古土壤干湿特征指示晚古生代气候演化_吕大炜.pdf

第 6 9 卷第 2 期2 0 2 3 年 3 月地质论评GEOLOGICAL EVIEWVol 69No 2March，2 0 2 3注:本文为国家自然科学基金资助项目(编号:41972170)和“深时数字地球”国际大科学计划(DDE，Deeptime Digital Earth)的成果。收稿日期:2022-06-22;改回日期:2022-08-06;网络首发:2022-08-20;责任编辑:刘志强。Doi:1016509/jgeoreview202208141作者简介:吕大炜，男，1980 年生，教授，主要从事沉积学、能源地质学等方面的研究与教学工作;Email:lvdawei95 163com。古土壤干湿特征指示晚古生代气候演化吕大炜1)，张奥聪1)，张之辉1)，高远2)，王东东1)，刘海燕1)，徐锦程1)，王洛静1)，田兴3)1)山东科技大学，山东青岛，266590;2)中国地质大学(北京)，北京，100083;3)西南大学，重庆，400715内容提要:古土壤是地质历史时期气候变化的重要记录者，通过古土壤记录的信息，可以定性和定量重建深时古环境和古气候，为认识地质历史时期的各种地质事件提供依据。前人大多对特定区域展开古土壤研究，对全球性古土壤数据的整理和古气候、古环境研究相对较少。基于古土壤的干湿情况对古气候环境的指示作用，我们按照植物根迹、根系结构与根化石、黏土矿物以及古土壤的结构构造等依据，将前人报道的古生代(410255 Ma)古土壤分为干旱古土壤和湿润古土壤两种类型。将古土壤干湿特征与其他气候敏感性沉积物进行对照，显示为干旱古土壤分布与钙质结核以及蒸发岩等指示干旱气候带的敏感性沉积物分布一致，湿润古土壤分布与高岭石、煤以及铝土矿等指示湿润气候带的敏感性沉积物分布一致。干旱古土壤大都分布在晚古生代中低纬度干旱地区;湿润古土壤大都分布在晚古生代赤道附近及中纬度湿润地区。通过以上分析认为，古土壤干湿特征可以作为一个新的气候敏感指标指示古气候环境，进而作为划分气候带的有力依据。关键词:古土壤;古气候分带;晚古生代;气候敏感性沉积物;古气候重建古土壤(paleosoil)是指形成于古代地层以及地形地貌之中的土壤(Tabor et al，2015)，是地质历史时期气候变化的灵敏指针，具有丰富的气候指示意义(Kraus，1999;Driese et al，2005;Kahmann etal，2008;Tabor et al，2015;陈留勤等，2018)。从太古代到新生代，古土壤广泛存在于不同深度的地层之中(Wright，1994;杨利军等，2002)。古土壤作为沉积地层的一部分，在形成过程中长期与当时大气相接触，长期受到大气圈、水圈、生物圈和岩石圈的不同作用(Kraus，1999;Sheldon et al，2009;Tabor et al，2015)，是集构造地形、沉积物组成、母岩、空间与时间、土壤生物以及相对物源区的位置和气候的综合产物(Wright，1994;etallack，2008;Sheldon et al，2009;Tabor et al，2015)。因此古土壤可能记录有关地球表面过去的物理、生物和化学信息;通过古土壤记录的信息，我们可以重建丰富的古环境、古水文、古植被以及古气候(Sheldon et al，2009;Tabor et al，2015)。国际上，已有很多学者用古土壤定性定量重建了深时古环境和古气候，涉及到了从太古代到新生代多个地质历史时期(刘东生，2002;Kraus et al，2006;Sheldon et al，2009;Kuleshov et al，2019;宋宏，2020)。