中國(guó)南方古土壤發(fā)生學(xué)研究古環(huán)境重建的基礎(chǔ)

古土壤是形成于早地質(zhì)時(shí)代的土壤形成過(guò)程的產(chǎn)物。新近紀(jì)(23.03Ma)以來(lái)的古土壤在國(guó)內(nèi)外均已有大量研究,并在古生態(tài)、古氣候、古地理、考古等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。而新近紀(jì)以前形成的古土壤,年代久遠(yuǎn),如前寒武紀(jì)的古土壤年代可超過(guò)2Ga,且因埋藏深、受成巖作用改造,會(huì)在土壤色調(diào)、土壤結(jié)構(gòu)、黏土礦物、有機(jī)質(zhì)(主要是干酪根)結(jié)構(gòu)與成分等發(fā)生變化,同時(shí)其礦物具轉(zhuǎn)化和再結(jié)晶現(xiàn)象以及變質(zhì)特征等,一般較難以辨識(shí)。盡管如此,利用土壤發(fā)生學(xué)和沉積地質(zhì)學(xué)理論,追索古土壤發(fā)生學(xué)特征,進(jìn)行古土壤分類(lèi),進(jìn)而推演新近紀(jì)以前古環(huán)境及其變化歷史,仍取得令人矚目的成果。譬如,埃及東部的晚白堊世至古近紀(jì)的古土壤特性變化反映當(dāng)?shù)匕霛駶?rùn)向半干旱的轉(zhuǎn)變;羅馬尼亞Ηat?egHat?eg盆地晚白堊世古土壤揭示了當(dāng)時(shí)古環(huán)境急劇變化,乃至可以利用古土壤恢復(fù)晚古新世至早始新世千年尺度的氣候震蕩。而目前國(guó)內(nèi)還缺乏對(duì)新近紀(jì)以前形成的古土壤發(fā)生學(xué)以及古環(huán)境重建研究。含有成壤性碳酸鹽(即土壤發(fā)育過(guò)程中形成的次生碳酸鹽)的鈣質(zhì)古土壤是重建古環(huán)境與古氣候的主要土壤類(lèi)型之一。我國(guó)具有眾多的白堊紀(jì)陸相沉積湖盆,其中東北松遼盆地是世界最大的白堊紀(jì)湖盆之一,發(fā)育了完整的白堊紀(jì)陸相沉積;遼寧省北票地區(qū)是早白堊世熱河生物群的重要產(chǎn)地,沉積地層完整;四川盆地也是我國(guó)陸相白堊紀(jì)代表性的沉積盆地之一,沉積廣布,為開(kāi)展白堊紀(jì)古土壤與古環(huán)境研究提供了理想的研究場(chǎng)所。在此,我們通過(guò)野外露頭與鉆井等方式對(duì)松遼盆地內(nèi)的黑龍江大慶以及位于金嶺寺—羊山盆地的遼寧北票、四川盆地內(nèi)梓潼—巴中地質(zhì)分區(qū)的成都龍泉驛、綿陽(yáng)梓潼等地不同時(shí)期白堊紀(jì)地層剖面采樣,開(kāi)展形態(tài)、微形態(tài)、一般化學(xué)與顆粒組成、礦物、元素地球化學(xué)特征與標(biāo)志等古土壤的發(fā)生學(xué)研究與辨識(shí),并進(jìn)行古土壤分類(lèi),進(jìn)而探討區(qū)域古環(huán)境恢復(fù)。1材料和方法1.1野外天然露頭分析古土壤剖面分別采自黑龍江、遼寧、四川等地,古土壤埋藏深度在0.30～0.70km之間。其中,黑龍江樣品取自“973”項(xiàng)目“白堊紀(jì)地球表層重大地質(zhì)事件與溫室氣候變化(2006CB01400)”所打的大陸科學(xué)鉆探“松科1井”北孔(編號(hào)SK-1(N),鉆孔深1810m),其余來(lái)自野外天然露頭(表1)。