Kvarterní prostředí (podzimní semestr 2019) Spraše a paleopůdy MUNI Daniel Nývlt (daniel.nyvlt@sci.muni.cz) Eolické procesy, sedimenty a tvary reliéfu Transport a ukládání větrem Eolický transport probíhá ve všech klimatických pásmech, ale jen v aridních oblastech není jeho účinek maskován akumulační či erozní činností vody. Hlavní typy eolického transportu: vlečení, saltace, v suspenzi, významná též recyklace materiálu. Při saltaci dochází díky nízké viskozite vzduchu, který tak netlumí částice při dopadu, k vyrážení zasažených částic směrem do unášecího proudu. V závislosti na rychlosti větru jsou unášená prachová a písková zrna, výjimečně i štěrková frakce. WIND DIRECTION* Suspension Saltation Eolicky unášený materiál tvoří charakteristické morfologické tvary, typické pro dnešní pouštní a polopouštní oblasti. Hierarchicky velikostně rozdílné erozní a akumulační tvary reliéfu. mikrotvary: čeřiny, pouštní laky, voštiny, hrance, scallops,... mezotvary: různé typy dun, barchany, sejfy, návěje, závěje, jardangy, nebky,... makrotvary: dunová pole, pokryvy - různé typy pouští (erg, hamada, serir, reg),... Eolické sedimenty jsou světově plošně (nikoliv však mocností) nej rozšířenější skupinou kvartérních terestrických sedimentů. Eolické písky - písčité pouště s typickými makrotvary eolické sedimentace (dunami), typicky rozšířené především v subtropickém pásu. Eolické prachové sedimenty - spraše a sprašové hlíny tvoří návěje, závěje a plošné pokryvy s mocnostmi od několika dm až po desítky m. U nás nejčastěji 2-3 m mocné. Spraš - eolický prach, masivní, obvykle bez primárních textur, který prošel lesifikací (zasprašověním) - pedogenním procesem během kterého vznikl vyvločkovaný CaC03 (obvykle 6-20 wt%, ale někdy až 40 wt%). Hlavním minerálem tvořícím spraš je křemen; který tvoří obvykle 40-75 %. Spraš není sediment, ale není to ani půda. Pécsi, M. (1990): Loess is not just the accumulation of dust. Quaternary International 7 (8), 1 -21. Obsahuje vápnité konkrece, pseudomycélia, šmouhy a bročky oxidů Fe a Mn, sekundární mramorování s náznaky oglejení. Druhá definice rozšířená především v angloamerické literatuře považuje za spraš jakýkoliv eolicky ukládaný prach, přičemž přítomnost karbonátu není podstatná. Spraš je ukládána ve vrcholných fázích glaciálů (pleniglaciálech), kdy byl vegetační kryt mírných zeměpisných šířek minimální. Pokrývají téměř 10 % pevnin, rozšířeny jsou v nezaledněných mírných a severních subtropických zeměpisných šířkách obou polokoulí (20-65°), hlavní pás mezi 35° a 55° s. š. Průměr zrnitosti našich sprašíje 16 pm, ve světě jsou často hrubší (20-40 pm), obsahují jemnozrnný písek (běžně 5-15 %) a malý podíl jílu (do 5-10 %). Převažující prachovitá frakce je dominantně tvořena zrny křemene. Místy může obsahovat písčité vrstvičky nebo písčité klíny vyplňující mrazové praskliny hrubším písčitým materiálem. Původ křemene v prachové frakci byl tradičně vysvětlován ledovcovým drcením (glacial loess), protože finální zrnitost ledovcové deterze křemenného materiálu je právě ve frakci středno- až hrubo-zrnného prachu. Nověji bylo zjištěno, že obdobná zrnitostní frakce křemene může vznikat i jinými procesy, např. termálním pukáním krystalinických hornin v pouštních oblastech (desert loess). Deflační oblasti - "glacial loess" - rozsáhlé glacifluviální výplavové plošiny, vegetací nezpevněná krajina vrcholných