基于对西地中海深处沉积物的矿物学和地球化学研究，揭示了过去60万年间北非气候的动态变化

《Global and Planetary Change》：Dynamics of the North African climate over the last 600 kyr based on mineralogical and geochemical investigations of deep sediments in the western Mediterranean Sea

北非西北部沙尘输入受轨道气候（岁差主导）及副极地西风（NAO）耦合控制，通过分析南撒丁岛MD90–912核心的粘土矿物、Sr-Nd同位素及δ18O，揭示阿尔及利亚北部（PSA_LAM）为主要沙尘源，西风带主导干旱期沙尘通量变化。

　　在北非的西北部地区，气候受到低纬度（非洲季风）和高纬度（西风带）系统的共同影响。然而，这两个系统如何相互作用，进而影响从北非向地中海输送的粉尘量，目前仍不完全清楚。本研究通过对位于撒丁岛南部海域的MD90–912岩芯进行分析，包括碳酸盐含量、黏土矿物学、XRF元素浓度、Globigerina bulloides的δ1?O值以及Sr-Nd同位素组成，旨在重建过去60万年北非的碎屑输入变化及其相关的气候过程。这些数据有助于理解控制非洲粉尘输入至第勒尼安海的气候机制。

从分析结果来看，黏土矿物组合和Sr-Nd同位素组成表明，风成粉尘主要来源于阿尔及利亚北部（潜在源区PSA_LAM），而南部的博德尔洼地（PSA_BD）对粉尘的贡献则较为有限。冰期以及夏季太阳辐射较低的时期，通常伴随着更多的陆源输入、较高的伊利石/高岭石（I/K）比值和更多的蒙脱石含量，这反映了来自PSA_LAM的粉尘通量增加。相反，在非洲湿润期（AHPs）期间，I/K比值较低，表明沉积物来源发生了变化，粉尘输入减少，沉积物供给也相应减少。这一现象可能与赤道辐合带（ITCZ）向北迁移，导致北非热带地区植被覆盖扩大有关。同时，这种迁移也改变了季风降雨的强度，使得北非的湿润期更加明显。

在轨道尺度上，粉尘的代用指标主要受到偏心率（10万年周期）和倾角（41万年周期）的影响，而岁差（23万年周期）的作用则较为有限。这一发现强调了高纬度西风带在调节北非西北部地区干旱程度和粉尘排放中的主导作用。总体而言，我们的研究揭示了高纬度与低纬度气候系统之间复杂的相互作用，以及它们在控制第勒尼安海碎屑供给方面的关键角色。

北非在晚第四纪经历了显著的水文变化，这些变化主要受到地球低纬度地区太阳辐射变化的影响。太阳辐射的变化调节了赤道辐合带（ITCZ）的位置和非洲季风降雨的强度（图1）。在夏季太阳辐射最强的时期，ITCZ和热带雨带向北移动，覆盖北非地区，从而形成了非洲湿润期（AHPs）。这些湿润期的特点包括广泛的河流系统、湖泊和密集的植被覆盖，这些区域如今主要为沙漠地带（Drake等，2011；Gasse，2000；Larrasoa?a等，2003；Lézine等，2011；Rossignol-Strick，1983；Tjallingii等，2008）。这些强烈的季风降雨期被称为“绿色撒哈拉”时期，并与大量淡水和沉积物通过尼罗河以及北非边缘的古河流（如伊尔哈拉、萨哈比和库夫拉）输送到地中海相关（图1）（Blanchet等，2021；Osborne等，2008；Rohling等，2002；Wu等，2016，Wu等，2018）。这些淡水输入的高峰期也导致了大量有机质的沉积，形成了被称为“sapropels”的沉积层，这些沉积层被认为与东地中海的水体分层和/或表层生产力增加有关（Cramp和O'Sullivan，1999；Emeis等，1991；Meyers和Doose，1999；Rohling等，2015）。