樣品采集同時(shí)進(jìn)行野外形態(tài)描述;采集古土壤土壤與碳酸鹽結(jié)核樣品。風(fēng)干后,研磨后,過(guò)篩,待用。挑選部分碳酸鹽結(jié)核磨制成片,作微形態(tài)觀察。1.2x-pert型x射線(xiàn)衍射法結(jié)核微形態(tài)特征利用日本Nikon公司E600POL偏光顯微鏡觀察、拍攝。土壤及結(jié)核礦物鑒定則利用荷蘭Philips公司生產(chǎn)的X-Pert型X射線(xiàn)衍射儀,測(cè)試時(shí)電壓為50kV,電流為35mA。古土壤碳酸鹽采用氣量法,顆粒組成采用吸管法,有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀法測(cè)定。古土壤常量元素含量采用ICP-AES測(cè)定,稀土元素、微量元素含量利用ICP-MS測(cè)定。2古土壤的形成特征2.1淀積層bk土壤中的碳酸鈣剖面LQ1和剖面ZT2的土壤發(fā)生層層次明顯,具典型的埋藏古土壤形態(tài)特征(圖1)。兩個(gè)剖面表層色調(diào)偏灰,與呈現(xiàn)暗色色調(diào)的現(xiàn)代土壤腐殖質(zhì)表層(A)有明顯區(qū)別,這與古土壤在被埋藏后,地下水水位附近或以下的厭氧細(xì)菌還原鐵的氫氧化物和氧化物,因而分解土壤有機(jī)質(zhì),大幅度降低有機(jī)質(zhì)含量和該土層中主要還原態(tài)鐵存在或?qū)е露r(jià)鐵下滲流失密切相關(guān);而兩剖面淀積層(Bk)土壤色調(diào)偏紅,除了與當(dāng)時(shí)成土環(huán)境有關(guān),也與土壤埋藏后鐵氧化物脫水和重結(jié)晶形成赤鐵礦有關(guān)。鈣質(zhì)土壤中碳酸鹽可以分散、粉末、結(jié)核等各種形式存在。在圖1和圖2的4個(gè)剖面中,剖面淀積層(Bk)成壤性碳酸鹽結(jié)核均很豐富。ZT3剖面中直徑0.1～0.5cm的碳酸鹽結(jié)核,松科1井SKN141-3剖面Bk層中碳酸鹽結(jié)核長(zhǎng)在5～6cm,寬2～3cm(圖2)。2.2古土壤質(zhì)地雖然埋藏后,古土壤許多特征發(fā)生改變,但也保留有某些土壤特征。圖3可見(jiàn)沿植物根系淀積團(tuán)塊狀碳酸鹽結(jié)核,同時(shí)根孔內(nèi)部也沉淀充滿(mǎn)方解石晶體。此外,在古土壤中有滑擦面特征(圖4),但這不足以說(shuō)明該土壤為古變性土?，F(xiàn)代發(fā)育的土壤中滑擦面只出現(xiàn)于變性土中,但是在埋藏古土壤中除古變性土外的土壤類(lèi)型,特別是黏粒含量高的古土壤受擠壓后也會(huì)產(chǎn)生滑擦面,因而還需要借助地層中殘留的微地貌形態(tài)、交錯(cuò)排列的裂隙以及黏粒、礦物等特征判斷其是否為古變性土。2.3般有機(jī)質(zhì)含量的地表由表2可以看出,表層碳酸鹽含量較低,小于50gkg-1,碳酸鹽在B層淀積,形成碳酸鹽結(jié)核或鈣積層。盡管土壤被埋藏后,大部分有機(jī)質(zhì)會(huì)發(fā)生分解,但古土壤剖面仍保留土壤有機(jī)質(zhì)含量的趨勢(shì),而如現(xiàn)代土壤剖面一樣,古土壤剖面一般有機(jī)質(zhì)含量表層高于表下層(除BP02剖面外)。此外,作為鈣質(zhì)土壤,碳酸鹽淋失不強(qiáng),土壤成土風(fēng)化過(guò)程弱,所以土壤黏粒含量少,多低于10gkg-1,而以砂粒(粒徑>0.05mm)為主,土壤各層質(zhì)地為壤質(zhì)砂土或砂質(zhì)壤土。