glaciálů mírných zeměpisných šířek, „desert loess" - pouštní oblasti subtropů a obnažené kontinentální šelfy. Díky sedimentaci přímo z atmosféry velice vhodný materiál pro paleometeorologické rekonstrukce. Obsahuje pohřbené půdní horizonty (fosilní půdy) mnohdy s archeologickým materiálem odpovídající obdobím bez sedimentace a důležité indikátory kvartérních klimatických změn. Křemen v prachové i písčité frakci dobře zaoblený se specifickými tvary povrchu vázanými na eolický transport (eolické jamky a zálomy po impaktech jiných zrn) a zmatnění povrchu zrn díky korozi chemickými procesy. Světové rozšíření s p raší Starý svět: Středoevropský sprašový pás Východoevropský sprašový pás Sibiřský sprašový pás Sprašový pás středoasijský Čínské sprašové plato Map of loess distribution in Europe scale 1: 2 500 000 Středoevropský sprašový pás: nejstarší mapa již Franz Ritter von Hauer (1867-1871) i.I.iiI k.H III. I IlIJMi III- h vlili os i i:niti:n:ms«:ii-i \<.vi.isi;in;\ md\ \m:iiiK k k 1.1 IN.IN.IM III \ Hill UM \M lil IH.V MIHI \lt\ 11 .. * r Farben Schern« im m- • L33- ĽO— 1^' trrr — Světové rozšíření spráší Nový svět: Aljaška Columbia plateau Great Plains Mississippi Valley Argentina-Uruguay Nový Zéland I Eolian sand ] Loess 1,000 Rozšíření spraší ve střední Evropě Vyskytují se do nadm. výšek 300-350 m, výše se vyskytují nevápnité sprašové hlíny (ty byly díky vyšším srážkám ve vyšších nadm. výškách druhotně odvápněny). V humidních oblastech je výšková hranice pravých spraší ještě níže (i 200 m n. m.). Průměrná rychlost sedimentace pleniglaciálních evropských spraší: 0,5-30 cm/rok Smíšené eolické sedimenty (vlhké oblasti) - koluvioelické až eolickokoluviální (častá resedimentace sprašového materiálu uloženého na svahu solíflukcí, obvykle plošnou jednostrannou geliflukcí). - spraše pahorkatin (Ambrož 1952) - eolická a koluviální složka - niveoeolické - navátí prachu a písku na sníh - bažinné spraše - sprašové hlíny stojatých vod (Ostravsko) - fluvioeolické - jižní Morava - proudící voda L Loess l< -120 m Sandy loess 120-60 m Loess derivates & "Loess like" deposits - 60 - 0 m Aeolian sands 0 - 200 m 200 - 500 m LGM Inlandsis & Ice sheets > 500 m Stratigrafický a paleogeografický význam sprašových sérií - sprašové profily a naváté písky s fosilními a subfosilními půdami proxy data - stratigrafie kvartéru (tvorba nejmladší spraše -28-13 ka BP, naváté písky <12 ka BP) Význam spraší - sklepy (soudržný materiál díky CaC03), stěny drží díky sloupcovité odlučnosti, cihlářská hlína, v písčitých polohách jiřičky, hmyz - ekologické hledisko sprašová série se subfosilní půdou Hranice, Česko sprašová série v nadloží fluviálních sedimentů řeky Bije Priobskoe plato, Bijsk, Rusko sprašová série s fosilní pudou (braunlehmem), spodní pleistocén Kurovice, Česko fosilní kost v ; í profilu .;j okraj Priobskova j plata, podhůří r '^il S.% Altaje, Rusko f . typicky vyvinutá černozem na spraši s „recentní spraši" na povrchu )/*\ í; ; Priobskoe plató, f \ x Bijsk, Rusko Metody výzkumu sprašových sérií - magnetické vlastnosti - pedostratigrafie a mikromorfologie - obsah CaC03, TIC a TOC - zrnitost - mineralogie - datování (OSL, 14C) - malakologie - savčí paleontologie Paleoklimatický záznam ve sprašové sérii Čínského sprašového plato Na hranici pliocén/pleistocén (~2,6 Ma) změna ze sedimentace červených jílů na typické spraše. Záznam odráží