黄土-古土壤互层对土壤水分运移及土体微结构的影响

黄土地区地质灾害问题的发生大多与水在黄土中的入渗有关,而马兰黄土-古土壤互层结构对土壤水分入渗规律的影响显著。为揭示古土壤阻滞作用下黄土水分运移规律及其对黄土体微结构的影响,为黄土地区工程实践提供理论基础,该研究以陕西省泾阳县南塬的黄土为研究对象,采用土柱模型进行水分入渗试验,研究黄土-古土壤互层条件下土壤水分运移规律。在此基础上,通过微结构测试、分形维数和概率熵等指标的计算,分析黄土-古土壤互层条件下土壤水分运移对黄土微结构的影响。结果表明:古土壤层的透水性弱,湿润锋抵达黄土与古土壤界面处产生瞬态滞水,且随着入渗强度增加滞水时间增加;古土壤层影响下黄土与古土壤界面处的滞水会导致孔隙结构相互连通,孔隙空间平均增加4.13%,孔隙方向概率熵平均减少0.029,分形维数平均减小0.076,即古土壤层的阻水作用使得界面处黄土的孔隙空间增大,孔隙排列有序,孔隙形态规则。研究结果为黄土地区的工程建设和生态环境保护提供科学支撑。

古土壤层间富水对黄土场地湿陷性的影响

黄土地层中往往交替分布着多层红色古土壤层,由于其硬度相对较高,遇水不易湿陷,对黄土地层湿陷量的测量结果有很大的影响。然而,对于古土壤对湿陷量的控制作用目前还缺乏相关研究,导致对湿陷地层湿陷量的科学取舍缺乏理论依据。为此该文统计了黄土高原区的浸水试验结果,分析了不同区域湿陷量室内外差异特征,并以西安地区两个试验场地的大型浸水试验为研究对象,进行了不同试验条件下土体中水分的扩散、含水率的变化、土压力变化以及累计湿陷量等测量工作。最终结果表明,古土壤层的存在阻碍湿陷进程,在阻止水分下渗的同时,阻碍深部地层湿陷量传递至地表,使得湿陷量实测值与计算值之间的差异与古土壤层数呈现正相关的趋势。该文将为普遍存在古土壤的黄土地层自重湿陷机理的研究提供参考。

陕西渭北晚更新世黄土-古土壤结合水膜厚度的试验研究

为深入剖析黄土与古土壤工程性质的影响因素,以陕西渭北晚更新世黄土与古土壤为研究对象,基于核磁共振、比表面积测试并结合理论分析对结合水膜厚度进行研究。试验结果显示:黄土与古土壤的结合水膜厚度存在明显差异,黄土的结合水膜厚度明显大于古土壤,原因在于古土壤孔隙体积及孔径小于黄土,而古土壤中高价阳离子含量大于黄土,同时古土壤颗粒表面分布铁锰质薄膜,其亲水性较弱。分析结合水膜与黄土湿陷性、回弹变形等工程特性间的关系,发现黄土-古土壤的湿陷性随结合水膜厚度的增大而增强,随结合水膜厚度的减小而减弱,结合水膜厚度与卸荷变形系数呈正相关关系。综合分析说明,高价阳离子含量、颗粒表面特性,及孔隙性的不同造成了黄土与古土壤结合水膜厚度的差异,从而导致黄土与古土壤的湿陷性等工程性质有显著区别。

黄土-古土壤饱和渗透性与孔隙分布特征关系研究

由于沉积环境的差异,古土壤较上覆黄土致密,其饱和渗透系数应低于黄土,但试验结果却显示二者的饱和渗透系数相近。为揭示这一现象的机理,在陕西泾阳南黄土塬开挖33m的探井,沿井壁按1m间距取黄土和古土壤原状试样,进行变水头渗透试验,测定试样的饱和渗透系数。同时用压汞试验(mercury intrusion porosimetry,MIP)及扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)测试分别获取试样的孔隙分布曲线和微观结构图像,以分析黄土-古土壤饱和渗透性与孔隙分布特征的关系。结果表明:(1)黄土-古土壤地层的饱和渗透系数整体上沿深度方向规律性减小,但相邻黄土和古土壤层的饱和渗透系数无明显差异;(2)MIP及SEM测试结果表明,黄土结构均匀、孔隙大小较为一致,而古土壤具有不均匀的团块-裂隙结构,虽然团块内部较黄土致密,但团块间存在裂隙;(3)饱和渗透系数的大小取决于透水孔隙的体积分数,其中黄土的透水孔隙主要为较大孔隙(孔径>2μm),而古土壤的透水孔隙主要为团块间的微裂隙,虽然二者渗透系数相近,但渗透机理完全不同。为研究黄土与古土壤的孔隙分布特性和解决黄土区工程建设中的问题提供了理论依据。

