

地球科学において、古土壌(イギリスとオーストラリアではpalaeosol)とは、過去に形成された古代の土壌のことである。地質学や古生物学におけるこの用語の定義は、土壌科学における用法とは若干異なる。
地質学および古生物学において、古土壌とは、堆積物(沖積層または黄土)または火山性堆積物(溶岩流または火山灰)の下に埋没して保存されたかつての土壌であり、古い堆積物の場合は岩石化している。第四紀地質学、堆積学、古気候学、および一般地質学では、すべての大陸に露出している堆積物および火山性堆積物の中に埋没しているこのような「化石土壌」を指すために「古土壌」という用語を使用するのが一般的で受け入れられている慣習である。[ 1 ] [ 2 ]
土壌科学における定義は若干異なり、古土壌とは、化学的・物理的特性において現在の気候や植生とは何ら関係のない、はるか昔に形成された土壌のことである。このような土壌は、極めて古い大陸クラトン内、あるいは他の古代岩石領域の孤立した小さな場所に散在して見られる。
過去5000万年にわたる地球の気候変動により 、熱帯雨林(あるいはサバンナ)の下で形成された土壌は、ますます乾燥した気候にさらされるようになり、かつてのオキシソル、ウルティソル、あるいはアルフィソルが乾燥して非常に硬い地殻が形成されるようになりました。このプロセスはオーストラリアのほとんどの地域で広範囲に及んでおり、土壌の発達を制限しています。かつての土壌は新しい土壌の母材として機能しますが、風化に非常に弱いため、現在の乾燥した気候、特に第四紀の氷河期にさらに乾燥が進んだ気候では、発達の非常に悪い土壌しか存在できません。
オーストラリアの他の地域やアフリカの多くの地域では、かつての土壌の乾燥はそれほど深刻ではありませんでした。このため、オーストラリア最南端の内陸部(かつて温帯雨林が優勢だった地域)のかなり乾燥した気候の中に、広範囲にわたって残存ポドゾルが残っており、また南アフリカではトロックス土壌(オキシソルの亜目)が形成されています。これらの地域では、現在の気候が、中生代や暁新世に母材から形成され得なかったような気候条件下で、古い土壌を効果的に維持することを可能にしています。
この意味での古土壌は常に極めて不毛な土壌であり、利用可能なリンの含有量は、より新しい土壌を持つ温帯地域よりも桁違いに低い。生態学的研究によると、このことがオーストラリアの植物相の間で、最小限の栄養供給を得るために高度に特殊化した進化を強いてきたことが示されている[ 3 ] 。土壌形成が起こっていないという事実は、生態学的に持続可能な管理をさらに困難にしている。しかし、古土壌は競争がないため、しばしば非常に優れた生物多様性を含んでいる[ 4 ] 。

古土壌の記録は地球の歴史における先カンブリア時代にまで遡り、25億年以上前の古土壌も稀に見られる 。その間、地質、生物、大気は大きく変化し、特に大酸化イベント(24億2000 万年前)や、複雑な動物や陸上植物が繁栄した古生代には劇的な変化が見られた。
したがって、現代の土壌分類システムは古土壌には容易に適用できません。たとえば、森林土壌と広く定義される現代のアルフィソルは、樹木の進化以前には存在していませんでした。さらに問題なのは、アルフィソルは岩石記録に保存されない化学的性質によって具体的に定義されていることです。現代の土壌目は古土壌を定性的に記述するためによく使用されますが、古土壌固有の命名スキームが提案されています[ 5 ]が、文献では散発的にしか使用されていません。
古土壌に特化した命名法が完全に採用されるまでは、多くの古土壌学者は米国農務省(USDA)が提供する土壌の分類体系を使い続けている。 [ 6 ] USDAの土壌分類体系は、土壌内の測定可能な特性と客観的な特徴を用いて土壌を分類しようとするものである。この方法論では、異なる土壌分類群の間に階層構造が構築され、最初は一般的なレベルで土壌が分類され、その後、段階的に細分化された区分に土壌が割り当てられる。
