Eötvös Loránd Tudományegyetem, Földrajz és Földtani Intézet, Természetföldrajzi Tanszék;
Leibniz Institute for Applied Geophysics (LIAG), Hannover, Germany Abstract
The Verőce loess-paleosol sequence hosts a MIS5e paleosol, which was preserved in three different topographic positions, as local top, paleoslope and paleovalley infilling. Each paleosol contains a characteristic secondary carbonate type named as hypocoatings, which are direct matrix impregnations and are of synsedimentary origin. A new method, named as “stable isotope matrix” (SIM) was established in order to interpret the stable carbon and oxygen isotope ratios of hypocoatings.
The SIM method was combined with box-and-whiskers plot analysis, which showed that the former topographic position had an influencing effect on the stable isotope pattern of hypocoatings. Climatic signal was connected to the paleosol from local top position, whereas direct paleoenvironmental factors modified the climatic signal in the case of the paleoslope and paleovalley positions.
Kulcsszavak: stabil izotóp mátrix (SIM), lösz-paleotalaj szelvény, felület alatti bevonat
1. Bevezetés
A felület alatti bevonatok közvetlen mészimpregnációkként jönnek létre a gyökérjáratok felszíne alatt és szinszediment, vagyis az üledékképződéssel/talajfejlődéssel egyidejű kialakulással jellemezhetőek. Átmérőjük 1 cm alatti, míg felépítő elemeik szemcseméretére a mikrit és mikropátit jellemző (pl. Becze-Deák et al. 1997). Színük alapján talajos és üledékes altípust különíthetünk el (Bradák et al. 2014). Kialakulásuk során a lösz-paleotalaj rétegsorok pedoszedimentációs felépülési sémája fontos szerepet játszik (pl. Becze-Deák et al. 1997), melynek során a lösz üledékképződése és a talajfejlődés kompetitív folyamatokként zajlottak (pl. Lowe – Tonkin 2010).
Tanulmányunk a Verőce lösz-paleotalaj rétegsor MIS5e paleotalajában található felület alatti bevonatokat vizsgálja. Az említett paleotalaj különlegessége, hogy három különböző topográfiai pozícióban őrződött meg, így lokális tetőhelyzetben (LTOP), paleolejtő mentén (PSLO) és paleo-völgykitöltésként (PVAL). A feltárás a Börzsöny előterében található, elhagyott verőcei téglagyár területén került kialakításra (É47°49’46.0”; K19°02’33.6”). A szelvény nem tipikus platóhelyzetet reprezentál, hanem összetett hordalékkúpon települt, egyaránt az eolikus, proluviális és fluviális folyamatok befolyása alatt.
Részletes litosztratigráfiai jellemzők és a kronometrikus kormeghatározás eredményei megtalálhatóak Bradák et al. (2014) és Barta et al. (2018) munkáiban.
2. Anyag és módszer
Felület alatti bevonatok
Tanulmányunk kizárólag a MIS5e paleotalajokban, illetve a közvetlenül hozzájuk kapcsolódó fekü löszben előforduló felület alatti bevonatok vizsgálatán alapul. A talajgenetikai szintek rövidítése az 1. ábra aláírásában szerepel. A felület alatti bevonatok 10 cm-es függőleges felbontás mellett vett teljes mintákból való kinyerése követte Barta (2014) módszerét. Stabil szén- és oxigénizotóp összetételük meghatározásának menete részletesen megismerhető Barta et al. (2018) munkájában.
A „stabil izotóp mátrix” (SIM) módszer
A paleotalajok genetikai horizontjaiban található felület alatti bevonatok stabil szén- és oxigénizotóp összetételének vizsgálata során egy új módszer került kidolgozásra „stabil izotóp mátrix” (SIM) néven. Az értelmező SIM plot és szakirodalmi háttere részletesen megismerhető Barta et al. (2018) munkájában.
