Кіріспе
Өткен дәуірлердің топырақтарын зерттейтін ғылым – Палеопедология (Ұлыбританияда палеопедология) – Жер тарихының ең ерте кезеңдерінен бастап, соңғы геологиялық дәуірлердің (квартер) топырақтарын зерттейді. Палеопедологияны топырақ ғылымы (педология) немесе палеонтологияның бір саласы деп қарастыруға болады, себебі ол қолданатын әдістер көбінесе осы екі ғылымның үйлесімді комбинациясы болып табылады.
Paleopedology (palaeopedology in the United Kingdom) is the discipline that studies soils of past geological eras, from quite recent (Quaternary) to the earliest periods of the Earth's history. Paleopedology can be seen either as a branch of soil science (pedology) or of paleontology, since the methods it uses are in many ways a well defined combination of the two disciplines.
Тарих
Палеопедологияның алғашқы дамуы 1795 жыл шамасында Шотландияда жасалған байқауларға негізделді, онда жартастардағы кейбір топырақтар бұрынғы ашық жер бетінің қалдықтары екені анықталды. 19 ғасырда Еуропа мен Солтүстік Америкада бұрынғы топырақтардың көптеген басқа да орындары табылды. Дегенмен, олардың көпшілігі жануарлар және/немесе өсімдіктердің қазбаларын іздеу барысында ғана табылған, ал топырақ ғылымы дамығанға дейін өткен геологиялық кезеңдердің көмілген топырақтарының қандай да бір маңызы бар деп есептелмеді. Еуразия даласында топырақ пен климат арасындағы алғашқы байланыс байқалған кезде ғана бұрынғы топырақтардың табылу орындары бұрынғы экожүйелерді зерттеуге қолданыла бастады. Бұл 1920 жылдары К.Д. Глинканың Ресейдегі кейбір топырақтар қазіргі климатқа сәйкес келмейтінін және бұрынғы жылы климаттың қалдықтары екенін тапқан кезде болды. 1892 жылы Юджин У. Хильгард АҚШ-та топырақ пен климат арасындағы осыған ұқсас байланысты көрсетті, ал 1950 жылдары төртіншілік стратиграфияны талдау арқылы Солтүстік жарты шардың жаңа экологиялық өзгерістерін бақылау кеңінен қалыптасты. Бұл жетістіктер топырақ қазбаларын USDA топырақ таксономиясы бойынша барлық қазіргі топырақтармен оңай жіктеуге мүмкіндік берді. Ертедегі топырақ қазбаларына қызығушылық баяу өсті, бірақ 1960 жылдардан бері тұрақты түрде дамып келеді, себебі оларды жіктеуге мүмкіндік беретін рентгендік сәулелердің дифракциясы сияқты әдістер пайда болды. Бұл палеоэкология мен палеогеографияның көптеген дамуына жағдай жасады, өйткені топырақ химиясы палеозой дәуірінде тіршілік құрлыққа қалай көшкені туралы көптеген мәліметтер бере алады.
Топырақ фоссилін және олардың құрылымын табу
Бұрынғы топырақтардың қалдықтары мұз баспаған аймақтардағы шөгінділердің астында немесе ескі топырақтардың қазіргі жас топырақтардың астында көрінетін аса тік жартастарда табылуы мүмкін. Жанартаулардың белсенді болған жерлерінде кейбір топырақ қазбалары жанартау күлінің астында кездеседі. Егер шөгінділердің жиналуы жалғаса берсе, топырақ қазбаларының тізбегі қалыптасады, әсіресе голоцен дәуірінде мұздықтардың шегінуінен кейін. Топырақ қазбалары жас топырақ эрозияға ұшыраған жерлерде де кездесуі мүмкін (мысалы, желдің әсерінен), Оңтүстік Дакотаның құмды далаларындағыдай. (Австралия және Оңтүстік Африка сияқты, қазіргі топырақтары бұрынғы ылғалды климаттың қалдықтары болып табылатын аймақтарды естен шығару керек. Бұл аймақтардың топырақтары нағыз палеосольдер болып табылады.) Көмілген немесе ашық жатқан топырақ қазбалары өзгеріске ұшырайды. Бұл негізінен, өткеннің барлық топырақтары бұрынғы өсімдік жамылғысын жоғалтқандықтан және топырақ көмілгеннен кейін олар қолдаған органикалық заттар өсімдіктер тарапынан пайдаланылғандықтан болады. Дегенмен, егер өсімдіктердің қалдықтары табылса, топырақ қазбасының сипаты флора табылмаған жағдайда қарағанда анығырақ болады, себебі тамырлар қазіргі таңда олардың шыққан өсімдік тобына қатысты анықталуы мүмкін. Тамыр іздерінің пішіні мен мөлшері сияқты үлгілері, бұрынғы топырақтың қандай өсімдіктерге жарағандығын көрсететін маңызды дәлел болып табылады. Топырақтағы көкшіл түстер өсімдіктердің топырақтағы қоректік заттарды қозғалтқандығын көрсетеді. Қазба топырақтардың көкжиектері әдетте тек жоғарғы қабаттарда ғана анық байқалады, егер топырақ түзілу процесінен кейбір бастапқы материал жойылмаса. Қазба топырақтардағы горизонттардың түрлері қазіргі топырақтардағыдай болады, бұл ең көне топырақтардан басқа барлық топырақтарды қазіргі таксономия бойынша оңай жіктеуге мүмкіндік береді.
