В геологии палеосол ( в Великобритании и Австралии палеосол ) — древняя почва , сформировавшаяся в прошлом. Определение термина в геологии и палеонтологии несколько отличается от его использования в почвоведении .
В геологии и палеонтологии палеопочва — это бывшая почва, сохранившаяся захоронением под осадками ( аллювием или лессом ) или вулканическими отложениями ( потоками лавы или вулканическим пеплом ), которые в случае более старых отложений литифицированы в скалу . В четвертичной геологии, седиментологии , палеоклиматологии и геологии в целом типичной и общепринятой практикой является использование термина «палеопочва» для обозначения таких « ископаемых почв », обнаруженных захороненными в осадочных и вулканических отложениях, обнаженных на всех континентах. [1] [2]
В почвоведении определение немного отличается: палеопочвы — это почвы, сформировавшиеся давно, которые не имеют никакой связи по своим химическим и физическим характеристикам с современным климатом или растительностью. Такие почвы встречаются в пределах чрезвычайно старых континентальных кратонов или в небольших разбросанных местах в отколовшихся частях других древних горных доменов.
Из-за изменений климата Земли за последние 50 миллионов лет почвы, сформированные под тропическим лесом (или даже саванной ), стали подвергаться все более засушливому климату, который заставляет бывшие оксисоли , ультисоли или даже альфисоли высыхать таким образом, что образуется очень твердая корка. Этот процесс произошел настолько широко в большинстве частей Австралии , что ограничил развитие почвы — бывшая почва фактически является исходным материалом для новой почвы, но она настолько не подвержена выветриванию, что только очень плохо развитая почва может существовать в современных сухих климатах, особенно когда они стали намного суше во время ледниковых периодов в четвертичном периоде .
В других частях Австралии и во многих частях Африки высыхание прежних почв не было столь сильным. Это привело к появлению больших площадей реликтовых подзолов в довольно сухом климате на крайнем юге внутренних районов Австралии (где ранее доминировали умеренные тропические леса ) и к образованию тороксовых почв (подотряд оксисолей) на юге Африки . Здесь современный климат позволяет, по сути, поддерживать старые почвы в климате, при котором они не могли образоваться из исходного материала в мезозое и палеоцене .
Палеопочвы в этом смысле всегда являются чрезвычайно неплодородными почвами , содержащими доступные уровни фосфора на порядки ниже, чем в умеренных регионах с более молодыми почвами. Экологические исследования показали, что это вынудило высокоспециализированную эволюцию среди австралийской флоры [3] получать минимальные запасы питательных веществ . Тот факт, что почвообразование не происходит, делает экологически устойчивое управление еще более сложным. Однако палеопочвы часто содержат самое исключительное биоразнообразие из-за отсутствия конкуренции . [4]
Летопись палеопочв простирается до докембрия в истории Земли, с редкими палеопочвами старше 2,5 миллиардов лет. Геология, биология и атмосфера значительно изменились за это время, с резкими сдвигами во время Великого окислительного события (2,42 миллиарда лет назад) и в течение палеозоя , когда размножались сложные животные и наземные растения.
Следовательно, наша современная система классификации почв не может быть легко применена к палеопочвам. Например, современная альфисоль — в широком смысле определяемая как лесная почва — не существовала бы до эволюции деревьев. Что еще более проблематично, она конкретно определяется химическими свойствами, которые не сохранились бы в летописи горных пород. В то время как современные порядки почв часто используются для описания палеопочв в качественном смысле, была предложена схема наименования, специфичная для палеопочв [5], хотя она используется в литературе лишь спорадически.
До тех пор, пока не будет полностью принята схема наименования, специфичная для палеопочвы, многие палеопочвоведы придерживались таксономической классификации почв, предоставленной Министерством сельского хозяйства США (USDA). [6] Таксономия почв USDA пытается использовать измеримые свойства и объективные признаки внутри почв для их классификации. Методология разработала иерархическую структуру среди различных почвенных таксонов, классифицируя почвы изначально на общем уровне, а затем назначая почвы все более ограниченным подразделениям.
