古土壤的基本概念 古土壤的古气候意义
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C ecil\uff081990\uff09\u6839\u636e\u5730\u5c42\u4e2d\u53d1\u80b2\u7684\u53e4\u571f\u58e4\u53ca\u5404\u79cd\u5ca9\u77f3\u7c7b\u578b\u7279\u5f81\uff0c\u5efa\u7acb\u4e86\u6c14\u5019\u53d8\u5316\u7684\u6a21\u578b\u3002\u5728\u8be5\u6a21\u578b\u4e2d\uff0c\u5728\u70ed\u5e26\u548c\u4e9a\u70ed\u5e26\uff0c\u5b63\u8282\u6027\u548c\u975e\u5b63\u8282\u6027\u964d\u96e8\u5bf9\u690d\u88ab\u3001\u5ca9\u77f3\u98ce\u5316\u3001\u6c89\u79ef\u7269\u7684\u5265\u8680\u642c\u8fd0\u4ee5\u53ca\u6c89\u79ef\u7269\u5177\u6709\u660e\u663e\u7684\u5f71\u54cd\u3002\u5728\u70ed\u5e26\u96e8\u5b63\u6c14\u5019\u6761\u4ef6\u4e0b\uff0c\u964d\u96e8\u91cf\u8f83\u9ad8\uff0c\u690d\u88ab\u4ee5\u70ed\u5e26\u96e8\u6797\u4e3a\u4e3b\uff0c\u5ca9\u77f3\u88ab\u5f3a\u70c8\u98ce\u5316\uff0c\u6613\u5f62\u6210\u6709\u673a\u571f\u548c\u7816\u7ea2\u58e4\uff0c\u98ce\u5316\u4ea7\u7269\u4e2d\u4ee5\u9ad8\u94dd\u7c98\u571f\u548c\u77f3\u82f1\u4e3a\u4e3b\uff0c\u4f46\u4fb5\u8680\u642c\u8fd0\u4f5c\u7528\u8f83\u5f31\uff1b\u5728\u957f\u6e7f\u77ed\u5e72\u6c14\u5019\u6761\u4ef6\u4e0b\uff0c\u690d\u88ab\u4ee5\u68ee\u6797\u4e3a\u4e3b\uff0c\u4e5f\u53d1\u80b2\u6709\u673a\u571f\u548c\u7816\u7ea2\u58e4\uff0c\u98ce\u5316\u7a0b\u5ea6\u4e3a\u4e2d\u7b49\u5230\u5f3a\u70c8\uff0c\u4fb5\u8680\u642c\u8fd0\u4f5c\u7528\u5f31\u5230\u4e2d\u7b49\uff1b\u5f53\u6c14\u5019\u4e3a\u5e72\u6e7f\u4ea4\u66ff\u65f6\uff0c\u964d\u96e8\u5177\u6709\u660e\u663e\u7684\u5b63\u8282\u6027\uff0c\u690d\u88ab\u4ee5\u8349\u5730\u4e3a\u4e3b\uff0c\u5316\u5b66\u98ce\u5316\u4e2d\u7b49\u5230\u5f31\uff0c\u4f46\u4fb5\u8680\u642c\u8fd0\u4f5c\u7528\u8f83\u5f3a\uff0c\u53ef\u5f62\u6210\u53d8\u6027\u571f\u548c\u6709\u673a\u571f\uff1b\u534a\u5e72\u65f1\u6c14\u5019\u6761\u4ef6\u4e0b\uff0c\u964d\u96e8\u8f83\u5c11\uff0c\u957f\u671f\u5e72\u65f1\uff0c\u690d\u88ab\u4e3a\u6c99\u6f20\u8349\u539f\uff0c\u98ce\u5316\u4f5c\u7528\u8f83\u5f31\uff0c\u4fb5\u