基于货币虫地球化学的渐新世冰室期开端海表温度年际变化重建

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Intra-annually -resolved sea surface temperature variability at the onset of the Oligocene icehouse based on Nummulites geochemistry

　　本研究通过激光剥蚀ICP-MS分析坦桑尼亚始新世-渐新世之交的货币虫壳体Mg/Ca比值，结合现代异星虫校准数据，重建了早期渐新世热带海表温度的年际变化特征。结果表明该时期年均温达29.7±3.9°C，年际变幅±2.3-3.0°C，为揭示高CO2背景下古气候季节性变化提供了关键证据。

　　

在地球漫长的气候演变史中，渐新世冰室期的开端是一个至关重要的转折点。这一时期标志着全球气候从始新世的温室状态向冰室状态的过渡，伴随着南极冰盖的扩张、海洋环流重组以及生物圈的显著更替。然而，我们对这一关键时期热带海洋季节温度变化的认知却存在巨大空白。季节性是现代气候系统的核心参数，它直接影响物种分布、初级生产力以及海冰生长等关键过程。在更高的二氧化碳浓度背景下，理解过去季节温度的变化模式对于预测未来气候变化具有重要参考价值。

尽管珊瑚、软体动物等生物档案已被用于古季节重建，但有孔虫——尤其是具有复杂内部结构的大型有孔虫——在这一领域的潜力尚未被充分发掘。这类生物能够分泌生长纹层清晰的碳酸钙壳体，通过高分辨率地球化学分析可以揭示其生命史中记录的环境波动。其中，货币虫（Nummulites）作为始新世-渐新世过渡时期的重要化石代表，其近亲现代种（如异星虫Heterostegina）的存在为校准地球化学指标提供了难得的机会。发表在《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》上的这项研究，正是通过创新性地利用货币虫壳体的镁钙比值（Mg/Ca）这一温度指标，重建了渐新世冰室期开端热带海表温度的年际变化模式。

研究团队采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）技术对坦桑尼亚钻探计划（TDP）岩芯中的货币虫标本进行连续剖面分析，同时结合现代异星虫样本与实地温度监测数据建立校准曲线。通过对比现代种与化石种的Mg/Ca变化模式，研究人员成功量化了生物矿化过程带来的噪声干扰，从而准确提取出环境温度信号。

现代校准研究部分在印度尼西亚斯珀蒙德群岛展开，团队在该区域布设20个温度记录仪，持续监测21个月的海水温度变化。数据显示该热带区域年均温为29.5±1.6°C，年际温度变幅约3.0°C。对15个现代异星虫标本的边际索（marginal cord）Mg/Ca分析显示，其平均值为159.0±1.3 mmol/mol，与邻近区域的Operculina ammonoides数据高度一致，证实了货币虫科有孔虫Mg/Ca温度计在不同物种间的普适性。

化石样本来自坦桑尼亚沿海的TDP站点17，该岩芯完整记录了始新世-渐新世过渡期约200万年的沉积序列。在分析的20个货币虫标本中，9个渐新世样本保存完好，其壳体仍保持原始的高镁方解石矿物学特征（Mg/Ca值为69-86 mmol/mol），而始新世样本大多已重结晶为低镁方解石，无法用于古温度重建。通过应用从现代校准数据确定的平滑参数（smoothing factor=0.98），研究人员有效分离了生物矿化噪声与环境信号，发现化石标本中存在的毫米级Mg/Ca波动与温度变化直接相关。

温度重建结果表明，早期渐新世坦桑尼亚地区的年均海表温度达29.7±3.9°C，与基于氧同位素（δ¹⁸O）和TEX₈₆指标的前人研究结果吻合。这一温度显著高于现代该区域约27°C的年均温，证实了尽管全球进入冰室期，热带海洋在更高CO₂浓度（约为前工业时代2-3倍）背景下仍维持较温暖状态。更重要的是，Mg/Ca记录揭示的年际温度变幅为±2.3-3.0°C，与现代西印度洋热带区域的观测值高度一致。

特别值得注意的是，在四个渐新世货币虫标本中观察到从壳体早期到晚期Mg/Ca值持续上升的模式（相当于约3°C升温），这可能反映了季节性温度变化。结合基于室生长速率估算的个体生命周期（2-7个月），研究人员推断这些标本可能记录了部分季节性周期。这一发现与热带地区通常缺乏明显季节温度变化的现代认知形成有趣对比，暗示早期渐新世坦桑尼亚沿海可能存在独特的海洋动力学特征。

与始新世中期爪哇地区货币虫记录的更高季节变幅（5-6°C）相比，渐新世初期的温度波动更为温和。这一差异可能反映了全球气候从温室向冰室状态过渡过程中区域气候响应的复杂性。同时，本研究结果与美国墨西哥湾地区同时代的耳石氧同位素记录相呼应，共同表明尽管全球温度格局发生重大重组，热带海洋的季节性在某些区域可能保持相对稳定。

该研究的创新之处在于首次建立了基于现代校准的大型有孔虫Mg/Ca季节温度重建方法，有效克服了传统氧同位素指标在近岸环境易受淡水输入干扰的局限性。通过将地球化学分析与实地环境监测相结合，研究人员成功量化了生物控制因素对壳体化学组成的影响，为利用这类化石档案开展高分辨率古环境重建奠定了方法论基础。

这项工作不仅填补了渐新世冰室期开端热带海洋季节温度变化的数据空白，更展示了大型有孔虫作为古季节学研究载体的巨大潜力。在当今全球变暖背景下，理解高CO₂浓度时期的气候变率特征具有特殊意义。研究结果表明，至少在某些热带区域，大气CO₂浓度升高可能不会必然导致季节温度幅度的显著扩大，这一认识对完善气候模型预测具有重要价值。随着更多类似研究的开展，我们将能更全面地揭示地球气候系统在不同CO₂浓度下的运行机制，为预测未来气候变化提供深时视角。