Таксономия почв USDA имеет недостатки, включая акцент на наблюдаемых признаках, новую номенклатуру и иерархическую организацию. Акцент на наблюдаемых признаках может сделать таксономию почв похожей на юридический документ. Иерархическая структура не может применяться глубже, чем уровень порядка в отношении палеопочв. Однако, несмотря на эти недостатки, таксономия почв USDA по-прежнему является наиболее полной и влиятельной системой классификации почв на сегодняшний день. [7] Чтобы отличать и идентифицировать палеопочи друг от друга, необходимо учитывать определенные диагностические горизонты и признаки. Например, все палеопочи имеют горизонт A, но гистопочи имеют горизонт O выше горизонта A.
Рай и Холланд (1998) [8] изложили пять критериев для идентификации палеопочвы. Хотя это было вызвано необходимостью более строгой идентификации докембрийских палеопочв, это применимо к палеопочвам любого возраста. Критерии таковы:
В полевых условиях физические признаки палеопочвы включают в себя свидетельства горизонтализации (например, изменения цвета и текстуры), включение коренной породы в более тонкую вышележащую литологию (основные камни) и свидетельства поверхностных процессов (например, следы корней, органическое вещество, норы, окислительно-восстановительные изменения).
Ниже приведен список почв и некоторые их диагностические признаки, которые дают основу для различения этих палеопочв или даже современных почв:
Горизонты (сверху вниз): A и C
Эта почва имеет очень слабую степень почвообразования. Первоначальные кристаллические, метаморфические или осадочные особенности исходного материала претерпели мало изменений в результате почвообразования. Большинство из них встречаются на молодых геоморфологических поверхностях, таких как поймы и крутые склоны, где эрозия удаляет материал по мере формирования почвы. Признаки ранней сукцессионной растительности злаков и других трав и кустарников. Следы корней являются диагностическими признаками этого типа палеопочвы из-за небольшого количества изменений исходного материала в других отношениях. Однако для энтисолей ордивикского возраста или старше пик магнитной восприимчивости является показателем энтисоли.
Горизонты: A, иногда E, Bw и C
Эти почвы представляют собой стадию формирования за пределами Entisols, но не в той степени развития, которая наблюдается в других порядках почв. Обычно их можно представить как имеющие светлый поверхностный горизонт над умеренно выветренным подповерхностным горизонтом. Образуются в низковолнистых частях ландшафтов внутри и вокруг крутых горных фронтов. Кустарниковые леса из жердняков, которые образуются во время повторного заселения нарушенных земель лесами, особенно характерны для этой палеопочвы. Редколесья и лесистые луга также характерны для этой палеопочвы.
Горизонты: A, Bw и C
Это почвы вулканического пепла кремнистой природы, состоящие из пузырьков или осколков вулканического стекла с большой внутренней площадью поверхности. Эта почва быстро выветривается до имоголита и смектита. Таким образом, они очень плодородны, богаты органическим веществом и имеют особенно низкую объемную плотность. Эти свойства и вышеупомянутые продукты выветривания обычно изменяются во время захоронения, иногда до характерных минералов, таких как селадонит и клиноптилолит. Для этой палеопочвы характерно не менее 60% узнаваемых пирокластических фрагментов в тонких сечениях. Эта палеопочва образуется внутри и вокруг вулканов.
Горизонты: O, A, иногда Bg и C
Богатые органикой почвы с толстыми торфяными горизонтами, которые формируются в прохладных, хорошо дренированных местах или низменных, постоянно заболоченных областях. Первичный процесс формирования — это накопление торфа (органического вещества), то есть органическое вещество производится быстрее, чем оно может разложиться в почве. Выщелачивание или образование глеевых минералов (пирита или сидерита), накладывающихся на предшествующие почвенные или осадочные особенности, связано с накоплением торфа.
Горизонты: A, E, иногда Bh, Bs и C
Подповерхностный горизонт, обогащенный оксидами железа и алюминия или органическим веществом, характерен для сподосолей. Демонстрирует непрозрачные цементы, которые образуют характерные радиально-трещиноватые, конкреционные оторочки с обильными кварцевыми зернами в тонких секциях. Сподосоли образуются на холмистых коренных породах или низких, холмистых кварцевых отложениях. Встречаются в основном во влажном климате, в котором глина и растворимые соли растворяются и вымываются из профиля, и наиболее распространены в умеренных регионах. Характерная растительность — хвойные леса и другие виды вечнозеленой древесной растительности, которые могут переносить низкий уровень питательных веществ и высокую кислотность почвы.