2.4基土的滑擦面特征A層或非Bk層中,主要以石英為主,其次是長(zhǎng)石、蒙皂石、伊利石和方解石;在Bk層中,主要礦物是方解石,其次有少量的蒙皂石、伊利石、石英等(圖5)。即使在具有滑擦面特征的SKN293剖面中,蒙皂石含量低,盡管古土壤在埋藏后,蒙皂石部分可轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾?但埋藏深度一般要達(dá)1.2～2.3km,而且由圖5可見(jiàn)伊利石在1nm峰并不尖銳,也不支持其由蒙皂石轉(zhuǎn)變而來(lái)。表明SKN293剖面不具備變形土的以蒙皂石膨脹性礦物為主的黏土礦物特征。此外,所研究古土壤剖面均非發(fā)育于碳酸鹽母質(zhì),而所研究的古土壤中均有方解石檢出,表明方解石主要為成土過(guò)程中形成。2.5元素的地球化學(xué)特征2.5.1bk層與ak層微量元素含量比較白堊紀(jì)鈣質(zhì)古土壤剖面Bk層中常量元素含量特征與現(xiàn)代鈣質(zhì)土壤中碳酸鹽結(jié)核相似,Bk層除MnO、CaCO3含量高于A層外,其余常量元素含量均較小于A層(表2,表3)。這與Fe、Mn氧化物常與碳酸鹽同時(shí)淀積,在土壤水分蒸發(fā)快、偏堿性的條件下,有利于Mn氧化物沉積,故MnO含量在碳酸鹽或Bk層增加有關(guān)。2.5.2cebr-ce-hco-7和4-10s-1,3,5,10.由圖6可見(jiàn),稀土元素(Rareearthelements,REE)在Bk層中較表層古土壤的相應(yīng)元素含量低,且明顯小于后太古代澳大利亞平均頁(yè)巖(Post-ArcheozoicAverageAustralianShale,簡(jiǎn)稱(chēng)PAAS)含量。因碳酸鹽對(duì)REE具有“稀釋”作用,而本文選擇的剖面Bk層碳酸鹽含量高于500mgkg-1,所以REE含量均不超過(guò)100mgkg-1,也低于A層REE含量(表4)。同時(shí),所研究的古土壤中Bk層輕稀土(LREE)與重稀土(HREE)比值(LREE/HREE)小于A層,重稀土在碳酸鹽結(jié)核或鈣積層形成過(guò)程中相對(duì)富集。同時(shí),雖Bk與A層的δEu值差異不大,均為負(fù)異常(δEu<0.95),而B(niǎo)k層中Ce出現(xiàn)負(fù)異常(δCe<0.95),A層土壤Ce卻無(wú)異常或正異常,同時(shí),Bk層相對(duì)富HREE和Y值的分布特征(表4)。這與Ce4+在氧化條件下容易水解,并被淋洗出剖面,導(dǎo)致Ce與其他輕稀土元素分異;而Y和重稀土容易與CO2-32?3、HCO-3形成可溶性絡(luò)合物,并隨碳酸鹽沉淀于Bk層,Y和重稀土相對(duì)富集有關(guān)。盡管Ce4+也可以形成絡(luò)合物,但在早期的水解作用下淋失多,所以在此鈣積層或碳酸鹽中出現(xiàn)負(fù)異常。此外,古土壤Bk層La含量、(La/Eu)N值較A層低(表4、圖6)。上述古土壤中稀土元素的這些特征與沉積成因的原生碳酸鹽結(jié)核在形成的兩個(gè)階段分別具有的富LREE和富La與HREE特征均不一致,而與現(xiàn)代發(fā)育的土壤次生碳酸鹽結(jié)核相同。