不同纬度黄土-古土壤赤铁矿含量差异及其气候指示意义——基于漫反射光谱和色度方法

在全球变暖的背景下,北极和第三极(青藏高原)的增温幅度高于世界上其他地区,其增温幅度和机制并不明晰,因此有必要开展不同时间尺度、不同气候记录载体的研究。利用赤铁矿研究末次间冰期-末次冰期的增温效应,使用漫反射光谱和色度方法量化俄罗斯西伯利亚、中国黄土高原西峰和中国川西高原甘孜3个沉积连续的黄土-古土壤序列中的赤铁矿,揭示其蕴含的气候信息。研究结果显示:(1)漫反射光谱和色度方法相结合是定量赤铁矿的有效方法。(2)在大空间尺度中,赤铁矿主要受控于温度而非降水。(3)在末次间冰期和末次冰期旋回时期,较高纬度气温变化幅度大于较低纬度气温变化幅度。不同纬度的气温“轨道尺度较差”可能是轨道尺度太阳辐射差异和年内太阳辐射差异的综合体现。

黄土-古土壤地层深竖井受力变形特征研究

研究目的:为准确认识黄土-古土壤地层条件下的深竖井受力变形特征,以53.5 m深圆形竖井工程为依托,开展竖井侧向土压力、变形、结构内力及周边地层的竖直和水平向变形的系统监测。研究结论:(1)黄土-古土壤地层深竖井开挖过程中,井壁结构整体变形较小,水平变形“先挤出后收敛”,竖向变形“先下沉后隆起”,竖井开挖至设计深度后,15~30 d进入结构受力变形稳定阶段;(2)竖井井壁收敛变形、侧向土压力和结构内力在深度方向上存在拐点,出现在0.5~0.7倍竖井设计深度处,其受力变形指标和土层性质存在良好的对应关系,在古土壤范围内,井壁变形量和土压力明显减小,约为邻近深度处黄土层的40%~50%,古土壤的存在,限制了竖井变形和土压力的发展;(3)黄土-古土壤地层深竖井井壁结构侧向土压力与静止土压力和主动土压力有显著差异,在0~12 m深度范围内,侧向土压力接近静止土压力;12~28 m范围内,侧向土压力接近主动土压力;28~48 m范围内,侧向土压力均小于主动土压力,为其35%~65%;(4)本研究成果可为相近地层条件下深竖井的土压力计算和支护结构设计提供参考依据。

古土壤干湿特征指示晚古生代气候演化

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(410~255 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。

宝鸡地区L_(1)-S_(5)黄土和古土壤水分入渗及影响因素

[目的]探究宝鸡中晚更新统L_(1)—S_(5)层黄土和古土壤层水分稳定入渗率变化特征及其与土壤容重、土壤初始含水量和土壤毛管孔隙度等土壤属性的关系,为揭示宝鸡中晚更新统L_(1)—S_(5)层黄土和古土壤的入渗规律提供参考依据。[方法]运用双环法进行入渗试验,探讨了宝鸡中晚更新统L_(1)—S_(5)层黄土和古土壤水分入渗的变化特征及其影响因素。[结果](1)宝鸡中晚更新统L_(1)—S_(5)黄土层的平均稳定入渗率(2.38 mm/min)大于古土壤层的平均稳定入渗率(1.55 mm/min),其差异的原因可能与形成时的气候与风化成壤作用的强弱有关。(2)L_(1)—S_(5)层黄土和古土壤层水分入渗试验过程可以用考斯加可夫和通用经验公式进行很好地拟合。(3)土壤容重、土壤初始含水量和土壤毛管孔隙度等土壤属性是影响L_(1)—S_(5)层黄土和古土壤层水分稳定入渗率变化的重要因素。(4)利用土壤容重、土壤毛管孔隙度和毛管最大持水量等土壤参数可以很好地模拟宝鸡中晚更新统L_(1)—S_(5)层黄土和古土壤层的土壤稳定入渗率(R 2=0.88,NSE=0.88)。[结论]宝鸡中晚更新统L_(1)—S_(5)层黄土和古土壤层水分稳定入渗率的变化主要由土壤容重、土壤初始含水量和土壤毛管孔隙度等土壤属性的变化所致,利用上述土壤参数可以较好地模拟该区中晚更新统L_(1)—S_(5)黄土和古土壤层土壤稳定入渗率的变化。

