河北南部石炭系—二叠系古土壤类型及特征
发布网友
发布时间：2022-04-23 15:51
共1个回答
热心网友
时间：2023-10-08 22:33
在研究工作中，首先在露头剖面及岩心描述时，以是否发育植物根迹、钙结层、铁质壳、伪背斜构造、滑擦面以及岩层是否具有土壤层特征等依据，分辨出古土壤，并根据宏观观察结果对所辨识的古土壤层按特征大致分类，然后在各类古土壤层的典型剖面上采样，以进行样品的常量元素相对含量和粘土矿物相对含量分析以及微形态特征观察。其中常量元素相对含量是在国家地质实验测试中心采用X荧光光谱仪按国家G B/T14506.28—1993、GB/T14506.13—1993、GB9835—1988和LY/T1253—1999标准进行检测的，粘土矿物相对含量则在中国石油勘探开发研究院实验中心采用X射线衍射分析方法，按国家石油天然气行业标准SY/T5163-1995测定的。古土壤岩石薄片是在北京大学实验中心磨制的。测试原始数据见附表1、附表2。
根据宏观结构、构造特征、颜色、微观结构、粘土矿物及常量元素分布特征，在河北南部临城县竹壁村沙坝沟和邢台矿区DP1钻孔石炭系—二叠纪地层中识别出古新成土、古潜育土、古有机土、古变性土、古旱成土、古老成土和古氧化土等7种古土壤类型，分述其特征如下。
5.3.2.1 古新成土（palaeoaddendosols）
（1）宏观特征
露头上一般为灰色、灰白色泥岩或铝土质泥岩，普遍发育直径约1～3mm或更细小的脉管状植物根迹，这些根迹向下分叉或从*向四周发散，有的含菱铁质结核，结核以孤立状或连续成层出现，孤立结核的直径最大可达10cm，土体成块状。在沙坝沟剖面的第2～5层厚约3m，其间夹三层10～20cm的菱铁质细砂岩和一层厚约50cm的灰*细纱岩，位于最上部的是第5层，岩性为灰黑色炭质泥岩，其他均为灰色泥岩和铝土质泥岩。在灰色铝土质泥岩和泥岩中普遍有细小根迹发育，并含沿层分布的植物碎片化石，由于受一定程度的成壤作用，而呈现出不很明显的块状构造。在菱铁质细砂岩中由于受氧化铁的浸染，整层岩石均成红褐色，岩层内已无法辨认沉积层理，但整套岩层仍保留着潮汐砂坝的形态。灰*细砂岩则仍保持着原来的沉积层理，但从中可以发现细小的植物根迹和植物化石碎片（图5.5）。
（2）常量元素和粘土矿物分布特征
发育于沙坝沟剖面第2～5层的古土壤，整个剖面上除了含菱铁质结核的位置，SiO2和Al2O3相对含量随深度变化较小，而在菱铁质结核发育的位置，由于菱铁质结核的存在导致总铁（TFe2O3）含量突然增高，从而使得SiO2和Al2O3含量相对降低，总铁（TFe2O3）含量有随深度增大而增大的趋势反映风化程度的w（Al2O3）/w（SiO2）也无明显变化，而从风化淋溶系数CIA（=w（Al2O3）/w（CaO+MgO+Na2O+K2O），下同）和反映钙化程度的w（CaO+MgO）/w（Al2O3）看，剖面上部有微弱的脱钙特征；从w（Fe2O3）/w（FeO）看，随深度的变浅，氧化性逐渐减弱。从烧失量LOI在剖面顶部40cm范围内突然增大，可能由于大量植物的生长而有较多的有机质累积，所以烧失量有所增大。粘土矿物组成以高岭石（K）和伊利石/蒙脱石混层（IS/）为主，含少量的伊利石，而无绿泥石，且高岭石相对含量远高于伊利石/蒙脱石混层。在剖面上，高岭石和伊利石/蒙脱石混层随深度变化不明显（图5.6）。
（3）微形态特征
岩石薄片中，可观察到颗粒仍然呈定向排列，以石英颗粒为主，颗粒间为泥质充填，颗粒边缘普遍有较薄的泥质包膜（coating）（图5.7a），使得颗粒边缘模糊，包膜主要形成于晶质颗粒边缘的内侧，在单偏光下为灰色，根据图5.8的分类（黄瑞采，1990），所发育的包膜属于颗粒包膜。从整个薄片看还含大量无定型有机质并见植物根迹。植物根迹被方解石充填，边部仍然保留着根的薄壁，薄壁在单偏光下为黑褐色，反射光下为灰色（图5.7b）。
（4）成因解释
