古土壤：沉積環(huán)境和古氣候變化的靈敏指針

陳留勤，劉鑫，李鵬程

1.東華理工大學(xué)省部共建核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，南昌 330013

2.山東科技大學(xué)山東省沉積成礦作用與沉積礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266590

3.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，南昌 330013

0 引言

土壤的物理、化學(xué)特征與它們形成時(shí)期的氣候和環(huán)境條件密切相關(guān)[1]，這啟發(fā)人們借助古土壤認(rèn)識(shí)古代的類似關(guān)系并提出有效的替代指標(biāo)，從而在更長的時(shí)間尺度上解釋古氣候條件。古土壤作為沉積地層的一部分，在形成過程中長期與當(dāng)時(shí)大氣相接觸，受到大氣成分變化的深刻影響，因而其中蘊(yùn)含了豐富的沉積環(huán)境和古氣候信息，是重建古氣候的良好載體[2-8]。陸相沖積地層序列中的古土壤更是古氣候變化的靈敏記錄者[9-11]。可以說，古土壤為更好地認(rèn)識(shí)古代沉積環(huán)境和氣候變化提供了一個(gè)獨(dú)特的窗口。

古土壤(paleosol或fossil soil)是指形成于古代地貌景觀中的土壤[9]，廣泛發(fā)育在從太古代到新生代不同沉積環(huán)境的碎屑巖[9]和碳酸鹽巖[12]中，反映了地層記錄中的沉積間斷或不整合[9]。古土壤是地形、沉積物組成、母巖、時(shí)間、生物、水文、相對(duì)物源區(qū)的盆地位置和氣候的綜合產(chǎn)物，蘊(yùn)含豐富的古環(huán)境、古氣候、古植被與古水文信息[13]。因此，通過古土壤類型和特征的研究可以反演古氣候和古景觀、沉積環(huán)境變化及其控制因素[7,10-11,14-16]。中國第四紀(jì)黃土—土壤序列研究成果顯著[3-4,17-18]，國際上基于古土壤的古環(huán)境和古氣候研究幾乎涉及從太古代到新生代的不同地質(zhì)時(shí)期，而且顯示了與全球地質(zhì)事件的密切聯(lián)系[19]。然而，相比之下，中國對(duì)前第四紀(jì)地層記錄中的古土壤研究成果還比較少，主要集中在松遼盆地[20-22]、膠萊盆地[23-24]、四川盆地[25-26]及浙閩贛粵地區(qū)的白堊系[27-30]，對(duì)其余漫長地球歷史時(shí)期沉積地層中的古土壤研究就更少了?？梢?，中國前第四紀(jì)沉積地層中的古土壤研究充滿了機(jī)遇。本論文即是對(duì)古土壤研究的一個(gè)綜述，旨在拋磚引玉，引起國內(nèi)更多沉積學(xué)工作者關(guān)注古代沉積地層中的古土壤，為更好地理解古代地球環(huán)境變化提供證據(jù)。

1 古土壤識(shí)別特征及埋藏后的變化

古土壤代表地層記錄中的沉積間斷[9]，因而具有地層劃分對(duì)比意義[31]。地表生物活躍，所以在古土壤中經(jīng)常能觀察到植物根孔和動(dòng)物穴居的痕跡[2]。古土壤還具有土壤發(fā)生層次、土壤構(gòu)造及土壤新生體和根圈等特點(diǎn)，顯微鏡下可觀察到土壤壘結(jié)結(jié)構(gòu)、黏粒膠膜、成土碳酸鹽巖與鐵錳氧化物淀積等特點(diǎn)。土壤埋藏后發(fā)生的變化主要包括：有機(jī)質(zhì)分解和潛育化、鐵氧化物和氫氧化物變紅、原生孔隙膠結(jié)、壓實(shí)、蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化、火山碎屑巖的沸石化和綠鱗石化、泥炭煤化、干酪根成熟和裂解、碳酸鹽重結(jié)晶、變質(zhì)作用等，導(dǎo)致許多埋藏的古土壤具有與現(xiàn)代地表土壤不同的特征[13]。同時(shí)，這些變化可以使古土壤外觀發(fā)生明顯變化而增加了古土壤鑒別和解釋的難度。但是，許多物理特征(如土壤發(fā)生層和根跡)在深埋藏過程中可保存至綠片巖相變質(zhì)級(jí)別[2]，所以在古老的沉積巖序列中?？捎^察到土壤發(fā)生層和根跡等特征[5,14]。

