长江三角洲地区晚第四纪古土壤古环境信息

长江三角洲地区晚第四纪古土壤古环境信息

由于分布广泛、分散，很难找到具有丰富古代环境信息的地层。晚第四纪形成的陆相古土壤层在长江三角洲地区普遍发育,沉积作用及成土作用的交替使得古土壤层具有多元发生的特征,也为古环境及古气候研究提供了丰富的信息,使之成为研究这一地区古环境变化的良好层段。学术界对这些古土壤的成因、形成过程及形成时的环境一直有着不同的解释,存在着风成说和水成说之争。水成说认为末次冰期存在长江古河谷,古土壤是在湖、河漫滩沉积的基础上成土演化而来。风成说则认为该古土壤层是末次冰期风成黄土堆积而成,或是南京下蜀土向东的延伸,或者是陆架沙漠化的产物。长江三角洲古土壤层的物质来源、形成时间以及它代表的古气候类型等问题的解决,对于建立中国东部地区的地层格架、恢复古气候及了解冰期—间冰期的海平面变化和沉积作用过程的相互关系等都有重要意义,本文将就此做初步探讨。1标志层的建立长江三角洲地区第四纪地层中普遍存在2—4层古土壤层,从上至下分别为第1、第2、第3古土壤层。这些古土壤层在本地区广泛分布,是本区地层划分与对比的标志层,本文以第1古土壤层为研究对象进行探讨。第1古土壤层分布于长江三角洲南北两翼,在古河谷地区缺失(图1)。三角洲前缘古土壤层上覆滨浅海泥质沉积,后缘上覆湖沼相泥质沉积,与上覆层呈突变接触关系。下伏黄色滨海、河流相粉细砂或粘土质粉砂,呈渐变接触关系。从地层格架看,古土壤位于本区第1海相层与第2海相层之间。其上为冰后期海侵旋回(第1海相层),其下为末次间冰阶海侵旋回(第2海相层)。2图像分析方法土壤微形态分析方法是研究土壤化过程和成土环境的有效方法,它用最直接、最简单的方式揭示各种土壤过程,因而广泛应用于现代土壤学研究。本文尝试采用定量分析方法,对古土壤中各种微形态特征进行统计,具体方法如下:(1)薄片制备采用曹升赓的松散岩石及土壤铸胶薄片法;(2)薄片描述及统计采用德国LEITZ图像分析系统,微形态面积百分比的统计采用参考文献的图谱,每个薄片依大小统计30～45个视域,各个薄片中微形态百分含量数据采用逐个视域累加平均法。选取NK、T3、CY及T11钻孔(图1),钻孔间距几公里至几十公里,薄片取样间距15～30cm。对长江三角洲古土壤层进行孢粉及藻类分析,前人做过多次尝试,结果均不理想。本文选取成土特征明显的CY孔第1古土壤层作为研究对象,采样间距30cm,共分析了16块样品,样品重量15～20g。采用盐酸、氢氟酸冷处理法和筛选技术提取样品中的孢粉化石。筛选所用筛布的孔径为10μm,将粒径大于10μm的植屑富集后用于显微镜观察鉴定。除一个样品孢粉藻类含量仅为71个外,其余均在100颗以上,符合定量分析的要求,最终统计结果用相对百分含量表示。在工作区已有的21个钻孔剖面中,以20～30cm间距进行有孔虫分析,平均称取干样30～50g,采用常规处理,具体方法见文献。3分析的结果3.1再现古土壤所受成土作用的重新解释古土壤的微形态分析揭示了成土作用的微观过程,通过分析再现古土壤所经受的成土作用是利用古土壤恢复古环境的依据。其中,粘粒胶膜、孔隙及土壤新生体是成土作用的重要指标。3.1.1粘粒胶膜层段土壤中的各种粘粒形成物在显微镜下具特殊的光性,单偏光下透明,呈浅黄—黄色,正交偏光下干涉色为亮黄色—金黄色,消光一致或具带状消光(图2a)。粘粒胶膜是成土作用最可靠的标志之一。