2.5.3微量元素含量分布的基本特征選取部分具有表生地球化學(xué)指示意義不相容元素,包括低場(chǎng)強(qiáng)元素(Sr、Ba)、高場(chǎng)強(qiáng)元素(Ti、Sc、Nb、Th、U)以及過(guò)渡金屬元素(Cr、V、Co、Ni),并以上部地殼平均(AverageUpperContinentalCrust,簡(jiǎn)稱(chēng)AUCC)含量為基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,以反映樣品微量元素含量分布的基本特征(圖7)。其中,Bk層中只有元素Sr相對(duì)富集,這與其地球化學(xué)行為更接近于Ca,而同族元素Ba接近于K,Ba在Bk中如元素K一樣,相對(duì)降低。Bk層中其余高場(chǎng)強(qiáng)元素和過(guò)渡金屬元素也均較A層低,反映出這些元素與Ca地球化學(xué)行為差異大,同時(shí)古土壤剖面風(fēng)化淋溶作用不強(qiáng)。而古土壤Bk層中這些元素含量特征又與現(xiàn)代土壤中的次生碳酸鹽結(jié)核特征一致。3古土壤類(lèi)型的劃分目前國(guó)際上通用古土壤分類(lèi)系統(tǒng)方案也主要是基于現(xiàn)代土壤的分類(lèi)系統(tǒng),特別是土壤系統(tǒng)分類(lèi)體系,尤其以美國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)為主。雖然由于埋藏古土壤經(jīng)歷成巖作用,難以保存完整、特征明顯的診斷層和診斷特征,也有人提出專(zhuān)門(mén)的針對(duì)古土壤設(shè)計(jì)的分類(lèi)系統(tǒng),但因難以與現(xiàn)代土壤分類(lèi)系統(tǒng)對(duì)應(yīng),因而應(yīng)用少。我國(guó)目前現(xiàn)代土壤分類(lèi)主要有兩種分類(lèi)體系,即以土壤診斷層和診斷特性為基礎(chǔ)的中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)(2001)和以土壤發(fā)生學(xué)為基礎(chǔ)的中國(guó)土壤分類(lèi)系統(tǒng)(1998)。考慮到我國(guó)過(guò)去應(yīng)用土壤分類(lèi)系統(tǒng)方案范圍廣,土壤類(lèi)型與成土環(huán)境資料較多,所以為了便于利用古土壤類(lèi)型和特征與現(xiàn)代環(huán)境對(duì)應(yīng),恢復(fù)古環(huán)境,在此暫采用后者劃分所研究的古土壤類(lèi)型。同時(shí)為便于國(guó)際交流,也利用美國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)(2006)劃分古土壤類(lèi)型(表5)。4土壤理化性質(zhì)的特征土壤發(fā)生受氣候、生物、母質(zhì)、地形和時(shí)間等成土因素控制,因此,通過(guò)古土壤類(lèi)型和古土壤特征可以反演古氣候、古景觀等特征。本文所研究的古土壤成土母質(zhì)均為河湖相沉積物,地形也較平坦。由古土壤發(fā)生學(xué)特征,可以推斷古土壤發(fā)育的時(shí)間短,風(fēng)化成土作用不強(qiáng),屬土壤系統(tǒng)分類(lèi)中的干旱土。由所研究土壤類(lèi)型栗鈣土和棕鈣土,總體上可以反映當(dāng)時(shí)研究地區(qū)或區(qū)域處于半濕潤(rùn)過(guò)渡至半干旱氣候條件;草甸植物向稀疏灌叢、荒漠過(guò)渡地帶的植被特征。4.1n、vamanian期巖相古地理已有研究認(rèn)為,四川盆地在晚侏羅世至早白堊世以暖濕氣候?yàn)橹?。