土壤埋藏后，有機(jī)質(zhì)很快被分解，松軟易脆的土壤由于方解石、石膏、赤鐵礦和二氧化硅等膠結(jié)物的沉淀而轉(zhuǎn)化為沉積巖石序列中堅(jiān)硬的古土壤[2]。古土壤中的成土層常被侵蝕，而B層一般都能被很好地保存下來(圖1)，因而常被作為古土壤類型識(shí)別的診斷層。三種常見的B層包括鈣質(zhì)淀積層(Bk層)、黏土層(Bt層)和三氧化二物層(Bo層)，但它們通常是不同成因的、相互獨(dú)立存在的。B層對(duì)古氣候研究具有十分重要的意義，許多古氣候替代指標(biāo)就是來自對(duì)古土壤B層的研究。實(shí)際上，現(xiàn)代土壤和古土壤的B層通常由不同類型的物質(zhì)或成土構(gòu)造組成，這些特征可以用于解釋土壤形成時(shí)期的氣候或環(huán)境條件。

在古土壤識(shí)別中，對(duì)土壤發(fā)生層、根跡、新生體、微觀形態(tài)等的觀察是十分有用的[8,29-30]。不同的古土壤類型形成于不同的古氣候條件[32]。古土壤中的鈣質(zhì)結(jié)核、淀積黏土、滑擦面、根跡、潛穴等都是古氣候解釋的重要觀察對(duì)象[2,13]。雖然第四紀(jì)以前的古土壤可能經(jīng)歷了較長時(shí)間的風(fēng)化和改造，但只要采集到新鮮樣品(比如使用鑿子或刻槽取樣機(jī)在古土壤剖面上向下深挖20 cm以上)，古土壤仍然是古氣候研究的重要對(duì)象。

在美國懷俄明州Green River盆地的東北部，始新世早期Wasatch組形成于大型內(nèi)陸古湖泊邊緣的沖積扇和河流沉積環(huán)境[33]。在該組中發(fā)育100余個(gè)保存完好的淺埋藏古土壤露頭剖面，可以劃分為原生土、泥質(zhì)土和潛育土。其中，Honeycomb成土類型(泥質(zhì)土)保存十分完好，成土特征完整而且在空間上十分穩(wěn)定(圖2)。Honeycomb古土壤發(fā)育厚度240～260 cm，A層深度可達(dá)60 cm，通常植物根跡和動(dòng)物潛穴發(fā)育，由細(xì)粒古土壤物質(zhì)組成，顯示淺紅色調(diào)，有機(jī)碳含量高(約0.2%)。在有機(jī)碳含量低的淡紅色—紫色粉砂—黏土古土壤中，B層可以分為3個(gè)亞層(Bg，Bt，Bk)，鑒別特征分別為氧化還原潛育作用(Bg)、黏土滑擦面(Bt)、鐵—錳覆蓋層和成土碳酸鹽巖結(jié)核(Bk，發(fā)育在約230 cm深度的位置)。Honeycomb古土壤的C層以細(xì)?！至?、灰色—綠色物質(zhì)的混合為特點(diǎn)，屬于受成土作用影響微弱的越岸沉積物[33]。

圖1 典型現(xiàn)代土壤剖面和古土壤剖面對(duì)比Fig.1 Comparison of the ideal modern soil and paleosol profiles[7][7]

圖2 美國Green River盆地始新世早期Wasatch組古土壤剖面[33]Fig.2 Paleosol profile of the Early Eocene Wasatch Formation in the Green River Basin, USA[33]

2 古土壤對(duì)沉積環(huán)境變化的靈敏響應(yīng)

