层状沉积物作为全新世南极沿海海洋学的档案：来自罗斯海埃迪斯托湾的证据

《Quaternary Science Reviews》：Laminated sediments as archives of Holocene Antarctic coastal oceanography: evidence from Edisto Inlet, Ross Sea

　　

菲奥伦扎·托里切拉（Fiorenza Torricella）|弗朗切斯卡·巴塔利亚（Francesca Battaglia）|卢西拉·卡波通迪（Lucilla Capotondi）|劳拉·德桑蒂斯（Laura De Santis）|罗伯塔·多诺弗里奥（Roberta D’Onofrio）|格里尔·吉尔默（Greer Gilmer）|帕特里齐亚·乔尔达诺（Patrizia Giordano）|大卫·哈伍德（David Harwood）|艾米·莱文特（Amy Leventer）|罗玛娜·梅利斯（Romana Melis）|达尼洛·莫雷利（Danilo Morelli）|克里斯蒂娜·里塞尔曼（Christina Riesselman）|奥利维亚·J·特鲁克斯（Olivia J. Truax）|埃娃·图齐（Eva Tuzzi）|埃斯特·科利扎（Ester Colizza）

意大利博洛尼亚国家研究委员会极地科学研究所（Institute of Polar Sciences, National Research Council, ISP - CNR）

摘要

南极沿海海湾的全新世沉积记录提供了关于过去冰-海洋相互作用和海洋生物生产力的独特信息。在这里，我们对来自罗斯海（Ross Sea）维多利亚地北部（Victoria Land）埃迪斯托湾（Edisto Inlet）的沉积岩芯BAY05-18c进行了多指标研究。该海湾保存了一个高分辨率的冰后期沉积序列。硅藻组合显示，自约11000年前以来，古海洋环境发生了显著变化。早期全新世的层状沉积层以高生产力为特征，主要由Chaetoceros resting孢子和Corethron pennatum主导，这表明了强烈的分层现象、较长的开阔水域季节以及来自冰川和海冰融化的营养物质供应增加。这种层状结构反映了冰川消退后的海湾环境，并与南极其他峡湾和海槽中的类似沉积层相类似。从约9700年前开始，大量生物扰动的硅藻泥沉积表明融水输入减少、海冰覆盖时间延长以及分层作用减弱。全新世中后期沉积组合表明气候持续寒冷，海冰持续时间延长，与其他南极沿海地区的记录形成对比。通过与区域数据的比较，发现埃迪斯托湾的海洋学特征受到罗斯冰架（Ross Ice Shelf）退缩历史和当地峡湾地貌的强烈影响，这些因素决定了层状硅藻沉积的形成和保存。这些结果强调了峡湾形态和淡水流动在调节南极初级生产力和碳输出中的作用，为理解当前冰川消退过程中的生态系统响应提供了参考。

引言

了解上一个冰期到冰消期之间的海洋学和气候变化对于增强我们对未来气候动态的理解至关重要。在上一个冰盛期（Last Glacial Maximum，LGM）之后，大约23000至19000年前，南极冰盖（AIS）开始从其最外缘大陆架边缘退缩（例如，Mackintosh等人，2014年；Prothro等人，2018年；Torricella等人，2021年；Siegert等人，2022年；Pambianco等人，2025年），并在晚全新世（Late Holocene）达到了当前位置（Venturelli等人，2020年；Neuhaus等人，2021年；Lowry等人，2024年）。在此期间，也称为上一个冰川过渡期（19000–11000年前），大气和海洋温度上升，促进了冰盖的退缩（例如，Cuffey等人，2016年）。然而，在沿海地区，冰川退缩在整个全新世期间都在进行（例如，Battaglia等人，2024年；Totten等人，2022年），表明其反应比更开阔的海洋环境滞后（例如，Pambianco等人，2025年）。

