地质历史时期的大气成分及其浓度变化是目前古环境和全球变化研究中的争议议题之一。古大气成分研究主要集中在CO2和O2的变化,而且大致可以划分为出两个主要时期:前寒武纪时期,特别是约2.8～2.0Ga之间,以研究古大气O2分压的演化为主;后寒武纪时期,以研究古大气CO2浓度水平的演化为主。2.2.1　前寒武纪时期

古大气中的O2含量极大地影响古土壤特性,尤其在陆地高等植物还未繁盛之前,因此由前寒武纪,主要是太古代晚期和原生代早期古土壤特性反映了大气的氧化状态及历史。若大气中由无氧或少氧状态向有氧或富氧状态演化,则对氧化还原环境敏感的变价元素Fe、V、Cr、Al、REE(特别是Ce)及其与

2+

Ti、Zr等元素的比值在古土壤中则会出现由Fe、3+3+4+Ce等低价态为主,向Fe、Ce等高价态元素含3+2+

量、Fe/Fe增加等方向演化。所以,一般采用古土壤中这些氧化还原环境敏感元素含量与比值特征[26,27]

可判断土壤类型;并利用Fe含量及其2种价

2+3+

态(Fe、Fe)在古土壤剖面中比值推断古大气O2分压的演化。

澳大利亚2.76Ga前古土壤的元素特征表明当时大气处于无氧或少氧状态。加拿大发育于花岗岩风化物的Pronto古土壤剖面上部磷灰石、长石和绿泥石出现分解、Al/Ti和Si/Ti比值下降以及Al和Si亏损等是酸性溶液风化作用的结果,由此提出

[30]

酸性风化液源于太古代和早古生代CO2分压高。同时发现,Fe与Fe含量在古土壤剖面有变化,古土壤经历非氧化的风化作用,都表明在2.6～

[26]

2.45Ga前,大气环境为缺氧的还原环境。在南

3+2+

非Schagen古土壤的铁含量以及Fe/Fe增高、富3+

Fe的黏土矿物存在,可推断在约2.6Ga时就存在一个有氧的大气环境,尽管O2分压低,约是当前水平的0.1%或更高,CO2分压值约是当前水平的100

[29]

倍。加拿大Huromian组下部的古土壤(约2.45Ga)与Huromian组上部古土壤(>约2.22Ga)在全

3+2+

铁和Fe、Fe以及含铁矿物的差异对比,推测在2.4

[31]

Ga左右,大气成分有重大变化,有自由氧积累;在

[28]

2.2～2.0Ga时期,O2分压至少为3kPa。2.2.2　后寒武纪时期

成壤碳酸盐稳定碳同位素组成受土壤孔隙、不

3+

2+

[27]

[28,29]

同深度的土壤CO2产生量、土壤呼吸率、成壤碳酸盐在土壤中分布的深度、C4和C3植物对碳同位素的分馏作用、大气中CO2分压与碳同位素组成等因素控制

[32]

。其中成壤碳酸盐在土壤中分布的深度、C4

和C3植物对碳同位素的分馏作用、大气中CO2分压是最重要的影响因素。在大多数土壤中,分布在土壤深度20cm以下的成壤碳酸盐稳定碳同位素组成基本稳定,不受其分布深度影响,因此,成壤碳酸盐稳定碳同位素组成可以反映C4和C3植物在区域生态系统生物量所占比例或大气CO2浓度。但现有的研究一般认为晚中新世以前,没有或少有C4植物存在,C3植物占绝对优势

[33]

。由此,晚中新世以

前的古土壤成壤碳酸盐稳定碳同位素组成就主要与大气CO2浓度存在直接关系,Cerling提出以古土壤

成壤碳酸盐作为“古土壤气压计(Paleosolbarome2ter)”,采用扩散—反应方程能够估算晚中新世以前大气CO2分压(或浓度),目前获得广泛应用[14,32～35]。由晚中新世以前不同时期形成的成壤碳酸盐稳定碳同位素组成的研究表明晚志留世大气CO2浓度水平高达3.2～5.2mL/L,随后在整个古

生代稳定地下降,到二叠纪,大气CO2水平下降到0.15～0.20mL/L

[36]

。这种明显下降与陆地大型维

管植物的扩张,引起硅酸盐矿物风化速率大幅度提高,因而降低大气CO2水平,促使全球变冷,并导致晚古生代冰川广泛发育有关

[36,37]