2.1 沉積方式、沉積物供應(yīng)和氣候

陸相沖積沉積物不僅包含河流體系如何響應(yīng)氣候變化的信息，而且可以提供氣候隨時(shí)間發(fā)生變化的細(xì)節(jié)[34]。氣候通過控制植被和風(fēng)化作用，間接控制著源區(qū)提供沉積物的產(chǎn)量和性質(zhì)[35-36]。一般來說，在冰期(干冷)氣候條件下，因?yàn)橹脖粶p少，河流上游搬運(yùn)能力下降，粗粒沉積物主要保留在源區(qū)附近，導(dǎo)致沉積物供應(yīng)量減少、盆地位置沉積物粒度變細(xì)，在泛濫平原中顯示為較少的決口砂體沉積。而在間冰期(濕熱)氣候條件下，植被增加，上游河流搬運(yùn)能力增強(qiáng)，粗粒沉積物被攜帶到下游地區(qū)發(fā)生沉積而形成更常見的沖積層，同時(shí)在泛濫平原中決口沉積則更為發(fā)育[37]。

美國懷俄明州Bighorn盆地北部Polecat Bench地區(qū)Willwood組古土壤就記錄了PETM(Paleocene-Eocene Thermal Maximum)事件高分辨率氣候變化過程[11]。在PETM事件主體時(shí)期，在河道以外的沉積環(huán)境，慢速沉積物堆積和更少的砂質(zhì)沉積物對(duì)應(yīng)于氣溫最高、最干燥及季節(jié)性干燥最明顯的古氣候條件。古氣候向干燥和季節(jié)性干燥的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致源區(qū)和沉積盆地植被覆蓋減少，從而促進(jìn)侵蝕作用發(fā)生和沉積物供應(yīng)，但是由于降水量減少，源區(qū)供水降低導(dǎo)致多數(shù)沉積物保留在河流體系的上游而不是搬運(yùn)到盆地區(qū)。這就形成在剖面上厚層密集的古土壤被相對(duì)稀疏的薄層決口沉積物分隔的沉積現(xiàn)象。在PETM事件結(jié)束之后，氣候向濕潤轉(zhuǎn)變，源區(qū)供水量增加導(dǎo)致大量沉積物搬運(yùn)到盆地區(qū)發(fā)生沉積，加積速率提高，河道決口頻發(fā)，最終形成薄層古土壤被厚層決口沉積物分隔的剖面結(jié)構(gòu)[11]。

2.2 地層劃分和對(duì)比意義

古土壤發(fā)育可以反映基準(zhǔn)面的升降變化，它代表一個(gè)特殊的沉積(時(shí)期)界面，是沉積環(huán)境變遷的良好證據(jù)，因而古土壤具有地層劃分和對(duì)比的重要作用[38-46]。對(duì)于以河流動(dòng)力過程為主的陸相沉積地層，層序的低水位體系域由下切河谷中的多期河道疊置砂體充填及河流階地高成熟度的古土壤層組成；而在高水位體系域形成時(shí)期，可容納空間增長速率和泛濫平原加積速率降低，河道砂體密度向上逐漸增大，可以形成較多土壤層[31,47]。

Kraus[48]認(rèn)為古土壤隨盆地沉降速率及決口頻率和加積速率之間的關(guān)系而發(fā)生變化，她建立的模型可以為地層結(jié)構(gòu)的控制因素提供更加清晰的認(rèn)識(shí)。Macketal.[45]將新墨西哥中南部下二疊統(tǒng)Abo段河間和河流階地古土壤與低位河流沉積物中的古土壤進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)前者古土壤包括明顯的成土作用特征，與排水良好的河間或河流階地的初始發(fā)育階段相吻合。由于較高的加積速率，充填于下切河谷中的低位河流沉積物中的古土壤成熟度則較低。因此，古土壤發(fā)育情況可以為層序界面和體系域解釋提供關(guān)鍵證據(jù)，進(jìn)而有助于進(jìn)行層序地層分析。

3 定量重建古氣候的古土壤替代指標(biāo)

