环境地球化学

长江三角洲第一硬黏土与古环境

摘要：硬黏土形成在沿海和陆架相互作用的地带，受陆海交互作用的影响, 对气候及海平面变化尤为敏感，包含了复杂的古环境信息。本文从土壤形态和土壤剖面两个方面对硬黏土进行了描述，并进一步说明硬黏土是一种古土壤，同时以长江三角洲第一硬黏土为例，说明了它所蕴含的古气候信息及其与海平面的关系。

关键词：硬黏土古环境

硬黏土形成在沿海和陆架相互作用的地带，受陆海交互作用的影响, 对气候及海平面变化尤为敏感，包含了复杂的古环境信息。长江三角洲晚第四纪地层中普遍发育若干层厚度不等的暗绿色、黄绿色或黄褐色的硬质黏土层,在工程地质上俗称“硬质黏土”或“老黏土”。按其年代由新到老依次为第一、第二、第三……硬质黏土层。目前对第一硬黏土层研究较详。第一硬黏土是古土壤。

1硬黏土概述

1.1土壤形态

从颜色上看，硬黏土大致可以分为两类，一类是分上、下两层的暗绿色硬黏土层和黄褐色硬质黏土层；另一类为单一的黄褐色硬质黏土层。这跟海水的影响程度有关；硬黏土质地以细粉砂为主，其次是粗粉砂和黏土；呈块状构造；土壤中含有新生体。

1.2土壤剖面

第一硬黏土层分布在长江三角洲南北两翼，埋深3-25m，西部浅，东部深，总体上具有自西向东的自然坡度。西部硬黏土层的厚度最大，平均7．2 m，向东变薄，至上海市区平均为2．9 m。——这可能和暴露时间长短有关系。

上部含较多植物根屑, 具团粒结构, 中、下部淀积层内黏粒胶膜及铁锰质结核发育, 底部逐渐过渡到保留有原生沉积构造的母质层。

硬黏土与上下地层的关系：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、河流相粉细砂或黏土质粉砂, 呈渐变接触关系。

1.3硬黏土是古土壤

古土壤指过去气候与地貌环境相对稳定环境下形成的土壤，其发育或由于形成土壤的气候或地形环境的变化而中断，或在后来的地质过程中被其他沉积物掩埋。探讨并证明硬黏土是古土壤主要看硬黏土是否是经历了明显的成土改造。古土壤特征比较明显的层位在硬土层的上部：

第一，植物碎屑—黑色腐殖质，含有植物碎屑表明硬黏土确实经历了生物的改造作用

第二，黏粒含量高—黏化作用，古土壤层的黏粒( < 0 . OO5 m m ) 含量均比层高, 可以达到4 0 一50 % , 而且其中细黏粒的含量比粗黏粒含量高,大部分是长石及铁镁类矿物在成壤过程中经黏化作用形成的,黏粒含量高是土壤形成过程中的一种特征

第三，黏粒胶膜—说明硬黏土经历过淋溶淀积作用

第四，土壤新生体，铁锰结核，石膏——说明硬黏土经历过氧化还原作用，潜育、潴育化过程

第五，缺乏层理—植物的生长、细菌的作用淋溶和淀积作用以及黏粒化、氧化、还原等作用和过程都会造成原始层理的破坏, 使土壤层不显层理。因此,缺乏层理构造也是古土壤的重要标志之一。

第六，孔隙—硬黏土中含有各种各样的孔隙和裂隙，有囊状孔洞、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等，这些裂隙的形成因素主要有生物因素（土壤动物、植物根系）、物理因素（干湿交替，冻融交替）、化学因素(化学风化)，这也表明硬黏土经历了明显的成土改造。