Горизонты: A, иногда E, Bt, иногда Bk и C
Богатые основаниями лесные почвы, имеющие светлый поверхностный горизонт над глинистым подповерхностным горизонтом, богатым обменными катионами. Если палеопочвы содержат конкреции карбоната в горизонте глубоко в профиле, можно предположить такую насыщенность основаниями. При отсутствии карбонатных конкреций, альфисоли можно отличить по обилию богатых основаниями глин или по молекулярным отношениям выветривания глинозема/оснований менее 2. Эти почвы не встречаются на полюсах или на высоких вершинах гор.
Горизонты: A, иногда E, Bt и C
Лесные почвы с низким содержанием оснований, которые на первый взгляд похожи на Alfisols. Однако Ultisols более глубоко выветрены минеральными питательными веществами. В профиле Ultisol не должно быть известкового материала, а молекулярные коэффициенты выветривания глинозема/оснований превышают 2. В профиле часто встречаются каолинит и сильно выветренные глиноземистые минералы, такие как гиббсит. Низкий уровень оснований объясняется длительным временем формирования. Образуются в основном на старых участках ландшафтов, таких как холмистые коренные породы, высокие аллювиальные террасы и вершины плато. Естественная растительность состоит из хвойных или лиственных лесов.
Горизонты: A, Bo, иногда Bv и C
Глубоко выветренные почвы с текстурно однородными профилями. Преобладают каолиновые глины или другие бедные основаниями оксиды, такие как гиббсит или бемит. Содержат молекулярные коэффициенты выветривания глинозема/оснований 10 или более. Эти почвы имеют глубоко выветренные пятнистые горизонты. Характерной чертой этого типа палеосолей является стабильная микроструктура сферических микропедов размером с песчинку, окрашенных железом. Очень старые, часто насчитывающие десятки миллионов лет. Встречаются на стабильных континентальных участках на пологих склонах плато, террас и равнин. Естественной растительностью для оксисолей является тропический лес.
Горизонты: A, Bw и C
Это однородные, толстые, глинистые почвы с глубокими, широкими трещинами. Растрескивание может привести к образованию кочек и низменных топографий. В основном состоят из смектитовых глин. Большинство вертисолей встречаются на промежуточных и базальтовых материалах. Встречаются в основном на равнинной местности у подножия пологих склонов. Климат и растительность сухие и достаточно редкие, чтобы могла поддерживаться щелочная реакция. Растительность варьируется от лугов до открытых лесов, при этом распространены лесистые луга.
Горизонты: A, иногда Bt, Bk, иногда By и C
Хорошо развитый, богатый основанием поверхностный горизонт, состоящий из тесно перемешанной глины и органического вещества. Для этой палеопочвы характерно обилие тонких корневых следов и крошащихся структур. Поверхностный горизонт, характерный для этой палеопочвы, создан тонкими корневыми системами травянистой растительности и роющей деятельностью многих видов почвенных беспозвоночных. Моллисоли встречаются в низменных, холмистых или плоских местностях.
Горизонты: A, иногда Bt, Bk, иногда By и C
Образуется в засушливых и полузасушливых регионах, и отсутствие дождей позволяет создавать неглубокие известковые, гипсоносные или соленые горизонты. Эти цементы образуют крупные узелки или непрерывные слои. Светлый, мягкий и часто пузырчатый поверхностный горизонт. Подповерхностные горизонты не сцементированы ни одним из вышеупомянутых цементов. В основном встречается в низинных районах, поскольку крутые склоны в засушливых регионах, как правило, размываются до коренной породы. Растительность редкая и включает колючие кустарники и кактусы.
Горизонты: A, иногда By и C
Почвы с грунтовым льдом или другими вечномерзлыми образованиями в пределах одного метра от поверхности. В палеопочвах места залегания льда могут сохраняться в виде обломочных даек, полос замораживания или других деформаций, созданных грунтовым льдом. Тиллиты и другие ледниковые отложения являются признаками гелисолей. Эти почвы формируются под растительностью полярной пустыни, тундры и тайги. Включает в себя удивительный набор гистических эпипедонов, пустынных мостовых, салических и кальциевых горизонтов.