古土壤不僅可以用來定性解釋古環(huán)境和古氣候，還可以定量估算古代年均降水量(MAP)、年均溫度(MAT)以及大氣CO2濃度(pCO2)。當(dāng)前古土壤學(xué)已經(jīng)從與現(xiàn)代土壤的對(duì)比定性研究逐漸走向定量研究[6]。在以古土壤為載體定量恢復(fù)古氣候條件時(shí)，常用的替代指標(biāo)有古土壤鈣積層發(fā)育深度、元素地球化學(xué)特征、成土碳酸鹽巖(pedogenic carbonate)穩(wěn)定同位素等。

3.1 鈣積層發(fā)育深度

在干旱、半干旱與半濕潤氣候條件下，碳酸鹽礦物會(huì)在土壤剖面的一定深度聚集形成鈣積層(Bk層)，古土壤剖面中Bk層的深度與土壤形成過程中的區(qū)域年降水量之間具有密切聯(lián)系。Retallack[49]基于世界不同地區(qū)807個(gè)現(xiàn)代土壤數(shù)據(jù)提出了Bk層深度(D，cm)與MAP(P, mm)之間的關(guān)系式：P=137.24 + 6.45D-0.013D2(R2=0.52, S.E.=±147 mm)，得到廣泛應(yīng)用(如文獻(xiàn)[50-52])。但是，該公式的古土壤數(shù)據(jù)來自高原、山區(qū)、平原和極地，沒有考慮地形差異和溫度變化對(duì)Bk層形成深度的影響，同時(shí)由于缺乏某些土壤類型(比如變性土)的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致其不適用于變性土的MAP估算[6]。

國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了這方面的研究。趙景波[53]基于15個(gè)土壤剖面的數(shù)據(jù)提出CaCO3淀積深度(x，m)與年均降水量(y，mm)之間的關(guān)系式：y=305x+168.5(r=0.96)。潘園園等[54]根據(jù)中國北方48個(gè)土壤剖面的鈣積層深度(D，cm)與年均降水量(P，mm)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到關(guān)系式：P=68.5 + 12.06D- 0.069D2(R2=0.73, S.E.=±89 mm)，由該公式計(jì)算四川盆地中部和遼寧金嶺寺—羊山盆地早白堊世MAP為193～376 mm(平均270 mm)，與利用Retallack[49]的公式計(jì)算結(jié)果(200～325 mm，平均256 mm)接近[52]。但是，由于潘園園等[54]的公式數(shù)據(jù)主要來自中國，因而其結(jié)果可能更為可信，但其用于我國MAP估算的精確度還有待進(jìn)一步驗(yàn)證[55]。

3.2 元素地球化學(xué)特征

古土壤主量元素含量比值可以作為評(píng)價(jià)化學(xué)風(fēng)化程度和成土作用的重要指標(biāo)(表1，2)。比如Na2O/K2O指示鹽化，(CaO + MgO)/Al2O3指示鈣化，F(xiàn)eO/Fe2O3指示氧化，Al2O3/SiO2指示黏土化，Al2O3/(CaO + MgO + Na2O + K2O)代表堿飽和度[13,19]，化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)反映了含鋁硅酸鹽礦物風(fēng)化為黏土礦物的程度[56]。根據(jù)古土壤的成土特征和元素比值，將在相似的古環(huán)境和古氣候條件下形成的古土壤剖面歸為一種成土類型(pedotype)[13]。

古土壤樣品微量元素可用于評(píng)價(jià)風(fēng)化強(qiáng)度、淋濾作用及物源(表1)。最常用的微量元素比值為Ba/Sr，它反映了風(fēng)化過程中的淋濾作用，Ba/Sr值越高，淋濾越強(qiáng)[57]。在一個(gè)強(qiáng)烈淋濾的古土壤剖面中，下部Ba/Sr值比頂部高。U和Th在風(fēng)化過程中相對(duì)穩(wěn)定，成土過程中U被淋濾而Th保留，導(dǎo)致古土壤上部U/Th值比母巖低，指示強(qiáng)烈風(fēng)化程度和較大的氧化還原梯度；如果由于淋濾作用U被重新分配，U/Th值應(yīng)該在Bw或Bt層最高，而且比母巖高[57]。另外，在風(fēng)化過程中Nb是典型的難溶元素，可作為物質(zhì)平衡計(jì)算的難溶指數(shù)元素，評(píng)價(jià)成土過程中其他元素的遷移[6]。

