25ma以來中國(guó)黃土中的復(fù)合古土壤

25ma以來中國(guó)黃土中的復(fù)合古土壤

在中國(guó)黃土區(qū)，四季氣候的交替反映了沉積和成土過程的交替。近年來，黃土層研究取得了重要進(jìn)展。在2.5km以外，發(fā)現(xiàn)至少有37個(gè)大的土壤層單元，并在空間上進(jìn)行了比較。當(dāng)時(shí)，從地層學(xué)的角度來看，發(fā)育程度較低于當(dāng)?shù)匦屡d土壤的古土壤，而舊土壤的多周期特征并不考慮在不同的成層期形成的復(fù)合古土壤。這種古老的土壤作為一個(gè)地層單元，實(shí)際上代表著不同的氣候階段。氣候事件的鑒別和地層單位的劃分是兩個(gè)不同的概念.隨著古氣候研究的進(jìn)一步深入,鑒別各種時(shí)間尺度的氣候事件對(duì)理解氣候演化及其動(dòng)力因素和過程顯得越來越為重要.雖然全新世土壤S0在類型上與其他古土壤不同,但發(fā)育程度相當(dāng)高.那些發(fā)育程度低于S0的古土壤及復(fù)合古土壤的組成單位雖不宜作為獨(dú)立地層單位,但代表了獨(dú)立而重要的氣候事件.鑒別這些事件不僅對(duì)第四紀(jì)成壤理論有重要意義,而且對(duì)理解古氣候的內(nèi)外動(dòng)力作用、分析不同區(qū)域?qū)夂蝌?qū)動(dòng)因子響應(yīng)過程中的復(fù)雜性和敏感性、區(qū)域和遠(yuǎn)距離地層對(duì)比等都有十分重要的意義.對(duì)2.5Ma以來古土壤的復(fù)合特性及黃土地層單位中的古土壤還沒有系統(tǒng)的調(diào)查.本文基于渭南剖面,用微形態(tài)學(xué)方法,結(jié)合游離鐵(CBD法分離)和總鐵比值、磁化率,對(duì)2.5Ma以來的成壤事件進(jìn)行鑒別.該剖面與寶雞標(biāo)準(zhǔn)剖面處于同一地區(qū),根據(jù)磁性地層結(jié)果和黃土地層對(duì)比中普遍采用的標(biāo)志層,可以將兩剖面37個(gè)大的土壤地層單位很好地對(duì)比.在區(qū)分黃土與其中發(fā)育較弱的古土壤時(shí),我們定義古土壤的標(biāo)準(zhǔn)是:具清晰的土壤發(fā)生學(xué)層次(往往為AC-Ca-C,B-Ca-C型,少數(shù)為Bt-Ca-C)和土壤結(jié)構(gòu),在顏色上明顯區(qū)別于上下黃土層(黃土色調(diào)一般為10YR,古土壤至少為7.5YR).1土壤的復(fù)合方式根據(jù)復(fù)合特性和所在層位,可以將渭南古土壤歸納為4大類.(1)三周期復(fù)合土壤(tricyclicpaleosols):包括S1和S3兩個(gè)地層單元.S1由三層不同顏色和結(jié)構(gòu)的土壤復(fù)合組成,由上到下可鑒別出ⅠAC-ⅠCa(ⅡBlt)-ⅡB2t-ⅡB3t(ⅡAB)-ⅢBt-ⅢCaC的發(fā)生層序列,即第一層土壤的鈣積層(Ca)占據(jù)了第二層土壤粘化層的上部(Blt),而第二層土壤粘化層的下部(B3t)是在最下一層土壤AB層上發(fā)育起來的.這種疊置關(guān)系在微形態(tài)上十分清楚:ICa(ⅡBlt)層含有和下伏ⅡB2t層同樣的暗褐色粘粒膠膜,其上覆蓋了大量碳酸鹽包膜,基質(zhì)亦為微晶碳酸鹽所浸染.膠膜顯然是第二層古土壤的產(chǎn)物,而碳酸鹽特征則來自上覆IAC層的脫鈣作用.