重塑第四纪纪年的基石：西里西亚Monte San Nicola Gelasian阶“金钉子”（GSSP）的现状评估与未来展望——从“历史”剖面到Mandorlo剖面的战略转移

《Quaternary Science Reviews》：Monte San Nicola (Sicily): Gelasian GSSP and base Quaternary/Pleistocene

本文聚焦于对Gelasian阶全球界线层型剖面和点位（GSSP）的重新评估与优化研究。为解决原有位于Monte San Nicola（MSN）“历史”剖面中的GSSP因构造变形、地层记录缺失和现代研究标准不匹配等问题，SAGE和GELSTRAT两个研究团队在MSN地区开展了高分辨率的地层学、古地磁学和古气候学综合研究。结果表明，位于MSN中-西部的Mandorlo剖面提供了一个相对未受干扰、连续跨越整个Gelasian阶的地层记录，是定义天文单位层型（AUS）和重新定位Gelasian GSSP的理想候选剖面，为全球地质年代表（GTS）的稳定性提供了更优化的解决方案。

　　

在地质历史的长卷上，如何用一把精准的“时间标尺”来划分不同时期的地层，是地质学家们孜孜不倦追求的目标。这把标尺的核心就是“全球界线层型剖面和点位”，简称“金钉子”（GSSP）。它代表了全球公认的特定地质年代边界的标准位置。位于意大利西西里岛Monte San Nicola（MSN）地区的Gelasian阶GSSP，就是定义上新世（Piacenzian）与更新世（Gelasian）分界，同时也是第四纪底界的“金钉子”，其重要性不言而喻。然而，自1998年这颗“金钉子”被正式确立以来，地球科学的数据获取、解读能力和对地质历史高分辨率探索的需求都在飞速发展。这导致许多GSSP（包括一些新近批准的）所依赖的代用指标和定义标准迅速过时。Gelasian阶GSSP也不例外。更为关键的是，后续研究发现，承载这颗“金钉子”的MSN“历史”剖面所在地——MSN东部区域，受到构造变形的影响，导致当地的地层记录出现显著缩减和间断。这使得该剖面越来越难以满足现代地层学对连续、完整、高精度记录的要求。如果“金钉子”本身所在的地层都“残缺不全”，又如何能作为全球对比的可靠标准呢？这一矛盾促使科学家们重新审视这一关键的地质时间节点。

为了解决上述问题，以本文资深作者为首的原Gelasian GSSP提议者于2010年成立了SAGE（拯救Gelasian）研究团队，联合来自意大利及国际多个机构的专家，旨在从MSN荒地的多个剖面中收集新的、高分辨率的科学数据。同时，另一个由SACCOM-INQUA赞助的国际项目GELSTRAT也于2021年启动，目标是在其典型剖面中获得跨越新近纪/第四纪界线的高分辨率综合地层和古气候记录。这两项独立又互补的研究，为我们重新认识MSN地区、评估乃至优化Gelasian阶“金钉子”提供了全新的视角和坚实的数据基础。他们的研究成果发表在《Quaternary Science Reviews》上。

本研究主要运用了野外地层测量与描述、高分辨率采样、古地磁学分析、钙质超微化石和浮游有孔虫生物地层学、稳定同位素（δ¹⁸O, δ¹³C）地球化学分析、烯酮衍生的古海表温度（SST）重建、沉积物颜色和地球化学（如Ba/Al比值）分析、微米级X射线计算机断层扫描（micro-X-ray CT）成像以及天文旋回地层学（将地层旋回与天文轨道参数如偏心率、斜率和岁差驱动的日照量曲线进行对比和调谐）等关键技术方法。所有样品和分析数据均来自Monte San Nicola地区，特别是其“历史”GSSP剖面和新识别的Mandorlo剖面。

