对底流对钙质纳米化石组合影响的研究及其对早更新世时期地中海海水流出重建的启示

《Marine Geology》：An evaluation of effects of bottom currents in calcareous nannofossils assemblages and implications for Mediterranean outflow reconstructions during the Early Pliocene

　　劳拉·马丁-加西亚 | 弗朗西斯科·J·希门尼斯-埃斯佩霍 | 弗朗西斯科·J·罗德里格斯-托瓦尔 | M·安赫莱斯·巴塞纳 | 巴巴拉·巴莱斯特拉 | 约瑟-阿贝尔·弗洛雷斯
萨拉曼卡大学地质系，西班牙萨拉曼卡

**摘要**
钙质纳米化石是海洋化石记录中丰富的生物成因碳酸盐颗粒，在古海洋学研究中发挥着关键作用。尽管如此，钙质纳米化石在分析等深流沉积物方面的潜力却未受到足够重视。此前人们认为，由等深流引起的埋藏学变化严重阻碍了利用纳米化石组合作为可靠古环境指标的可能性。在本研究中，我们探讨了钙质纳米化石作为沉积体如何响应等深流活动，并评估了它们在加的斯湾等深流沉积系统中的古环境指示作用。为此，我们采用了多重代理方法，将绝对纳米化石丰度与Zr/Al比值（表示底流强度的指标）及遗迹学数据相结合，以约束海底沉积过程。此外，还比较了相对纳米化石丰度与硅藻和植物印痕记录，以表征上层水体条件。加的斯湾被视为理解等深流动力学的天然实验室。我们分析了IODP 339考察孔U1387C中的样本，这些样本属于早更新世时期。我们观察到，在Zr/Al比值峰值期间，绝对纳米化石丰度出现突然下降，这与地中海流出水的强烈影响有关。然而，研究结果表明，这种现象均匀地影响整个纳米化石组合，无论其大小如何。因此，即使在强烈的底流条件下，相对丰度仍保持不变，从而可靠地保存了原始的古环境信息。本研究还 erm?glichte die Rekonstruktion der Dynamik des Mittelmeerischen Ausflusswassers im Golf von Cádiz w?hrend des frühen Plioz?ns.

**1. 引言**
已广泛证明，底流活动会影响沉积记录，并导致微化石组合的埋藏学变化（Rebesco等人，2021年）。这些变化进而影响海底沉积颗粒，进而影响从烯酮类化合物（Ohkouchi等人，2002年）到元素地球化学（例如Jiménez-Espejo等人，2008年；de Castro等人，2021年；Mesa-Fernández等人，2022年）等一系列代理指标。一个典型的例子是钡，这种元素通常被用作生产力指标（Martinez-Ruiz等人，2020年），因为它在中层水域以重晶石的形式沉积，与有机物的降解过程相关。然而，当沉积物受到底流影响时，高密度的钡会优先积累，反而成为底流强度的指标（Bahr等人，2014年）。这些因素限制了钙质纳米化石作为古环境指标在20世纪初用于研究等深流沉积物的使用（Keigwin和Schlegel，2002年）。钙质纳米化石是多种海洋浮游生物群体的钙质化石遗骸，主要属于颗石藻（Molina，2004年）。它们是海洋中最主要的初级生产者，对表层水的物理化学变化（如温度、盐度、营养物质可用性和浊度）非常敏感，是重要的古气候指标（Flores等人，2005年；Flores，2025年；Mancini等人，2020年；Mancini等人，2023年）。其最显著的特征是它们在细胞周围形成CaCO3板层（颗石），当这些生物死亡后，颗石会沉降至海底，成为地质记录的一部分（Ziveri等人，2025年）。作为粒度在2至10微米之间的细粒沉积体，它们以钙质泥的形式沉积在海底。然而，相对较强的底流动力学会导致沉积物重新悬浮，从而产生颗粒的粒度分选现象——较细的颗粒（如钙质纳米化石、粘土、淤泥等）被移除，而较大的颗粒则被优先积累（McCave等人，1995年）。由于体积小，预计钙质纳米化石会受到显著影响。以往的研究仅考虑了再沉积标本在这种情况下的作用（例如，中生代和古近纪时期从加的斯湾泥火山中 transportierten 纳米化石，并通过底流活动分散；Ferreira等人，2008年）。此外，古海洋学中的一个关键挑战是理解等深流如何忠实地保存古环境信息（de Castro等人，2021年）。关于颗石组合对底流强度变化的响应仍了解不足，这限制了我们评估钙质纳米化石作为古环境指标的可靠性，不仅限于等深流系统，也适用于受强烈底流影响的沉积物。为了解决这个问题，我们选择了加的斯湾的样本。该地区因位于地中海和大西洋的交汇处而成为理解底流动力学的天然实验室（Hernández-Molina等人，2003年）。这一独特的环境使其成为研究过去和当前海洋动力学的关键区域，因此已成为众多科学研究的对象（例如Stow等人，2013年；Hernández-Molina等人，2014a；Hernández等人，2015年；Hodell等人，2016年；Garcia-Castellanos等人，2020年；Sierro等人，2020年；Ng等人，2022年；Maiorano等人，2023年）。地中海流出水（MOW）在这种海洋交换中起着至关重要的作用，这是一种温暖、高密度且盐度高的底层/中层水流，通过直布罗陀海峡进入大西洋（Rogerson等人，2012年；Mason等人，2023年）。加的斯湾等深流沉积系统（CDS）（Hernández-Molina等人，2003年；Hernández-Molina等人，2008年）保存了从墨西拿盐度危机（MSC）至今的独特沉积记录（Hernández-Molina等人，2013年）。MOW形成于早更新世时期，这一时期有等深流沉积物，并且与北大西洋暖流有明显的相互作用（Hernández-Molina等人，2014b），尽管一些作者在墨西拿时期也发现了MOW存在的证据（Van den Berg等人，2015年；Pérez-Asensio等人，2012年）。因此，我们选择了这一过渡时期，此时该地点开始受到这种底流的影响。