Талдау
Топырақ фоссилдерін химиялық талдау көбінесе олардың әк құрамына бағытталды, ол олардың pH деңгейін және сұйылтылған қышқылдарға қаншалықты реакцияға түсетінін анықтайды. Химиялық талдау да пайдалы, әдетте еріткіштерді қолдану арқылы маңызды минералдарды анықтау үшін. Бұл талдау топырақ фоссилінің құрылымын анықтауға көмектесе алады, бірақ қазіргі таңда рентгендік дифракцияға басымдық беріледі, себебі ол бұрынғы топырақтың кристалдық құрылымын анықтауға мүмкіндік береді. Рентгендік дифракцияның көмегімен палеосольдерді топырақ таксономиясының 12 класына (Оксисольдер, Ультисольдер, Альфисольдер, Моллисольдер, Сподосольдер, Аридосольдер, Энтисольдер, Инцептисольдер, Гелисольдер, Гистосольдер, Вертисольдер және Андисольдер) жіктеуге болады. Дегенмен, көптеген кембрийге дейінгі топырақтар зерттелгенде, олардың ешқайсысы да осы топтардың ешқайсысына сәйкес келмейді және «жасыл балшықтар» деп аталатын жеке топқа жатқызылады. Жасыл түс – О2 болмағандықтан, алғашқы Жерде кездесетін кейбір тотықпаған минералдардың болуынан туындайды. Сонымен қатар, жақында пайда болған кейбір орман топырақтарын альфисольдер немесе сподосольдер деп нақты жіктеу қиын, себебі олардың құмды горизонттарына қарамастан, сподосольдерге тән белгілерге ие болу үшін жеткілікті қышқылды емес.
Маңыздылық
Палеопедология – Жер бетіндегі және экзопланета зерттеулері немесе астропедология сияқты жаңа салалардағы ежелгі экожүйелердің экологиясы мен эволюциясын түсіну үшін маңызды ғылыми дисциплина. Геохимияда бұрынғы топырақтардың құрылымын білу палеоконтиненттердің құрамын түсінуге де пайдалы.
Модельдер
Топырақтарға қолданылатын әртүрлі анықтамалар оларға қолданылатын әртүрлі тәсілдерді көрсетеді. Фермерлер мен инженерлер топырақтың белгілі бір қасиеттеріне назар аударса, топырақтанушылар басқаша көзқарас білдіреді. Негізінде, топырақ анықтамасының осы әртүрлі көзқарастары олардың зерттеуіне әртүрлі теориялық негіздер болып табылады. Топырақтарды ашық жүйелер деп қарастыруға болады, себебі олар Жер мен атмосфера арасындағы шекараны білдіреді, онда материалдар тасымалданады және өзгеріске ұшырайды. Материал ағынының төрт негізгі түрі бар: қосылу, алу, ауысу және түрлену. Қосылу мысалдарына минералдық бөлшектер мен жапырақтардың қалдықтарын жатқызуға болады, ал алуға минералдар мен органикалық заттардың беткі эрозиясы жатады. Ауысу – топырақ профилі ішіндегі материалдың қозғалысы, ал түрлену – топырақ ішіндегі материалдардың құрамы мен түрінің өзгеруі. Топырақтарды энергияны түрлендіретін құрылымдар деп қарастыруға болады, себебі олар табиғи процестер арқылы өзгертілген материалдың физикалық құрылымдары. Күн топырақ үшін негізгі энергия көзі болып табылады және Жер қыртысының тереңдігінен шығатын радиоактивті ыдыраудан туындаған кез келген жылудан әлдеқайда артық. Шөгінділердің жиналуы немесе жер асты суларының немесе жаңбырдың қосылуы да энергияны алу болып есептелуі мүмкін, өйткені жаңа минералдар мен су топырақтағы бұрыннан бар материалдарды өзгерте алады. Осы процестер, оларды қуаттандыруға қажетті энергиямен бірге