陆相细粒沉积岩与古土壤深时气候分析方法综述

深时古气候的恢复与分析,对于预测未来气候的变化有非常重要的作用。陆相气候的恢复对于全球古气候带的划分、海陆气候差异的比较和气候模型的建立有重要的作用。气候敏感性沉积物的出现可以指示一定程度的气候信息。化学风化程度与气候密切相关,越强烈的化学风化指示越温暖湿润的气候。泥岩化学风化程度的评价有基于地球化学特征建立的指数(CIA、WIP、CIW、PIA、钠亏损指数(τNa))和非常规稳定同位素特征,还有基于泥岩矿物学特征的研究方法:矿物成熟度、黏土矿物的含量及组合和磁性矿物的组成。湖泊沉积岩古气候分析方法有基于元素比值变化和基于高精度天文轨道周期性分析的古气候变化研究。通过古土壤可以根据其淀积层的埋深定量恢复古降水量;黏土矿物、成土方解石、铁锰质结核和淀积层土壤基质的地球化学特征可以恢复古温度、古降水量和古大气二氧化碳浓度(p CO_(2))。目前对陆相沉积岩和古土壤已经有了比较丰富的研究,但未来还需要更多分辨率更高的陆相古气候分析方法建立和完善。

白垩纪钙质古土壤的发生学特征及古环境意义

古土壤形成于过去环境,是揭示环境变化历史的重要材料。新近纪(23.03 M a)以前形成的古土壤,年代久远、埋藏深、受成岩作用改造强烈,其发生学特征研究是古环境重建的基础。本文通过对白垩纪时期不同地点的钙质古土壤的发生学研究,拟恢复研究区域古环境。研究表明,古土壤剖面中的A层和B层形态分别产生变化,但层次差异依然明显,且表层土壤有机质含量一般高于表下层,钙积层(Bk)普遍发生并富含碳酸盐结核。可以观察到古土壤中方解石沿根孔淀积特征以及具滑擦面。钙质古土壤质地偏粗,为壤质砂土和砂质壤土。古土壤Bk层中的Ca、Mn、Sr相对富集,其余常量元素与Ba、Sc、Nb、Th、U、Cr、V、Co、N i等元素降低;δCe和δEu负异常以及相对富集重稀土元素。分别按照中国土壤分类系统和美国土壤系统分类两种分类体系进行了古土壤分类。由古土壤类型和特征可以推断白垩纪不同时期,在四川盆地梓潼—巴中地区、辽宁金岭寺—羊山盆地和松辽盆地出现过半湿润至半干旱的气候环境。

晚第三纪以前形成古土壤的鉴别、分类及其在古环境研究中的应用

晚第三纪以前形成的古土壤可以揭示地质时期的古环境。辨识古土壤的主要标志包括野外形态特征、微形态特征、地球化学特征等。当前古土壤分类一般基于现代土壤的系统分类体系,即采用诊断层和诊断特征,辅之以古土壤总体的化学性质等指标划分古土壤类型。形成于晚第三纪以前的古土壤可以重建全球范围的古气候变化历史,同时揭示前寒武纪时期古大气O2分压以及后寒武纪时期古大气CO2浓度水平的演化过程;古土壤具有空间和时间等多重信息,能反映流域或区域的古景观、古地貌、古水文特征。但目前缺乏一个广为接受的古土壤分类系统,成岩作用对古土壤特征的影响以及古土壤记录的古环境信息机制与解译等方面也还需要深入探讨。今后必须加强成岩作用对古土壤特性的影响以及现代土壤与其环境的对应关系的研究。