此外，北非北部地区的气候条件与高纬度西风带模式密切相关。这种联系体现在与北大西洋振荡（NAO）相关的天气模式变化中（Bout-Roumazeilles等，2007；Cacho等，2000；Moreno等，2005；Nebout等，2002；Rohling等，1998）。NAO指数定义为冬季亚速尔高压与冰岛低压之间的气压差。在正NAO指数年份，强烈的经向气压梯度导致北大西洋西风带向北移动，为北欧提供大部分的水汽。在此条件下，北非经历较干旱的气候，伴随着撒哈拉向地中海输送的粉尘增加，这一现象在仪器观测时期（Moulin等，1997）和过去千年（Sabatier等，2020）都有记录。相反，在负NAO指数年份，北风较弱且偏向中纬度，导致地中海和北非地区降水增多（图1）。

地中海海沉积物中的碎屑成分主要反映了风成粉尘和河流输入的相对贡献，这些贡献受到气候变化的控制（例如，Bout-Roumazeilles等，2013；Foucault和Mélières，2000；Wu等，2017）。已有研究利用东部地中海海沉积物的矿物学和地球化学代用指标，包括利凡特盆地（Ehrmann等，2017；Revel等，2010，Revel等，2014；Zhao等，2011，Zhao等，2012），爱奥尼亚海（Beuscher等，2020；Wu等，2016，Wu等，2017；Zhao等，2016）以及爱琴海（Beuscher等，2020；Ehrmann等，2007，Ehrmann等，2013）的碎屑成分，以重建北非的过去环境条件。这些研究的结果表明，主要的粉尘源区存在显著的岁差控制变化，导致东地中海周边大陆在不同气候条件下出现低高降雨交替的周期。在干旱时期，粉尘从撒哈拉的不同区域被风力输送至欧洲，而在湿润时期，大量碎屑材料则通过尼罗河和北非古河流（如伊尔哈拉、萨哈比和库夫拉）以及地中海北部边缘的河流输入至该区域（例如，Foucault和Mélières，2000；Revel等，2010，Revel等，2014；Venkatarathnam和Ryan，1971；Wu等，2017；Zhao等，2011，Zhao等，2012）。根据这些研究，区分风力输送的沉积物和河流带来的沉积物往往具有挑战性，尤其是在靠近欧洲或北非主要河流（如古河流和尼罗河）的区域，这些河流贡献了大量的沉积物，可能掩盖了粉尘源区的变化。

ITCZ的周期性纬向迁移对撒哈拉向地中海输送的粉尘总量以及粉尘颗粒的矿物学和地球化学组成具有重要影响。由于主要源区具有不同的矿物学（黏土矿物）和地球化学（Sr和Nd同位素）特征，这种迁移改变了粉尘的来源和成分。海洋沉积物中的矿物学组成可以为来自北非的矿物粉尘的来源提供线索（例如，Formenti等，2011；Scheuvens等，2013；Skonieczny等，2011，Skonieczny等，2013）。已有研究表明，黏土矿物学组成，如伊利石/高岭石比值或帕里戈尔斯基石含量，可以为来自北非的矿物粉尘的来源提供有价值的信息，这些信息既适用于现代（Caquineau等，1998；Scheuvens等，2013；Skonieczny等，2011，Skonieczny等，2013），也适用于过去（Colin等，2014；Formenti等，2011；Sabatier等，2020；Zhao等，2012，Zhao等，2016）。

晚第四纪北非的古气候重建主要基于从北大西洋和东部地中海海沉积岩芯获得的数据。例如，DeMenocal等（2000）、Scheuvens等（2013）、Tierney等（2017）、Tjallingii等（2008）的研究都关注了这一区域的气候条件。然而，地中海西部的碎屑记录却非常有限，主要集中在冰期和全新世（Bout-Roumazeilles等，2007；Dinarès-Turell等，2003；Moreno等，2002；Sabatier等，2020）。尽管如此，这些记录仍然可以用于（1）约束北非主要粉尘源区的过去演化，这些源区具有显著不同的矿物学（黏土矿物）和地球化学（Sr和Nd同位素）特征（Abouchami等，2013；Blanchet等，2021；Grousset等，1992，Grousset等，1998；Grousset和Biscaye，2005a；Gross等，2016；Guinoiseau等，2022；Jewell等，2021；Revel等，2010，Revel等，2014；Scheuvens等，2013），以及（2）重建这些粉尘向欧洲输送的动力学过程。