топырақ профилін қалыптастырады. Топыраққа тағы бір көзқарас – олар белгілі бір уақыт ішінде оларға қол жетімді материалдардан қалыптасқан қоршаған ортаның өнімдері. Топырақтың қалыптасуына әсер ететін көптеген факторларды бес негізгі факторға дейін қарапайымдастыруға болады: климат, организмдер, топографиялық бедер, аналық материал және уақыт. Осы бес факторды "CLORPT" аббревиатурасы арқылы есте сақтау оңай. Бұл санаттар топырақ немесе палеосольдің қалыптасу кезінде болған аспектілерді ойда қарастыру үшін пайдалы. Бірақ ең бастысы, CLORPT топырақ қалыптасуын зерттеу үшін табиғи эксперименттер жасау кезінде теориялық базаны құруға мүмкіндік береді. Мысалы, 1 метрден кем тереңдікте кальций горизонты бар топырақтар. Топырақ климаты – микроклиматтың ерекше түрі. Ол топырақтың тесіктерінде кездесетін ылғал, температура және басқа да климаттық көрсеткіштерге қатысты. Мысалы, жақсы дренаждалған топырақта топырақ климаты аймақтық климаттың сәл жұмсақ нұсқасы болып табылады. Сулы топырақта топырақ климаты аймақтық климатқа байланысты емес, себебі сулы топырақтың температурасы мен оттегімен қанығуы атмосфералық жағдайларға қарағанда жергілікті жер асты суларының жолдары мен жылдамдықтарына көбірек тәуелді. Топырақ климатының басқа түрлерін бағалау топырақты жіктеуге, топырақ қалыптасуының модельдеріне және топырақ биологиясын зерттеуге еніп жатыр. Палеосольдерден алынған климаттық жіктемелерді топырақтың белгілі бір климаттық айнымалыларға сезімтал климаттық сезімтал ерекшеліктерін пайдалану арқылы байланыстыруға болады, бірақ осы ерекшеліктердің ең жақсысының өзінде дәлдік жетіспейді. Себебі топырақ климаттық жағдайды тіркеу үшін метеорологиялық құралдар сияқты сезімтал емес. Дегенмен, климатты топырақтағы сезімтал ерекшеліктер арқылы түсіндіруге болады. Климатты жіктеуге қатысты ең үлкен масштабтағы әсерлердің бірі 1918 жылы жасалды, содан кейін неміс метеорологы Владимир Кёппен екі онжылдық бойы оны өзгертті. Ол бес негізгі климаттық топ бар екенін ұсынды (Кёппен климаттық жіктелуі), олардың әрқайсысы жер бетіндегі өсімдіктердің негізгі түрлеріне сәйкес келеді. Әр климаттық тип әріптермен белгіленеді, үлкен әріптер негізгі климаттық топтарды, ал кіші әріптер қосалқы климаттық ерекшеліктерді көрсетеді. Мысалы, кварц pH>9 топырақта тұрақты минерал, ал алюминий (AlO) pH 4,5 пен 8 аралығында тұрақты (көбінесе саз топырақта). Көбінесе топырақта кең ауқымды экологиялық жағдайларда тұрақты болатын микроэлементтерге қорғасын (Pb) және цирконий (Zr) жатады, бірақ олар әрқашан пайдалы болуы үшін жеткілікті мөлшерде кездеспейді. Төртінші болжам – көлемнің өзгеруі қалыңдыққа және тығыздыққа пропорционалды. Бұл жерлеу кезінде топырақ көлемінің жоғалуы мен тығыздалу дәрежесі олардың тығыздығы мен қалыңдығының өзгеруімен байланысты екенін көрсетеді. Көлем мен тығыздық үш өлшемді, ал қалыңдық бір өлшемді болса да, әртүрлі материалдардағы, соның ішінде белгілі пішіні бар қазба қалдықтарындағы байқаулар көрсетіп тұр, топырақтар мен қазбалар статикалық тік жүктеме жағдайында қысыммен қабырғаларында ұсталады.