USDAの土壌分類体系には、観察可能な特徴の重視、新しい命名法、階層的な組織化など、いくつかの欠点があります。観察可能な特徴の重視により、土壌分類体系は法律文書のような外観になる可能性があります。階層構造は、古土壌に関しては、オーダーレベルより深く適用することはできません。しかし、これらの欠点にもかかわらず、USDAの土壌分類体系は、現在までで最も包括的で影響力のある土壌分類システムです。[ 7 ]古土壌を互いに区別して識別するには、特定の診断層と特徴を考慮する必要があります。たとえば、すべての古土壌にはA層がありますが、ヒストソルにはA層の上にO層があります。
Rye & Holland (1998) [ 8 ]は、古土壌を識別するための5つの基準を提示した。これは先カンブリア時代の古土壌をより厳密に識別する必要性から生まれたものだが、あらゆる時代の古土壌に適用できる。その基準は以下のとおりである。
野外調査では、古土壌の物理的な兆候として、層位構造の証拠(例:色や質感の変化)、より細かい上層の岩石に取り込まれた基盤岩(コアストーン)、および地表プロセスの証拠(例:根の痕跡、有機物、生物の巣穴、酸化還元変質)などが挙げられる。
以下に、土壌の種類と、それらの特徴を識別できるいくつかの指標を示します。これらは、古土壌、あるいは現代の土壌を区別するための枠組みとなります。
ホライゾン(上から下へ):AとC
この土壌は、土壌形成がごくわずかです。母材の元の結晶質、変成質、または堆積質の特徴は、土壌形成によってほとんど変化していません。ほとんどは、氾濫原や急斜面など、土壌形成時に侵食によって物質が除去されるような若い地形面で見られます。草やその他の草本、低木の初期遷移植生の痕跡があります。根の痕跡は、他の点で母材からの変化が少ないため、このタイプの古土壌の診断に役立ちます。ただし、オルドビス紀以前のエンティソルについては、磁化率のピークがエンティソルであることを示しています。

地平線:A、場合によってはE、Bw、C
これらの土壌は、エンティソルよりも発達した段階にあるものの、他の土壌分類ほど発達していません。一般的には、中程度に風化した下層の上に明るい色の表層があると考えられます。急峻な山麓やその周辺の、なだらかな丘陵地帯に形成されます。森林が撹乱された土地に再植民する際に形成される、低木林は、この古土壌の特徴的な景観です。疎林や森林草原も、この古土壌の特徴的な景観です。
ホライズンズ:A、Bw、C
これらは、内部表面積の大きい火山ガラスの気泡や破片からなる珪質火山灰土壌です。この土壌は急速に風化してイモゴライトやスメクタイトに変化します。そのため、非常に肥沃で有機物に富み、かさ密度が特に低いのが特徴です。これらの特性と前述の風化生成物は、埋没中に変化し、セラドナイトやクリノプチロライトなどの特徴的な鉱物に変化することもあります。薄片標本において少なくとも60%の火砕岩片が識別できることが、この古土壌の特徴です。この古土壌は、火山の内部および周辺で形成されます。
地平線:O、A、時々Bg、C
有機物に富み、厚い泥炭層を持つ土壌で、涼しく排水の良い地域や、低地で常に水浸しの地域に形成される。主な形成過程は泥炭(有機物)の蓄積であり、これは有機物が土壌中で分解される速度よりも速く生成されることを意味する。泥炭の蓄積に伴い、既存の土壌や堆積物の上にグライ鉱物(黄鉄鉱または菱鉄鉱)が浸出または形成される。
地平線:A、E、場合によってはBh、Bs、C