因此，我们结合了详细的微古生物学研究、地球化学和遗迹学分析，以评估钙质纳米化石在强底流条件下的沉积学作用，明确其在这一背景下的古气候指示潜力，并重建更新世时期的MOW动态。微古生物学、地球化学和遗迹学技术的整合已被证明有助于重建底流变化（Bahr等人，2014年；Rodríguez-Tovar和Hernández-Molina，2018年）。

**2. 研究区域**
**2.1. 海洋环境**
目前加的斯湾观察到的海洋动态主要受直布罗陀海峡两侧地中海和大西洋之间的水交换影响。在地中海，温暖的高盐度海水下沉，形成了MOW（Bryden和Stommel，1984年）。MOW是加的斯湾最重要和最具特色的海洋流，自5百万年前以来一直影响着该地区的海洋和沉积动态（Hernández-Molina等人，2013年）。这一流不仅在局部层面重要，而且由于其高盐度，在全球海洋环流中也起着重要作用（Rogerson等人，2012年）。MOW在深层输送密集水体，支持北大西洋翻转环流（AMOC）的运行，进而对北大西洋表面温度产生重要影响（Reid，1979年）。如果MOW消失，AMOC的强度将下降15%，北大西洋表面温度将下降1°C（Rogerson等人，2012年）。此外，它是一种高速度的底流，与加的斯湾的海底沉积物积极相互作用（Kenyon和Belderson，1973年），作用深度在400至1800米之间（Nelson等人，1993年），从而形成了CDS。该流通过直布罗陀海峡时的平均速度为150厘米/秒，但在加的斯湾沿岸的圣维森特角附近可达到高达300厘米/秒的瞬时速度（Gasser等人，2017年；Sánchez-Leal等人，2017年）。MOW在加的斯湾的垂直位置随时间变化（Llave等人，2006年；Rogerson等人，2012年；Hernández-Molina等人，2014b；Sierro等人，2020年），这是由于构造、冰川盐度变化（Ng等人，2022年）和密度变化（Kaboth等人，2016年）所致。MOW在加的斯湾的路径受到大陆坡地形（Ng等人，2021年）和地壳上升脊（Hernández-Molina等人，2016年）的影响。在大西洋中，MOW被较冷且盐度较低的表层水流（AW）所抵消（Vargas-Yá?ez等人，2002年）。