这种类型的古土壤主要发育在本溪组和太原组下段，发生过多次的海水进退过程。由于当时的华北地台地形平缓，每次海水侵入都将河北南部所覆盖。从第2～5层的沉积看，所研究的砂坝沟剖面当时可能处于潮坪沉积环境，海水涨潮时海水都能到达该地，总体上水位较高，成壤作用较弱。从整个土壤层剖面看，存在着生物作用的痕迹，但却无明显的风化、淋溶、脱钙等成壤作用过程的现象，但从宏观上看，剖面上又具有土壤结构和生物改造的痕迹。因此，为较弱的成壤作用改造的结果，形成的土壤层接近于母质层C层，因此在古土壤检索分类中属于古新成土。
图5.5 沙坝沟剖面第2～5层中古土壤层宏观特征Fig.5.5 Macro-characteristics of the palaeosols in the layer 2～5 of Shabagou section
图5.6 沙坝沟剖面中古新成土粘土矿物、常量元素及比值分布特征Fig.5.6 Clay mineralogical and geochemical characteristics of the palaeoaddendosols in layer2～5 of Shabagou section
TFe2O3—总铁；CIA—风化淋溶系数；L OI—烧失量
图5.7 古新成土的微形态特征Fig.5.7 Micromorphological characteristics of the palaeoaddendosols in layer2～5 of Shabagou section
图5.8 覆盖在颗粒表面上的包膜类型Fig.5.8 Coating types on the grains
（据黄瑞采，1990）
5.3.2.2 古有机土（palaeohistosols）
一般为黑色的煤层和灰黑色炭质泥岩，在沙坝沟剖面上主要发育了几层厚度较薄的炭质泥岩，如图5.3中第5层。众所周知，煤层为大量植物残体堆积经深埋变质而成，因此，从土壤学角度，煤层实际上是土壤剖面中位于最上部的有机质层经变质形成的，主要由有机质含量较高的O 层土壤层所组成。所以，从检索分类上，它属于以有机质层为主体的古有机土。
5.3.2.3 古氧化土（palaeooxisols）
该类型古土壤在本溪组地层中，如沙坝沟剖面的第3层包含的三层厚度为20～40cm的菱铁质粉、细砂岩（图5.5）。其特征为含菱铁质结核或为菱铁质胶结的粉砂岩，颜色为红褐色，菱铁矿为弱还原、弱氧化条件下形成，它的出现表明沉积物曾经暴露遭受氧化（Ciaran和O’Byrne等，1996）。且从整个沉积层看尽管还可看出大的沉积构造，但其中细小的沉积层理却已无法辨认。在薄片中，以石英为主的颗粒定向排列，可观察到单偏光和正交光下为黑色、反射光下为红色的菱铁质填充物，一些石英颗粒边缘被铁质浸染而呈不规则状或形成铁质亚包膜（图5.9）。
图5.9 沙坝沟剖面第3层中古氧化土的微形态特征Fig.5.9 Micromorphological characteristics of the palaeooxisols in layer 3 of Shabagou section
在上石盒子组中，在剖面上表现为灰色、浅灰色的泥岩夹一层厚约1～5cm的红褐色铁质壳层，一些剖面上铁质壳上部的泥岩被冲蚀掉，而只剩下铁质壳，或岩层顶面被铁质浸染而呈褐红色，与其下的地层呈鲜明的对比。还有的古土壤层整个剖面都呈红褐色，但在裂缝或土壤结构体之间的缝隙中常常填充了颜色更深的铁氧化物，且土壤结构体呈次棱角状，风化面上显得较为破碎。从野外露头特征看，该类型古土壤层通常都发育类似于现代土壤系统分类中的诊断表下层氧化层的铁质壳或铁氧化物聚集层。该古土壤层主要由具有氧化层的Bg层所组成，从这一特征看，应属于检索分类中的古氧化土（palaeooxisols）。