8680\u642c\u8fd0\u4f5c\u7528\u4e2d\u7b49\uff0c\u5728\u76f8\u5bf9\u8f83\u6f6e\u6e7f\u7684\u5730\u533a\u53ef\u53d1\u80b2\u53d8\u6027\u571f\uff1b\u5728\u5e72\u65f1\u6c14\u5019\u6761\u4ef6\u4e0b\uff0c\u6781\u5c11\u6709\u964d\u96e8\uff0c\u690d\u88ab\u4ee5\u704c\u6728\u4e1b\u4e3a\u4e3b\uff0c\u98ce\u5316\u4f5c\u7528\u6700\u5f31\uff0c\u4fb5\u8680\u642c\u8fd0\u4f5c\u7528\u4e5f\u6700\u5f31\uff0c\u4e00\u822c\u53d1\u80b2\u65f1\u6210\u571f\uff08\u88685.8\uff09\u3002\u5e76\u8ba4\u4e3a\u7164\u5c42\u53ca\u6dcb\u6eb6\u6027\u571f\u58e4\u53cd\u6620\u4e86\u76f8\u5bf9\u6f6e\u6e7f\u7684\u6c14\u5019\uff0c\u800c\u84b8\u53d1\u6210\u56e0\u7684\u77f3\u7070\u5ca9\u3001\u767d\u4e91\u5ca9\u7b49\u4ee3\u8868\u4e86\u76f8\u5bf9\u5e72\u65f1\u7684\u6c14\u5019\u6761\u4ef6\u3002
\u88685.8 \u70ed\u5e26\u548c\u4e9a\u70ed\u5e26\u53e4\u6c14\u5019\u5bf9\u5b63\u8282\u6027\u548c\u975e\u5b63\u8282\u964d\u96e8\u7684\u53cd\u5e94\u3000Table 5.8 Response to nonseasonaIa nd seasonal rainfall undert ropicala nd subtropical temperatures
\uff08\u636eCecil,1990\uff09
\u6ce8\uff1a\u964d\u96e8\u7279\u5f81\u53ca\u54cd\u5e94\u662f\u9012\u53d8\u7684\uff0c\u4e14\u53d8\u5316\u8f83\u5927\u3002
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5.2.1.1 古土壤的基本概念
土壤是由厚度不同的矿物质和/或有机质层组成的自然体，其在微形态学、物理学、化学、矿物学以及生物学特征上不同于母质，至少其中部分特征是成壤作用形成的（Birkeland,1984）。古土壤（或称化石土壤）是古气候环境（气候、生物群落、地形和时间等）条件下，地表暴露的岩石或沉积物经过物理、生物、化学等成壤作用改造而形成的土壤，是过去地表景观所形成的土壤（Valeutiue和Dalrymple,1976;Wright,1986）。虽然最早研究的是第四纪土壤，但大多数古土壤都发现于沉积岩中（Kraus,1999），至今在地层中可识别出的古土壤最早可以追溯到前寒武纪。土壤或古土壤能够形成是因为有相对稳定的地表条件，它们的存在标志着地层沉积的中断或暴露面的形成；它们也可以在沉积速率小于成壤速率的陆地沉积环境中形成。因此，土壤或古土壤最终反映了沉积、侵蚀和非沉积作用之间复杂的相互作用关系。
早在19世纪20年代，就有关于化石土壤（fossil soil）的报道，认为英国南部晚白垩世的GreatDirt层是形成于过去的土壤（Webster,1826）。
到了20世纪30年代，Taylor（1933）等也认识到新西兰古土壤的存在，他们根据古土壤的颜色、构造、矿物含量及风化程度等特征对其进行描述和追踪；而Arkell（1947）根据保存的硅化木根，认为前面提到的英国南部晚白垩世的GreatDirt层为森林型土壤。Ritzma（1955）、Schultz等（1955）和Pettijohn（1966）等着重于识别北美第三纪及更老沉积中特征显著、发育完好的古土壤或古土壤发生层，认为古土壤标志着主要的不整合或至少是代表连续沉积中的相对较长时期的不整合。Richmond（1962）和Morrison（1964）于60年代建立了较完善的第四纪土壤地层学，使古土壤在第四纪地层和古环境研究中得到广泛应用。在这一时期，人们已认识到概念的不同易引起混淆，Morrison于1965年提出了用“geosol”代替“soil”，“soil”泛指所有的土壤，而“geosol”则是指地层层序中的被全部或部分埋藏的土壤。