研究结果

1. – 引言

研究指出，建立全球适用的正式年代地层标准是地球科学界的主要任务之一，而GSSP是实现这一目标的主要手段。Gelasian阶GSSP于1998年在MSN确立，但在2009年更新统（Pleistocene Series）的底界被降低至与Piacenzian/Gelasian界线重合后，其科学相关性重新凸显。然而，该GSSP赖以建立的地层学基础已不符合“现代”阶界线的要求。SAGE团队的研究证实，MSN地区至今仍代表全球上Piacenzian至下Calabrian区间的最佳参考区域，但GSSP所在的东部区域受构造变形影响。位于MSN中-西部区域的Mandorlo剖面提供了一个相对未受干扰、连续跨越整个Gelasian阶的地层序列，是定义Gelasian天文单位层型（AUS）及其组成的天文年代带（Astrochronozones）的最佳候选，也为在不影响全球地质年代表（GTS）稳定性的前提下重新安置Gelasian GSSP提供了可行选项。

2. - Monte san nicola and the Gelasian Stage

本章回顾了Gelasian阶的历史、MSN地区的地质背景以及2020年之前的科学研究。Gelasian阶是一个相对较新的年代地层单位，其命名和等级在全球年代地层表中几经变化。最初作为上新世最上部的一个阶被提出，后在2009年被重新定义为更新世最下部的阶。MSN地区的地层序列位于Caltanissetta沉积盆地的东南缘，沉积了从Zanclean期到Calabrian期的海相地层，包含Trubi组和Monte Narbone组，其中Monte Narbone组含有四簇与地中海岁差相关的腐泥层（MPRSs，即O， A， B， C簇），为整个地中海区域的远距离对比提供了关键标志。早期研究（2020年前）主要包括生物地层学、古地磁学、地球化学和古气候学初步研究，为GSSP的建立奠定了基础，但也早期发现了该区存在断层和古地磁信号保存不佳等问题。

3. - The current Gelasian GSSP: state of the art

本章系统评估了当前Gelasian GSSP的优缺点。GSSP定义在“Nicola层”（腐泥层A5）之上泥岩层的底界，其天文年代约为2.588 Ma。主要全球对比标志是高斯/松山（Gauss/Matuyama， C2An/C2r）地磁倒转。根据Remane等人（1996）的GSSP基本要求清单进行评估：该剖面在露头厚度、沉积连续性、高沉积速率、化石丰富度、利于远距离生物地层对比的相等方面符合要求。但在缺乏同沉积和构造扰动、缺乏放射性测年材料、古地磁记录质量差（C2An/C2r界线定位粗糙且信号保存不佳）、缺乏详细的δ¹⁸O等地球化学记录、天文调谐受断层阻碍、可达性差且缺乏永久保护和标记等方面存在明显缺陷。

4. – Recent advances (post-2020)

本章总结了2020年后SAGE和GELSTRAT两个团队在MSN两个关键剖面的最新研究成果。

4.1. – The Mandorlo section

SAGE团队重点研究的Mandorlo剖面展示了巨大的优势。Capraro等人（2022）建立了该剖面完整的磁性地层和生物地层框架，证明其涵盖了整个Gelasian阶，并将高斯/松山地磁倒转精确定位在“Nicola层”之上0.3米处。Zanola等人（2024a）提供了跨越Piacenzian/Gelasian界线的高分辨率底栖有孔虫δ¹⁸O和古地磁记录，证实“Nicola层”和高斯/松山倒转均发生在MIS 103，并且揭示了在~5 kyr时间尺度上强烈的亚轨道气候变率信号。Bonomo等人（2024）基于钙质超微化石组合的古环境重建也揭示了岁差和~5-8 kyr尺度的周期性。Zanola等人（2024b）的表面水代用指标（浮游有孔虫δ¹⁸O和烯酮SST）记录再次确认了亚轨道变率的存在。18O和烯酮SST记录的信号分析（小波分析），显示了轨道（岁差和斜率）和亚轨道周期性的存在。">Radmacher等人（2025）的微CT研究证实“Nicola层”在Mandorlo的沉积构造保存完好，表明该界线附近沉积连续。