本溪组发育的古氧化土与上石盒子组发育的古氧化土相比，在本溪组发育的氧化土其厚度较薄，通常为质地较粗，一般为粉—细砂粒，有发育形态完整的菱铁质结核或整个岩层被强烈氧化形成的菱铁质氧化物浸染而呈暗红褐色，其形成环境一般为潜水面较高，且主要海平面下降后沉积物暴露地表遭受氧化而形成，一般为弱还原—弱氧化环境，且气候较为潮湿。而在上石盒子组发育的古氧化土则具有较薄的铁质壳，且大多数情况下，没有铁质壳，而是岩层顶面被氧化或整个岩层被氧化而呈紫红色，色彩较为鲜艳，一般质地为粘土—细粉砂，而粒度较粗的细砂岩等则一般不发育古氧化土，形成于河流沉积环境的泛滥盆地，气候为半湿半干。
5.3.2.4 古潜育土（palaeogleysols）
在N ettleton和Olsen等（2000）的古土壤划分方案中并未列出该类古土壤，但具有潜育特征的古土壤对基准面/海平面变化分析具有重要意义，因此本次研究根据第四纪古土壤中潜育土特征以及前人对第四纪以前潜育土的研究成果，将其单独列出。
（1）宏观特征
这种古土壤层在剖面上主要为深灰色或灰黑色泥岩，含有较多的植物根化石，常上覆煤层，一般是煤层底板根土岩。由于早期暴露地表，后期由于地下水位抬高经水浸湿而形成斑纹状的还原层。
（2）常量元素和粘土矿物分布特征
发育于邢台矿区DP1钻孔7＃煤层底板的根土岩中的古土壤，剖面上，SiO2相对含量随深度增大而减小，TFe2O3和Al2O3相对含量随深度增大而增大，反映风化程度的w（Al2O3）/w（SiO2）也随深度增加而成呈增大的趋势，而从风化淋溶系数CIA则具有相反的趋势，呈随深度而减小的趋势，反映钙化程度的w（CaO+MgO）/w（Al2O3）则随深度增加而增大，从这几项参数看，该土壤层曾受较为强烈的风化淋滤、淋溶作用，导致剖面上部SiO2相对累积，铁、铝、钙、镁等向剖面下部迁移，同时从风化淋溶系数和反映钙化程度的指标看，该剖面钙、镁淋失强度比铁、铝大；从w（Fe2O3）/w（FeO）看，从下向上氧化性明显减弱而还原性增强。在剖面上部40cm范围内，烧失量向上增大，可能由于顶部大量植物的生长，而产生有机质累积，所以烧失量有所增大。粘土矿物组成以高岭石（K）和伊利石/蒙脱石混层（I/S）为主，且它们的相对含量相当，另外还含3%～12%的伊利石和12%～18%的绿泥石。在剖面上部50cm范围内，高岭石和伊利石相对含量向上增大，而伊利石/蒙脱石混层和绿泥石相对含量向上减小（图5.10）。
图5.10 邢台矿区DP1钻孔7＃煤底板古潜育土粘土矿物、常量元素及比值分布特征Fig.5.10 Clay mineralogical and geochemical characteristics of the palaeogleysols of the coal seam 7#floor in the borehole DP1 in Xingtai mining area
TFe2O3—总铁；CIA—风化淋溶系数；LOI—烧失量
（3）微形态特征
在薄片中泥质结构明显，几乎无石英等颗粒。裂缝发育普遍，受淋溶与淀积作用裂缝及植物细胞溶蚀结构体中基本都被方解石充填，同时在这些缝、孔中可见到成颗粒状的黄铁矿颗粒，黄铁矿颗粒在正交光和单偏光下都呈黑色，在反射光下为金属光泽反光体，略带*。而方解石晶形不明显，但在正交光下干涉色特征极其明显（图5.11）。从薄片上看，该类型古土壤经历了淋溶与淀积作用过程和还原过程，形成碳酸盐淀积和黄铁矿颗粒。
图5.11 邢台矿区DP1钻孔7＃煤底板古潜育土微形态特征Fig.5.11 Micromorphological characteristics of the palaeogleysols of the coal seam 7#floor in the borehole Dp1 in Xingtai mining area
（4）成因解释