晚古生代时期，一系列的地质事件频繁发生，如冰川的发生与消融等演化(Fielding etal，2008;Chen Jitao et al，2018)、气候变暖变冷事件(Fielding et al，2008;Blanchard et al，2015;Chen Jitao et al，2018)以及生物灭绝事件(FF 事件)(Liao Weihua，2002;Wang Yue et al，2006)等，这些地质现象都在古土壤沉积特征上有所表现(Tabor et al，2015)。研究古土壤中所反映的地质信息对重建晚古生代古环境与古气候具有重要意义，同时也有助于发展和优化基于古土壤的古气候替代性指标。气候敏感性沉积物是划分古气候分带的重要依据，同时也是确定相关古气候的重要参照物(张铭杰等，2007;Boucot et al，2013)。根据气候敏感沉积物的分布规律及古气候信息可以恢复和确定全球的古环境和古气候信息。20 世纪以来，许多学者开始对气候敏感性沉积物类型和特征开展研究，认为气候敏感性沉积物主要包括高岭石、煤、蒸发岩等多种具有典型指示的沉积物(陈旭等，1997;Boucot etal，2013)。例如，高岭石、煤和铝铁矿等是潮湿气候带的主要敏感性沉积物，多用来指示较为潮湿的古气候环境;而钙质结核、蒸发岩等是干旱气候带的主要敏感性沉积物，多用来指示较为干旱的古气候环境。气候敏感沉积物的分布模式和分布规律可以重建恢复地质历史时期的气候带(Kmpf et al，1983;蓝先洪，1990;鲁春霞，1997;蔚远江等，2002;张铭杰等，2007;Boucot et al，2013;宋宏，2020)。这些成果对于全球古气候重建起到积极性的推动作用，也对人类认识深时古气候发展演化提供了坚实的依据。用于重建古气候的敏感性沉积物如煤、钙质结核、高岭石等在指示古气候上确实有优势，但是很多情况下都与古土壤密切相关，比如钙质结核往往出现在干旱的古土壤之中，煤则与湿润古土壤共生。同时钙质结核理论上就属于干旱古土壤的一部分，但并不是所有的干旱古土壤中都存在钙质结核，干旱古土壤中也会存在其他指示物(Taboret al，2015;毛学刚等，2016;陈留勤等，2018);对使用钙质结核作为一种气候敏感性沉积物来研究古气候带的理论已经基本成立(Tabor et al，2015)，但是钙质结核并不能代表所有的干旱古土壤来研究古气候带。本文系统整合干湿指标分类之后的古土壤，着重于研究古土壤是否能够作为气候敏感性沉积物来进行古气候的研究。晚古生代时期气候分带明显，气候变化显著，可作为进一步加强古气候带划分的依据，推动古土壤领域的研究进展。本研究收集泥盆纪、石炭纪和二叠纪的古土壤数据，通过古土壤数据点与已有气候敏感性沉积物的对比，讨论干湿古土壤是否可以作为气候敏感性沉积物指示古气候，检验古生代古气候带的划分。1研究方法前人对于古土壤的研究大多都探讨区域性古环境和古气候特征(Driese et al，2005;Alekseeva etal，2016a)，而对于全球性古土壤资料的整理和研究较少。笔者等通过整理与收集晚古生代古土壤资料建立数据库。数据库包括晚古生代不同时期古土壤的地质年代、古今地理位置、干湿情况等空间古土壤数据(附表 1，见 wwwgeojournalscn/georev 的网上文件，印刷版略)，古土壤数据信息总计 282 条;其中泥盆纪古土壤数据 57 条，石炭纪古土壤数据140 条，二叠纪古土壤数据 85 条，多数的古土壤数图 1 晚古生代不同阶的古土壤数据南北半球分布图Fig1 Distribution of paleosoil data of different stagesin the Late Paleozoic据出现在石炭纪和二叠纪时期。本研究建立的数据库中，古土壤数据点在古地理地图上显示南半球分布较多，北半球分布较少(图 1、图 2)。这一点同泥盆纪、石炭纪、二叠纪的南北大陆面积相对应;在泥盆纪、石炭纪和二叠纪这三个时期，南半球的大陆面积要明显的多于北半球的大陆面积，大陆面积的差异是导致古土壤数据点南北半球分布差异的主要原因。泥盆纪和石炭纪时期在南半球的古土壤数据点明显多于北半球，而在二叠纪时期，南北半球的古土壤数据点比较均匀，数据点数量基本持平。