在ⅡB3t(ⅢAB)層中,基質(zhì)含有大量鐵質(zhì)化木炭碎屑,是古土壤表層(AB)典型的微形態(tài)特征,而其中與ⅡB2t中相同的暗褐色粘粒膠膜則是第二層古土壤成壤時(shí)的產(chǎn)物.此外,膠膜在ⅡB2t和ⅢBt中含量達(dá)到最大值(5%),且前者為暗褐色,后者為棕紅色,是不同環(huán)境的產(chǎn)物.上述特征清楚地揭示出S1經(jīng)歷了3次相對(duì)暖濕的成壤期,被兩次較干冷的粉塵堆積期所分隔,代表了5個(gè)不同的氣候階段.S3的復(fù)合形式和S1類似,它們的復(fù)合特性在Fed/Fet比值及磁化率上均有較清晰的反映(圖1).值得指出的是,上述兩個(gè)三周期土壤在不少地區(qū)以三層單周期土壤的形式出現(xiàn).這種空間可對(duì)比性說明渭南剖面對(duì)成壤事件記錄的完整性,且在黃土高原具普遍意義.(2)雙周期復(fù)合土壤(bicyclicpaleosols):包括S7,S9,S10,S25和S30.在宏觀形態(tài)上,它們以ⅠB1-ⅠB2-ⅠCa(ⅡB1)-ⅡB2-ⅡCa-C或ⅠB1t-ⅠB2t-ⅠCa(ⅡB1t)-ⅡB2t-Ca-C等形式復(fù)合組成,其突出的標(biāo)志是剖面中部的鈣積層,厚度從10～30cm不等.在微形態(tài)上,這種鈣積層以大量碳酸鹽新生體發(fā)育于強(qiáng)烈土壤化的基質(zhì)中為特征.如果土壤為粘淀土,則碳酸鹽包膜下或可有粘粒膠膜,是下伏土壤成壤過程的產(chǎn)物,但含量明顯低于上覆和下伏Bt層,在剖面上形成所謂“不連續(xù)粘化層”,是多周期土壤的典型特征.除S7外,上述復(fù)合特性在Fed/Fet比值和磁化率上均有明顯反映.這些古土壤記錄了兩次暖濕的成壤期被一個(gè)相對(duì)干冷的粉塵堆積期所分隔,代表了3個(gè)明顯的氣候階段.(3)單周期土壤(monocyclicpaleosols):渭南除上述以外的古土壤均可歸入此類.在宏觀形態(tài)上,它們具B1-B2-Ca-C或B1-B2t-B3-Ca-C等類型的發(fā)生層序列,依成壤強(qiáng)度而略具差異,代表了一個(gè)氣候條件相對(duì)穩(wěn)定的暖濕期.值得指出,渭南S5由三層土壤組成,S2,S6和S12都包含兩層土壤,但組成這些地層單元的2～3層古土壤均為薄層黃土所分隔,在發(fā)生學(xué)上不應(yīng)列入多周期土壤,但它們?cè)诔练e速率較小的地區(qū)或侵蝕較強(qiáng)的地區(qū)完全有可能以多周期土壤的形式出現(xiàn).(4)厚層黃土中的古土壤:渭南不少黃土層中,包含著明顯的古土壤層.其中L9包含一層,L1,L24和L27中各有兩層,L32中包含三層.為討論方便,我們依其所在層位分別命名為L(zhǎng)1SS1,L1SS2,L9SS1,L24SS1,L24SS2等.它們發(fā)育程度雖較其它土壤弱,但具有明顯的AC-Ca-C或B-Ca-C發(fā)生層序列和清晰的土壤結(jié)構(gòu).色調(diào)多為7.5YR級(jí),明顯區(qū)別于上覆和下伏黃土層(10YR級(jí)).有的經(jīng)歷了強(qiáng)烈的紅化作用,色調(diào)達(dá)5YR級(jí)(如L24SS1和L32SS1).