第七，有孔虫颜色—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。

2.硬黏土中植物硅酸体与古气候

2.1植物硅酸体

植物硅酸体是指合成后沉积在植物细胞内或细胞间具有一定生理生态功能和稳定形态特征的水合二氧化硅颗粒。植物硅酸体以二氧化硅为主要成分，其含量为70％～90％，另含有吸附水3％～12％、有机碳1％～6％，还含有Al、Fe、K、Ca、Mn、Ti等微量元素。硅酸体由于以硅质成分为主。具有很强的抗风化能力，在植物体腐烂、分解、搬运、埋藏过程中能较完好地保存下来，其成分也较少受后生作用的改造。在进行古环境重建中，是一种极好的指标。

长江三角洲地区晚第四纪古土壤中植物硅酸体的主要类型有反映暖湿气候的扇型、方型、长方型、长鞍型、短鞍型、竹节型、Y型、哑铃型、旋转导管型；反映冷干气候的棒型、帽型、尖型。草本植物硅酸体在类型和数量上均占绝对优势，源于阔叶类木本植物的硅酸体数量仅占硅酸体总量的2％-10％。

2.2蕴含的古气候信息

植物硅酸体A值即古土壤植物硅酸体中反映暖湿气候的扇型、方型、长方型与反映冷干气候的棒型、帽型、尖型的含量比值。自下向上总体呈减小趋势,表

明古土壤发育期间气候由暖湿向冷干转变（表明古土壤主要是在末次冰盛期前的海退过程中发育的）

根据植物硅酸体A值在古土壤各个层位的变化，可把当时的古气候分为两个期：古土壤下部至中部，A值波动明显指示该层段发育过程中气候曾有明显变化,为末次冰盛期之前海退发生后的气候转型时期；自中部向上,A值一致减小,反映气候趋于冷干,为气候转型期过后的稳定变化时期；上部，长江三角洲地区晚第四纪古土壤上部植物硅酸体A值并未记录气候明显转暖,推测末次冰盛期之后的海侵速度较快,古土壤尚未显著增厚就已被淹没,由此可见,末次冰盛期前的海退延时较长,尔后的海侵相对迅速,气候由暖变冷一个相对缓慢的过程,而由冷向暖转变却很迅速。

3 硬黏土与海平面升降的关系

硬黏土形成于末次亚间冰期向末次冰盛期过渡的时期, 从地层上讲，在LG 和PG海侵旋回之间，成土母质为河漫滩沉积，其母质的沉积及成土发育过程受海平面变化的控制，大致可分为三个阶段：

A,沉积与成土交替作用时期（大致相当于氧同位素3期）：①前期，海平面下降,海岸线东移,洪水期间,河水漫滩,泥砂沉积；洪水过后,沉积物经受成土作用——在沉积与成土的交替作用下,古土壤剖面厚度不断增加。②中后期，随着海平面下降,河床不断加深,加以气候趋于干冷,降水减少,河水漫滩次数逐渐减少,规模变小,古土壤厚度的增加不如前期显著，至海面降至接近最低之时,河水基本上不能溢出,洪泛沉积作用中止。这一阶段是古土壤剖面增厚的主要时期B,暴露成土期（大致相当于氧同位素2期）：由于洪水漫滩沉积作用中止,古土壤厚度不再明显增加，成土作用占主导地位，这一阶段的前期海平面不断下降,并降至最低之后,海平面回升,随着海平面的不断上升,海水内侵,至古土壤濒临被时,阶段2终止。——硬黏土在这一阶段经受了长期统一的成土改造，最终在外观上表现为一个较厚的古土壤剖面,貌似单一土壤剖面。

C,淹埋期（大致相当于氧同位素1期）:古土壤被海水淹没,成土作用结束,古土壤的沉积一成土发育过程终结,海相沉积物覆于古土壤层，早期成岩作用开始,古土壤层经受新的改造。

从另一角度来看，既然硬黏土这一古土壤的形成受到海平面的明显控制，那么，它则明显记录了海平面的变化及间冰期-冰期转换的过程。

硬黏土中蕴含的古环境信息的获得是通过对硬黏土若干指标的分析得到的，如,磁化率、植物硅酸体、有机元素、孢粉等指标。本文主要叙述了硬黏土中植物硅酸体所蕴含的古气候信息及其硬黏土与海平面升降的关系。