《CATENA》：Soil geochemistry as a geochronologic tool: application to mapping composite fluvial terraces, Four Mile Creek, Ohio
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本研究利用便携式X射线荧光分析仪和土壤风化指数chronofunctions，在俄亥俄州Four Mile Creek流域测定不同采样密度下推断土壤年龄，验证了该方法在界定活跃冲积平原和复合冲积阶地中的有效性，为洪水风险评估提供新工具。
阿比盖尔·奥康纳（Abigale O'Connor）| 杰森·A·雷奇（Jason A. Rech）| 克里斯蒂娜·N·特尼森（Christina N. Tenison）
迈阿密大学地质与环境地球科学系，118 Shideler Hall，250 S. Patterson Ave.，俄亥俄州牛津市，45056，美国
摘要
划分“活跃”（500年一遇）洪泛区以及全新世和晚更新世的河阶地对于确定河流流域内的洪水和侵蚀风险至关重要。传统的地貌技术包括评估地表粗糙度和绘制阶地陡坡来划定活跃洪泛区和河阶地。然而，农业和土地利用的变化已经破坏了许多地区的洪泛区原始地表形态，河流常常多次堆积到同一高度，形成了复合河阶地。因此，需要额外的方法来更好地识别和绘制这些复合河阶地。
在这项研究中，使用便携式X射线荧光分析仪（pXRF）测量了俄亥俄州Four Mile Creek沿岸河阶地上9个经过放射性碳测年的土壤样本的地球化学成分，这些样本的年龄范围约为50至17,000年前。通过计算土壤年代函数，量化了这些样本中Fe/Ca、Zr/Ca和Ti/Ca风化指数值随时间的变化。在20-30厘米深度采集的样本中，Fe/Ca的测定系数为0.9527（p = 6.82E?06）；在0-10厘米深度采集的样本中，Fe/Ca的测定系数为0.947（p = 1.02E?06）。这些关系被用来推断Four Mile Creek流域内163个地点和147个地点的土壤年龄。在1区和2区分别采用了25米和50米的采样密度，以确定绘制河阶地所需的采样密度。在3区，我们在78个横断面上进行了现场pXRF测量，以验证这种快速方法是否能得到类似的结果。根据推断的土壤年龄，我们划定了活跃洪泛区以及全新世和晚更新世的河阶地，并制作了地表地质图。结果表明，50米间距的网格采样策略是理想的，因为它既能有效限定活跃洪泛区和河阶地的边界，又能减少分析所需时间。基于现场的分析也提供了可靠的结果。风化指数年代函数被证明是一种可行的工具，可用于绘制因土地利用而改变的洪泛区，进行洪水和侵蚀风险评估，并可与传统的测绘技术结合使用。
引言
河流是重要的自然资源，为社区提供水源，输送大量原材料，并在流域内输送水、沉积物和养分。然而，它们也给周边社区带来风险，因此进行洪水和侵蚀风险评估对于减少未来的损害至关重要。绘制活跃洪泛区和河阶地（尤其是500年一遇的洪泛区，其每年被洪水淹没的概率为0.2%（FEMA，2020年））对于评估洪水和河流侵蚀风险至关重要。
在一些河流中，由于活跃洪泛区与河阶地海拔较低且地表粗糙度较高，绘制“活跃”（500年一遇）洪泛区较为简单。但在许多其他河流中，绘制活跃洪泛区和河阶地非常困难。这通常发生在河流多次堆积到同一高度的情况下（例如，Tully等人，2019年），形成了复合河阶地（即高度相对恒定但跨越不同年龄范围的填充阶地）。此外，通常只给河阶地分配一个绝对年龄，但这可能无法代表整个表面的沉积时间（Zhang等人，2020年）。因此，需要多个年龄数据来了解河流的沉积历史并更好地评估对当地社区的风险。在大型测绘区域内，如果存在许多疑似复合阶地，获取广泛的年龄数据既耗时又昂贵，这表明需要一种劳动强度更低且成本更低的方法。
传统上，划分活跃洪泛区和较老河阶地依赖于识别河阶地陡坡和表面之间的地形差异（例如，Coogan和Irving，1959年；Roberts，1965年）。最近，GIS软件已被用于半自动地识别活跃洪泛区和河阶地之间的地形差异，并取得了积极的结果（例如，Stout和Belmont，2014年；Hopkins和Snyder，2016年；Clubb等人，2017年）。然而，在人类活动严重改变地形的地区，活跃洪泛区和河阶地之间的细微地形差异可能会被掩盖或完全消失，从而限制了数字方法的有效性。
在河阶地上广泛研究了土壤年代序列（例如，Howard等人，1993年；Vidic和Lobnik，1997年；Birkeland，1999年；Calero等人，2009年），并利用这些序列来确定阶地表面之间的相对年龄关系（Huggett，1998年）。如果母质相对均匀，且其他土壤形成因素（如气候、植被和地形）保持相对稳定，土壤发育程度的变化和土壤地球化学的变化可以用来推断河阶地的相对年龄（Jenny，1941年）。通过使用风化指数，可以确定土壤相对于母质的发育程度（Kronberg和Nesbitt，1981年；Harden，1982年；Birkeland，1999年；Egli等人，2001年；Sauer等人，2015年）。如果已知剖面的年龄，可以定义年代函数，从而确定土壤性质在成土过程中的变化速率（Stevens和Walker，1970年；Birkeland，1984年；Sauer等人，2015年；Sion等人，2022年）。通过量化特定土壤形成条件下的风化速率，可以从风化指数推断出未测年土壤样本的近似年龄。这种方法可能是传统地貌测绘技术的有用补充。