粘粒胶膜在本地区古土壤层中广为发育,不同层段含量有变化,具明显的峰值层段。剖面中,粘粒胶膜多富集在古土壤层中、下部(图3),并形成多个峰值层段,说明古土壤层具有多元发生的特征,存在多次沉积与成土作用的更迭。淀积粘粒胶膜在土壤层中大量出现是温湿气候的反映,长江三角洲古土壤层中、下部大量出现的粘粒胶膜反映了古土壤形成的早、中期本地区气候温湿。3.1.2裂隙形态特征孔隙和裂隙是判别古土壤的标志之一。长江三角洲古土壤中的孔隙形态多样,有囊状孔洞(图2b)、椭圆形孔洞、不规则孔洞、弯月形裂隙、树枝状裂隙、垂直裂隙以及倾斜裂隙。薄片中观察到的各种孔隙为微孔隙,宽度从几十微米至上百微米。3.1.3铁锰沉积体系土壤新生体是在成土过程中形成的,第1古土壤层中新生体类型有:铁锰形成物、石膏等。铁锰形成物类型主要有:铁锰凝团、同心圆状的铁锰结核(图2c)、铁锰条带、铁锰质浸染斑、球粒状铁锰形成物、蠕虫状铁锰形成物及菱铁矿。古土壤中铁锰形成物的类型、内部结构是一定环境下的产物,其类型和结构记录了环境的变迁。古土壤层各钻孔中铁锰形成物含量丰富,种类繁多,尤其在土壤层中、下部铁锰形成物相对富集,如CY、NK、T3孔中部或下部皆有铁锰富集层。石膏(图2d)多以双晶或聚晶方式呈水平带状产出,也有孤立产出于裂隙或基质中者,直径0.3～0.7mm,晶形呈柱状、菱形、放射状或嵌晶,带状或聚晶生长的石膏往往使基质产生楔形裂隙。在含量较高的层段每一直径4.6mm圆形视域内含量一般为5～50颗,最多可达150颗。石膏仅大量出现于古土壤层上部。3.1.4植物碎屑古土壤中还可见少量植物根茎及保存完好的植物碎屑,说明古土壤确实经历了生物改造作用,是成土作用的又一有力证据。3.2古土壤藻类组成淡水藻类含量在半数样品中占孢粉、藻类总数的70%以上。草本植物以禾本科为主,含量最高可达34.6%。木本植物以松为主,松粉含量最高可达22%(图4)。古土壤中藻类组合较为单一,淡水藻占藻类总数的95%以上,且以环纹藻为主,个别样品中见少量穴纹双星藻及盘星藻。此外,古土壤中还可见少量海相藻类。在淡水藻类含量较低的层段,大多数样品中灌木及草本花粉所占比例大于50%,其中以禾本科及莎草科为主,禾本科含量可高达34.6%,莎草科也可达16.98%。还有相当数量的蕨类孢粉,以水龙骨科为主,百分含量最高为11%。木本植物以松和栎含量最高,分别达到22%和15.65%。此外还可见少量桦、鹅耳枥及榛等温凉乔木,少量柳、榆、胡桃、枫杨、黄杞、椴、槭、栗、山毛榉、枫香、铁杉及五加科,其百分含量都在4%以下,还有极少量杉科、冷杉、云杉等寒温带或高山乔木。古土壤中孢粉及藻类组成是特定环境下的产物,其相对含量和组合的变化是古环境演化的反映。古土壤的孢粉组成具有以下特征:(1)古土壤中的孢粉类型及含量古土壤中淡水藻类占相当大的比例(图4),环纹藻、盘星藻等淡水藻多生长在沼泽、淡水湖沼或河漫滩积水洼地,反映局部地表有时积水。在各种淡水藻类中,以环纹双星藻含量最高,各层段孢粉组成受淡水藻数量的控制,在淡水藻含量高的层段,其他类型孢粉的种类及含量较低;而在淡水藻含量较低的层段,其他各种类型的孢粉在种类上及含量上都急剧增高。淡水藻与陆生植物孢粉互为消长的关系反映了古土壤沉积时滞水与暴露环境的交替。古土壤中孢粉以禾本科及莎草科含量最高,莎草科和禾本科在气候类型上属广布型,多分布于沼泽、潮湿的漫滩或湿地甚至浅水中;此外,黑三棱、泽泻及眼子菜科等水生草本植物,往往生长在积水洼地、低洼沼泽地,形成杂类草沼泽,或分布于潮湿的湖滨、河滩,并与湿生的草甸植物一起生长,构成沼泽化草甸。