různou klimatickou cyklicitu během kvartéru - Laplaceova, Crollova a Milankovičova perioda. Dobrá korelace s mořským záznamem přinejmenším pro Milankovičovu periodu středního a svrchního pleistocénu. e? ty o.i 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2- 2.3 2.4 2.5' 2.6 2.7 Cinské sprašového plato - zrnitost (hrubší spraše v chladných obdobích) CHINESE LOESS PLATEAU MAGNETIC SUSCEPTIBILITY (SI) 20 60 100 140 180 220 15 Qmax (um) 100 80 OCEAN (SPECMAP) 6180 (%o) m >» o < L 2 Average Wind Strength Maximum Wind Strength SUMMER MONSOON PROXY WINTER MONSOON PROXY Magnetická susceptibilita a stratigrafie na profilech Bija a Katuň vpravo rekonstruované přihladinové teploty moře ze zbytků fytoplanktonu z mořských sedimentů poblíž sz. pobřeží Afriky (ODP 658C) s vyznačenými Heinrichovými událostmi (Heinrich events - HE); jejichž ekvivalenty byly zjištěny ve zkoumaných sprašových profilech. Biya River 0 10 - B- 20 - 30 Katun' River ODP658C He ■ Chernozem □ Regoaol □ Gleyed Brunisol Colluviated □ Brunisol □ Loess M Fine Sand -1— 4 2 Susceptibility (10-3 SI) ~r 0 20 40 CD 50 80 16 18 20 SST (°G) 22 Vyšší hodnoty MS během OIS 3 dobře korelují s vyššími hodnotami MS v hlubokomořských sedimentech severního Atlantiku - na střední Sibiři je to způsobeno chladnějším počasím s hojnějšími bouřemi, které mohly transportovat těžší zrna Čínské profily nevykazují žádné chladné události zjistitelné MS, pouze zrnitostí a obsahem karbonátů. MS tam ukazuje pouze na teplé (GIS) výkyvy VYSVĚTLENÍ - Rozdílný magnetoklimatický model Čína - MS ovlivněna intenzitou pedogeneze -superparamagnetické minerály (množství srážek způsobené monzunovou činností) Sibiř - MS ovlivněna silou (směrem) větru, proto je možné zaznamenat i krátké události jako HE Frekvenčně závislá magnetická susceptibilita MS je možné měřit v několika frekvencích, vztah mezi magnetickými vlastnostmi materiálu v závislosti na frekvenci měření vyjadřuje frekvenčně závislá MS: 100.(Kf1-Kf3).Kf3"1 Dokáže z magnetického záznamu vytáhnout záznam způsobený velice jemnými superparamagnetickými částicemi vzniklými v důsledku působení pedogenních bakterií. BOD 1000 1200 1400 1600 1£00 20C0 0 70 SO 90- 100 % 1 10 120- 130- 140 Insolation 65 N 400 450 500 i ^ ' -t" i---1---ľ" yfd% CX 2 4 6 8 10 12 14 YB -í_ "■s ? f. 2 4 G a 10 0 2 4 6 8 ^0 12 xfd% A 0 10 20 + sand/cfeyratio _---—— * ^ 1 30 * *\~~~ "C 27.077 ±457 \ J. + \ cal- BP ^ \ ____............___"_--___......_......_......_.................._......_......_....../.................._......_.................. B 40 """" 50 í f II 60 > * t ji; 2Ů.041 ± 185 cal. BP / X S < C 70 SO < \ + > * \ 90 III m" * 29.4D3± 135 cal. BP / Jf 14 15 1H 20 (tím) Velmi vhodný indikátor intenzity pedogeneze o.ch d.og c.-ds 0,1 0,12 0,14 0.16 0.1b Rekonstrukce paleosrážek v Západní Evropě, sprašová série u Nusslochu pleniglaciální srážky 200-400 mm/rok; interstadiální srážky 300-550 mm/rok, holocenní srážky 550-1000 mm/rok, dnešní srážky -750 mm/rok 1100 t >1000malt. • Sample location | em1+2 | em3 | em4 .derived main 'wind direction Middle PI. Legend ]00 -L Rekonstrukce směru proudění větru ve střední Evropě během posledního pleniglaciálu na základě zrnitosti spraší n 0_ 200 400 600 k >1000malt • Sample location |eM1+2 | em3 em4 . denved mam 'wind direction Fosilní půdy jejich stratigrafický a paleogeografický význam - přerušení sedimentace, vulkanický