本研究分为两个主要阶段，每个阶段都旨在实现一个关键目标：（1）校准土壤地球化学年代函数，以确定研究区域内土壤风化的速率；（2）应用年代函数确定土壤年龄，并评估不同的采样密度和策略，以绘制活跃洪泛区和河阶地。校准工作包括使用便携式X射线荧光仪（pXRF）测定土壤母质的地球化学成分，以及Tenison（2022年）之前测年的9个土壤样本的年龄，这些样本的年龄范围约为50至17,000年前，位于美国俄亥俄州西南部的Four Mile Creek流域。从地球化学数据计算风化指数，并使用简单的线性回归模型量化风化指数值与土壤年龄之间的关系，从而建立年代函数。
然后利用土壤地球化学年代函数推断未测年土壤样本的年龄，并确定使用土壤地球化学绘制活跃洪泛区和河阶地的可行性。在三个测绘区域内采用了不同的采样和分析方法，以（1）确定绘制的理想深度和采样密度，（2）估算采集样本所需的时间，（3）确定是否可以在现场使用pXRF进行测绘，从而大幅减少绘制洪泛区所需的时间。本研究为那些河流谷地原始地形因人类活动而受到破坏的地区提供了一种替代的洪泛区和河阶地测绘技术。这种方法在美国中西部得到了应用，因为覆盖该地区的广泛冰川沉积物提供了相对均匀的母质，这对于应用这种技术至关重要。此外，Tenison（2022年）提供的土壤样本和放射性碳年龄数据使该地点特别适合这项研究。
研究区域
研究区域
研究区域位于美国俄亥俄州西南部和印第安纳州东南部的Four Mile Creek流域，正好处于上一个冰川最大期的冰川范围内（图1a）。测绘区域是Four Mile Creek流域靠近俄亥俄州牛津市的一部分（图1b）。接下来将详细描述该区域的基岩、冰川和河流地质、土壤分类以及土地利用历史。
研究区域的基岩属于上奥陶纪
方法
从Four Mile Creek流域收集了土壤、沉积物和基岩样本，并使用pXRF分析了这些样本，以确定相对未改变的地表沉积物和代表土壤母质的基岩的地球化学成分（第3.1.1节），量化土壤地球化学随时间的变化（第3.1.2节），并在三个不同的测绘区域内按年龄划分和绘制活跃洪泛区和河阶地，同时评估不同的采样密度（第3.2节）。
结果与讨论
首先展示了土壤母质的地球化学结果和颗粒大小分析（第4.1.1节），以及9个已知年龄的土壤样本的年代函数（第4.1.2节和4.1.3节校准点剖面），以量化土壤中的地球化学变化，并确定研究区域内各种风化比率的准确性。随后展示了Four Mile Creek流域的地表地质图，以及据此划定的活跃洪泛区和河阶地。
年代函数的误差来源
先前的研究者已经评估了使用土壤年代函数作为地质年代学工具的可靠性（Birkeland，1990年；Harden，1990年；Harrison等人，1990年；Schaetzl等人，1994年）。其中一个问题是年代序列样本年龄确定的不确定性（Harrison等人，1990年；Schaetzl等人，1994年）。这是此处分析中的一个误差来源，因为Tenison（2022年）提供的放射性碳年龄数据通常是通过收集基岩下方的材料获得的
利用土壤地球化学绘制活跃洪泛区和河阶地
尽管使用土壤地球化学作为地质年代学工具存在不确定性，但这种方法仍可以提供近似的土壤年龄估计，这些估计可用于补充其他地表年龄测绘。除了时间之外，土壤形成因素（如母质、气候、植被和地形）在不同流域甚至同一流域内差异很大。要将年代函数用作未测年土壤的近似年龄确定方法，还需要考虑所有其他土壤形成因素
结论
高分辨率的河阶地测绘可以为洪水和侵蚀风险测绘提供信息，这对社会有直接影响，包括分区规划和基础设施的寿命。传统的基于现场的测绘技术耗时较长，且依赖于在所有系统中并不都存在的地形指标，而数字测绘方法仅提供表面之间的相对年龄关系，无法识别复合阶地。在本研究中，通过对9个放射性碳测年土壤样本的土壤地球化学分析
CRediT作者贡献声明
阿比盖尔·奥康纳（Abigale O'Connor）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，监督，项目管理，方法论，研究设计，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。杰森·A·雷奇（Jason A. Rech）：撰写 – 审稿与编辑，可视化，监督，项目管理，方法论，研究设计，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。克里斯蒂娜·N·特尼森（Christina N. Tenison）：撰写 – 审稿与编辑，可视化，资金提供
资金
本研究得到了美国地质学会国家合作地质测绘计划（EDMAP）的教育部分、俄亥俄州自然资源部的“Ohio ROCKS！”学生研究基金以及美国地质学会研究生研究基金的资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢2022年春季土壤与古土壤课程中的Jack Edwards和学生们提供的样本采集帮助。同时感谢迈阿密大学教员Claire McLeod博士和Maija Sipola博士的建议和指导。