**2.2. 沉积环境**
该地区拥有最广阔的CDS系统之一。该系统起源于更新世和第四纪时期，延伸至加的斯湾和伊比利亚西部边缘（例如Hernández-Molina等人，2012年；Hernández-Molina等人，2014a；Hernández等人，2015年；Brackenridge等人，2013年；Ng等人，2021年；Ng等人，2022年）。CDS中运输和沉积的沉积物中有很大一部分来源于瓜达尔基维尔河和瓜迪亚纳河的河流排放。实际上，这些河流的排放显著影响了该地区的沉积物积累，成为主要的沉积物来源，随后被MOW重新加工和重新分布（Mulder等人，2006年）。
在这一区域，沉积物受到等深流的影响，从而成为深海洋环流强度变化的宝贵记录。传统上，大陆边缘的沉积系统主要与浊积岩相关，后者是由重力物质运输过程在深水层形成的（Shanmugam，2019年）。然而，已知底流与这些大陆边缘的海底有显著的交互作用（Hernández-Molina等人，2003年）。这些底流表现为半永久性的水体流动，能够侵蚀、运输并在不同海底环境中沉积多种粒度的沉积物（Rebesco等人，2014年）。直到晚墨西拿纪，加的斯湾的沉积物反映了由于蜿蜒的海底通道横向迁移而形成的浊积系统的发展，且不受等深流的影响（Riaza和del Olmo，1996年；Hernández-Molina等人，2016年）。从晚托尔蒂尼亚纪到早墨西拿纪期间，浊积沉积经历了两个阶段，其间被加的斯湾外来岩体的侵入打断（Medialdea等人，2004年；Ng等人，2022年）。随后，在晚中新世，随着前陆盆地的初步填充，瓜达尔基维尔河 transported 的砂质浊积岩与MSC期间海洋通道的最大限制同时沉积（Ng等人，2022年；Agiadi等人，2024年）。
关于MOW ??和增强的时间线存在争议。一些研究认为，即使在MSC之前，该流就已经活跃，因为在加的斯湾外来岩体侵入后不久，西伊比利亚边缘就发现了早期等深流沉积物（Van der Schee等人，2016年；Ng等人，2021年）。相反，其他研究认为其活动较为有限，推测MOW在早更新世开始显著增强，并在4.5至3.5百万年前确立（Hernández-Molina等人，2014a；Hernández-Molina等人，2014b）。根据这一观点，MOW的现代强度大约在210万年前才形成。此时，当前的洋流开始与北大西洋流（North Atlantic Current）进行特征性的相互作用（Hernández-Molina等人，2014b）。3. 材料与方法3.1. 地点位置和沉积物组成研究的沉积物样本是在IODP（综合海洋发现计划）第339次勘探期间采集的，地点位于加的斯湾，Drift灯塔东南方向（36°48.3210′N，7°43.1321′W），钻探孔号为U1387C。钻探深度为559米（Expedition 339 Scientists，2012，Expedition 339 Scientists，2013），记录了早更新世、上新世和上中新世的沉积物。本研究主要关注早上新世时期的沉积物，范围从541.7米海床下（mbsf）（岩芯28）到769.83米海床下（岩芯52）。这些沉积物主要由半深海沉积物（hemipelagites）、砂质半深海沉积物、层状沉积物（contourites）以及含有生物碳的粉砂组成。某些层中还含有硅藻、硅鞭毛虫和植石（phytoliths）。从339-1387C-44×到339-1387C-48×的层中，沉积物回收量很少，主要由中粒砂岩组成，几乎没有半深海沉积物。这些材料还显示出一些与仪器操作相关的改变（Expedition 339 Scientists，2012，Expedition 339 Scientists，2013）。3.2. 碳酸盐纳米化石样本的制备与分析我们选取了70个样本进行微古生物学研究，制备方法遵循Flores和Sierro（1997）的标准。碳酸盐纳米化石的鉴定和计数是在Nikon eclipse 80i岩石显微镜下放大1000倍的情况下进行的。每个样本中计数了500个碳酸盐纳米化石，每个视野中的计数次数不一。每样本计数500个标本可以保证检测到占该组合比例≥1%的物种的99%的确定性（Dennison和Hay，1967）。随后，对于每个视野中最初数量少于4个个体的分类单元，我们继续进行计数，直到记录到4个个体或完成40个视野的计数。这样可以更准确地反映占总数量比例小于1%的物种。碳酸盐纳米化石组合的组成通过绝对丰度和相对丰度进行量化。绝对丰度（每克干沉积物中的标本数量）的计算方法遵循Flores和Sierro（1997）的标准。相对丰度则表示为各物种占总组合的百分比。3.3. 硅质微化石样本的制备与分析共分析了52个样本，使用Leica DMLB显微镜放大1000倍来计数硅藻和植石。硅藻是一种单细胞的底栖和浮游藻类，能产生外部硅质壳，广泛存在于海洋和大陆环境中。而植石则是来源于维管植物表皮细胞的硅质颗粒，主要通过风力和河流运输进入海洋（Bárcena等人，2004）。对于硅质微化石的分析，样本的制备方法按照Bárcena和Abrantes（1998）所述的随机分布微化石方法进行。使用Schrader（1978）的技术来计数硅藻壳和植石。由于大多数样本中每克干沉积物中的硅藻数量较少，需要在计数的数量与所需时间之间取得平衡，但在可能的情况下，计数的硅藻壳数量大约为100个。3.4. 碳酸盐纳米化石记录网孔形颗石（Reticulofenestra coccoliths）无法可靠地鉴定到物种水平，因此在这里根据大小将其分类为不同的形态类型（图2）（Young，1990；Flores等人，1992；Kameo和Takayama，1999）。它们被分为小于3微米的形态类型，主要由Reticulofenestra minuta组成；3至5微米的形态类型（主要是R. producta、R. haqii和R. minutula）；5至7微米的Reticulofenestra，全部归类为R. pseudoumbilicus；以及大于7微米的R. pseudoumbilicus标本。对于碳酸盐纳米化石的研究，这种分类具有重要的古生态学和生物地层学意义（Raffi和Rio，1979；Backman和Shackleton，1983；Young，1990；Mancini等人，2021）。这种区分至关重要，因为小于5微米的Reticulofenestra标本通常在组合中占主导地位，并被认为是富营养化表层水域的特征物种（Gartner等人，1987；Gartner，1988；Takahashi和Okada，2000；Flores等人，2000；Colmenero-Hidalgo等人，2004；Auer等人，2014；Mancini等人，2021；Maiorano等人，2023）。此外，还将大于和小于5微米的纳米化石区分开来，以测试任何可能的尺寸依赖性选矿过程。下载：下载高分辨率图像（220KB）下载：下载全尺寸图像图2. 按大小分组的Reticulofenesta物种的交叉偏振显微镜图像。Discoster和Sphenolithus是温暖且营养贫瘠的表层水体的特征物种（Haq和Lohmann，1976；Castradori，1998；Lohmann和Carlson，1981；Flores和Sierro，1987；Chestow-Lusty等人，1992；Flores等人，1995，Flores等人，2005；Vázquez等人，2000）。Coccolithus pelagicus用于近似表层水温度的变化，因为它特征性地出现在冷水表层水域（Roth，1994；Bollmann，1997；Flores等人，1999；Findlay和Flores，2000）。Reticulofenestra < 5微米（富营养化表层水体）的总百分比与Discoaster spp.和Sphenolithus spp.（低营养化表层水体）的总百分比之比，在本研究中被称为富营养化/贫营养化指数，可以用作生产力的主要指标（Flores等人，2000）。3.5. 元素地球化学元素地球化学成分是通过不来梅大学MARUM的X-Ray Fluorescence core scanner II（AVAATECH序列号2）测量的。