从剖面上地球化学和粘土矿物相对含量变化规律看，该类型古土壤早期发育时潜水面较低，经受较强的淋洗作用，导致易溶成分被淋失，而在剖面上部累积硅。后来潜水面抬升，使土壤层被水体淹没而处于还原环境，导致向上还原性增强，并在剖面上形成斑纹状还原层。在薄片中也反映了淋溶和还原作用所形成的特征。从其形成及演化特征看，与现代潜育土特征较相似（Retallack,1998），它又被深埋于地层中，属于埋藏古土壤，因而将其命名为古潜育土（palaeogleysols）。
5.3.2.5 古旱成土（palaeoaridisols）
（1）宏观特征
河道间沉积环境中形成的古土壤，是河流沉积层序划分界面的重要标志。由于河道的迁移或者后期河道的发育，在河道间形成并保存下来的土壤层常常并不完整，一般情况下位于土壤层上部的有机质层（O层）和淋溶层（A 层）都被侵蚀掉了。因此，在识别该类土壤时主要依靠心土层或淀积层（B层）的特征。
研究区上石盒子组中段发育的古土壤特征明显、类型单一，可归纳为一种类型的古土壤。该类型古土壤在剖面上较为典型的特征是，一般在距顶部20～60cm的位置都有连续分布、平行于地层的灰白色钙结层发育，钙结层厚度一般在10～20cm左右，且顶部都有一厚20～40cm的*层，向下逐渐转变为紫红色，岩性均为泥岩。由于受成壤作用的改造，土壤结构大多呈块状结构，且上覆的河道砂岩底部岩石成分中，常含有泥砾，且泥砾的粒度向上变小，直至无泥砾，下伏河道砂岩的顶部可见到由于暴露地表而形成的侵蚀坑或生物钻孔（图5.12）。
图5.12 沙坝沟剖面第51层中古旱成土宏观特征Fig.5.12 Macro-characteristics of the palaeoaridisol in layer 51 of Shabagou section
（2）常量元素和粘土矿物分布特征
沙坝沟剖面的第51层中，古土壤层的SiO2含量在53.65%～66.54%之间，且由下向上逐渐减小；Al2O3含量分布在15.49%～20.36%之间，变化趋势与SiO2的相反；T Fe2O3（总铁）含量6.97%～9.82%，整体上看变化趋势不明显；反映风化程度和淋溶强度的w（Al2O3）/w（SiO2）由下向上逐渐增大，CIA值也呈同样的趋势，所不同的是CIA在剖面顶部突然减小，可能在剖面顶部积钙所致，w（CaO+MgO）/w（Al2O3）在剖面上的变化也反映出了这一特征。这几项参数的在剖面上的变化较明显地反映出了淋溶与淀积成壤过程。w（Fe2O3）/w（FeO）在剖面上变化不大，反映在土壤发育过程中氧化还原条件基本相似。从烧失量看，有机质含量由下向上增大，且到顶部增大幅度较大，可能该位置接近于未被侵蚀前古土壤层的淋溶层的位置。粘土矿物组合以高岭石和伊利石/蒙脱石混层为主，有少量的伊利石，其中高岭石含量在22%～43%之间，伊利石/蒙脱石混层含量在52%～73%之间，而伊利石仅有4%～8%（图5.13）。
图5.13 沙坝沟剖面第51 层古旱成土地球化学及粘土矿物分布特征Fig.5.13 Geochemical and clay mineralogical characteristics of the palaeoaridisols in layer51 of Shabagou section
TFe2O3—总铁；C IA—风化淋溶系数；LOI—烧失量
在粘土矿物相对含量上，该类古土壤与其他各类古土壤有明显的区别，即高岭石相对含量低于伊利石/蒙脱石混层，而在其他古土壤层中则相反。
（3）微形态特征
在薄片中可观察到大量发育的方解石充填物，主要充填在裂缝或溶解孔隙中，方解石多呈两个世代，靠孔隙或裂缝边缘为细小的方解石晶体，孔隙或裂缝*为较大的方解石晶体，呈镶嵌状充填于其中。主要成分为泥质，颗粒较少，颗粒成分主要为石英，在部分颗粒表面可观察到厚度较小的泥质包膜。可见到较大的有机质碎块，单偏光和正交光下为黑色。可能由于埋藏后受压实而*成多个碎块，碎块间还混杂有石英颗粒，并被细晶方解石充填（图5.14）。
图5.14 沙坝沟剖面第51层中古旱成土的微形态特征Fig.5.14 Micromorphological characteristics of the palaeoaridisols in layer 51of Shabagou section