木本植物栎、五加科、枫香、栗、榆等皆为喜湿乔木。此外,古土壤中的蕨类紫箕、卷柏、凤尾蕨、石松、蕨属等也都属喜湿类植物。古土壤中的麻黄、藜科、菊科和蒿等喜干旱生、超旱生植物含量相当低,小于3%。由上述特征可见,古土壤沉积时常被淹没或有滞水,气候仍较湿润。(2)古土壤常用植物古土壤中陆生植物以栎、松的比例最高(图4),栎为暖温带常见植物类型,槭、椴、枫杨、桤木、漆、山毛榉、胡桃、榆、柳、蔷薇等乔、灌木,及草本植物草、毛茛、大戟和蕨类紫萁也属暖温带常见植物类型,其中枫杨、桤木、紫萁、漆的分布范围甚至可达亚热带。古土壤中的热带、亚热带植物有五加科、大戟科、黄杞及凤尾蕨,代表暖热而湿润的气候环境,是组成热带、亚热带季风常绿阔叶林的常见植物,还包括少量枫香、栗、枫杨等落叶成分;而榛、鹅耳枥及喜凉的桦等多分布于温带、中温带。喜冷植物如杉科、云杉及冷杉在古土壤中的含量极低(<2%)。古土壤层植物类型以喜暖成分为主,其中以暖温带分布的植物含量最高,含少量热带、亚热带植物,喜冷类型含量低,没有形成广泛分布,推测当时气候虽较现今温凉,但仍相当温暖。(3)海生藻类种类值得注意的是,古土壤中还发现有少量典型的海生藻类,包括刺甲藻、口盖藻和小刀舌藻(图4),含量虽不高(<3%),但几乎遍及整个古土壤层。3.3土壤藻类分布研究区用于揭示古土壤层的21个钻孔中,发现有孔虫的钻孔有T2(8.2～11.6m),赵巷孔(11.4～11.7m),T5(24.5～26.3m),T6(25.3～26.3m),T7(25.8～28.2m),T9(25.8～25.9m),T10(23.1～25.7m),T13(19.3～23.9m),T15(21.5～22.9m)。每50g干样中一般仅含3～5枚,最多可达百枚,主要为Ammoniabeccariivars.,Epistominellanaraensis等,均为小个体。有孔虫壳体为黄褐色,受到氧化铁浸染,明显地不同于上覆滨、浅海相层的白色壳体。藻类比有孔虫易于搬运,可借风或在风暴潮时吹扬到这一地区,因此,其分布几乎遍及整个古土壤层。有孔虫则难以搬运,在古土壤层中的分布也仅限于若干钻孔的某些层段,一般在河口海岸地区这类小个体有孔虫是被搬运来的,其数量稀少,推断当时本地区已不能直接被海水淹没,只有在风暴潮时有孔虫才能搬运进来。3.4层序古土壤层体系沉积磁组构分析是判断沉积物沉积动力类型,确定沉积环境的有效途径。古土壤层的磁组构参数组合特征与上覆海相层截然不同。层内q值变幅大,为0.0599～1.6873,平均值高达0.7245,反映沉积环境不稳定,事件沉积频繁出现。古土壤层中磁化率各向异性度P值平均为1.0211,落入河床及河漫滩沉积物的P值分布范围为1.02～1.06,不同于风成沉积(一般小于1.01),反映长江三角洲古土壤沉积物颗粒排列的有序化程度要高于风成黄土,呈现水成沉积的特征。古土壤层的F和L平均值分别为1.0103和1.0100,同样在漫滩沉积的范围内(F为1.01～1.06,L≤1.01),高于风成黄土沉积。长江古土壤中较高的q值、低P、F及L值反映了低能水流条件下的快速堆积环境,这种事件沉积频繁、堆积快速的水流沉积环境类似于现代漫滩或泛滥平原上的越岸沉积。