25ma以来中国黄土中的复合古土壤

25ma以来中国黄土中的复合古土壤

在中国黄土区，四季气候的交替反映了沉积和成土过程的交替。近年来，黄土层研究取得了重要进展。在2.5km以外，发现至少有37个大的土壤层单元，并在空间上进行了比较。当时，从地层学的角度来看，发育程度较低于当地新兴土壤的古土壤，而旧土壤的多周期特征并不考虑在不同的成层期形成的复合古土壤。这种古老的土壤作为一个地层单元，实际上代表着不同的气候阶段。气候事件的鉴别和地层单位的划分是两个不同的概念.随着古气候研究的进一步深入,鉴别各种时间尺度的气候事件对理解气候演化及其动力因素和过程显得越来越为重要.虽然全新世土壤S0在类型上与其他古土壤不同,但发育程度相当高.那些发育程度低于S0的古土壤及复合古土壤的组成单位虽不宜作为独立地层单位,但代表了独立而重要的气候事件.鉴别这些事件不仅对第四纪成壤理论有重要意义,而且对理解古气候的内外动力作用、分析不同区域对气候驱动因子响应过程中的复杂性和敏感性、区域和远距离地层对比等都有十分重要的意义.对2.5Ma以来古土壤的复合特性及黄土地层单位中的古土壤还没有系统的调查.本文基于渭南剖面,用微形态学方法,结合游离铁(CBD法分离)和总铁比值、磁化率,对2.5Ma以来的成壤事件进行鉴别.该剖面与宝鸡标准剖面处于同一地区,根据磁性地层结果和黄土地层对比中普遍采用的标志层,可以将两剖面37个大的土壤地层单位很好地对比.在区分黄土与其中发育较弱的古土壤时,我们定义古土壤的标准是:具清晰的土壤发生学层次(往往为AC-Ca-C,B-Ca-C型,少数为Bt-Ca-C)和土壤结构,在颜色上明显区别于上下黄土层(黄土色调一般为10YR,古土壤至少为7.5YR).1土壤的复合方式根据复合特性和所在层位,可以将渭南古土壤归纳为4大类.(1)三周期复合土壤(tricyclicpaleosols):包括S1和S3两个地层单元.S1由三层不同颜色和结构的土壤复合组成,由上到下可鉴别出ⅠAC-ⅠCa(ⅡBlt)-ⅡB2t-ⅡB3t(ⅡAB)-ⅢBt-ⅢCaC的发生层序列,即第一层土壤的钙积层(Ca)占据了第二层土壤粘化层的上部(Blt),而第二层土壤粘化层的下部(B3t)是在最下一层土壤AB层上发育起来的.这种叠置关系在微形态上十分清楚:ICa(ⅡBlt)层含有和下伏ⅡB2t层同样的暗褐色粘粒胶膜,其上覆盖了大量碳酸盐包膜,基质亦为微晶碳酸盐所浸染.胶膜显然是第二层古土壤的产物,而碳酸盐特征则来自上覆IAC层的脱钙作用.在ⅡB3t(ⅢAB)层中,基质含有大量铁质化木炭碎屑,是古土壤表层(AB)典型的微形态特征,而其中与ⅡB2t中相同的暗褐色粘粒胶膜则是第二层古土壤成壤时的产物.此外,胶膜在ⅡB2t和ⅢBt中含量达到最大值(5%),且前者为暗褐色,后者为棕红色,是不同环境的产物.上述特征清楚地揭示出S1经历了3次相对暖湿的成壤期,被两次较干冷的粉尘堆积期所分隔,代表了5个不同的气候阶段.S3的复合形式和S1类似,它们的复合特性在Fed/Fet比值及磁化率上均有较清晰的反映(图1).值得指出的是,上述两个三周期土壤在不少地区以三层单周期土壤的形式出现.这种空间可对比性说明渭南剖面对成壤事件记录的完整性,且在黄土高原具普遍意义.(2)双周期复合土壤(bicyclicpaleosols):包括S7,S9,S10,S25和S30.在宏观形态上,它们以ⅠB1-ⅠB2-ⅠCa(ⅡB1)-ⅡB2-ⅡCa-C或ⅠB1t-ⅠB2t-ⅠCa(ⅡB1t)-ⅡB2t-Ca-C等形式复合组成,其突出的标志是剖面中部的钙积层,厚度从10～30cm不等.在微形态上,这种钙积层以大量碳酸盐新生体发育于强烈土壤化的基质中为特征.如果土壤为粘淀土,则碳酸盐包膜下或可有粘粒胶膜,是下伏土壤成壤过程的产物,但含量明显低于上覆和下伏Bt层,在剖面上形成所谓“不连续粘化层”,是多周期土壤的典型特征.