a seismický klid, není eroze a akumulace - změna přírodního prostředí Pedostratigrafie - vývoj konceptu nezávisle v 50. letech v Cíně (Liu, Chang) a v Československu (Kukla, Ložek, Prosek) spraše - chladná období (stadiály), sedimentace pohřbené půdy - teplá období (interglaciály, interstadiály), bez sedimentace Půdní komplexy (PK) - černozeme - stadiály; hnědé půdy (kromě PK I) - interglaciály PK II, III Stillfried A - černozeme (interstadial) a parahnědozemě (poslední interglaciál) PK IV-VI ozemněné (luvické) a braunlehmovité parahnědozemě PK VII—XI braunlehm, (ferreto na štěrcích) PK XII ? zemitý braunlehm Černozem (typická) na spraši černozem Chernozem humifikace Ap — tmavošedá hlinitá zemina výrazně drobtové struktury, drobivá Hnědozem (typická) na spraši A — tmavošedá hlinitá zemina krupnaté struktury, soudržná roviny do 300 m n. m.; průměrná roční teplota nad 8°C; srážky 450-650 mm/rok; mocnost 60-80 cm; vznik ve stepních podmínkách termination I; dnes udržovány kultivací A/Cca — plavošedá hlinitá zemina, slabě vápnitá, polyedrické struktury, soudržná; žilky uhličitanu vápenatého, krotoviny s ľ H H íl Cca — plavá vápnitá spraš; hojné žilky uhličitanu vápenatého, krotoviny ■ - c! hnědozem Luvisol illimerizace Ap Bt B/C Cca — šedohnědá hlinitá zemina drobtové struktury, drobivá hnědá jílovitohlinitá zemina kostečkové struktury, soudržná; povlaky koloidů na strukturních částicích světle hnědá jílovitohlinitá zemina prizmatické struktury, tuhá; náteky koloidů na strukturních částicích plavá vápnitá spraš; hojné žilky uhličitanu vápenatého, cicváry pahorkatiny 200-450 m n. m.; průměrná roční teplota 7-9°C; srážky 500-700 mm/rok; mocnost 30-50 cm Černozem degradovaná na spraši í I Ap černozem luvická Luvic Chernozem humifikace + iluviace — šedá hlinitá zemina drobtové struktury, drobivá Illimerizovaná půda (typická) t — tmavošedá hlinitá zemina krupnaté struktury, soudržná A/Ct — tmavohnědá hlinitá zemina kostečkové struktury, soudržná; povlaky humusu a koloidů na strukturních částicích vznik iluviálního horizontu na přechodu do matečného sustrátu Cca — plavá vápnitá spraš; hojné žilky uhličitanu vápenatého, cicváry luvizem Luvisol illimenzace Ap — hnědošedá hlinitá zemina práškovité a hrudkovité struktury, ulehlá střední polohy; průměrná roční teplota 6-8°C; srážky 550-900 mm/rok; pod humus, horizontem až 40 cm mocný vybělený eluviální (E) horizont — světle plavošedá hlinitá zemina lístkovité struktury, drobivá; bílé poprašky na strukturních částicích, rezivé železité bročky E+B — světle narezle hnědá hlinitá zemina se světle plavošedými jazyky, polyedrické struktury, drobivá; jednotlivé povlaky koloidů na strukturních částicích, bílé poprašky, rezivé železité bročky Bt — rezivohnědá zemina s ojedinelými bělošedými jazyky, jílovitohlinitá, polyedrické struktury, tuhá; povlaky koloidů na strukturních částicích, jednotlivé rezivé železité bročky B/C — světle rezivohnědá jílovitohlinitá zemina prizmatické struktury, tuhá; náteky koloidů na strukturních částicích, ojedinělé rezivé železité bročky C — žlutohnědá jílovitohlinitá sprašová hlína s ojedinělými rezivými železitými bročky a tmavými Fe-Mn povlaky ve svrchní části horizontu SPRAS Ap šedozem Greyzem humifikace + illimerizace — šedá hlinitá zemina drobtové a práškovité struktury, drobivá Pseudoglej na sprašové hlíně Ae — šedá hlinitá zemina (světlejší