4关于古代环境的讨论4.1干、湿交替的古土壤层代表湿润气候的环纹双星藻及喜湿的莎草、禾本科以及各种水生草本和其他喜湿草本、蕨类和木本占优势,各种暖温带、温带植物也较多,偶见亚热带、热带成分,说明古土壤堆积时气候温湿,有相当的降雨量,可能相当于现代暖温带—温带气候类型,比现代长江三角洲地区略凉。粘粒胶膜形成于干、湿季节交替环境,需要土壤有浸润—迁移—干燥—淀积的过程。长江三角洲古土壤层中粘粒胶膜的多层叠加淀积记录了土壤经历了多次富水和干燥的周期性变化,这可能由于气候干、湿频繁交替所致。裂隙和孔隙作为土壤层中成土物质迁移的通道以及富集的场所,是成土作用发生的重要依据,也是研究古气候变化的替代指标之一。长江三角洲地区古土壤中普遍发育各种裂隙,表明在成土过程中土体频繁产生膨胀挤压、收缩张裂,是土壤应力频繁变化造成,类似于现代富粘粒土壤的成壤过程,因富含大量易膨胀粘土成分,在干、湿交替气候作用下形成各种类型的孔隙。孔隙与粘粒胶膜一样,反映了成壤过程中干、湿交替的古环境特征。各种铁锰形成物同样也是土壤干、湿交替的结果。铁锰结核中同心圆结构可能是由于季节性干、湿变化致使铁锰矿物分层而产生的,菱铁矿则反映了长期滞水环境。丰富的氧化还原特征是水成土壤的标志,在这种类型的土壤中,地下水位的频繁升降引起土壤氧化还原条件的更替,使得铁锰等变价元素发生迁移、富集。长江三角洲古土壤层中丰富的铁锰形成物,同样反映古土壤层经历了干、湿季节或时期的频繁交替。古土壤层较强的成土作用和频繁干、湿交替,说明长江三角洲当时可能仍处于古季风作用范围内,有明显的干、湿季节或干、湿时期之分。上部出现的土壤新生体石膏,反映古土壤形成后期气候类型已发生变化,降雨或地下水活动引起的淋滤作用已大大减弱,明显出现变干的趋势,可能为末次盛冰期的产物。4.2多次暴露与地层沉积交替从磁组构反映的沉积环境特征来看,古土壤母质是在低能搬运介质条件下快速堆积而成的,类似于漫滩或泛滥平原上的越岸沉积。多次越岸沉积的叠加,形成厚层的、具事件沉积特征的古土壤层母质。淡水藻类与陆生植物孢粉互为消长的关系反映古土壤沉积时的滞水与暴露环境的交替。这种滞水与暴露环境的交替类似于河漫滩环境。在洪水期间沉积作用较强,河漫滩以加积作用为主,这时河漫滩可局部滞水,有利于环纹藻等淡水藻类发育,但不利于陆生植物生长;而在暴露期间,漫滩加积作用减弱,淡水藻类减少,各种陆生植物发育。这种漫滩多次淹没沉积与多次暴露的交替,也使得古土壤孢粉与藻类组成出现淡水藻类为主的时期与陆生植被发育时期的交替。古土壤层存在多个粘粒胶膜富集层,同样说明古土壤形成时存在淹没沉积与暴露成土的交替。暴露成土时期古土壤中粘粒成分发生淋滤、淀积作用形成淀积层,而淹没沉积与暴露成土的交替,形成了古土壤多个淀积层的复合结构。此外,海相藻类及有孔虫在古土壤层的分布,表明随着海面的下降,海水已退出本地区,但风暴天气或风暴潮仍可将少量海藻及小个体的有孔虫搬运至此,因而古土壤层沉积时,本区应位于离海岸不远,风暴潮仍能影响到的沿海平原地区。4.3末次盛冰期氧同位素2期古地理关于古土壤母质堆积时间,过去的研究者意见都比较一致,认为约在15000～25000aBP之间,是末次盛冰期的产物。从其所在的地层格架位置分析,古土壤介于第1和第2海相层之间,应是全新世以前、末次间冰阶以来的产物。根据已有研究,末次盛冰期最低海面时,气候变干变冷,我国东部陆架曾大面积出露。然而,从揭示的古环境信息分析,古土壤层经历了干—湿交替,干旱的气候变化及沉积、暴露、成土的环境变迁