スポドソルは、鉄やアルミニウムの酸化物、または有機物が豊富に含まれる地下層が特徴です。薄片では、放射状にひび割れた特徴的な団塊状の縁を形成する不透明なセメントが、豊富な石英粒に見られます。スポドソルは、丘陵の岩盤または低く起伏のある石英に富む堆積物上に形成されます。粘土や可溶性塩が溶解して土壌断面から洗い流される湿潤気候で主に見られ、温帯地域で最も一般的です。特徴的な植生は、低栄養レベルと高土壌酸性に耐えることができる針葉樹林やその他の常緑樹木です。
ホライゾン:A、時々E、Bt、時々Bk、C
交換性陽イオンを豊富に含む粘土質の地下層の上に、明るい色の表層を持つ、塩基に富む森林土壌。古土壌の土壌断面深部に炭酸塩の団塊が存在する場合、塩基飽和状態にあると推定される。炭酸塩の団塊が存在しない場合、アルフィソルは塩基に富む粘土の豊富さ、またはアルミナ/塩基の分子風化比が2未満であることで区別できる。これらの土壌は極地や高山の頂上には見られない。
地平線:A、場合によってはE、Bt、C
一見アルフィソルに似ているが、塩基に乏しい森林土壌である。しかし、ウルティソルは鉱物栄養素がより深く風化している。ウルティソルの土壌断面には石灰質物質が一切存在せず、アルミナ/塩基の分子風化比は2以上である。カオリナイトやギブサイトなどの高度に風化したアルミナ鉱物が土壌断面に多く見られる。塩基性が低いのは、形成に長い時間がかかったためである。主に、岩盤のなだらかな丘陵、高い沖積段丘、台地の頂上など、景観の古い部分に形成される。自然植生は針葉樹林または広葉樹林である。
地平線:A、Bo、場合によってはBv、C
テクスチャーが均一なプロファイルを持つ、深く風化した土壌。カオリナイト粘土またはギブサイトやベーマイトなどの塩基に乏しい酸化物が主体。アルミナ/塩基の分子風化比が10以上。これらの土壌は、深く風化した斑状層を持つ。このタイプの古土壌の特徴は、鉄で着色された砂サイズの球状微粒からなる安定した微細構造である。非常に古く、しばしば数千万年に及ぶ。台地、段丘、平野の緩やかな斜面にある安定した大陸の場所に見られる。オキシソルの自然植生は熱帯雨林である。



ホライズンズ:A、Bw、C
これらは均一で厚い粘土質の土壌で、深く幅の広い亀裂があります。亀裂によって、丘と窪地が混在する地形が形成されることがあります。主にスメクタイト粘土で構成されています。ほとんどのバーティソルは、中性から玄武岩質の物質上に見られます。主に緩やかな斜面の麓の平坦な地形に見られます。気候と植生は乾燥していてまばらなので、アルカリ性反応が維持されます。植生は草原から疎林まで様々で、森林草原が一般的です。
ホライゾン:A、時々Bt、Bk、時々By、C
粘土と有機物が密接に混ざり合った、発達した塩基に富む表層土壌。細根の痕跡や団粒構造が豊富に見られるのがこの古土壌の特徴である。この古土壌の特徴的な表層土壌は、草本植物の細根系と多くの土壌無脊椎動物の掘削活動によって形成される。モリソルは、低地、起伏のある土地、または平地に分布する。
ホライゾン:A、時々Bt、Bk、時々By、C
乾燥地帯から半乾燥地帯に形成され、降雨量の少なさから浅い石灰質、石膏質、または塩質の層が形成される。これらのセメントは大きな結節または連続した層を形成する。淡色で柔らかく、しばしば気泡のある表層。下層は上記のセメントで固められていない。乾燥地帯の急斜面は岩盤まで浸食される傾向があるため、主に低地で見られる。植生はまばらで、とげのある低木やサボテンが含まれる。
ホライズンズ:A、時々By、&C
地表から 1 メートル以内に地中氷やその他の永久凍土の特徴がある土壌。古土壌では、氷の位置は砕屑岩脈、凍結帯、または地中氷によって作られたその他の変形として保存されることがあります。ティライトやその他の氷河起源の堆積物は、ゲリソルの指標となります。これらの土壌は、極地砂漠、ツンドラ、タイガの植生の下で形成されます。驚くほど多様なヒスティック表層、砂漠舗装、サリック層、および石灰質層が含まれます。