。另外二叠纪—

石炭纪时期大量植物埋藏、沉积,也可能进一步降低大气CO2而使O2含量升高。印度中部萨特普拉(Satpura)地区二叠纪至白垩纪地层中存在众多的钙质古土壤表明,大气CO2含量水平由二叠纪至侏罗纪上升,在早白垩世达到最高值后,在整个新生代下降,这种变化趋势与Berner提出的大气CO2演化模型(GEOCARBII)相同,是冈瓦纳快速解体引起地球内部的脱气作用使三叠纪和侏罗纪大气CO2迅速增加所致

[33,38,39]

[37]

。白垩纪大气CO2高浓度

水平在南亚和东亚古土壤中也有反映,日本和韩国的结果表明早白垩世CO2浓度在1.7至3.2mL/L之间

[40,41]

;印度中部Lameta组古土壤的结果认为

[42]

白垩纪晚期为0.8～1.2mL/L。

另外,除了利用古土壤中的成壤碳酸盐外,强度风化成土作用形成的古土壤针铁矿中的Fe(CO3)OH也用于古大气CO2浓度重建,并且利用古氧化土

剖面推导出早始新世CO2大气浓度约为2.7mL/L

[43,44]

。

914　　　　　　　　　　　　　　　　　地球科学进展　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第21卷

2.3　古地貌、古水文与古景观

古土壤具有空间和时间以及古环境等多重信

息,还可以反映流域、区域的古景观、古地貌、古水文

[4]

特征。亚马逊地区东北部从上白垩统到第四系沉积单元中的5个古土壤剖面就指示了古土壤形成时期的构造运动、气候、沉积与侵蚀等过程,进而可

[45]

以分析古地貌与古景观演化。尼日利亚中部的Jos高原上残存的古铁质风化壳分为上、中、下三层,均反映第三纪为湿热的气候环境,但下部土层中2+

Fe的淋失,中部土层中脱硅与铝土矿化特征说明了地下水排水由缓慢至快速的过程,反映了Jos高

[46]

原逐渐抬升过程。罗马尼亚中西部多个盆地上白垩统古土壤就反映当地古水文条件变化由中等和

[47,48]

良好的排水条件向不良排水条件转化进程。加拿大不列颠哥伦比亚省(BritishColumbia)东北地区的AlbianBoulderCreek组30个古土壤层,反映白垩纪时期古水文特征由排水良好向渍水条件演化的

[49]

4个阶段。另外,二叠纪—三叠纪过渡时期古土壤特征表明当时发生了剧烈而广泛的土壤侵蚀[50]

事件。

相对应理论为基础的,古土壤学家是以古土壤对应现代土壤类型与特征,再与现代环境对应,从而演译古环境;而专门针对古土壤划分类型时,古土壤与现代土壤类型不能较好的对应,则古土壤蕴涵的环境

[15]

价值将减弱或消失。因此,欲推动古土壤研究与应用的发展,就必须建立和完善一个广为接受的古土壤分类系统,以满足恢复和重建古环境、古气候的目的。3.2　成岩作用影响

沉积岩或沉积物的来源是多元的,或是物源区岩石风化产物原位残留(即古土壤),或土壤或风化产物经侵蚀、搬运至异地而形成。土壤形成与成岩作用是两个相反方向的过程,晚第三纪以前埋藏型古土壤经过埋藏,叠加成岩作用的影响后,其土壤特征会减弱或发生变化,使其与异地埋藏形成沉积物的许多特性趋同,因此古土壤的辨识难度[1,12,13,51]大。成岩作用也会改变古土壤的发生学特征。土壤厚度、结构、有机质与元素含量等,包括次生碳酸盐结核的氧同位素都容易受成岩作用的影响而变化。碳酸盐及其结核以及铁、锰结核与斑纹等氧化还原特征既可能在成土过程中形成,也可能在

[17]

成岩过程中形成,难以分辨,也常引发争论。3.3　古气候与古大气成分重建

利用古土壤重建古气候的理想前提是剔除成岩作用对埋藏古土壤特性的影响,但在实际研究中较难实现。由于地下水影响碳酸盐稳定,古土壤中次生碳酸盐还常受成岩作用的影响,导致混合后的碳酸盐碳、氧稳定同位素组成相对偏轻,从而使反推古

[53]

大气中CO2浓度时出现偏差。同时,使用古土壤气压计理论推断古大气CO2的必要前提是晚中新世以前C4植物没有出现,但目前这一假设也受到质疑,由古植物学和同位素地球化学的研究表明晚中

[4]

新世以前可能分布有C4植物。古土壤气压计采用的扩散———反应方程中需要众多的参数,如古土壤CO2呼吸速率以及碳同位素组成、次生碳酸盐深度、古土壤CO2产生的平均深度等,来估计大气CO2含量,但这些参数值一般只能间接地获取,因此参数值估算的合理性会直接影响研究结果的可靠性。