晚泥盆世古土壤的辨识及其发生学特征

运用野外形态观察、元素地球化学和磁学相结合的方法对新近发现的甘肃东部地区晚泥盆世古土壤剖面进行了辨识和分析,从而得出:1)该套地层中残留有原土壤发生过程的痕迹,如根迹、浅褐色晕圈状根迹,原生石膏层,红色古土壤层内富含成壤钙结核及结核层。同时,可见圆顶柱状结构、次棱角块状结构等古土壤特有的结构类型,这些特征表明该套地层为古土壤。2)古土壤发生层次明显。可识别出红色淀积层(B层)和灰绿色母质层(C层)。B层磁化率向上增强,常量及微量元素Al_2O_3、Fe_2O_3、K_2O、Sr含量及Al_2O_3/SiO_2比值向下减少,Zr、Ti向下富集,以及风化指数CIA向下增加。磁化率及元素含量和比值特征反映了B层古土壤的风化成壤程度向下增强。3)依据发生学特征初步判断古土壤的类型主要为始成土、旱成土和变性土,反映了当时较干旱的气候条件。晚泥盆世沉积地层中古土壤层的发现对指示重大地质事件和研究环境变化方面有着重要的地学意义。

西安地区全新世古土壤的研究

本文根据磁化率、粒度、 Ｃａ Ｃ Ｏ３ 、 Ｆｅ２ Ｏ３ 和 Ａｌ２ Ｏ３ 含量以及土壤微结构等方面的资料对西安地区的全新世古土壤的性质和类型及环境的特点进行了较为全面的论述。各项资料显示，该地区全新世大暖期的古土壤为温湿气候条件下发育的淋溶褐土，而并非过去所称的半干旱条件下发育的“黑垆土”；该层古土壤发育时的年均降水量应不小于７５０ｍ ｍ 。全新世古土壤底部之下分布深度达 ２ｍ 多的密集根充填充物，指示当时存在森林植被。

全新世黄土-古土壤序列色度特征及气候意义——以关中平原西部梁村剖面为例

利用K-MinoltaCR-400色度仪分别测试研究剖面土壤色度指标(亮度、红度和黄度),并与研究剖面其他常用气候替代指标磁化率、CaCO3和Rb/Sr比等进行对比分析,结果发现:红度和亮度指标对气候响应敏感,能够揭示全新世早中晚三个阶段千年尺度的季风演变和气候变化,对于次级变化即百年尺度的变化也有明显指示;红度指标对气候响应更为敏感,变化幅度大,波动多,有助于揭示气候的转折和弱成壤古土壤的存在,但也具有一定的气候局限性;亮度指标大致可揭示区域降水量的多少;黄度指标在本剖面对气候的响应有限.

靖远黄土—古土壤色度变化特征分析及古气候意义

对黄土高原西北缘厚层黄土剖面色度指标研究后发现,在磁化率指标不能很好地记录气候变化及土壤发育的情况下,色度指标的引入能够很好地弥补这一古气候重建上的缺陷.在靖远地区,红度a~＊主要受土壤中赤铁矿质量分数变化的影响,随赤铁矿的增加而增大,同磁化率联合使用可以反映土壤发育程度,较好地解释气候的变化过程.黄度b~＊受到针铁矿质量分数的影响,此外还可能受到黄铁矿、沼铁矿,褐铁矿等铁矿物的影响,在一定程度上可以反映降水量的变化情况.与a~＊一同分析,可以反映土壤发育时期的水热条件.亮度L~＊主要受土壤中w（TOC）,w（CaCO_3）变化的影响,随w（TOC）的增加而减小,而随w（CaCO_3）的增加而增大.此外在CIELAB颜色系统中a~＊的增大会显著地使L~＊变小,L~＊主要反映了土壤发育时期的降水状况以及植被发育程度.在靖远地区,只有综合考虑色度、磁化率、粒度、w（CaCO_3）,w（TOC）才能够合理、可靠地重建气候变化的过程.

用古土壤有机质碳同位素探讨青藏高原东南缘的隆升幅度

本文首先对玉龙山东麓不同海拔高度现代表土样品有机碳同位素组成进行研究 ,探讨土壤碳同位素组成与海拔高度的关系 ,然后对 0 .5～ 0 .7MaB .P .以来 3期古土壤样品的有机碳同位素组成进行了测定。结果表明 ,现代表土的有机碳同位素组成与海拔高度之间存在良好的相关性 ,应是植被随海拔高度变化的反映 ;不同年龄的古土壤虽然目前均出露于地表 ,但其深部碳同位素组成存在显著差异 ,表明古土壤有机质中仍可能包含了过去植被的信息。根据上述结果对青藏高原 0 .5～ 0 .7MaB .P .以来的隆升幅度进行尝试性估算 ,得到的隆升幅度约为 80 0m。