Dobozdiagramok
A tanulmányban szereplő dobozdiagramok az alábbi paraméterek alapján készültek: felület alatti bevonatok δ13C és δ18O izotóparányai, a paleotalajok genetikai horizontjai és az egykori paleotopográfiai helyzet (Barta et al. 2018).
3. Eredmények
A dobozdiagramok értelmezéséhez (1. ábra) a magyarázó SIM plotot (Barta et al. 2018) használtuk irányvonalként: a dobozdiagramok 13C és 18O kimerülési vagy dúsulási domének irányába történő elmozdulásának jelentése került értelmezésre a felület alatti bevonatok teljes szelvényre számított átlagértékéhez képest.
A δ13C és δ18O értékek jelentésének bemutatása Barta et al. (2018) munkája alapján készült.
56
A δ13C értékek jelentése Lokális tetőhelyzet
A genetikai szintekhez tartozó dobozdiagramok mintázata alapján elkülöníthetővé vált: 1) hideg fázisból meleg fázisba való átmenet; illetve 2) meleg fázisból hideg fázisba való átmenet.
Az első átmenet esetén az L-LTOP, RH-LTOP és BH-LTOP dobozok egymásra következése folyamatosságot mutat a 13C dúsulási domén felé (1a. ábra), mely sűrűsödő vegetációborításra és hatékonyabb szerves anyag mineralizációra utal. Az említett körülmények között a poranyag kiülepedése és a löszképződés üteme lassult, fékezve az ún. felfelé épülő pedogenezis folyamatát és átadva a helyet a fentről lefelé haladó pedogenezisnek (Lowe – Tonkin 2010). Erre utaló mikromorfológiai nyomok is előkerültek a fekü lösz felső 10 cm-es egységéből: nagy mennyiségben találhatóak itt meszesedett gyökérsejtek és földigiliszta bioszferoidok, melyek az üledékképződési környezet fokozódó stabilitását jelzik (Bradák et al. 2014).
A meleg fázisból a hideg fázis felé való átmenet során a BH-LTOP dobozhoz képest az UTR-LTOP magasabb pozícióban helyezkedik el és így a 13C dúsulási doménhez tartozik (1a. ábra) – vagyis csökkenő vegetációborítást jelez a paleotalaj fejlődéséhez képest. Glaciális/stadiális felé tartó átmenetek kezdetén jellemző hasonló jelenség, mely együtt jár a porfelhalmozódás intenzívebbé válásával is. A folyamat progresszív jellegét tanúsítja, hogy talajos és üledékes altípusú felület alatti bevonatok is előfordultak mindkét szintben (Bradák et al. 2014).
Paleolejtő
Az UTR-PSLO és a BH-PSLO dobozok átfedésben vannak (1.a. ábra), mely összefüggésbe hozható azzal, hogy a terepi vizsgálatok során az UTR-PSLO anyaga áthalmozás nyomait mutatta. A lejtőpozícióban nem zajlott háborítatlanul a szelvény épülése, ki volt téve a lejtőleöblítés aktív hatásának is, melyre az üledék- és paleotalajlencsék váltakozásából is lehet következtetni (Bradák et al. 2014). A LTR-PSLO doboz nem illeszkedik a paleolejtő többi genetikai szintjéhez (1.a ábra): ez található a legmagasabb pozícióban, mégpedig a 13C dúsulási doménben. Feltehetőleg a LTR-PSLO pozíciója is a lejtőhelyzet érzékenységét hangsúlyozza: a felfelé épülő pedogenezist lassan, de folyamatosan válthatta fel a fentről lefelé haladó pedogenezis, miközben a lejtőleöblítés aktívan zajlott. Ez okozhatta az alacsonyabb vegetációsűrűséget és vezetett csökkenő biológiai aktivitáshoz, mely az izotópszignálban is kifejeződött.