塊状、角張った、または粒状のペッドの存在といったペッド構造や、クリノビマセピックプラズマ構造のような組織タイプなど、他にも多くの要素が古土壌であるかどうかを判断するのに役立ちます。これらの構造の中には、特定しようとしている古土壌を絞り込む際に非常に役立つものもあります。しかし、古土壌はプロキシベースの復元に使用する前に、必ず地球化学的に検証する必要があります。カリウム変成作用などの堆積後の変化プロセスは、古土壌の物理的外観を劇的に変化させることなく、その化学組成を変化させる可能性があるからです。
古土壌は、それが形成された気候を評価するための古気候学的ツールとして頻繁に使用されます。[ 9 ]風化の速度と様式は気候要因に依存するため、古土壌を使用して過去の気候の変数を復元できます。年間平均降水量(MAP)と気温(MAAT)は、季節性や他の古環境ツールと併用して、過去の陸上気候を記述するために使用できる、一般的に復元される2つの変数です。一連の古気候プロキシが存在し、焦点は異なりますが、多くは風化、埋没、および埋没後のプロセス中に発生する土壌プロファイル全体の化学組成の変化に依存しています。[ 10 ] [ 11 ]
それらの使用は、埋没後の変化、母材、土壌の順序などの要因に依存します。すべてのプロキシがすべての古土壌に適用できるわけではありません。ほとんどのプロキシは顕生代の古土壌(それより古いものには適用できません)に適用できます。これは、陸上植物の出現後に景観プロセスが劇的に変化したためです。季節性(季節の存在と強さ)には、より微妙な復元アプローチが必要です。提案されている季節性プロキシは主に土壌の湿潤/乾燥プロセスに依存しており、その過程で土壌生成炭酸塩が形成される可能性があります。 [ 12 ]他のプロキシと同様に、このツールは継続的にテストされ、改良されています。[ 13 ]
土壌はほぼ常に大気と接触して形成されるため、その化学組成は直接的および間接的な経路の両方を通じて大気の組成の影響を受けます。古土壌の酸化は、地球の歴史を通じて上昇してきた大気中の酸素の指標として使用されてきました[ 14 ] 。古土壌はまた、土壌炭素ガス交換の現代の研究[ 16 ] 、土壌生成炭酸塩団塊中の炭素同位体[17]、および複数の大気ガス(通常は二酸化炭素、酸素、メタン)を考慮した質量バランスアプローチに基づいて、大気中の二酸化炭素レベルを復元するためにも使用されてきました[ 15 ]。これらの方法は、初期地球研究の分野で積極的に開発されています。
古土壌は古代の生態系に関する情報の重要なアーカイブであり、化石土壌のさまざまな成分は過去の植物の生命を研究するために使用できます。古土壌には、花粉粒や植物珪酸体(草などの多くの植物によって生成される生物鉱化されたシリカ)などの古代の植物物質が含まれていることがよくあります。異なる植物種の花粉と植物珪酸体の化石はどちらも、親植物まで遡ることができる特徴的な形状を持っています。[ 18 ]長い地質学的時間スケールでは、結晶性の低いシリカが溶解する能力があるため、植物珪酸体は必ずしも古土壌に保存されるとは限りません。
古土壌中の植物群集構成を示すもう 1 つの指標は、炭素同位体シグネチャーです。古土壌中の有機物中のさまざまな炭素同位体の比率は、より涼しく湿潤な気候で生育するC3 光合成を行う植物と、より高温で乾燥した条件により適応したC4 光合成を行う植物の割合を反映しています。[ 19 ]古土壌中の過去の植物の生命を検出する他の方法は、時間の経過とともに土壌中で分解されにくい葉のワックスの残骸を特定することに基づいています。 [ 20 ]
古土壌層序は、過去の地球表面の記録として積み重ねることができ、古地震学にとっても貴重な資料である。