這些古土壤不一定宜于作為獨(dú)立地層單位,但反映了整體干冷的冰期內(nèi)部相對(duì)暖濕的氣候階段,在多數(shù)古氣候替代指標(biāo)曲線上均有明顯反映(圖1),且往往與地球軌道歲差或地軸斜度周期對(duì)應(yīng),因而應(yīng)作為獨(dú)立的氣候事件區(qū)別出來.它們中不少(如L1SS1,L1SS2,L9SS1等)在黃土高原其它地區(qū)均有表現(xiàn),因而具有一定的普遍意義.值得指出的是,在L2,L3,L4,L5,L6和L7黃土層中,雖然磁化率曲線有若干波動(dòng),但我們沒有在對(duì)應(yīng)層位上發(fā)現(xiàn)具清晰發(fā)生學(xué)層次的古土壤,顏色亦與相鄰黃土層沒有明顯區(qū)別,因而暫未作為成壤事件區(qū)分出來.微形態(tài)研究可以看出這些層位蟲孔微結(jié)構(gòu)發(fā)育,反映了相對(duì)較強(qiáng)的生物活動(dòng),代表了稍濕潤(rùn)的氣候.不難推測(cè),這些層位在成壤強(qiáng)度更大的地區(qū)會(huì)發(fā)育為清晰的古土壤.綜合上述研究,渭南不少古土壤是由兩個(gè)或3個(gè)成壤期所形成的復(fù)合土壤,它們作為一個(gè)地層單元而代表了多個(gè)氣候階段.不少黃土層中包含有清晰的古土壤.2.5Ma以來的渭南黃土中至少記錄了56個(gè)清晰的成壤期.如果把每個(gè)成壤期和相對(duì)干冷的粉塵堆積期分別作為一個(gè)氣候事件,則它們代表了112個(gè)以沉積-成壤事件為代表的古氣候事件.當(dāng)然,以此確立一套具廣泛意義的事件序列尚為時(shí)過早,應(yīng)對(duì)比研究其它地區(qū)典型剖面,同時(shí)對(duì)氣候事件在時(shí)間和強(qiáng)度上進(jìn)行等級(jí)區(qū)分,系統(tǒng)研究其空間變異.但渭南成壤事件的空間可對(duì)比性說明它們具大區(qū)域性意義.2土壤的成壤事件與海底的關(guān)系參考黃土與深海的對(duì)比方案,許多成壤事件和深海δ18O記錄有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖1),說明它們亦具全球性意義.雖然過去已將1.8Ma以來黃土與深海進(jìn)行了對(duì)比,但由于二者都缺乏足夠的絕對(duì)年代控制,0.9Ma以前部分的對(duì)比只能期望大旋回上是正確的.因此,我們僅據(jù)SPECMAP氧同位素曲線,對(duì)階段21以上部分進(jìn)行對(duì)比.L1中的兩層土壤與階段3中的雙峰相呼應(yīng).S1記錄了3次成壤期被兩個(gè)干冷期間隔,與階段5有很好的一致性.末次間冰期以來共有6個(gè)成壤期,據(jù)絕對(duì)年代,它們以準(zhǔn)20ka周期出現(xiàn),不僅與深海記錄一致,而且和歲差的變化對(duì)應(yīng)良好,反映了歲差變化對(duì)季風(fēng)氣候的驅(qū)動(dòng)效應(yīng).S2的兩層土壤與階段7的兩個(gè)高峰有很好的一致性.三周期土壤S3對(duì)應(yīng)的階段9可區(qū)分出明顯的3個(gè)高峰.復(fù)合古土壤S6和S7在對(duì)應(yīng)的階段17和19中也有明確的反映.更老的大部分成壤事件和深海也有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.這與全球冰量變化對(duì)季風(fēng)氣候的控制作用是分不開的.當(dāng)然,我們不能期望將黃土