Paleo-völgykitöltés
A LTR-PVAL érték L-PVAL dobozzal való átfedése arra utal, hogy a talajfejlődés felé való átmenet folyamata több hasonlóságot mutathatott a löszképződés környezeti körülményeivel (1a. ábra). A BH-PVAL és RH-PVAL dobozok folyamatos eltolódást mutatnak a 13C dúsulási domén felé, amit a SIM plot alapján a vegetációsűrűség és a biológiai aktivitás csökkenésével lehetne magyarázni. A talaj fejlettségét tekintve (pl. legmagasabb szerves széntartalom, Bradák et al. 2014) ez azonban ellentmondásnak tűnik. A szénizotóp-értékek értelmezésénél figyelembe kell venni azt is, hogy az erős biológiai lebontás izotóp-szelektív folyamat, ami szintén vezethet a 13C dúsulásához (Galimov 1990). Másik magyarázat lehet az
1. ábra: Dobozdiagramok (Barta et al. 2018 alapján). A szaggatott vonal jelöli a felület alatti bevonatok Verőce szelvényre vonatkozó átlagértékét: (a) δ13C esetén -8.76‰ (vs. VPDB); (b) δ18O esetén -8.83‰ (vs. V-PDB). A dobozokban található fekete vonal az adatsor mediánja. A kör jelölés az kívülálló értékeket, míg a csillag az extrém kívülállókat jelöli. A genetikai horizontok rövidítései: UTR - felső
átmeneti szint; LTR – alsó átmeneti szint; BH – fekete talajgenetikai szint; RH – vörös talajgenetikai szint; L – fekü lösz.
esetlegesen zárt erdőborítás, mely változásokat idézhet elő a lokális atmoszféra CO2 tartalmában, ez által gyakorolva hatást az izotópszignál kialakulására (Cerling – Quade 1993).
A δ18O értékek jelentése
Lokális tetőhelyzet
A lokális tetőhelyzethez tartozó dobozok esetében folyamatos eltolódás figyelhető meg a L-LTOP doboztól az UTR-LTOP felé (1b. ábra), vagyis fokozatosan a 18O kimerülési domén irányába. A dobozok pozíciója azt mutatja, hogy a paleotalaj genetikai szintjei nedvesebb környezeti feltételek között jöttek létre a L-LTOP csoporthoz képest, melynek kialakulása aridabb körülményekhez kötődött, hangsúlyosabb párolgással. Az UTR-LTOP csoport képviseli a legnegatívabb értékeket, utalva így az interglaciális-stadiális átmenet beköszöntére. A löszképződés felé tartó átmenet nem egyértelmű szárazodással volt jellemezhető, hanem feltehetően humidusabb fázisok tagolták.
Paleolejtő
A paleolejtő dobozainak elhelyezkedésében nem figyelhető meg olyan folyamatos fokozatosság, mint a lokális tetőhelyzethez tartozó mintázatban. A LTR-PSLO és RH-PSLO dobozok esetében még van fokozatos eltolódás az 18O kimerülési domén irányába (1b. ábra), ami a rendszer nedvességi állapotában bekövetkező változásokat indikálja (eltolódás a humidusabb irányba). A RH-PSLO doboz tartományának széles mivolta több faktor komplex együttműködését tükrözi (1b. ábra). A BH-PSLO dobozhoz képest a RH-BH-PSLO magasabb pozíciója visszavezethető a topográfiai sajátosságokból adódó befolyásoló tényezőknek: a lejtőleöblítés során a beszivárgás limitáltabb, így a rendszerben jelen levő nedvességre erősebben hat a párolgás – így vezetve 18O dúsuláshoz.
Paleo-völgykitöltés
A BH-PVAL és RH-PVAL dobozok pozíciója aridabb kialakulási környezetet mutat összehasonlítva a lokális tetőhelyzetben levő paleotalaj azonos genetikai szintjeivel (1b. ábra). Ez a magyarázat azonban ellentmondást tár fel, mivel a völgyi pozíciók humidusabb környezeti jellemzőkkel írhatóak le általánosan (pl. lejtőleöblítés, hozzáfolyás okán). Érdemes figyelembe venni, hogy a nagyobb hozzáfolyás hatékonyabb párolgást vonhat maga után. Magasabb vegetációsűrűség alatt az evapotranspirációs folyamatok vezethetnek több vízveszteséghez, ami a talajba beszivárgó víz izotópösszetételét befolyásolja (Quade et al. 1989;
Abdel-Lah et al. 1996). A LTR-PVAL és L-PVAL dobozok hasonlóan közelebb állnak egymáshoz, mint ahogy az a δ13C értékek mintázatánál is megfigyelhető (1a. és b. ábra): vagyis az átmeneti szint még a löszképződés körülményeit tükrözi.