利用古土壤主量元素估算MAP和MAT是定量評(píng)價(jià)古氣候條件的重要途徑(表2)。Sheldonetal.[58]基于北美126個(gè)土壤樣品的主量元素?cái)?shù)據(jù)得到古土壤去鉀化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA-K)與年均降水量(P，mm)之間的關(guān)系式：P=221.12e0.0197(CIA-K)(R2=0.72, S.E.=±182 mm。CIA-K=100 × Al2O3/(Al2O3+ CaO + Na2O))。該式表明降水量越大，化學(xué)風(fēng)化程度越強(qiáng)烈，可適用的MAP范圍為200～1 600 mm。然而，該公式不適用于CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3%的古土壤[51]。Sheldonetal.[58]還提出了另外兩個(gè)關(guān)系式：P=-259.34 ln((CaO + MgO+ Na2O + K2O)/Al2O3) + 759.05(R2=0.66, S.E.=±235 mm)；針對(duì)軟土，P=-130.93 ln(CaO/Al2O3) + 467.4(R2=0.59, S.E.=±156 mm)。同時(shí)，Sheldonetal.[58]提出MAT與鹽化(S=(K2O + Na2O)/Al2O3)之間的關(guān)系式：T=-18.516S+17.298(S.E.=±4.4 ℃,R2=0.37)，可適用的溫度范圍為2～20℃。但是，這幾個(gè)公式在沼澤、沙漠、風(fēng)化強(qiáng)烈的熱帶地區(qū)以及人類活動(dòng)影響的地區(qū)或山區(qū)土壤中并不適用[6,58]。

表1 古土壤分子風(fēng)化作用和成土作用比值簡表[6]Table 1 A brief summary of molecular weathering and pedogenesis ratios of paleosols[6]

表2 評(píng)價(jià)成土作用過程和古氣候的常見古土壤指數(shù)Table 2 Common paleosol indices for estimation of pedogenic processes and paleoclimate

近年來，一些學(xué)者對(duì)某些古土壤類型提出了專門的MAT和MAP計(jì)算公式。Sheldon[57]針對(duì)始成土提出MAT與黏土礦化(C=Al2O3/SiO2)之間的關(guān)系式：T=46.94C+3.99(S.E.=±0.6 ℃,R2=0.96)，比Sheldonetal.[58]的公式精確度更高。Gallagheretal.[59]針對(duì)富黏土古土壤提出古土壤風(fēng)化指數(shù)(PWI)與溫度(T，℃)之間的關(guān)系式：T=-2.74×ln(PWI)+21.39(R2=0.57, S.E.=±2.1 ℃)。其中，PWI=100×[(4.20×Na)+(1.66×Mg)+(5.54×K)+(2.05×Ca)]。該古溫度計(jì)不適用于PWI超過60的古土壤，根據(jù)PWI計(jì)算的溫度范圍為8 ℃～36 ℃。Nordtetal.[60]根據(jù)14個(gè)變性土剖面數(shù)據(jù)(MAP=267～1 473 mm)，以鈣—鎂風(fēng)化指數(shù)(CALMAG)代替CIA-K獲得新的關(guān)系式：P=22.69 CALMAG-435.8(R2=0.90，S.E.=±108 mm)。其中，CALMAG=Al2O3/(Al2O3+CaO+MgO)×100。

雖然古土壤專家根據(jù)實(shí)際研究案例總結(jié)出了上述多種計(jì)算古代MAP和MAT的經(jīng)驗(yàn)公式，為根據(jù)古土壤替代指標(biāo)進(jìn)行地史時(shí)期古氣候的定量評(píng)價(jià)做出了巨大貢獻(xiàn)。但是需要注意的是，由于地球環(huán)境變化本身的復(fù)雜性，估算MAP和MAT的替代指標(biāo)本身存在一定的適用范圍(表3,4)。