随着冰川融化，淡水流入海洋影响了南大洋的海洋生态系统和生物生产力（Denton等人，1991年；Pollard和DeConto，2009年；Schofield等人，2017年；Bronselaer等人，2018年；Brown等人，2019年）。这最初导致了初级生产力的增加，随后形成了硅藻沉积物，这种沉积物特征贯穿了全新世的沉积序列（Anderson等人，2009年，2014年；Smith等人，2019年；Prothro等人，2020年）。特别是在沿海海湾和峡湾中，硅藻沉积物积累尤为丰富，因为在冰川前进过程中，潮水冰川会暴露和侵蚀峡湾海底（例如，Griffith和Anderson，1989年；Domack和McClennen，1996年；Domack等人，1999年；Sjunneskog和Taylor，2002年；McMinn等人，2001年；Domack等人，2003年；Finocchiaro等人，2005年；Mosola和Anderson，2006年；Escutia和Brinkhuis，2014年；McGlannan等人，2017年；Mezgec等人，2017年；Tesi等人，2020年；Ashley等人，2021年；Crosta等人，2021年；Battaglia等人，2024年；Torricella等人，2024a；Truax等人，2024年；Gilmer等人，2025年）。这些环境为高分辨率重建全新世海洋学变化提供了独特的沉积记录（Tesi等人，2020年；Galli等人，2023年，2024年；Gilmer等人，2025年），并提供了将海洋记录与冰芯记录联系起来的机会（例如，Mezgec等人，2017年）。在这些区域，硅藻沉积物可能受到生物扰动（Torricella等人，2024a；Truax等人，2024年），或者形成弱层或强层（例如，Leventer等人，2002年，2006年；Maddison等人，2005年，2006年，2012年；Denis等人，2006年；Stickley等人，2005年；Alley等人，2018年；Finocchiaro等人，2005年；Tesi等人，2020年；Gilmer等人，2025年）。

在南极不同的峡湾中，层状硅藻沉积物覆盖在杂砂沉积层之上（图1a），包括帕尔默深湾（Palmer Deep，Pike等人，2001年；Maddison等人，2005年；Leventer等人，2006年）、冰山巷（Iceberg Alley，Leventer等人，2006年）、尼尔森盆地（Nielsen Basin，Leventer等人，2006年）、斯文纳海峡（Svenner Channel，Leventer等人，2006年）、安维尔-雨果海槽（Anvers-Hugo Trough，Roseby等人，2022年）、埃迪斯托湾（Edisto Inlet，Finocchiaro等人，2005年；Battaglia等人，2024年）和阿德利漂流区（Adelie Drift，Escutia等人，2011年）（图1a）。这些层状沉积物以高含量的硅藻、生物硅和有机碳为特征，表明了高初级生产力（Finocchiaro等人，2005年；Leventer等人，2006年；Roseby等人，2022年）。这些沉积物的起源尚未完全明了；然而，最普遍的假设认为它们形成于冰川退缩期间形成的湾内凹陷处（Leventer等人，2006年）。了解冰川退缩期间以及整个全新世期间驱动高生产力和沉积作用的因素对于重建冰川退缩、营养供应和生态系统响应之间的反馈机制至关重要。最近在西南极半岛（Western Antarctic Peninsula，WAP）的发现表明，冰川融水通过提供微量营养元素（尤其是铁）和促进水柱分层来促进浮游植物的生长（Pan等人，2025年）。然而，这种施肥效应可能是暂时的，与冰川羽流释放的持续时间有关。随着融水排放加剧，系统可能会经历“北极化”过程，这一现象已在波特湾（Potter Cove，金乔治岛）观察到，那里潮水冰川的退缩导致富含沉积物的融水输入，减少了光照可用性并抑制了浮游植物的生产力（Pan等人，2025年）。随着冰下融化加速，这种现象在南极沿海海湾可能变得更加普遍（Smith等人，1999年）。研究全新世层状沉积物，特别是在像埃迪斯托湾这样的封闭环境中，有助于了解这些环境之前对冰川融化的响应，并有助于预测未来冰冻圈变化下的生物地球化学和生态动态变化。