2干旱和湿润古土壤的特征古土壤按照干湿情况可以分为干旱古土壤和湿润古土壤两种，干旱古土壤常发育于干旱的气候环境中，有机质含量较少，颜色常呈浅红褐色且包含泥裂、钙质层和石膏层等典型特征(陈留勤等，2018;毛学刚等，2019)。例如，宋宏等在分析晚泥盆纪古土壤特征时，发现较为干旱的旱成土层具有颜色呈浅红褐色且包含泥裂、钙质层等特征(宋宏等，2019);毛学刚等在分析白垩纪时期红色古土壤特征时，发现较为干旱的古土壤表面常出现泥裂与钙质层等特征(毛学刚等，2016)。湿润古土壤常发育255地质论评2023 年图 2 晚古生代古土壤数据点纬度分布图Fig2 Latitudinal distribution of paleosoil data in the Late PaleozoicP:布拉格阶;Ems:埃姆斯阶;EifGiv:艾菲尔阶吉维特阶;FraFam:弗拉斯阶法门阶;TouVis:杜内阶维宪阶;Serp:谢尔普霍夫阶;BasMo:巴什基尔阶莫斯科阶;KaGz:卡西莫夫阶格舍尔阶;AS:阿瑟尔阶萨克马林阶;ArtWu:阿尔丁斯克阶吴家坪阶P:Pragian;Ems:Emsian;EifGiv:EifelianGivetian;FraFam:FrasnianFamennian;TouVis:TournaisianVisean;Serp:Serpukhovian;BasMo:Bashkirian Moscovian;KaGz:KasimovianGzhelian;AS:AsselianSakmarian;ArtWu:ArtinskianWuchiapingian于较为湿润气候环境中，有机质含量相对较高，根迹由于土壤水分含量高而在土壤中的延伸长度较短，根石类型常以金属氧化物形式存在，土壤颜色由于排水不良常呈深灰色且含有较多的氧化矿物且成土作用较为明显(Kraus et al，2006;宋宏，2020)。例如，Kraus 在分析不同古土壤的排水特征时，发现较为湿润的古土壤由于其排水不良或排水较差等土壤特征，古土壤呈深灰色且有机质含量较高，存在于其中的植物根迹较为短小(Kraus et al，2006);Tabor 在阐述降雨量较大或季节性降水较强的古土壤时，发现根迹发育较短小且根石常呈铁锰氧化物或黄钾铁矾形式出现(Tabor et al，2015)。干旱古土壤和湿润古土壤在根系结构与根化石、植物根特征、所含矿物以及特有的沉积结构和构造都有比较明显的区别(表 1)。本次研究的工作方法就是，通过这些特征对数据库中收集的古土壤进行相应的干湿划分，并进一步分析干旱古土壤和湿润古土壤蕴藏的古气候意义。21植物根迹埋藏在古土壤之中的植物根迹可以用来区分干旱古土壤和湿润古土壤(Kraus et al，2006;Tabor etal，2015;毛学刚等，2016)。古土壤在漫长的地质历史时期内，有各种各样的植物的根存在于古土壤中。从古土壤的含水量多少来看，古土壤的含水量的多少往往会影响植物根系的发展程度，在气候干旱地区形成的古土壤含水量较少，其中生长的根迹会因为土壤缺水而延伸较深，以便吸取更多水分，且根迹发育比较细小，防止根迹中水分的流失;而在气候湿润地区形成的古土壤，由于其土壤中水分含量较多，根系生长所需要的水分供给充足，植物根迹往往向下延伸较短(Kraus，1999;Kraus et al，2006;Tabor et al，2015)。从植物根迹的颜色来看，干旱气候条件下古土壤中的根迹颜色因为氧化作用较强而主要呈现红色;在湿润的气候条件下，水355第 2 期吕大炜等:古土壤干湿特征指示晚古生代气候演化表 1 干湿古土壤的区分特征Table 1 Distinguishing characteristics of arid and humid paleosoil区分特征干旱古土壤特征湿润古土壤特征文献来源植物根迹根迹延伸较长、根迹较细小;根迹多呈红褐色根迹延伸较短、根迹较粗大;根迹多