Многие другие факторы, такие как структуры педов, такие как наличие блочных, угловатых или зернистых педов, и тип ткани, такой как клинобимасепическая плазменная ткань, являются структурами, которые могут помочь определить, имеют ли место палеопочвы. Некоторые из этих структур очень полезны при сужении палеопочвы, которая идентифицируется. Однако любая палеопочва должна быть проверена геохимически перед использованием в реконструкциях на основе прокси; процессы изменения после осадконакопления, такие как калиевый метасоматоз , могут изменить химию палеопочвы, не меняя кардинально ее физический вид.
Палеополы часто используются в качестве палеоклиматологических инструментов для оценки климата, в котором они сформировались. [9] Поскольку скорости и стили выветривания зависят от климатических факторов, палеополы можно использовать для реконструкции переменных прошлого климата. Среднегодовое количество осадков (MAP) и температура воздуха (MAAT) являются двумя обычно реконструируемыми переменными, которые, наряду с сезонностью и в сочетании с другими палеоэкологическими инструментами, можно использовать для описания прошлого наземного климата. Существует набор палеоклиматических прокси, и хотя они различаются по фокусу, многие из них полагаются на изменения химического состава по всему профилю почвы, которые происходят во время выветривания, захоронения и процессов после захоронения. [10] [11]
Их использование зависит от таких факторов, как постзахороненные изменения, материнский материал и порядок почвы ; не каждый прокси применим к каждой палеопочве. Большинство прокси применимы к фанерозойским палеопочвам (не более древним), поскольку ландшафтные процессы резко изменились после появления наземных растений. Сезонность (наличие и интенсивность сезонов) требует более тонкого подхода к реконструкции. Предлагаемые прокси сезонности в первую очередь полагаются на процесс увлажнения/высыхания почвы, во время которого может образовываться педогенный карбонат; [12] как и другие прокси, этот инструмент постоянно тестируется и совершенствуется. [13]
Почвы формируются в почти постоянном контакте с атмосферой , поэтому на их химический состав влияет состав атмосферы как прямым, так и косвенным образом. Окисление палеопочв использовалось в качестве индикатора атмосферного кислорода, [14] который повышался на протяжении истории Земли. Палеопочвы также использовались для реконструкции уровней углекислого газа в атмосфере, [15] на основе современных исследований обмена углеродного газа в почве, [16] изотопов углерода в педогенных карбонатных конкрециях, [17] и подходов баланса массы, учитывающих несколько атмосферных газов (обычно углекислый газ , кислород и метан ). Эти методы активно разрабатываются в области ранних исследований Земли.
Палеопочвы являются важным архивом информации о древних экосистемах, и различные компоненты ископаемых почв могут быть использованы для изучения прошлой растительной жизни. Палеопочвы часто содержат древние растительные материалы, такие как пыльцевые зерна и фитолиты , биоминерализованную форму кремния , вырабатываемую многими растениями, такими как травы. Как пыльца, так и окаменелости фитолитов из разных видов растений имеют характерные формы, которые можно проследить до их родительских растений. [18] В течение длительных геологических временных масштабов фитолиты не обязательно могут сохраняться в палеопочвах из-за способности плохо кристаллизованного кремния растворяться.
Другим индикатором состава растительного сообщества в палеопочвах является изотопный состав углерода . Соотношение различных изотопов углерода в органическом веществе в палеопочвах отражает пропорции растений, использующих фотосинтез C3 , которые растут в более прохладном и влажном климате, по сравнению с растениями, использующими фотосинтез C4 , которые лучше приспособлены к более жарким и сухим условиям. [19] Другие методы обнаружения прошлой растительной жизни в палеопочвах основаны на идентификации остатков восков листьев , которые медленно разлагаются в почвах с течением времени. [20]
Палеопочвенные последовательности, как записи предыдущих земных поверхностей, которые можно накладывать друг на друга, также полезны в области палеосейсмологии .