使用的探测器是Canberra X-PIPS Silicon Drift Detector（SDD；型号SXD 15C-150-500），具有150 eV的X射线分辨率，采用的探测器是Canberra Digital Spectrum DAS 1000。在研究的岩芯段落中，每3厘米间隔采集一次数据，覆盖面积为1.2平方厘米，使用10 kV、30 kV和50 kV的X射线发生器，电流分别为0.2 mA、1.0 mA和1.0 mA。数据直接采集在岩芯表面，之前覆盖了SPEXCerti Prep Ultralene1箔片以防污染。XRF扫描能够以相对高效且非破坏性的方式提供轻元素（Al）和重元素（Ba）的原子量的半定量估计（Jansen等人，1998；Richter等人，2006）。颗粒较粗的层往往会给XRF扫描带来问题，因为该技术对孔隙率和密度变化敏感（Lyle等人，2012）。层状沉积物经常表现出孔隙率和粒度的变化，这可能会影响XRF扫描的元素测量结果。为了减轻这些影响，我们通过将原始总计数除以其他元素的总量来进行归一化（Bahr等人，2014）。3.6. 地层遗迹学地层遗迹学分析在地层遗迹学研究中起着关键作用，因为它能够提供关于古环境条件和沉积过程的详细信息（Rodríguez-Tovar和Dorador，2014；Rodríguez-Tovar和Hernández-Molina，2018；Rodríguez-Tovar等人，2022）。在进行地层遗迹学分析之前，对研究岩芯进行了处理，以提高生物变形结构和离散遗迹化石的可见度，从而便于地层遗迹特征的识别和分类。后来采用了Dorador等人（2014）提出的高分辨率图像处理方法，该方法基于对某些图像参数的修改，特别适用于现代海洋沉积物岩芯的研究（Dorador和Rodríguez-Tovar，2014；Dorador等人，2014，Dorador等人，2019；Casanova-Arenillas等人，2020）。图像处理后，进行了详细的地层遗迹学分析，主要关注地层遗迹的基础特征（Bertling等人，2022），如整体形状、方向、装饰、内部结构和壁结构，并考虑了井岩芯上的遗迹化石特征（Knaust，2017）。特别关注了填充材料，以区分被动填充（填充物通过重力进入洞穴）和主动填充（由洞穴生物填充）（Buatois和Mángano，2011）。还表征了交叉切割关系、相对丰度和生物扰动程度，后者使用Reineck（1963）提出的生物扰动指数（BI）（图3），后来由Taylor和Goldring（1993）进行了修订。这种半定量方法分为0级（无生物扰动）到6级（完全生物扰动）七个等级。下载：下载高分辨率图像（557KB）下载：下载全尺寸图像图3. 来自IODP 339 Site 1387C的层状沉积物示例，展示了特征性的地层遗迹相及其对应的生物扰动指数（BI）。（图像来自https://web.iodp.tamu.edu/）。3.7. 统计分析为了识别和解释影响沉积物地球化学成分的主要因素，使用了Paleontological Statistics软件包Past 4（版本4.17）进行了主成分分析（PCA）（Hammer等人，2001）。在PCA之前，数据集经过了预处理，包括归一化以及计算每个元素的均值和标准差，方法遵循Davis（1986）的描述。PCA仅使用了分析可靠性高的元素。3.8. 年龄模型所使用的年龄模型（图4）来自Van der Schee等人（2016），基于地震相关性、浮游有孔虫和碳酸盐纳米化石以及磁性地层学数据。需要注意的是，由于存在层状沉积物，无法开发出高分辨率的年龄模型（Van der Schee等人，2016）。年龄模型的低分辨率以及由此产生的沉积速率和沉积物稀释的不确定性是本研究的主要限制。然而，这些因素并不会对我们的解释产生显著影响，因为微古生物学分析并没有在高分辨率下进行。研究中识别出的生物地层学事件见表1。Globorotalia menardii的侵入事件发生在5.07百万年前，位于560.43米海床下（Expedition 339 Scientists，2013）。G. puncticulata的最高出现频率（HO）发生在630.82米海床下（Expedition 339 Scientists，2013）。Discoaster asymmetricus的最低共同出现频率（LCO）发生在582.01米海床下（390万年前）。最后，G. margaritae的最低出现频率（LO）发生在560.4米海床下（Expedition 339 Scientists，2013）。下载：下载高分辨率图像（137KB）下载：下载全尺寸图像图4. 基于磁性地层学和生物地层学数据的U1387孔的年代地层学。HO = 最高出现频率，LO = 最低出现频率，LCO = 最低共同出现频率。（修改自Van der Schee等人，2016）。表1. 本研究中使用的浮游有孔虫和碳酸盐纳米化石生物地层学事件及其在IODP Hole U1387C的位置（米海床下，mbsf）（Expedition 339 Scientists，2012）。HO = 最高出现频率，LO = 最低出现频率，LCO = 最低共同出现频率。U1387C平均深度（米海床下）年龄（百万年）数据来源560.43.85LO Globorotalia margaritaeLourens等人（2004）582.013.9LCO Discoaster asymmetricus该研究630.824.52HO Globorotalia puncticulataLourens等人（2004）751.855.55, 5.51, 5.31Globorotalia menardii的侵入事件Expedition 339 Scientists，20134. 结果4.1. 碳酸盐纳米化石组合通过Flores和Marino（2002）提供的尺度对碳酸盐纳米化石的保存状况进行了视觉观察，结果显示保存情况介于中等至良好之间。尽管一些分类单元的中心区域有部分溶解现象，但仍能进行正确的鉴定。例如，非常容易溶解的Phontosphaera multipora、P. discopora和P. japonica（Gibbs等人，2004；Mancini等人，2023）在大多数样本中都有发现。根据Young和Bown（1997a）、Young和Bown（1997b）以及Young等人（2003）的分类标准，共鉴定出29种不同的碳酸盐纳米化石。碳酸盐纳米化石组合主要由Reticulofenestra属物种组成，其中Reticulofenestra < 3微米的物种占组合的70.4%，是所有样本中的主导分类单元。其余的Reticulofenestra物种数量较少。大小在3-5微米之间的Reticulofenestra占6.6%。其他物种如Calcidiscus spp.、Coccolithus pelagicus（大于5微米）和Reticulofenestra pseudoumbilicus（大小在5至7微米之间）占碳酸盐纳米化石组合的3%。Helicosphaera carteri（大小为5–7微米）和Reticulofenestra > 7微米占1.5%。其余物种，包括Sphenolithus、Discoaster、Phontosphaera、Rhabdosphaera、Syracosphaera、Calciosolenia、Amaurolithus和Ceratolithus（均大于5微米）的相对丰度均低于1%。每克沉积物中的碳酸盐纳米化石总数如图5a和图6a所示。图5b显示了小于5微米的碳酸盐纳米化石的绝对丰度，图5c显示了大于5微米的碳酸盐纳米化石的绝对丰度。在总碳酸盐纳米化石丰度（每克沉积物）以及<5微米和>5微米部分的丰度方面观察到几乎相同的模式。所有碳酸盐纳米化石的绝对丰度在整个研究期间表现出突然且广泛的变化，这种模式与大小和物种无关。下载：下载高分辨率图像（257KB）下载：下载全尺寸图像图5.沉积记录中的钙质纳米化石含量：a) 每克沉积物中钙质纳米化石的总数；b) 每克沉积物中小于5μm的钙质纳米化石的总数；c) 小于5μm的钙质纳米化石与大于5μm的钙质纳米化石的比例的对数；d) 每克沉积物中大于5μm的钙质纳米化石的总数。大于5μm的钙质纳米化石的绝对丰度被表示为比小于5μm的形态类型低一个数量级。下载：下载高分辨率图像（411KB）下载：下载全尺寸图像