表3 估算MAP的常見形態(tài)學(xué)和地球化學(xué)替代指標(biāo)簡表Table 3 Common morphological and geochemical proxiesand their applicability for estimation of MAP

3.3 成土碳酸鹽巖穩(wěn)定同位素

溫暖氣候常伴隨pCO2上升，而氣候變冷則與pCO2降低有關(guān)[13]。近年來，來自古植物和古土壤的證據(jù)表明，白堊紀(jì)pCO2總體較高，具有白堊紀(jì)早期相對(duì)較低、中期最高、晚期逐漸降低的演化趨勢(shì)，期間的幾次快速變化與大洋缺氧事件和白堊紀(jì)末期生物災(zāi)變事件有關(guān)[69]。方解石是現(xiàn)代土壤和古土壤中最常見的碳酸鹽礦物，常以鈣質(zhì)結(jié)核形式產(chǎn)出，是季節(jié)性降水的良好標(biāo)志[7]，其穩(wěn)定同位素組成記錄了碳酸鹽巖形成過程的環(huán)境信息[49]。利用成土碳酸鹽巖碳、氧同位素估算地史時(shí)期pCO2的研究已經(jīng)展開[22,25,28]。該項(xiàng)研究需要分辨土壤中繼承性碳酸鹽巖和成土過程形成的次生碳酸鹽巖[70]。

表4 常用的MAT地球化學(xué)替代指標(biāo)Table 4 Common geochemical proxies and their applicabilityfor estimation of MAT

目前，主要是利用Cerling[71-72]提出的關(guān)系式計(jì)算古大氣CO2濃度：pCO2(mg/m3)=Pr (δ13Cs-1.0044δ13Cr - 4.4)/(δ13Ca - δ13Cs)，Pr為土壤呼吸CO2濃度(mg/L)，δ13Cs、δ13Cr、δ13Ca為土壤CO2、土壤呼吸CO2和大氣CO2的穩(wěn)定碳同位素組成。土壤碳酸鹽巖的氧同位素組成與大氣降水的氧同位素組成有關(guān)，而后者又與MAT相關(guān)[73]。因此，Dworkinetal.[73]提出古土壤中方解石的δ18Occ與大氣溫度(T，K)之間的關(guān)系式：T=(δ18Occ + 12.65)/0.49。但是該公式?jīng)]有考慮區(qū)域降水和土壤水δ18O的變化及蒸發(fā)作用導(dǎo)致的降水δ18O改變等因素，因而其應(yīng)用受到限制[6]。

在根據(jù)成土碳酸鹽巖穩(wěn)定同位素進(jìn)行古氣候重建時(shí)，需要注意這幾個(gè)問題：一是需要考慮沉積速率很慢和成土碳酸鹽巖沉淀于兩種以上氣候條件的情況；二是土壤礦物氧同位素組成比碳同位素更易受到成巖作用的影響；三是應(yīng)該考慮沉積環(huán)境的水文學(xué)條件，注意區(qū)分成土特征和成巖特征[9]。另外，土壤中碳酸鈣的沉淀具有明顯的季節(jié)性，因而基于年均值的假設(shè)可能是錯(cuò)誤的[74]，在不同條件下取土壤CO2值為2 500 mg/L過于簡單化[75]。土壤CO2濃度變化很大，在不同土壤和不同深度都有差別[74]。Retallack[76]提出土壤呼吸CO2(Pr，mg/L)和Bk層深度(Ds，cm)之間的關(guān)系式：Pr=66.7Ds + 588(R2=0.80, S.E.=±893 mg/L)，它融合了土壤生產(chǎn)力、孔隙度及其他變量，因而可能提供更高分辨率的pCO2估算[25,75]。

近年來，耦合同位素溫度計(jì)(clumped isotope thermometry)的出現(xiàn)為利用古土壤碳酸鹽巖重建成土作用時(shí)期的古海拔、古溫度展示了良好的應(yīng)用前景[77]。Δ47的溫度獨(dú)立于成土碳酸鹽巖生長的水的同位素組成[78]，因而極大地提高了該溫度計(jì)的可信度。比如，Zhangetal.[24]利用山東膠萊盆地晚白堊世王氏群古土壤碳酸鹽巖耦合同位素(Δ47)估算古溫度為(21.6 ± 4.9) ℃，推測(cè)膠萊盆地晚白堊世(約80 Ma)古海拔大于或等于2 000 m，進(jìn)一步證實(shí)晚白堊世時(shí)期中國東部沿岸山系[79]的存在。