[40,52]

3　讨　论

尽管应用晚第三纪以前形成的古土壤指示古环境与古气候变化的研究日益广泛,但在古土壤分类、成岩作用的影响以及古土壤记录的古环境信息机制与解译等方面还值得深入探讨。3.1　古土壤分类

由于古土壤会受后期成土作用或成岩作用以及埋藏环境的影响,使古土壤原有特征发生改变,若采用现代土壤系统分类法,即以现代土壤的诊断层和诊断特征标准划分古土壤,在古土壤剖面中很难寻找到相应的诊断层、诊断特征,如由古土壤的有机质含量、特征层厚度等推测出古土壤在埋藏前的特征几乎不可能;尽管现代土壤系统分类法也补充少量针对古土壤的形态和地球化学的指标,但这一分类针对的主体还是现代土壤,不足于弥补整体分类指标的缺憾,因而出现误差的可能性大,只有极少数科学家能够凭借经验和知识完成。同时,还有一些专

[19,20]

门针对古土壤的分类系统。这些分类系统针对性强,对不同地区古土壤类型和特征的对比有利,但需要将这些古土壤类型与现代土壤类型对比,这种公认的两种分类系统可以相互参比的方法尚未建立,弱化了土壤学家与古土壤学家、地质学家之间交流;因为对古环境的解译是以现代土壤—现代环境

4　结　语

解决晚第三纪以前形成的古土壤解译古环境研

究中面临的古土壤分类、成岩作用影响以及古气候与古大气成分重建可能出现的偏差与可靠性等问题

第9期　　　　　　　黄成敏等:晚第三纪以前形成古土壤的鉴别、分类及其在古环境研究中的应用　　　915

实质上取决于2个前提。一是土壤形成、被埋藏后,经过成岩作用,土壤特性发生怎样的改变、影响的因素、变化的过程与机理研究。只有更清楚地明确成岩作用引起的古土壤特性变化,才能对古土壤进行基于科学的、具有定量指标的分类系统,也才能产生普遍接受的古土壤分类系统;同时只有剔除成岩作用对古土壤性质的影响,也才能恢复古土壤真实特性,从而重建古气候、古大气成分。二是取决于现代土壤与现代环境的对应关系的研究。古土壤对古环境的反演的理论和模型,包括“古土壤气压计”理论,均来源于现代土壤对现代环境的响应研究的基础之上。因此,加强成岩作用对土壤特性的影响以及现代土壤与其环境的对应关系的研究是未来重点。

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Identification,ClassificationandApplicationinPaleoenvironment

ResearchofPre2NeogenePaleosols

HUANGCheng2min,WANGCheng2shan

1

2

(1.DepartmentofEnvironmentalScience&Engineering,SchoolofArchitectureandEnvironment,SichuanUniversity,Chengdu610065,China;2.ChinaUniversityofGeosciences,Schoolof

EarthSciencesandResources,Beijing100083,China)

Abstract:pre2Neogenepaleosolscanrevealpaleoenvironmentduringgeologicaltimes.Paleosolswereidenti2fiedbyfieldmorphological,micromorphological,geochemicalfeatures,andsoon.Currently,paleosolsareclassi2fiedbasedontaxonomicclassificationofmodernsoils,i.e,suchindicesasdiagnostichorizonsanddiagnosticfea2tures,inconjunctionwithbulkchemicalpropertiesofpaleosolsetc.,wereemployedtosortpaleosols.Byusingpa2leosols,thehistoryofancientpaleoclimatechangemightbereconstructedwhilevariationofatmosphericpressureofoxygenandlevelofcarbondioxideconcentrationduringpre2Cambrianandpost2Cambrianperiods,aswellaspaleo2ecological,paleogeographicfeaturesandpaleolandscapewererebuilt.However,severalproblemsshouldbetack2led,e.g.establishinganextensivelyacceptablepaleosolclassificationsystem,eliminatingdiageneticeffectsonthepropertiesofburiedpaleosols,andimprovingtheresearchonthemechanismofpaleoclimateinformationrecordedbypaleosolsanditsinterpretation,etc.Thefurtherstudiesondiageneticeffectsonthepropertiesofburiedpaleosolsandtheelaboraterelationshipbetweenmodernsoilsandpedogeneticenvironmentshouldbeintensified.

Keywords:Pre2Neogene;Paleosolsidentification;Paleosolsclassification;Paleoclimate;Ancientatmospher2iccomposition.