图6. 钙质纳米化石记录、地球化学成分分析和统计标志。红色阴影区域表示强烈的底流活动，浅棕色阴影区域表示底流较弱，白色阴影区域表示研究区域内底流活动的缺失。I、II和III代表截断的等深层沉积序列，C2、C3和C4代表根据Stow & Faugères (2008)的命名法识别出的等深层沉积序列。a) 每克沉积物中钙质纳米化石的总数；b) Zr/Al比率，即底流强度的代理指标；c) 每克沉积物中重新分选的钙质纳米化石的总数；d) Cocolithus pelagicus（冷水表面物种）的比例。（关于图例中颜色参考的解释，请参阅本文的网络版本。）

小于5μm的Reticulofenestra相对丰度（图7a）在研究的核心区域显示出83%至91%的显著峰值（图7a中用绿色阴影标出），而之前描述的绝对丰度中的急剧最低值区间并未出现。然而，在这些区间内，C. pelagicus的相对丰度似乎有所增加（图6d）。图7b显示了富营养化/寡营养化指数，也呈现出明显的峰值，其中最显著的峰值出现在559.13 m CSF-A处。

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图7. 沉积记录中钙质纳米化石含量的古环境特征。绿色阴影区域表示特别富营养化的时期。a) 具有表层富营养化（高营养物质可用性）特征的钙质纳米化石物种的比例；b) 富营养化/寡营养化指数；c) 总硅藻壳的对数表示（红色表示的丰度在左侧红色轴上的数量级高于黄色表示的丰度）；d) 每克沉积物中植石的总数。（关于图例中颜色参考的解释，请参阅本文的网络版本。）

4.2. 硅藻和植石
在研究的52个样本中，只有9个含有硅藻，主要分布在559.13至553.9 m的区间内，该区间内的最大丰度值为9.33 × 10^6个壳/克干燥沉积物（图7c）。这个值比记录中的最低值（3.13 × 10^4个壳/克，666.01 m CSF-A）高出两个数量级。Thalassionema nitzschioides是优势物种（23–38%），其次是Chaetoceros RS，其丰度也在18%至28%之间。其他物种如Hemidiscus cuneiformis、Azpeitia sp.、Aptinoptychus sp.、Coscinodiscus cf. radiatus和Coscinodiscus spp.也存在，但数量较少。

总体而言，植石与硅藻出现在相同的样本中。最大值（2.83 × 10^5个植石/克干燥沉积物）也与硅藻出现在相同的区间内（图7d）。

硅藻壳和植石的存在与富营养化/寡营养化指数中的最大值以及小于5μm的Reticulofenestra的相对丰度（图7中用绿色阴影标出）同时出现。此外，硅藻中的大数量级最大值也与富营养化/寡营养化指数中最显著的峰值同时发生。

4.3. 地渍化石组合
通过研究的岩芯，地渍化石组合较为多样且丰富，以Chondrites和Planolites为主，Thalassinoides较为常见，Palaeophycus较为罕见，偶尔还有Ophiomorpha、Rhyzocorallium和Zoophycos（图3）。某些区间由于生物变形结构的存在而具有斑驳的质地，这些结构轮廓不清晰且没有明确的几何形态（Uchman和Wetzel, 2011；Wetzel和Uchman, 2012；Rodríguez-Tovar和Dorador, 2014）。生物扰动指数变化范围从0（无生物扰动，如具有原始层理的层位）到4（高生物扰动）（图3）。离散的痕迹被粗粒和细粒物质填充。