但這并不排除氣候波動(dòng)出現(xiàn)的干涼氣候的可能。我們的研究就表明,在Berriasian和Valanginian期,梓潼—巴中分區(qū)發(fā)育有栗鈣土和棕鈣土等,古土壤土體厚度較薄,除LQ04剖面外,其余剖面土體厚度不深,不僅與成土風(fēng)化作用弱有關(guān),也受土壤發(fā)育時(shí)間較短的影響,有多次、快速的成土?xí)r期,所以出現(xiàn)土壤厚度薄、多層的古土壤。依據(jù)現(xiàn)代土壤形成的成土環(huán)境推斷,當(dāng)時(shí)這一地區(qū)應(yīng)該為半濕潤(rùn)、半干旱氣候條件,植被以灌叢為主。不過(guò),這一時(shí)期的干旱程度不及早白堊世晚期以后,由沙漠相沉積所反映的干旱氣候。4.2氣候條件分析關(guān)于義縣組形成地質(zhì)時(shí)期的古環(huán)境有不少研究,目前主要有兩種認(rèn)識(shí):一是當(dāng)時(shí)的氣候?qū)賮啛釒У脚瘻貛У陌敫珊?、半潮濕氣?更多研究者傾向于認(rèn)為當(dāng)時(shí)金嶺寺—羊山盆地處于溫暖濕潤(rùn)的氣候環(huán)境,也存在短期的季節(jié)性干旱、半干旱的氣候條件。由本研究所采自于義縣組一段地層中的屬于栗鈣土的古土壤來(lái)看,在Barremian期,金羊盆地為溫帶半干旱類(lèi)型。因此,由發(fā)育古土壤類(lèi)型推測(cè),至少在金嶺寺—羊山盆地以及鄰近地區(qū),存在半干旱的氣候環(huán)境。4.3htian晚期巖芯和干涼氣候時(shí)代的區(qū)域分析已有對(duì)松遼盆地的植物孢粉分析表明,在晚白堊世Maastrichtian早期,四方臺(tái)組沉積時(shí)期為半干旱氣候;Maastrichtian晚期的明水組沉積時(shí)期為半濕潤(rùn)氣候或明水組一段為溫暖潮濕氣候,而明水組二段為干涼氣候。我們?cè)谒煽?井中的明水組二段巖芯中發(fā)現(xiàn)有至少30層以上的鈣質(zhì)古土壤。其中,代表半濕潤(rùn)條件的草甸棕鈣土和普通棕鈣土分布于明水組二段的下部地層中,而形成于半干旱環(huán)境的棕鈣土多分布于明水組二段的上部地層中,也反映出Maastrichtian晚期存在半濕潤(rùn)氣候向半干旱氣候的轉(zhuǎn)變過(guò)程。5基因組織特征本文對(duì)黑龍江松遼盆地、遼寧北票和四川盆地等地白堊紀(jì)鈣質(zhì)古土壤的形態(tài)、微形態(tài)、一般特征、顆粒組成與礦物以及元素地球化學(xué)等特征進(jìn)行了發(fā)生學(xué)研究與辨識(shí)。古土壤剖面中的A層和B層土壤色調(diào)雖然較其形成時(shí)有所變化,但剖面土壤層次差異依然明顯,且表層土壤有機(jī)質(zhì)含量一般高于表下層。古土壤中殘留原土壤發(fā)生過(guò)程的痕跡,如沿植物根孔淀積的方解石,此外還可見(jiàn)滑擦面。鈣積層富含碳酸鹽結(jié)核。在半干旱和半濕潤(rùn)環(huán)境下發(fā)育的鈣質(zhì)古土壤質(zhì)地偏粗,為壤質(zhì)砂土或砂質(zhì)壤土。古土壤Bk層中的Ca、Mn、Sr相對(duì)富集,其余常量元素與Ba、Sc、Nb、Th、U、Cr、V、Co、Ni等元素含量降低;δCe和δEu負(fù)異常以及相對(duì)富集重稀土元素等特征與現(xiàn)代土壤發(fā)育的碳酸鹽結(jié)核相似。在中國(guó)土壤發(fā)生系統(tǒng)中屬于栗鈣土