4. Következtetések
A SIM módszer alkalmazása a dobozdiagramok elemzése során kimutatta, hogy a felület alatti bevonatok stabil izotóp mintázatát befolyásolta a különböző topográfiai pozícióban való megőrződés: klimatikus szignált a lokális tetőhelyzetben található alkotók jeleztek, míg a paleolejtő és paleo-völgykitöltés pozíciók esetében ezt felülírta a közvetlen őskörnyezeti tényezők módosító hatása (pl. lejtőleöblítés, vegetációborítás sajátosságai).
Köszönetnyilvánítás
A szerzők hálásak az NKFIH K119366, a bilaterális TÉT (TET_12_DE-1-2013-0019) és a PD100315 projektek támogatásáért. Barta G.
köszönetet mond a Campus Hungary rövid tanulmányút programjának, míg Bradák B. a JSPS programban való részvételért (2015-2017).
Köszönjük Astrid Jäckel (LIAG, S3) segítségét a mintaelőkészítésben.
5. Irodalomjegyzék
Abdel-Lah, A.K. – Watanabe, K. – Kurokawa, U. (1996): Seasonal Change of Evapotranspiration and Influence of Plant Density on Evapotranspiration.
Journal of the Japan Society of Engineering Geology, 37-6, pp. 14-19.
Barta, G. (2014): Paleoenvironmental reconstruction based on the morphology and distribution of secondary carbonates of the loess-paleosol sequence at Süttő, Hungary. Quaternary International, 319, pp. 64-75.
Barta, G. – Bradák, B. – Novothny, Á. – Markó, A. – Szeberényi, J. – Kiss, K. – Kovács, J. (2018). The influence of paleogeomorphology on the stable isotope signals of paleosols. Geoderma, 330, pp. 221-231.
Becze-Deák, J. – Langohr, R. – Verrecchia, E.P. (1997): Small scale secondary CaCO3 accumulations in selected sections of the European loessbelt.
Morphological forms and potential for paleoenvironmental reconstruction. Geoderma, 76, pp. 221-252.
Bradák B. – Kiss K. – Barta G. – Varga, Gy. – Szeberényi J. – Józsa S. – Novothny, Á. – Kovács J. – Markó A. – Mészáros, E. – Szalai, Z. (2014): Different paleoenvironments of Late Pleistocene age identified in Verőce outcrop, Hungary – Preliminary results. Quaternary International, 319, pp.
119-136.
Cerling, T.E. – Quade, J. (1993): Stable carbon and oxygen isotopes in soil carbonates. In: Swart, P.K. – Lohmann, K.C. – McKenzie, J. – Savin, S.
(szerk.): Climate Change in Continental isotopic Records. Geophysical Monograph, 78, AGU, pp. 217-231.
Galimov, E.M. (1990): Biochemistry of the stable carbon isotopes. Mitteilungen aus dem Geologisch-Paläonthologischen Institut der Universität Hamburg, 69, pp. 9-20.
Lowe, D.J. – Tonkin, P.J. (2010): Unravelling upbuilding pedogenesis in tephra and loess sequences in New Zealand using tephrochronology. 19th World Congress of Soil Science Solutions for a Changing World, 1-6 August 2010, Brisbane, Australia. Megjelent DVD-n. pp. 34-37.
Quade, J. – Cerling, T.E. – Bowman, J.R. (1989): Systematic variations in the carbon and oxygen isotopic composition of pedogenic carbonate along elevation transects in the southern Great Basin. Geological Society of America Bulletin, 101, pp. 464–475.