中新世气候最适宜期期间，南海北部海表-海洋水文变化的特征

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Surface-ocean hydrographic variability in the northern South China Sea across the Miocene Climatic Optimum

　　

杨策|当浩文|张鹏|徐健|詹志敏

摘要

中新世气候最适期（MCO；约17–14.7百万年前）是评估温暖气候状态及其向寒冷气候转变的关键时期。然而，MCO期间热带海表水文特征的演变及其与东南极冰盖扩张的相互作用仍知之甚少，这限制了我们对低纬度和高纬度气候耦合机制的理解。本文利用IODP U1501站点（约18–13百万年前）的浮游有孔虫δ¹⁸O和Mg/Ca衍生的海表温度（SST）记录，以及残余海水的δ¹⁸O（δ¹⁸O_sw-ice）数据，重建了南中国海北部海域的海表水文变化。在MCO期间，持续温暖的气候背景下伴随着大幅度的SST波动，这反映了热带热量再分配的强烈敏感性以及与东亚夏季风相关的显著淡水输入。MCO的结束表现为δ¹⁸O值的正向变化、变异性减少以及SST的稳定，这与东南极冰盖扩张及全球气候变冷的过程一致。MCO期间以及中中新世气候转型期间，西太平洋、印度-太平洋暖池和南亚季风区域的水文变化表现出强烈的空间异质性。这些发现突显了热带热量再分配、高纬度冰盖动态以及气候转型期间水分输送之间的复杂相互作用。我们的研究为理解主要气候转变期间季风响应的区域差异提供了新的见解。

引言

中中新世是新生代气候演变的关键时期，涵盖了中新世气候最适期（MCO；约17–14.7百万年前）的开始、持续和结束（Zachos等人，2001年；Shevenell等人，2004年）。MCO的特点是大气中二氧化碳浓度升高、南极冰盖体积减少以及经向温度梯度减弱，有利于海洋-大气系统内的有效热量再分配（Foster等人，2012年；Super等人，2018年）。MCO在约14–13.9百万年前的结束伴随着广泛的降温和东南极冰盖的逐步扩张，这体现在底栖生物δ¹⁸O值的正向变化以及深层海水性质的变化（Zachos等人，2001年；Lear等人，2000年；Lear等人，2015年；Shevenell等人，2004年）。这些变化表明海洋环流、热量储存和碳循环发生了重大重组。然而，低纬度海表水文对MCO发展的响应尚未完全阐明。

中中新世的低纬度水文受到季风系统的强烈影响，其演变过程反映了全球气候状态、陆海温差和大规模大气环流之间的相互作用（Kutzbach等人，1993年；Molnar等人，2010年）。尽管亚洲季风的主要组成部分可能早在早中新世就已经形成，但它们在MCO期间及随后南极冰盖扩张过程中的演变存在空间差异（Guo等人，2008年；Holbourn等人，2021年）。特别是东亚夏季风（EASM）和南亚夏季风（SASM）对中中新世气候重组的响应似乎不同（Clift等人，2008年；Holbourn等人，2021年；Thomson等人，2021年）。阿拉伯海的记录显示，约14百万年后与SASM相关的水文变化显著，包括淡水输入增加和上升流增强，以及通过中间水层传递的南大洋盐度异常导致的短暂淡化现象（Bialik等人，2020年；Yang等人，2020年）。相比之下，直接反映EASM区域内海表水文和淡水平衡的海洋记录较为稀少，南极冰盖扩张期间EASM变化的时间、幅度和机制仍存在争议（Guo等人，2008年；Jiang和Ding，2008年；Clift等人，2008年；Holbourn等人，2021年）。南中国海（SCS）位于印度-太平洋暖池的北部边缘，靠近EASM影响的南部边界，因此对热带热量含量、区域大气环流和季风相关的淡水输入变化非常敏感（图1；Wyrtki，1961年；Shaw和Chao，1994年；Wang等人，2004年；Su，2004年；Wang和Li，2009年）。因此，它为评估EASM降雨的变化及其与上层海洋水文变化之间的联系提供了理想的研究环境，特别是在中中新世气候转型期间与热带热力和高纬度冰盖发展之间的关系。

本文提供了来自南中国海北部IODP U1501站点的浮游有孔虫稳定氧同位素记录以及Mg/Ca衍生的海表温度（SST）重建数据，时间跨度为约18–13百万年前。结合海水δ¹⁸O的估算，这些数据用于研究MCO开始、持续和结束期间表面淡水平衡的变化。我们的结果为热带太平洋热量再分配和高纬度气候重组如何共同调节EASM水文提供了新的见解，并通过与其他低纬度海洋地区的同期记录进行比较，将东亚季风的演变置于更广泛的区域框架中。

章节摘录

材料

IODP U1501站点（18°53.09′N，115°45.94′E；水深：2846米；图1）于2018年在南中国海北部钻探（Sun等人，2018年），位于现代南中国海碳酸盐补偿深度（3500–4000米）之上（Wang等人，1995年）。在海底以下142.42米至203.25米的深度范围内，每隔约20厘米采集了324个沉积物样本（CSF-A）。沉积物在60℃下干燥48小时，称重后通过63微米筛子过滤，并分离出浮游有孔虫的壳体。

稳定氧同位素和海表温度

U1501站点的 δ¹⁸O记录显示，在20至12百万年前整体呈上升趋势（图3c）。从20百万年前到18百万年前，δ¹⁸O值在?2.5‰左右波动。约18百万年前，δ¹⁸O值向更高值转变，随后在约17百万年前保持接近?2.0‰。在MCO开始时，T. sacculifer的δ¹⁸O值从约17百万年前的?2.2‰下降到约16.6百万年前的?3.4‰。约16百万年后，δ¹⁸O值逐渐上升，在约13.9百万年前达到?1.57‰。之后在约13.4百万年时再次小幅下降至?2.37‰。

中中新世气候最适期：与温度相关的高幅度SST变化

在U1501站点，约13.9百万年之前的时期，浮游有孔虫δ¹⁸O值持续较低，表明表面温度保持温暖，同时Mg/Ca衍生的SST波动明显，范围约为23.9℃至29.1℃。在MCO期间，热带至亚热带印度-太平洋地区的记录中也观察到了类似幅度的温度变化（Holbourn等人，2010年；Sosdian和Lear，2020年；Nirenberg和Herbert，2025年）。

结论

来自U1501站点的Trilobatus sacculifer的浮游有孔虫δ¹⁸O和Mg/Ca衍生的SST记录揭示了中中新世期间南中国海北部上层海洋的重大重组。在整个MCO期间，较低的δ¹⁸O值和大幅度的SST变化表明上层海洋温暖且动态活跃，同时有强烈的、变化显著的季风相关淡水输入，这与扩大的印度-太平洋暖池一致。南中国海中中新世气候转型的特点是δ¹⁸O值升高。

CRediT作者贡献声明

杨策：撰写——初稿、可视化、方法论、数据整理、概念构建。当浩文：撰写——审稿与编辑、可视化、方法论。张鹏：撰写——审稿与编辑、方法论。徐健：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。詹志敏：撰写——审稿与编辑、监督、概念构建。

Gray和Evans，2019年

Yang等人，2026年

作者声明没有利益冲突。

致谢

我们感谢国际海洋发现计划（IODP）提供用于进行这项研究的岩芯样本。本工作得到了中国国家重点研发计划（2025YFF0811902）和中国国家自然科学基金（42306069）的支持。同时，我们也感谢蒋晓英博士和乔培军的实验室支持。