než předešlá) lístkovité struktury, drobivá; bílé poprašky na strukturních částicích At — tmavošedá hlinitá zemina polyedrické struktury, soudržná, výrazné bílé poprašky a povlaky koloidů na strukturních částicích okrajová oblast rozšíření černozemí; hluboký humusový horizont až >50 cm; humus díky iluviaci i níže v profilu Bt — tmavohnědá hlinitá zemina kostečkové struktury, soudržná; povlaky humusu a koloidů na strukturních částicích B/C — hnědá hlinitá zemina prizmatické struktury, tuhá; jednotlivé náteky humusu a koloidů na strukturních částicích Cca — plavá vápnitá spraš s hojnými žilkami uhličitanu vápenatého l h pseudoglej Planosol oglejení Ap — hnědošedá jílovitohlinitá zemina hrudkovité struktury, ulehlá; výskyt rezivých železitých bročků gor • bělošedá (rezivohnědě mramorovaná) jílovitohlinitá zemina slité struktury, tuhá; rezivé železité bročky střední polohy; průměrná roční teplota 6-8°C; srážky 550-900 mm/rok; pod humus, horizontem několik dm mocný bělošedý oglejený horizont s rezavými skvrnami gm g/c — rezivohnědá, výrazně bělošedě mramorovaná jílovitohlinitá zemina s náznaky prizmatické struktury, velmi tuhá; ojedinělé povlaky koloidů na strukturních částicích, ojedinělé rezivé železité bročky — žlutohnědá jílovitohlinitá sprašová hlína s bělošedými jazyky; rezivé železité bročky, Fe-Mn povlaky ve svrchní části horizontu SPRAS, SPRAŠOVÁ HLINA K dalšímu čtení: Bockhorst, MP. et al. (2011): Atmospheric circulation patterns in central and eastern Europe during the Weichselian inferred from loess grain-size records. Quaternary International 234, 62-74. Derbyshire, E., Ed. (2001): Recent research on loess and palaeosols, pure and applied. Earth-Science Reviews, 54, 1-260. Monotématické číslo obsahující celkem 13 článků. Evans, M.E., Rutter, N.W., Catto, N., Chlachula, J., Nyvlt, D. (2003): Magnetoclimatology: Teleconnection between the Siberian loess record and North Atlantic Heinrich events. Geology, 31, 6, 537-540. Frechen, M., Oches, E.A., Kohfeld, K.E. (2003): Loess in Europe - mass accumulation rates during the Last Glacial Period. Quaternary Science Reviews, 22, 1835-1857. Antoine, R et al. (2013): High-resolution record of the environmental response to climatic variations during the Last Interglacial—Glacial cycle in Central Europe: the loess-palaeosol sequence of Dolní Věstonice (Czech Republic). Quaternary Science Reviews, 67, 17-38. Maher, B.A. (1998): Magnetic properties of modern soils and Quaternary loessic paleosols: paleoclimatic implications. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 137, 25-54. Muhs, D.R. (2006): Loess Deposits, origins and properties. In: Elias, S. A. (Ed.): Encyclopedia of Quaternary Science. 1405-1418, Elsevier. Pécsi, M. (1990): Loess is not just the accumulation of dust. Quaternary International 7 (8), 1-21. Smith B.J., Wright J.S., Whalley W.B. (2002): Sources of non-glacial, loess-size quartz silt and the origins of "desert loess". Earth-Science Reviews, 59, 1-26. Tomášek, M. (2007): Půdy České republiky. 4. vydání. 68 p., 41 příloh. ČGS, Praha. Vláčiky, M., Michalík, T., Nývltová Fišáková, M., Nývlt, D., Moravcová, M., Králík, M., Kovanda, J., Péková, K., Přichystal, A., Dohnalová, A. (2013): Gravettian occupation of the Beckov Gate in western Slovakia as viewed from the interdisciplinary research of the Trenčianske Bohuslavice-Pod Tureckom site. —