进入20世纪70年代以后，对古土壤的研究日渐深入，并在古土壤的识别（Buurman,1975）、指示古气候（Allen,1973;Steel,1974;Hubert,1977）、推测沉积速率（Leeder,1975）及其作为地表演化的重要组成部分（Allen,1974;Leeder,1976;Retallack,1976）等方面作了有意义的探讨。
Wright于1986年再次提出土壤与古土壤的区别：土壤是指在地表形成的、与下伏物质在形态、物理、化学及生物特征方面不同的、由有机和无机物质聚集而成的自然体；古土壤是指在近地表或成壤过程改造过的土壤。Campbell（1986）和Perciral（1986）论述了古土壤的识别方法及存在的问题，并用垂直剖面说明了英国北部晚石炭世古土壤成壤过程的交替发生。Kemp（1986）和Macphai（1986）尝试着用微地貌技术识别和解释古土壤。Kraus和Bown（1986）在层序地层学方面通过对河流相地层中的古土壤在河流年代分辨率中的重要性的研究，阐述了河流沉积物的地质历史。Retallack（1986）在古土壤随时间演化方面做了综合论述，并说明目前可辨认的最古老的古土壤形成于31 亿年前。
从年代分布上，人们将古土壤分为两大类别：一类为第四纪古土壤，另一类为第四纪以前的古土壤。因为土壤是第四纪最普通的地貌，分布广泛，是划分地层良好的沉积物标志（Richmond,1962;Mahaney,1978），因此对第四纪古土壤的研究曾是古土壤研究的主要内容，所采用的方法和概念为第四纪以前古土壤的研究提供了重要的指导作用。随着对古土壤研究的不断深入，人们对古土壤的成因有了比较全面的认识，并进一步将古土壤按成因分为一系列更为详细的类型。
在对古土壤进行识别的过程中，人们不约而同地用现代土壤的分类方法来描述和区别古土壤的不同类型，目前采用较多的是美国农业土壤调查部（the United States of Agriculture Soil Survey）的土壤分类（1975）和联合国教科文组织粮农组（FAO-UNESCU）的分类（1974）。
20世纪80年代以来，人们对第四纪以前古土壤甚至是前寒武纪古土壤的认识更加深入，尤其是对古土壤的应用方面更加重视，对古土壤的古气候、古环境、沉积作用及层序地层学等方面的意义进行了一系列的探索。如Wright（1989）提出的古土壤识别标志；Cecil（1990）以古土壤作为一类标志解释古气候对地层韵律性沉积的控制，认为气候是陆源沉积物流入沉积体系的重要控制因素，地层韵律性沉积不仅与海进—海退事件及构造作用有关，还与古气候周期性变化有关；Gibling（1994,1996）发表一系列文章，论述加拿大悉尼盆地晚石炭世的古河谷、钙结层、煤层以及古生物组合在古气候、古环境、层序边界划分等方面的研究意义；Ghosh（1996）根据印度中部的晚石炭世古土壤的研究揭示其古地貌学和古气候的意义；Wright和Marriott（1996）对冲积沉积形成的土壤进行定量分析，并应用于英国老红砂岩的对比；Wright（1996）论述了潮缘碳酸盐岩的层序地层格架中古土壤的发育特征。
20世纪90年代以来，人们在加强成土作用研究（Brady和Weil,1999）的同时，对第四纪以前古土壤，甚至是前寒武纪古土壤的认识更加深入，尤其是对古土壤的应用方面更加重视，对古土壤的古气候（Cecil,1990）、古环境（Gibling和Bird,1994；尹国勋等，1996;McCarthy和Martini等，1998）、沉积作用（Wright和Marriott,1993）、地层对比（叶良苗和裘亦楠，1991；魏钦廉等，2006）及层序地层学（Wright和Marriott,1993;Wright,1996;Aitken和Flint,1995;McCarthy和Plint,1998；杨利军和邵龙义，2002；邵龙义等，2005）等方面的意义进行了一系列的探索。