從以上綜述可以看出，與國際研究相比，國內(nèi)對(duì)第四紀(jì)以前沉積地層中的古土壤研究較少，近年來才開展相關(guān)工作，比如甘肅白銀上泥盆統(tǒng)[80]、河北南部石炭—二疊系[43]、新疆博格達(dá)南緣二疊系[81]、河南濟(jì)源上三疊統(tǒng)[82]?？上驳氖?，白堊紀(jì)陸相沉積中的古土壤已經(jīng)逐漸引起了國內(nèi)沉積學(xué)家的注意，包括松遼、膠萊和四川盆地在內(nèi)的中東部地區(qū)白堊紀(jì)古土壤研究已經(jīng)取得了顯著成果。例如，基于古土壤詳細(xì)定性描述的古氣候討論[14,20,27]、Bk層深度與MAP估算[52,54]、古土壤元素地球化學(xué)與MAP估算[26]、成土碳酸鹽巖穩(wěn)定同位素與MAT和pCO2估算[23,25-26,28,52]。以古土壤為載體，這些研究說明在白堊紀(jì)溫室氣候背景下發(fā)生過數(shù)次氣候波動(dòng)事件，為重建該時(shí)期高分辨率古氣候變化提供了重要證據(jù)。

4 江西上白堊統(tǒng)圭峰群紅層中的古土壤

江西永崇(永豐—崇仁)盆地和信江盆地為中國東南地區(qū)晚中生代地殼伸展拉張背景下形成的陸相斷陷盆地[83]，晚白堊世圭峰群陸相紅層自下而上劃分為河口組、塘邊組和蓮荷組。圭峰群三個(gè)組的沉積體系變化，不僅與斷陷盆地的構(gòu)造格局和盆緣斷層活動(dòng)及其導(dǎo)致的物源變化有關(guān)，而且與古氣候變化相關(guān)[84]。構(gòu)造決定了沉積物可容納空間和相帶發(fā)育位置，古氣候則可影響沉積序列的細(xì)節(jié)(如成分、粒度、沉積構(gòu)造等)。河口組沉積時(shí)期，源區(qū)供水豐富，沉積物供應(yīng)充足，河流主導(dǎo)的沖積扇沉積體系反映了Coniacian-Santonian期半濕潤的古氣候條件。Campanian時(shí)期，古氣候的干旱化導(dǎo)致植被覆蓋減少，化學(xué)風(fēng)化程度降低，粗粒沉積物供應(yīng)減少，結(jié)果在塘邊組中形成細(xì)粒沉積物為主的干鹽湖沉積環(huán)境，并在相鄰的信江盆地形成風(fēng)成沙丘，代表了極度干燥氣候條件下的沙漠沉積體系[85]。這種沉積背景導(dǎo)致塘邊組沉積時(shí)期經(jīng)常發(fā)生暴露，古土壤發(fā)育，保存有豐富的鈣板層、鈣質(zhì)結(jié)核、動(dòng)物潛穴遺跡、植物根跡、淺灰綠色暈斑、泥裂構(gòu)造等(圖3)。

圭峰群沉積末期(Maastrichtian期)，即蓮荷組沉積時(shí)期，古氣候可能向濕冷轉(zhuǎn)變，降水量增加，暴雨天氣洪水?dāng)y帶大量泥沙物質(zhì)形成泥石流主導(dǎo)的沖積扇沉積體系。同時(shí)，在泛濫平原沉積區(qū)，由于古氣候的干濕變化，也可形成鈣質(zhì)結(jié)核和鈣板層，質(zhì)地堅(jiān)硬，遇稀鹽酸強(qiáng)烈起泡，為古土壤淋溶淀積的產(chǎn)物。因此，圖3E為由上部黏化層和下部淀積層構(gòu)成的紅色古土壤發(fā)生層，土壤黏化層底界之下即為鈣質(zhì)淀積層，與廣東南雄盆地白堊系紅層中的古土壤[30]相似，所以蓮荷組沉積的某一時(shí)期年均降水量可能低于600 mm。