灵台红粘土和黄土-古土壤序列的地球化学演化

沉积物的化学成分无疑取决于来源物质的成分和沉积后的化学作用。对来自于甘肃灵台7MaBP以来风成沉积序列的红粘土、黄土和古土壤样品的化学分析表明，风成沉积物化学成分的演化主要由沉积前所经历的各种地表作用（尤其是风化作用）所决定，当地成壤作用对化学成分的影响叠加在106a演化趋势上5反映风化程度的化学指标Na／Al值和Fe2+／Fe3+值总体均呈逐步增加的趋势，基本一致于上新世以来全球气候变化的趋势，这可能与青藏高原隆升和北半球冰盖发育加速粉尘物质源区侵蚀同时降低化学风化程度有关。

不同粒级黄土-古土壤中碳酸盐碳氧稳定同位素组成及其古环境意义

从黄土高原中部洛川和环县两个剖面选取若干黄土和古土壤样品,分为三种粒级(>45μm、2～45μm、<2μm),挑出>45μm粒级中的根状结核与蜗牛壳化石碎片,分别测定δ13C和δ18O值。结果显示,两个剖面不同粒级组分的δ13C和δ18O值表现出相似的分布规律。洛川剖面的根状结核和蜗牛壳与分粒级样品中的<2μm粒级中碳酸盐的δ13C和δ18O值最为接近,处于相同的区域内;而>45μm粒级中的δ13C和δ18O值与其他样品有明显的差别。因此,可以认为黄土-古土壤中<2μm粒级中所含的碳酸盐可代表成壤碳酸盐,其蕴涵的地球化学信息可用以重建成壤时的古气候和古环境条件。

浙闽地区白垩纪中期古土壤类型与古气候

对浙江西南和福建西南数个小型沉积盆地的11个剖面和观察点进行了地质调查,在中国大陆第一次识别了白垩纪中期三种古土壤类型,分别是粘土红壤、钙质土壤和铁质土壤型。粘土红壤型以发育红色(粉砂质)泥岩、生物潜穴、植物根系(根迹)为特点,钙质土壤型以发育紫灰色调钙质泥岩、钙质结核(含姜结石)为标志,铁质土壤型显示了紫红和橙黄色调泥岩、粉砂岩与铁质皮壳及结核组合。进而提出,白垩纪中期的阿普特期-阿尔布时期,在浙江西南金华—衢州—丽水盆地、中部的永康盆地大量发育钙质土壤,以横山组、中戴组、金华组、馆头组和朝川组为代表,属于亚热带干旱—半干旱气候产物;在闽西南地区出现丰富的铁质氧化型土壤,由板头组、均口组和沙县组为代表,反映热带半干旱气候;之后的白垩纪中期赛诺曼期(衢县组)在浙西局部地区气候变为亚热带温湿气候,古土壤变为粘土红壤型,开始产生较为丰富的生物活动,而闽西南主体气候格局可能不变,但沉积建造因区域构造断隆作用转变为巨厚的"丹霞"砾岩。

淮河上游全新世黄土-古土壤序列元素地球化学特性研究

在野外考察研究的基础上,对河南禹州全新世风成黄土-古土壤剖面系统采样,利用X-荧光光谱仪测定了常量元素和微量元素的含量及其变化,并与磁化率曲线、粒度变化曲线对比分析发现:常量元素氧化物比值钾钠比、残积系数和以Rb为代表的微量元素含量等随剖面层次呈规律性变化,即在古土壤层(S0)中含量最高,表土层(MS)中次之,在黄土层(L1、Lt、L0)中最低。硅铝率和Sr的含量表现出相反的变化规律。表明在全新世古土壤层和表土层形成时期,气候温暖湿润,成壤作用和次生粘化作用较强;在黄土堆积时期,气候比较干旱,沙尘暴频繁,成壤作用微弱。这些化学参数与磁化率曲线可以进行对比,表明成土过程中元素的迁移变化受全新世以来气候变化和成壤环境变化的控制。与黄土高原腹地的洛川剖面相比,淮河上游禹州剖面中绝大多数常量元素的含量较高,而绝大多数微量元素的含量偏低,磁化率也显著偏低,绝对值差别很大,粒度组成当中细沙成分含量很高,这说明淮河上游黄土物质来源与黄土高原地区明显不同。联系全新世时期黄河频繁泛滥、改道、沉积与黄淮平原盛行东北风形成流沙地的事实,认为淮河上游的黄土是黄河泛滥沉积物质经过风沙活动改造,由东北风力系统搬运而来的近源粉尘堆积,再经过就地风化或者成土改造而形成。