4.4. 元素地球化学
在地球化学数据的PCA分析中，PC1解释了69.68%的方差（表2），显示Al、Si、K、Ti、Fe、Rb和Zr的负荷值为正（图8a），而Ca和Sr的负荷值为负。PC2解释了10.9%的方差，主要由Zr和Si主导，Ca、Ti和Sr的负荷值为正但较低，Rb接近于0（图8b），而Al、K和Fe的负荷值为负。类似的PC2分布已与等深层沉积相关联（Bahr等人，2014；de Castro等人，2021）（详见讨论部分）。

表2. U1387C站点的主成分分析
特征值%方差
16.27 44
96.98 52
0.98 25
91.01 3

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图8. 541.7 mbsf至769.83 msbf区间U1387C沉积物的PC1和PC2负荷值

5. 讨论
5.1. 等深层环境中钙质纳米化石的流体动力学行为
当海底受到强烈等深流的影响时，沉积物通常会发生再悬浮、颗粒分选，最细小的颗粒会优先受到侵蚀（McCave和Hall, 2006）。这种称为“筛选”的机制是一种流体动力学分选过程，以前被认为对于黏聚性泥质沉积物来说重要性较低（Winterwerp和Van Kesteren, 2004；McCave和Hall, 2006；Schaaff等人, 2006）。只有大于10μm的颗粒用于流动重建（McCave和Hall, 2006；McCave, 2018）。可分选的淤泥（10–63 μm）被用作流动速度的合适指标，因为这些颗粒更有可能单独沉降，主要受其沉降速度控制，不会形成聚集体（McCave等人, 2017）。Zr也被广泛用作底流强度的指标，它主要代表重矿物（如锆石）由于重力分选和筛选作用而积累。其积累表明在底流活动的影响下发生了再分选和筛选（Giresse, 2008；Bahr等人, 2014；de Castro等人, 2021）。Zr/Al比率表示在快速流动下重矿物（锆石）相对于密度较低的铝硅酸盐的相对富集程度。它是半定量评估流速的有用指标（Bahr等人, 2014）。然而，构成聚集体的颗粒，无论其大小如何，都是共同运输的，因此整个聚集体的行为决定了它的移动方式，而不是每个颗粒的单独属性（McCave和Hall, 2006）。因此，在筛选过程中不会发生颗粒选择性分选。因此，不能从黏聚性沉积物的粒径分布属性中可靠地推断出流体动力学特性，因为这些颗粒的行为取决于它们形成的聚集体的大小（Winterwerp和Van Kesteren, 2004；Schaaff等人, 2006）。

钙质纳米化石是粒度通常在2至10μm之间的沉积实体，也与黏土矿物相似（Wentworth, 1922）。小于10μm的颗粒表现出黏聚性行为，因为黏土矿物具有电荷不平衡（Weaver, 1989），在这一尺寸以下，黏聚力超过了颗粒的重力和流体动力作用力（Dade, 1993），使它们能够相互粘附并形成聚集体（Russel, 1980）。通过这一过程，黏土矿物在水柱中发生絮凝，将钙质纳米浮游生物纳入形成的聚集体中。这增加了它们的密度以及它们向海洋底部的沉降速率（McCave, 2018）。钙质纳米化石还通过海洋浮游动物的粪便颗粒沉积在海底。这些颗粒包含保存完好的球石、有机物、硅藻壳片段、黏土、石英、长石、有孔虫和小翼足类贝壳，属于小于63μm的粒径范围（Honjo, 1976, Honjo, 1997）。作为最大的优势颗粒之一，粪便颗粒显著促进了向深海的物质通量（de La Rocha和Passow, 2014）。在超过3500米的深度观察发现，这些颗粒完好无损地到达底界面层，这提供了一种防止溶解的关键机制。这种快速传输得到了在碳酸盐不饱和的太平洋水域沉积物中发现的保存完好的粪便颗粒的支持（Pilskaln和Honjo, 1987）。然而，颗粒沉积并非纯粹的垂直过程，因为它通常由深度等深流驱动的水平平流所主导（Gao等人, 2020）。一旦到达沉积物-水体界面，颗粒很快就被底栖食腐生物消耗掉，这些生物随后将钙质纳米化石从聚集体中释放出来（Honjo, 1997）。

在研究地点，我们观察到图6b中的Zr/Al比率所代表的最大流速强度与每克沉积物中钙质纳米化石的总数（图6中的红色条形图）之间存在反比关系。这与先前的研究结果一致，这些研究表明当底流增强时黏土组分会减少（de Castro等人, 2021）。钙质纳米化石的总体丰度低表明颗粒运输增加，反映了等深流增强的区间。图5c使用它们的对数比率说明了小（< 5μm）和大（> 5μm）钙质纳米化石之间一致的低比例变化。这一信号表明该机制以相同的方式影响整个组合。因此，尽管强烈的底流可能影响钙质纳米化石的绝对丰度，但组成组合的物种的相对丰度似乎没有改变。这解决了古气候研究中的一个已知挑战：如果组合没有以绝对形式保存，等深流活动可能会掩盖原始的古气候信号（Keigwin和Schlegel, 2002）。我们的数据强烈支持这一观点，表明虽然钙质纳米化石的绝对丰度可能受到底流的影响，但不同钙质纳米化石群体和/或形态类型之间的相对丰度保持不变，没有突然变化（图7a）。这一解释进一步得到了以下观察结果的支持：相对分类比例与伊比利亚边缘同时期的远洋站点报告的结果非常吻合，这些站点不受等深流直接影响（Hodell等人, 2024）。因此，相对丰度可以可靠地作为古环境信号。