4.2. – The “historical” Gelasian GSSP section

GELSTRAT团队聚焦于原始的“历史”GSSP剖面。Capraro等人（2022）的尝试性研究发现该剖面被大量断层切割，难以获得连续记录，且古地磁性质极差。与Mandorlo剖面对比，估计“历史”剖面中下Gelasian地层有至少5米的构造缺失。Radmacher等人（2023）的微CT研究指出“Nicola层”顶部存在生物扰动，影响了GSSP界线的精确识别。Addante等人（2024， 2025a）和Girone等人（2026）发表了一系列高分辨率的多指标研究，包括浮游有孔虫δ¹⁸O、烯酮SST、钙质微体化石定量研究等。然而，这些研究中腐泥层（包括“Nicola层”）的位置和厚度定义与早期研究存在不一致，且其报道的MIS 104期显著的亚极区浮游有孔虫Neogloboquadrina atlantica influx（约12%）与地中海其他所有高分辨率记录（包括Mandorlo、Punta Piccola、Singa等）相矛盾，引发了关于其年龄模型和地层完整性的讨论。

5. – The Piacenzian/Gelasian boundary at Mandorlo

本章综合论证了Mandorlo剖面作为Piacenzian/Gelasian界线理想载体的优越性。该剖面连续暴露，无重大构造扰动，地层标志层（如腐泥层）清晰可辨，可进行可靠的天文调谐。它保存了跨越整个Gelasian阶至下Calabrian期的完整记录。“Nicola层”作为物理标志易于识别，其顶部纹层保存完好，利于精确确定界线位置。高斯/松山地磁倒转被精确定位，年龄为2.585 Ma。底栖δ¹⁸O记录与全球LR04曲线高度吻合，同时完好地记录了区域性的（岁差驱动）和亚轨道尺度的古气候环境变化信号。所有关键生物事件（如Discoaster pentaradiatus和D. surculus的最高出现位， Globorotalia bononiensis的末现位）的位置和年龄与地中海其他记录一致。此外，Mandorlo剖面易于到达，便于考察和研究。

研究结论与意义

论文总结指出，MSN地层序列有潜力提供跨越Piacenzian/Gelasian界线最全面、最详细的年代地层记录。研究证实了其在刻画该界线附近生物、气候和地质事件中的关键作用。通过对MSN地区“历史”GSSP剖面和Mandorlo剖面的对比研究，获得以下核心结论：

首先，现有位于MSN“历史”剖面的Gelasian阶GSSP因受构造变形影响导致地层记录缺失、古地磁信号差、可达性不佳等问题，已难以满足现代高分辨率年代地层学研究的需求。

其次，位于MSN中-西部的Mandorlo剖面提供了一个相对未受干扰、连续且完整的地层序列，完美涵盖了整个Gelasian阶。该剖面不仅清晰保留了定义界线所需的物理标志（“Nicola层”）和关键的地磁倒转（高斯/松山界线）事件，还能实现高精度的天文轨道调谐。更重要的是，它保存了无可匹敌的、包含米兰科维奇轨道周期（偏心率、斜率、岁差）和亚轨道周期（~5-8 kyr）的多尺度古气候环境变化记录，这一特性即使在全球范围内也极为罕见。

因此，尽管MSN地区整体上仍是研究Piacenzian至Calabrian期的最佳区域，但具体到GSSP的载体，Mandorlo剖面相较于原始的“历史”剖面具有压倒性的优势。研究团队建议将Mandorlo剖面作为研究和表征Piacenzian/Gelasian界线及Gelasian地层的首选剖面，并认为其为未来在必要时重新定位Gelasian GSSP，同时保持全球地质年代表稳定性和提高界线精度的最佳候选。

这项研究的意义深远。它不仅是对一个关键地质“金钉子”的深度体检和优化升级，更是展示了现代地层学在跨学科、多指标、高分辨率研究范式下的强大能力。通过将精细的野外观察、高精度测年、古地磁、生物地层、地球化学和天文旋回地层学等手段相结合，科学家们能够“透视”数百万年前地层的连续性和完整性，从而确保全球地质时间标尺的精准与可靠。这项研究为未来评估和优化其他可能过时的GSSP提供了方法论范例，对于深化我们对上新世-更新世过渡期古气候动力学、北半球冰川作用起始过程以及地中海地区古海洋环境演化的理解，也具有重要的科学价值。