尽管有许多研究关注这一时期，但罗斯海西部维多利亚地海岸（Victoria Land Coast，VLC）的沿海区域仍较少被研究。特别值得关注的是埃迪斯托湾，这是一个位于哈莱特角（Cape Hallett）后面的受保护峡湾盆地（图1b），那里积累了超高分辨率的全新世沉积序列（Battaglia等人，2024年）。在这里，冰川沉积以陆源物质为主，而在冰川退缩期间，层状沉积层覆盖在杂砂沉积层之上（Finocchiaro等人，2005年；Battaglia等人，2024年）。然而，关于全新世海洋学变化的详细重建，特别是关于层状沉积物形成的过程仍然有限。最近，在同一地区，Tesi等人（2020年）研究了弱层状的硅藻沉积物，其特征是白色硅藻层的沉积及其海洋学背景。这些白色层由混合硅藻组合组成，其中Corethron pennatum占主导地位，占总生物量的90%（Tesi等人，2020年；Torricella等人，2026年）；这些层状结构与Gilmer等人（2025年）在相邻的穆布雷湾（Moubray Bay）记录的非常相似。

在这项研究中，我们旨在探讨埃迪斯托湾浮游植物生产力增强的海洋学驱动因素，以及由此导致的层状硅藻沉积物的沉积。此外，我们还研究了同一地区全新世生物扰动或弱层状硅藻泥中的海洋学变化。特别关注冰后期南极地区的层状生物沉积物，以阐明控制其形成的过程并完善其古环境解释。这项工作有助于更好地理解沿海地区，特别是受限的海湾和峡湾，如何记录过去冰川融化和海洋学变化的影响，为未来全球继续冰川消退时的变化提供关键见解。

章节片段

研究区域

埃迪斯托湾（Edisto Inlet）是一个狭窄而狭长的峡湾，长约16公里，宽约4公里，位于维多利亚地北部海岸（罗斯海西部）的哈莱特角（Cape Hallett）和克里斯蒂角（Cape Christie）之间（图1）。峡湾的深度从入口处的约300米到最内部的近700米不等。该峡湾由四条海洋冰川排水，分别是曼霍尔冰川（Manhaul Glacier）、阿内布冰川（Arneb Glacier）、埃迪斯托冰川（Edisto Glacier）和无名冰川（Nonamed Glacier）（图1）。根据海底地貌，该海湾...

材料与方法

重力岩芯BAY05-18c（以下简称岩芯18c）于2005年澳大利亚夏季在R/V Italica号船上采集，作为PNRA04_4/4.10 BAY项目的一部分。岩芯18c长度为419厘米，取自埃迪斯托湾的中心区域（图1）。岩芯18c包含三种不同的沉积相：（i）富含砾石的冰海沉积物（GDF），可追溯到11000年前；（ii）强层状沉积相（SL-sf）；以及（iii）...

年龄模型

我们根据Battaglia等人（2024年）的首次报告，使用Marine20放射性碳校准曲线（Heaton等人，2020年，2023年）为岩芯18c构建了一个修订后的年龄模型，该曲线考虑了全球储库年龄的变化（约600年，R(t)）。采用了1578±26年的区域储库校正（ΔR_AIOC）作为当地储库效应和残余碎屑碳（DC）污染的最稳健估计值，基于岩芯上部的三个放射性碳测年结果

结果

强层状沉积相（SL–sf 350-280厘米，9.8-9.7千年前，图2，详细信息见Battaglia等人，2024年）由交替的浅色和深色层组成，层厚从0.5厘米到2厘米不等（图2）；这里的绝对硅藻丰度（ADA）范围为157至534×10⁷ nv/gds，生物硅含量在岩芯中达到最高值（图2，图3）。对不同层的初步定性分析显示了两种不同的硅藻类型

讨论

讨论分为两个主要部分。第一部分探讨了从冰消期到全新世的古海洋学演变，这是通过硅藻组合重建的。第二部分研究了层状沉积相的出现及其沉积所受的环境因素。

结论

所研究的沉积岩芯与其他南极沿海记录的比较突显了冰海环境中生物生产力和层状沉积物形成之间的紧密耦合。在这些环境中，生产力和层理结构受到冰川动态、淡水排放和海洋分层作用的强烈影响。

埃迪斯托湾中直接覆盖在冰海杂砂沉积层之上的富硅藻层状单元——以及其他南极地区类似记录的...

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们想感谢Italica号研究船的船长和全体船员，以及PNRA对PNRA04_4/4.10 BAY项目的资助（项目负责人：F. Finocchiaro）。