伊扎加剖面磁性地层生物年代学研究：揭示巴顿阶全球界线层型剖面点定义及中始新世气候最适宜期气候变化的意义

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Magnetobiochronology of the Izaga section (South Pyrenean Foreland basin): Implications for defining the global boundary stratotype section and point (GSSP) of the Bartonian Stage and unravelling climate change across the Middle Eocene Climate Optimum

　　本文针对巴顿阶全球界线层型剖面和点(GSSP)定义难题及中始新世气候最适宜期(MECO)沉积响应机制不清的科学问题，通过对南比利牛斯前陆盆地伊扎加剖面开展磁性地层学、钙质超微化石生物地层学及碳氧稳定同位素分析等多学科研究，首次在该剖面识别出 Chron C19n 地磁极性带，并提出以 Sphenolithus furcatolithoides B 的最高出现层位作为巴顿阶底界替代标志，同时揭示了 MECO 事件在深海相中表现为再沉积化石增加、陆源有机质输入增强及碳同位素负偏的沉积响应特征，为完善始新世年代地层框架和深入理解古气候演变提供了关键实证。

　　

在地质历史的长河中，始新世是一个气候环境发生剧烈变革的关键时期。其中，中始新世气候最适宜期(Middle Eocene Climate Optimum, MECO)作为始新世最显著的全球变暖事件之一，其气候效应和沉积响应机制一直是古气候研究的热点。与此同时，国际地层委员会尚未确立巴顿阶(Bartonian Stage)的全球界线层型剖面和点(Global Stratotype Section and Point, GSSP)，这成为古近纪年代地层框架中最后一个待解决的“悬案”。传统上以短寿命地磁极性带 Chron C19n 作为巴顿阶底界标志，但在全球多个候选剖面中均因磁化延迟等地质问题导致该极性带记录不完整，使得巴顿阶 GSSP 的确定陷入困境。

为破解这些难题，一个由西班牙国家研究委员会(CSIC)等机构组成的研究团队，将目光投向南比利牛斯前陆盆地(South Pyrenean Foreland Basin, SPFB)的伊扎加剖面。这项研究近期发表在《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》上，通过综合运用磁性地层学、钙质超微化石生物地层学和稳定同位素地球化学等多学科手段，不仅为巴顿阶 GSSP 的确定提供了新的候选剖面，还首次在该区域深海相中识别出 MECO 事件的完整沉积记录。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：对伊扎加复合剖面进行高分辨率磁性地层学采样和热退磁分析，建立局部极性序列；系统开展钙质超微化石定性定量研究，识别关键生物标志事件；利用碳氧稳定同位素(δ¹³C 和 δ¹⁸O)分析揭示古环境变化；结合岩石磁学实验确定载磁矿物类型和成因。研究样本来自西班牙哈卡-潘普洛纳盆地东部Izaga向斜北翼出露的连续海相地层。

4.1. 地层学与沉积学

研究显示伊扎加复合剖面由贝罗亚和纳尔杜埃斯-安杜拉两个子剖面组成，总厚度达1116米。剖面底部为哈卡浊积岩组，中部为拉雷斯组，上部为乌罗斯粉砂岩和潘普洛纳泥岩组。特别在拉雷斯组上部识别出大量甲烷成因的铁白云石结核，这些结核的形成与有机质早期成岩作用密切相关。

4.2. 磁性地层学与岩石磁学性质

通过热退磁分析识别出以磁铁矿为主要载磁矿物的特征剩磁方向，建立了由R1、N1、R2和N2组成的局部极性序列。岩石磁学参数表明剖面中存在磁铁矿和少量硫铁矿(主要是灰铁矿)，其中灰铁矿的形成与早期成岩过程中的有机质降解有关。

4.3. 钙质超微化石生物地层学

识别出 CNE14 和 CNE15 两个钙质超微化石带的关键生物标志事件，包括 Sphenolithus furcatolithoides B 的最高出现层位(HO)和 Dictyococcites bisectus(>10 μm)的最低出现层位(LO)。这些生物事件的层位与地磁极性带具有良好对应关系。

4.4. 钙质超微化石组合

研究发现剖面中部(640-930米)存在一个“扰动带”，该带内钙质超微化石总丰度降低，再沉积化石比例显著增加，小型网状藻类相对丰度升高，反映了古环境条件的显著变化。

4.5. 碳酸盐碳氧稳定同位素

δ¹³C 值在扰动带内显示明显负偏，平均从-0.6‰降至更轻的值，δ¹⁸O 值也呈现轻微负偏趋势，这些变化与MECO事件的全球记录相吻合。

4.6. 伊扎加复合剖面的磁生物年代学

通过将局部极性序列与GPTS 2020对比，确定剖面时间跨度从C19r顶部(约41.3 Ma)到C18n.2n顶部(约39.7 Ma)，涵盖晚卢特特期至中巴顿期。平均沉积速率约为68厘米/千年，为高分辨率研究提供了理想条件。

研究结论表明，伊扎加剖面虽然记录了Chron C19n，但由于磁化延迟问题，该极性带的清晰度仍不足以使其成为理想的巴顿阶GSSP候选剖面。因此，研究人员提出以Sphenolithus furcatolithoides B的最高出现层位作为巴顿阶底界的替代生物标志，该事件在Chron C18r中稳定出现，且与Chron C19n顶界位置接近。更重要的是，研究在C18r/C18n.2n界线附近识别出的沉积学、古生物学和地球化学异常，被解释为MECO事件在深海环境中的沉积响应。这些异常包括再沉积钙质超微化石增加、陆源有机质输入增强、碳同位素负偏以及甲烷成因铁白云石结核的形成，共同指示了MECO期间水文循环增强和大陆风化作用加强的气候效应。

这项研究的科学意义在于，它不仅为巴顿阶GSSP的确定提供了重要的候选剖面和替代标志方案，还首次在南比利牛斯前陆盆地的深海相中建立了MECO事件的高分辨率记录，完善了我们对中纬度地区古气候变化响应的认识。研究展示的从大陆到深海完整沉积序列对MECO的响应模式，为理解全球变暖背景下水文循环变化的地质记录提供了重要范例。