我国对第四纪的古土壤（黄土）进行了大量研究，对其成因、类型及分布获得了有价值的认识。吴正、王为（1997）通过对第四纪古土壤的分析，论述了华南沿海老红砂是由海岸风沙堆积在间冰期发生红化作用而成。对第四纪以前的古土壤的研究较少，目前仅有少数几篇文章报道。例如，叶良苗、裘亦楠（1991）将河流相古土壤的研究应用于河流沉积地层的对比，尹国勋、张汉瑞（1996）对河南省晚三叠世古土壤的识别标志及成因的研究，黄乃和等（1994）对广西晚二叠世碳酸盐岩型煤系中的古土壤的研究，以及邵龙义等（1998）对河北南部晚古生代地层中古土壤的研究。
虽然国内外在古土壤方面的研究已经比较深入，取得了一些比较成熟的结论，但是仍有许多方面的问题值得进一步探讨，这主要表现在：①对露头剖面中古土壤研究较多，而忽略了对油气及煤田勘探中井下古土壤的研究；②对海陆交互相含煤岩系中的古土壤研究较少；③关于古土壤在高分辨率层序地层学中的应用几乎没有，对其在油气及煤田勘探中的指导意义的研究也很有限。
5.2.1.2 关于残积物、古风化壳、古土壤
从地球的地质演化过程来说，古土壤形成于地质大循环和生物、水文学小循环过程。在地质大循环中，首先火山岩或变质岩经风化形成一次风化壳，一次风化壳经成土作用形成残积土，或一次风化壳被搬运堆积形成非固结沉积物之后，再经成土作用形成运积土。一次风化壳被搬运后形成的非固结沉积物或者经埋藏成岩作用而固结成沉积岩，或者再次经搬运堆积，形成二次风化壳。而固结的沉积岩也会经受风化作用而成为二次风化壳，这两种途径形成的二次风化壳，经成土作用的改造后可形成残积土。在地质循环过程中，火山岩、变质岩和固结的沉积岩经风化作用形成一次或二次风化壳，风化壳再在生物和水文循环作用下形成土壤（图5.2）。
地壳最上部发生风化作用的地带，叫做风化带。在风化带内，风化作用使岩石崩解、蜕变，形成了一种新的、未经移动的松散堆积物，叫做残积物。由残积物所形成的覆盖于地壳表面的外壳叫做风化壳，根据风化作用阶段和发育程度的不同，可将其划分为四个主要类型：①岩屑型风化壳；②硅铝－硫酸盐型及硅铝－碳酸盐型风化壳；③硅铝粘土型风化壳；④砖红土型风化壳。土壤是风化壳最表层的地带。
古风化壳是埋藏在地表以下的风化壳，它可以作为判断古地形的依据。风化产物的淋滤强度、风化壳的厚度和保存程度都与地形有关，地形还会影响气候、植被、土壤层的差异，并影响到风化壳的发育特点；它代表了一个较长的沉积间断，可以作为划分、对比地层的标志之一。
过去形成的土壤，被较新的沉积物覆盖埋藏，叫做古土壤或埋藏古土壤。土壤形成后极易遭受冲刷或因地表条件发生变化而改变原来特性。因此，形成古土壤应具备以下几个条件：
1）必须有一个沉积间断，以利于土壤的形成；
2）形成后未经强烈的侵蚀冲刷；
3）很快就被其他沉积物覆盖，不再受地表条件变化的影响。
图5.2 古土壤形成的两种循环过程Fig.5.2 Two cyclic processes of the formation of palaeosols
（据松井，1966；转引自陆景冈，1997）
与现代土壤相比，古土壤具有以下特征：
1）经过后期的破坏保留不完整；
2）古土壤被埋藏后，腐殖质易分解以至消失，而使A 层颜色变浅；
3）若土壤层被迅速深埋，腐殖质则易炭化，使古土壤染成黑棕色（可据此推知沉积速度）。
由于以上三点，在研究古土壤时一般只能从B层的特征来识别古土壤的存在和类型。
古土壤一般都不能保留有机层，只有固结的或半固结的淋滤层和淀积层被保留下来。古土壤经历的时代越多，次生变化也越大，现代土壤的特点也就越少。
古土壤按产状可分为埋藏型古土壤（buried palaeosols）、残余型古土壤（relict palaeosols）和侵蚀裸露型古土壤（exhumed palaeosols）。埋藏型古土壤，是指在过去地表景观中形成的、随后被更新的沉积物或岩石所埋藏的古土壤，这类古土壤没有被明显侵蚀过；残余型古土壤，是指在过去地表景观中形成的、随后没有被更新的沉积物所覆盖的古土壤，其形成时间为原始景观存在时到现今；侵蚀裸露型古土壤，是指在过去地表景观中形成的并随后被埋藏，但后来又因上覆沉积被侵蚀而再次裸露于地表的古土壤。残余型和侵蚀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（黄成敏和王成善，2006）。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，故本书所研究的古土壤主要是埋藏型古土壤。
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