除S7外,上述复合特性在Fed/Fet比值和磁化率上均有明显反映.这些古土壤记录了两次暖湿的成壤期被一个相对干冷的粉尘堆积期所分隔,代表了3个明显的气候阶段.(3)单周期土壤(monocyclicpaleosols):渭南除上述以外的古土壤均可归入此类.在宏观形态上,它们具B1-B2-Ca-C或B1-B2t-B3-Ca-C等类型的发生层序列,依成壤强度而略具差异,代表了一个气候条件相对稳定的暖湿期.值得指出,渭南S5由三层土壤组成,S2,S6和S12都包含两层土壤,但组成这些地层单元的2～3层古土壤均为薄层黄土所分隔,在发生学上不应列入多周期土壤,但它们在沉积速率较小的地区或侵蚀较强的地区完全有可能以多周期土壤的形式出现.(4)厚层黄土中的古土壤:渭南不少黄土层中,包含着明显的古土壤层.其中L9包含一层,L1,L24和L27中各有两层,L32中包含三层.为讨论方便,我们依其所在层位分别命名为L1SS1,L1SS2,L9SS1,L24SS1,L24SS2等.它们发育程度虽较其它土壤弱,但具有明显的AC-Ca-C或B-Ca-C发生层序列和清晰的土壤结构.色调多为7.5YR级,明显区别于上覆和下伏黄土层(10YR级).有的经历了强烈的红化作用,色调达5YR级(如L24SS1和L32SS1).这些古土壤不一定宜于作为独立地层单位,但反映了整体干冷的冰期内部相对暖湿的气候阶段,在多数古气候替代指标曲线上均有明显反映(图1),且往往与地球轨道岁差或地轴斜度周期对应,因而应作为独立的气候事件区别出来.它们中不少(如L1SS1,L1SS2,L9SS1等)在黄土高原其它地区均有表现,因而具有一定的普遍意义.值得指出的是,在L2,L3,L4,L5,L6和L7黄土层中,虽然磁化率曲线有若干波动,但我们没有在对应层位上发现具清晰发生学层次的古土壤,颜色亦与相邻黄土层没有明显区别,因而暂未作为成壤事件区分出来.微形态研究可以看出这些层位虫孔微结构发育,反映了相对较强的生物活动,代表了稍湿润的气候.不难推测,这些层位在成壤强度更大的地区会发育为清晰的古土壤.综合上述研究,渭南不少古土壤是由两个或3个成壤期所形成的复合土壤,它们作为一个地层单元而代表了多个气候阶段.不少黄土层中包含有清晰的古土壤.2.5Ma以来的渭南黄土中至少记录了56个清晰的成壤期.如果把每个成壤期和相对干冷的粉尘堆积期分别作为一个气候事件,则它们代表了112个以沉积-成壤事件为代表的古气候事件.当然,以此确立一套具广泛意义的事件序列尚为时过早,应对比研究其它地区典型剖面,同时对气候事件在时间和强度上进行等级区分,系统研究其空间变异.但渭南成壤事件的空间可对比性说明它们具大区域性意义.2土壤的成壤事件与海底的关系参考黄土与深海的对比方案,许多成壤事件和深海δ18O记录有较好的对应关系(图1),说明它们亦具全球性意义.虽然过去已将1.8Ma以来黄土与深海进行了对比,但由于二者都缺乏足够的绝对年代控制,0.9Ma以前部分的对比只能期望大旋回上是正确的.因此,我们仅据SPECMAP氧同位素曲线,对阶段21以上部分进行对比.L1中的两层土壤与阶段3中的双峰相呼应.S1记录了3次成壤期被两个干冷期间隔,与阶段5有很好的一致性.末次间冰期以来共有6个成壤期,据绝对年代,它们以准20ka周期出现,不仅与深海记录一致,而且和岁差的变化对应良好,反映了岁差变化对季风气候的驱动效应.S2的两层土壤与阶段7的两个高峰有很好的一致性.三周期土壤S3对应的阶段9可区分出明显的3个高峰.复合古土壤S6和S7在对应的阶段17和19中也有明确的反映.更老的大部分成壤事件和深海也有较好的对应关系.这与全球冰量变化对季风气候的控制作用是分不开的.当然,我们不能期望将黄土