（4）成因解释
在半干旱、半湿润气候条件下，由于降雨较少，雨量对土壤的淋溶、淋滤作用较弱，只有那些易溶解化学成分被淋溶迁移，由于钙的氧化物极易溶于水，因此，在这样的气候条件下，在土壤层上部通常出现脱钙，而下部土层积钙。从上述各方面的特征看，研究区的这类古土壤主要出现在河道间沉积，由于河道迁移，土层上部常被侵蚀，而留下发育有钙结层的下部。从其整体特征并结合钙结层发育特征看，从检索分类上该类古土壤应为古旱成土（palaeoaridisols）。
5.3.2.6 古变性土（palaeovertisols）
（1）宏观特征
该类古土壤主要为紫红色或紫*中厚层状泥岩，其最典型的特征是规模大小不一的滑擦面相互交叉所构成的“伪背斜”构造，且滑擦面内通常都充填了厚度5～10mm的碳酸钙淀积物。当滑擦面发育较多，以致成网状时，受滑擦面内充填的碳酸钙淀积物和氧化物的影响，远观时其颜色为紫*或黄绿色。发育少量与地层相垂直且向下分叉的植物根迹，直径约3～4mm。土体结构呈次棱角状（图5.15）。
图5.15 沙坝沟剖面第138～139层中古土壤层宏观特征Fig.5.15 Macro-characteristics of the palaeosols in layer 138～139 of Shabagou section
（2）常量元素及粘土矿物分布特征
在沙坝沟剖面的138层发育的V型古土壤，相对于其上、下土层具有较低的SiO2含量和较高的Al2O3和TFe2O3含量，且三者基本都不随深度的变化而发生变化，其中SiO2含量为55.77%～58.86%,Al2O3含量为21.38%～22.93%,TFe2O3为6.77%～8.12%；反映风化程度和淋溶强度的w（Al2O3）/w（SiO2）和CIA在剖面上也无明显的变化，所不同的是w（Al2O3）/w（SiO2）相对于上、下地层要高；w（CaO+MgO）/w（Al2O3）在剖面上的变化则与CIA变化特征基本一致。w（Fe2O3）/w（FeO）有由下向上逐渐增大的微弱趋势，即在剖面上部氧化性相对于下部有所增强。烧失量也相对于上、下地层高，且基本不随深度的变化而变化。粘土矿物以高岭石和伊利石/蒙脱石混层为主，几乎不含伊利石，其中高岭石含量为60%～79%，伊利石/蒙脱石混层含量为21%～40%，且高岭石含量在剖面上由下向上逐渐增大，而伊利石/蒙脱石混层变化趋势则相反（图5.16）。
图5.16 沙坝沟剖面138层古变性土地球化学及粘土矿物分布特征Fig.5.16 Geochemical and clay characteristics of the palaeovertisols in the layer 138 of Shabagou section
TFe2O3—总铁；CIA—风化淋溶系数；L OI—烧失量
（3）微形态特征
在薄片中，主要由细粒的泥质组成，颗粒较少，其中的颗粒表面基本都有泥质包膜的发育，包膜几乎覆盖了整个颗粒，颗粒成分主要为石英。发育的裂缝被方解石泥晶所充填，从充填特征看，可能为多期充填结果，因为，在后一期充填的前端出现了可能为流体停止流动后形成的新月形帽状物，且两期形成的淀积物在单偏光下颜色上也有差别，前一期颜色稍浅为灰白色，后一期稍深为灰色（图5.17）。
图5.17 沙坝沟剖面138层中古变性土的微形态特征Fig.5.17 Micromorphological characteristics of the palaeovertisols in the layer 138 of Shabagou section
（4）成因解释