此外，重新分选的钙质纳米化石与Zr/Al比率没有明显的相关性（图6）。虽然其他研究经常将重新分选的样本视为底流的关键指标（Ferreira和Cach?o, 2005；Ferreira等人, 2008），但我们的结果表明其意义不同。重新分选的纳米化石与Zr/Al比率的趋势相反，在流速增强期间显示出减少（图6c）。这一意外观察可能是由于影响沉积物的机制似乎对所有大小的钙质纳米化石都同样作用（如图5所示）。因此，在底流活动最强的时期，重新分选的钙质纳米化石的丰度并未增加，这表明它们可能像其他分类单元一样经历了筛选过程。因此，我们认为重新分选样本的丰度可能与海平面上升期间或加的斯湾湿润时期的碎屑输入增加有关（de Castro等人, 2021）。

5.2. 与MOW相关的等深层沉积阶段的综合证据
加的斯湾沉积物的沉积主要受MOW活动及瓜达尔基维尔河沉积物排放的控制（Mulder等人, 2006；Gomiz-Pascual等人, 2021）。与现代情况不同，早更新世期间MOW的动态与MSC之后的情况不同，目前尚未得到充分了解（Hernández-Molina等人, 2014a）。Alonso等人（2016）使用Schaaff等人（2006）的命名法在同一地点描述了完整的和截断的等深层沉积序列。在一个完整的循环中，他们识别出循环开始时的均质泥质等深层序列（C1），随后是低能量条件下的斑驳淤泥（C2），然后是高MOW强度下的砂质淤泥等深层序列（C3），最后是以斑驳淤泥/泥质层（C4）和均质泥质（C5）结束的细粒等深层序列，其中颗粒大小的减小反映了MOW速度和运输能力的逐渐下降。

Alonso等人（2016）提出的等深层沉积序列特征在本研究中通过使用钙质纳米化石绝对丰度与Zr/Al比率之间的反比关系进行了比较估计来进一步验证。这种方法可以作为基于输运能量的替代性代理指标，因为通过筛选去除纳米化石和浓缩锆（Zr）的过程，可以响应与传统粒度分级相同的流体动力学分选机制。我们观察到了树状层理循环（I、II、III，如图6所示）。循环II和III的特点是初始阶段为C3型序列（红色条形），因为分析的代理指标似乎表明了强烈的中层水域（MOW）活动。随后，较浅的棕色区间被解释为C4型序列（图6）。这些序列显示的钙质纳米化石绝对丰度略高于C3单元中的丰度。然而，其浓度相对于其他地方记录的峰值仍然显著较低。尽管如此，钙质纳米化石绝对丰度的这种潜在变化并没有伴随着Zr/Al比值的显著变化。这些序列似乎反映了底部水流强度的逐渐减小，即颗粒逐渐变细的过程。或者，它们也可能反映了MOW的变浅（深度减小）（Nichols等人，2020年；de Castro等人，2021年）。然而，在循环I中，观察到一个C2型层理序列，显示出较低的钙质纳米化石绝对丰度，而没有相应的Zr/Al比值变化。这种模式可能表明MOW速度逐渐增加，随后导致了C3型序列的形成。值得注意的是，在这个循环（即循环I）中不存在C4型序列。关于痕迹化石，它们在C3序列中也大多缺失或稀少。偶尔会发现原始的层理结构和较粗粒度的沉积物。这与高能量条件不利于痕迹制造者群落定殖的观点一致。然而，C4型序列显示出相变、遗迹多样性、痕迹化石丰度以及填充物质的变化。可以区分出两种主要模式：1）细粒度沉积物的薄区间显示出极少或没有生物扰动，主要是球粒陨石；2）厚区间内相变多样（粗粒度和细粒度沉积物），显示出更多的痕迹化石，其中球粒陨石、平面虫（Planolites）和Thalassinoides主要与粗颗粒物质相关。粗颗粒物质的输入表明底部水流同时向海底输送氧气和悬浮有机物。这种高能量环境优化了摄食和呼吸条件，为多样且活跃的痕迹制造者群落创造了有利的生活环境。这些因素的组合表明底部水流较弱，但足以通过筛选作用部分改变沉积物的分布模式。最后，图6中未着色的区间主要由细粒度沉积物组成，显示出极少或没有生物扰动，偶尔有球粒陨石的存在。这可能表明氧气供应不足和/或底栖食物有限，阻碍了大型底栖痕迹制造者群落的发展。此外，这些区间的Zr/Al比值接近0，并且每克沉积物中的钙质纳米化石数量较高。这些因素似乎与主要是远距离沉积的作用有关，未受到埋藏学变化的影响，代表了MOW影响较少的时期。

我们的数据显示，在加的斯湾，大约520万年至390万年前，可能存在与MOW相关的等深流（contour currents），这些等深流通过筛选作用改变了沉积物，导致黏土颗粒显著减少，并进行了某种程度的颗粒选择。观察到了三个显著事件，这些事件符合强烈等深流活动的特征。Zr/Al比值显示出强烈的峰值，每克沉积物中的钙质纳米化石总量大幅减少。我们认为这三个区间与在其他同期研究中观察到的MOW增强事件直接相关（Hernández-Molina等人，2013年）。在这些强烈等深流活动期间，还可以观察到等深流较弱的区间以及不受MOW影响的等深流缺失事件。我们观察到一种新的深水环流机制大约在520万年前开始形成，其特征是MOW活动间歇性发生，等深流强度波动。这一过程可能从一个较弱的阶段开始，并以间歇性活动持续到210万年前，正如之前在加的斯湾记录的那样（Hernández-Molina等人，2014b）。此后，MOW建立了今天观察到的环流动态。