圖3 江西信江盆地晚白堊世圭峰群紅層中的古土壤發(fā)育特征Fig.3 Paleosol features in the Late Cretaceous redbeds of the Guifeng Group in the Xinjiang Basin of Jiangxi province

另外，在江西信江盆地貴溪、弋陽一帶的塘邊組古土壤中采集到一批鈣質(zhì)結(jié)核(成土碳酸鹽巖)樣品，鈣質(zhì)含量高、質(zhì)地堅(jiān)硬、無裂隙充填，遇稀鹽酸強(qiáng)烈起泡。根據(jù)其穩(wěn)定同位素測(cè)試結(jié)果估算的pCO2為782～1 420 mg/L，平均值為1 181 mg/L，指示了干旱炎熱的古氣候條件，以及晚白堊世Campanian晚期(約75 Ma)存在一個(gè)pCO2高值[86]。

隨著研究的深入，近期在中國東南地區(qū)的江西石城、廣東南雄白堊系陸相紅層中識(shí)別出保存有大量鈣質(zhì)結(jié)核和鈣板層的古土壤，而改變了之前湖底沉積的認(rèn)識(shí)，研究認(rèn)為古降水量不超過600 mm，為干旱地表氧化條件下經(jīng)成土作用形成的紅色古土壤序列，指示了地表高溫干旱氧化沉積環(huán)境[29-30]。這些研究結(jié)果為更準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)中國東南地區(qū)白堊紀(jì)沉積環(huán)境、古氣候和古地理具有重要意義。

5 結(jié)論

古土壤作為沉積地層記錄的一部分，廣泛存在于從太古代至第四紀(jì)的沉積序列中。古土壤保存有靈敏的古代沉積環(huán)境和氣候變化信息，對(duì)古土壤形態(tài)、礦物組成、地球化學(xué)的研究可以獲得有關(guān)氣候環(huán)境變化的定性和定量證據(jù)。因此，古土壤為揭示地球歷史時(shí)期發(fā)生的重要地質(zhì)事件打開了另一扇窗戶。由于古土壤代表一個(gè)沉積作用間斷面，因而它是地層劃分、對(duì)比的良好標(biāo)志?；诠磐寥赖牡貙訉W(xué)、地質(zhì)年代學(xué)和古氣候?qū)W研究可以為提高對(duì)區(qū)域或全球氣候變化歷史的認(rèn)識(shí)和理解。然而，在假設(shè)的某種古環(huán)境條件下適用的那些古氣候參數(shù)計(jì)算公式，未來還需要從其他手段、方法進(jìn)行驗(yàn)證。

中國幅員廣闊，前期區(qū)域地質(zhì)調(diào)查及科研院校的研究已經(jīng)基本建立了各個(gè)地區(qū)的巖石地層格架，恢復(fù)了主要地質(zhì)時(shí)期的沉積古地理面貌，為礦產(chǎn)資源勘查提供了重要依據(jù)，同時(shí)也為前第四紀(jì)地層記錄中的古土壤調(diào)查及基于古土壤的古環(huán)境、古氣候研究奠定了良好的地質(zhì)基礎(chǔ)。古土壤的識(shí)別、形態(tài)描述、分類及地球化學(xué)研究又可以為更清晰地認(rèn)識(shí)地質(zhì)歷史時(shí)期的沉積環(huán)境、古地理、古氣候提供重要證據(jù)。古土壤元素地球化學(xué)和成土碳酸鹽巖同位素分析為定量重建古代沉積環(huán)境和氣候條件提供了重要途徑，我國對(duì)松遼、四川和膠萊盆地白堊紀(jì)古土壤和古氣候研究已經(jīng)取得顯著成效。因此，國內(nèi)根據(jù)古土壤進(jìn)行沉積環(huán)境和古氣候的研究充滿機(jī)遇。

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