综合上述特征来看，由于该类土壤发育于泛滥盆地离河道较远端的位置，河水不经常漫到此地，并由于气候干湿交替，主要为膨胀性较强的粘土矿物组成的泥岩在干旱期收缩，而在潮湿期又发生膨胀，如此胀缩运动，在整个剖面形成规模大小不一的滑擦面。多组滑擦面或破裂面（通常后期被方解石充填）以较宽的、略向下倾斜的向斜和陡峭的、呈尖头形的背斜形式构成伪背斜构造。因此，它应当属于古变性土（palaeovertisols）（Wright等，1992;Driese和J acobs等，2003）。
5.3.2.7 古老成土（palaeoeldisols）
（1）宏观特征
在未受成壤作用的改造情况下，沉积物颜色在沉积层剖面上基本一致，而经受了成壤作用的改造后，通常都有颜色的变化（叶良苗和裘亦楠，1991；尹国勋和张汉瑞，1996）。这是因为土壤层受淋溶或淋洗作用，一些化学物质或粘粒从剖面上部向下迁移，从而使得剖面上下呈现不同的颜色。研究区该类古土壤在剖面上的颜色一般为上部紫*或更浅的灰*，向下逐渐转变为紫红色以及褐色（图5.19）。同时有大量与地层大致垂直的植物根迹发育，根迹直径1～5mm，根迹边缘由于被氧化而呈*，可清楚观察到根系的分叉状结构。
（2）常量元素及粘土矿物分布特征
在沙坝沟剖面的139层发育的V I型古土壤，SiO2含量在57.66%～65.9%之间，且由下向上逐渐增大；Al2O3含量分布在18.93%～22.98%之间，变化趋势与SiO2的相反；TFe2O3（总铁）含量5.06%～7.42%，剖面上变化趋势与Al2O3相同；反映风化程度和淋溶强度的w（Al2O3）/w（SiO2）由下向上逐渐减小，CIA值有较弱的向上增大的趋势，但在剖面顶部突然减小，w（CaO+MgO）/w（Al2O3）在剖面上的变化很小，但靠近上部的位置有向上增大的趋势。从上述各项参数在剖面上的变化可以看出，该土壤剖面上发生过较明显的灰化成壤过程。w（Fe2O3）/w（FeO）由下向上逐渐减小，体现出在土壤层上部还原性有所增强。而烧失量也出现由下向上减小的趋势。粘土矿物以高岭石和伊利石/蒙脱石混层为主，几乎不含伊利石，高岭石含量为59%～65%，在剖面上由下向上逐渐增大，伊利石/蒙脱石混层含量为30%～41%，在剖面上的变化趋势与高岭石相反（图5.18）。Fig.5.18 Geochemical and clay characteristics ofthe palaeoeldisols in the layer 139 of Shabagou section
图5.18 沙坝沟剖面139层古老成土地球化学及粘土矿物分布特征
TFe2O3—总铁含量；CIA—风化淋溶系数；LOI—烧失量
（3）微形态特征
从薄片中观察，该类古土壤也主要由细粒的粘土组成，在单偏光下整体显灰色，颗粒较少，且颗粒成分主要为石英，颗粒表面普遍具有包膜而使得颗粒边缘在单偏光下显灰褐色，颗粒也被泥质浸染而呈灰色。由于在露头上即已观察到大量植物根迹的发育，因此，在薄片中植物根迹也较常见，且根的横截面形态较完整，根的有机质已发生变质而在正交光下呈黑色，边缘仍可见植物根的薄壁，直径在0.1～0.5mm 不等。有的根迹被裂缝切割而呈碎块，里面填充了碳酸盐淀积物（图5.19）。
（4）成因解释
在潮湿气候，大量生长植物的地区，植物残体腐烂形成的有机酸溶液在下渗过程中，将上部土体中碱金属和碱土金属淋失，并使矿物中的铝硅酸盐分离，在淋溶层形成还原态的铁铝，并以胶体形式向下淋溶。在土体下部遇到高盐基状态或水分被土壤吸收而淀积于土体下部。由此在土壤层上部形成二氧化硅相对富集的灰白色淋溶层，而在土体下部形成三氧化物和腐殖质富集的红棕色淀积层（尹国勋和张汉瑞，1996）。同时，由于大量发育泥质薄膜和粘土矿物中高岭石含量较高，因此，从宏观特征以及粘土矿物和地球化学特征看，该类型古土壤在检索分类中应属于古老成土（palaeoeldisols）。
图5.19 沙坝沟剖面139层中古老成土的微形态特征
Fig.5.19 Micromorphological c haracteristics of the palaeoeldisols in the layer 139 of Shabagou section
