埃布罗河谷黄土-古土壤序列中土壤石膏的同位素、微形态和成分：一种综合古环境指标

《Geoderma》：Isotopy, micromorphology and composition of pedogenic gypsum in loess-palaeosol sequences in the Ebro Valley as a combined paleoenvironmental proxy

本研究针对干旱-半干旱地区黄土-古土壤序列中传统古环境指标保存有限的难题，创新性地将土壤石膏的同位素（δ34S, δ18OSO4, δ2H, δ18OH2O）、微形态及微量元素（Ba, Sr, Na, K, Mg）分析相结合，揭示了石膏的物源、形成动力学及其对区域古水文气候（如干湿变化、地下水波动）的指示潜力，证实了其作为古环境替代指标的有效性，为改善干旱区古环境认知提供了新工具。

　　

在干旱和半干旱地区，如西班牙的埃布罗河谷，黄土-古土壤序列是记录过去气候和环境变化的宝贵档案。然而，这些地区的一个突出问题是，传统的古环境指标，如有机质和花粉，往往由于强烈的氧化和分解作用而保存极差，这使得重建过去的环境条件变得异常困难。面对这一挑战，研究人员将目光投向了另一种在干旱环境中广泛存在且相对稳定的矿物——石膏。石膏是一种由钙硫酸盐二水合物组成的矿物，在土壤中常见。长期以来，石膏的存在被简单地视为干旱环境的定性指标。但科学家们想知道，除了这种定性的指示作用，土壤中形成的石膏能否承载更精确的古环境信息，例如其形成时的水源、气候的干湿状况以及水文动态？为了回答这个问题，来自西班牙莱里达大学的研究团队对埃布罗河谷五个典型的黄土-古土壤序列中的土壤石膏进行了一项多指标的综合研究。

这项研究发表在土壤科学领域的知名期刊《Geoderma》上。研究人员认为，石膏形成于明确的水文条件下，通常与负的水分平衡相关，这使其有潜力成为一个定量的古环境档案。尤其是在有机指标匮乏的地区，开发基于石膏的地球化学指标显得尤为重要。然而，将石膏用于古环境重建也面临挑战，主要是因为石膏在土壤剖面中具有较高的活动性，经历了复杂的溶解-再沉淀过程，这些过程可能会模糊或改造其最初形成时记录的环境信号。因此，需要一种综合的方法来解读这些“地质密码”。

为了深入探究土壤石膏的古环境意义，研究人员运用了几项关键的技术方法。首先是野外采样和剖面描述，对五个地点的黄土-古土壤序列进行了系统采样。其次是实验室分析，包括：1） 石膏微形态分析：通过制备土壤薄片，在偏光显微镜下观察石膏晶体的形态、大小、分布特征以及与其他土壤组分的关系，以此判断其形成环境（如孔隙水饱和度）。2） 同位素分析：这是本研究的核心，包括对石膏中硫酸根的硫同位素和氧同位素分析，以追溯硫的来源；以及对石膏结晶水的氢氧同位素分析，用以反演形成石膏的母体水的同位素组成，从而推断古降水特征和蒸发强度。3） 微量元素分析：使用电感耦合等离子体质谱分析了石膏中的钡、锶、钠、钾、镁等元素的含量，这些元素有助于判断形成环境的盐度以及是否存在其他矿物的混入。

研究结果

1. 石膏的微形态特征揭示多阶段形成过程

通过微形态观察，研究人员发现了多种石膏累积形态，包括包膜、填充物、结节（如沙漠玫瑰）以及单晶和晶簇。这些形态的分布和特征在不同序列中表现出差异。例如，在梅基嫩萨序列的深层，观察到了由石膏晶体紧密镶嵌形成的连续异象组构，这被认为是典型的“石化石膏层”，指示了长期饱水条件下的缓慢结晶。而在阿格拉蒙特序列中，则以松散的、不连续的填充物为主，表明其形成主要受渗流水湿润锋的控制，而非地下水影响。晶体形态从微晶到超过1厘米的大型透镜状晶体不等，较大的晶体内部常可见固体包裹体，并且表面有再生长和小晶体溶解的迹象，这些都指向了石膏经历了多期的溶解和再沉淀过程，反映了环境水文条件的波动。

2. 硫酸盐同位素指示石膏物源

对石膏硫酸盐的δ³⁴S和δ¹⁸O分析显示，其值域与埃布罗盆地周边新生代陆相蒸发岩单元（如萨拉戈萨组和巴尔瓦斯特罗组）的同位素特征一致。这表明研究区黄土中的石膏其硫源主要来自这些地区的新生代蒸发岩地层，并通过风成作用搬运而来。这一结果有力地支持了关于黄土物源区的现有认识。不同剖面同位素值的聚类情况也反映了它们可能来源于略有差异的母质。

3. 结晶水同位素反映古水文气候差异

石膏结晶水的δ²H和δ¹⁸O值在经过分馏系数校正后，被用于重建形成石膏的原始古降水。结果显示，位于研究区北部的阿格拉蒙特序列的石膏结晶水同位素值相对偏轻，而南部的奇普拉纳和梅基嫩萨序列则相对偏重。这种差异与当前的纬度效应和温度梯度相符（北部较冷湿，南部较干热），暗示了历史时期可能也存在类似的气候格局。此外，通过本地石膏降水线与国际降水线的比较，未发现强烈的蒸发分馏证据，表明石膏较好地保存了原始水体的同位素信号。

4. 微量元素揭示形成环境盐度与矿物学信息

微量元素分析显示，锶的含量在某些层位异常高，例如巴泰阿序列的一个层位锶含量超过2%，这被解释为天青石的混入，而非石膏本身对锶的吸纳。钠、镁、钾等元素的出现，则提示石膏形成环境中可能存在其他硫酸盐矿物或固体包裹体。锶含量与石膏含量呈正相关关系，而与碳酸盐含量呈负相关，这表明锶主要与石膏的形成过程相关，可能作为古盐度的指示剂。

结论与意义

本研究通过综合运用微形态学、同位素地球化学和微量元素分析，成功地解读了埃布罗河谷黄土-古土壤序列中土壤石膏所记录的古环境信息。主要结论包括：土壤石膏的形态和分布有效地指示了其形成时的水文条件，如地下水波动和湿润锋的变化；硫酸盐同位素可靠地追溯了石膏的物源；结晶水同位素则具有揭示区域古降水特征和气候差异的潜力；微量元素组成提供了关于形成环境盐度和共存矿物的线索。

这项研究的重要意义在于，它证实了在传统有机指标稀缺的干旱-半干旱地区，土壤石膏可以作为一个有效的、多指标的综合古环境替代指标。这种方法为重建这些关键区域的古水文气候变化提供了新的视角和工具。未来的研究可以进一步结合更高精度的微区分析技术，并扩大研究区域，以更充分地挖掘土壤石膏在古环境研究中的潜力。