总结来说，我们的数据表明，在大约517万年、460万年和432万年时，发生了三次MOW强度增强的显著事件。

5.3 地表水条件的古环境意义
Coccolithus pelagicus的百分比（该物种是冷表面水的特征，Flores等人，1999年；Findlay和Flores，2000年）在整个研究期间呈现出变化趋势。图6d显示，在所有与总体钙质纳米化石丰度较低的时期（图6中的蓝色条形），C. pelagicus的百分比达到峰值，这可能表明其对MOW活动具有一定的敏感性。MOW与大西洋入流之间的双向交换系统意味着更强烈的MOW流动必须由更强烈的表层海水流动来平衡，以保持水力平衡（Rogerson等人，2005年）。这种相对寒冷且富含营养的表层水流量可能与MOW的加强有关，这也是北大西洋更活跃环流过程的一部分（Hernández-Molina等人，2014b）。这种机制可以解释在MOW强度较高期间C. pelagicus百分比的增加。

Reticulofenestra < 5 μm的百分比与富营养化表层水体有关（Mancini等人，2021年），在整个研究期间显示出显著峰值（图6中用绿色阴影标出），与富营养化/贫营养化指数以及硅藻和植物化石的存在相吻合。值得注意的是，在范围低端，Thalassionema nitzschiodes是最丰富的物种（23-38%），根据Bárcena和Abrantes（1998年）以及Bárcena等人（2001年）的研究，这可以被解释为与偶尔发生的上升流有关，或者是与上升流无关的营养物质混合的结果（Pellegrino等人，2020年）。同样，尽管不是主要物种，Chaetoceros RS的存在（占比18-28%）也支持了这一点。特别是404万年至396万年之间的区间特别重要，因为硅藻和富营养化/贫营养化指数的值都高于其他时期（图7）。这表明了一个高度富营养化的事件，得到了这两个浮游植物群体的确认。图6中用绿色阴影标记的其他区间也似乎与特别富营养化的条件相关。硅藻的缺失可能表明富营养化条件减弱，光合带的硅藻生产力降低。此外，在低通量条件下，颗粒在上层水柱中沉淀时可能会进一步溶解，导致只有最硅化的形式才会保留在沉积物中（Bárcena等人，2004年）。

如图7所示，在之前与MOW活动相关的区间内，Reticulofenestra < 5 μm的相对丰度没有变化。现有的变化主要表明的是表层生产力的变化，而不是底部水流的影响。这一解释与Bahr等人（2014年）的观察结果一致，他们也发现生产力指标（总有机碳[TOC]和溴[Br]并未受到MOW筛选的显著影响。

钙质纳米化石相对丰度呈现出的古生态学模式与硅藻的情况一致，这一点特别重要。这一观察结果有助于验证我们的假设，即在这种沉积背景下，钙质纳米化石的相对丰度可以用于古生态学解释。所有这些事件中植物化石的存在（图7d）表明了活跃的风成或河流运输，这可能导致更多的营养物质输入到表层水中。植物化石被认为是风成活动的指标，这种机制可以直接影响浮游植物的营养供应（Bárcena等人，2004年）。先前的研究表明，撒哈拉尘埃是海洋生态系统生产的重要营养来源（Ternon等人，2011年）。风力尘埃输入大西洋在更新世时期变得显著，大约从460万年前开始（Menéndez等人，2019年；Muhs等人，2019年）。其大气贡献可能与河流输入相当（Guieu等人，1991年；Markaki等人，2010年）。考虑到这些观察结果，在加的斯湾，早更新世期间，表层水体通常处于富营养化状态，并伴有高富营养化的间歇性事件。

6. 结论
本研究为等深流沉积物的解释提供了新的见解，表明钙质纳米化石可以作为重建等深流的双重代理指标：它们既作为传统的古海洋学指标，也作为其运输过程反映底部水流活动的沉积实体。这一模型的稳健性不仅基于钙质纳米化石的分析，还基于多种代理指标的整合，包括Zr/Al比值、遗迹学数据以及硅藻和植物化石记录。该模型可以推广到类似加的斯湾的环境中。

我们的分析揭示了总钙质纳米化石绝对丰度与Zr/Al比值之间的显著负相关关系，Zr/Al比值是等深流强度的稳健指标。这种相关性表明，流体动力学条件在控制钙质纳米化石积累中起着决定性作用，突显了它们对沉积环境能量的高敏感性。筛选过程主要均匀地影响了纳米化石的绝对丰度，保留了组合的百分比组成及其原始的古生态学信号。这一点通过富营养化/贫营养化指数与高生产力硅质记录的一致性得到了证实，表明即使在高能量等深流系统中，钙质纳米化石的相对丰度仍然是一个可靠的代理指标。这一发现解决了古海洋学中的一个关键挑战：等深流活动可能会掩盖原始的古气候信号。我们的发现表明，在早更新世期间，加的斯湾主要以富营养化条件为主，这与伊比利亚边缘同期记录的情况一致。

基于钙质纳米化石的绝对丰度、Zr/Al比值和遗迹学数据，我们表征了520万年至390万年前加的斯湾中反映MOW活动的三个不同等深流周期。记录显示了MOW缺失期和弱MOW活动期的交替。我们的发现表明，在520万年后，MSC之后不久，MOW活动可能在一个较弱的阶段开始，这一模式与其他地区研究的观察结果一致。

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Rodríguez-Tovar，2022