在本研究中，我们分析了MD90–912岩芯的碳酸盐含量、黏土矿物学、XRF元素浓度、Globigerina bulloides的δ1?O值以及非碳酸盐部分的Sr和Nd同位素组成。该岩芯位于撒丁岛南部（第勒尼安海），远离现代主要河流输入区域，以重建过去60万年的风成粉尘记录。新的粉尘输入记录使我们能够探讨在不同轨道强迫条件下，高纬度（西风带/NAO）和低纬度（非洲季风）气候系统如何共同作用，影响北非北部源区的粉尘排放。这一研究特别关注了最后一次冰期间冰期（MIS11）的气候变化。

MD90–912岩芯位于北纬38°18.67′，东经9°46.12′，深度为1020米，长度为15.8米（图1）。该岩芯是在1990年通过PROMETE第一阶段的科学考察船Marion Dufresne收集的。岩芯主要由均匀的棕色、泥质、富含碳酸盐的沉积物组成，未观察到任何浊积层。这些沉积物特征表明，该岩芯主要受到北非碎屑输入的影响，而非其他区域的贡献。其他可能影响第勒尼安海的源区包括意大利南部和撒丁岛的小型河流，但考虑到这些河流的输入量较小，它们对粉尘的贡献可能不如北非北部源区显著。

在对Globigerina bulloides的δ1?O值进行分析时，我们发现其值在0.72至3.91‰之间波动，表明岩芯中存在交替的冰期和间冰期。该岩芯的年代框架是通过线性插值法建立的，基于来自Globigerina inflata的4个校准的AMS1?C测年数据，覆盖岩芯上部的125厘米（Colin等，2021）。在岩芯下部，我们通过将MD90–912岩芯的Globigerina bulloides δ1?O记录与stack LR04记录进行对比，结合Analyseries软件（Paillard等，1996）来建立年代框架（图2）。这一年代框架的建立有助于准确地确定不同气候时期的沉积物输入情况。

对黏土矿物变化的古环境解释依赖于对潜在源区的了解，以及输送过程的模式和强度（例如，Gingele等，1999，Gingele等，2002）。MD90–912岩芯的选择是基于其主要受到北非碎屑输入的影响，而非其他区域的贡献。在对黏土矿物的分析中，我们发现其组合与Sr和Nd同位素组成表明，风成粉尘主要来源于PSA_LAM（突尼斯和北非北部），而南部的博德尔洼地则对粉尘的贡献较小。这种矿物组合的变化与气候条件的变化密切相关，尤其是在不同轨道周期下，如偏心率和倾角的变化，对粉尘的来源和输送路径产生了显著影响。

通过MD90–912岩芯的黏土矿物学和地球化学记录，我们能够重建过去60万年北非西北部的碎屑输入变化及其相关的气候过程。这些记录不仅提供了关于粉尘来源的线索，还揭示了粉尘输送与气候模式之间的复杂关系。例如，在干旱时期，由于高纬度西风带的增强，粉尘输送增加；而在湿润时期，由于季风的增强和植被的扩展，粉尘输送减少。这些变化可能与ITCZ的迁移和NAO指数的变化有关。此外，我们还发现，Sr和Nd同位素组成的变化能够反映不同源区的输入比例，为理解粉尘的来源提供了重要依据。

本研究的成果表明，高纬度气候系统在调节北非西北部地区的干旱程度和粉尘排放中起着主导作用。然而，低纬度气候系统，尤其是非洲季风，同样在粉尘输送过程中扮演重要角色。在不同轨道周期下，如偏心率和倾角的变化，对粉尘的来源和输送路径产生了显著影响。因此，理解粉尘输送的机制需要综合考虑高纬度和低纬度气候系统之间的相互作用。

通过分析MD90–912岩芯的矿物学和地球化学特征，我们还发现，黏土矿物的组成可以反映粉尘的来源区域。例如，伊利石/高岭石比值较高可能表明粉尘主要来源于高纬度地区，而帕里戈尔斯基石含量较高可能表明粉尘主要来源于低纬度地区。这些矿物学特征的变化与气候条件的变化密切相关，为重建过去气候条件提供了重要依据。此外，Sr和Nd同位素组成的变化也可以反映粉尘的来源区域，为理解粉尘的输送路径和源区演化提供了重要线索。

综上所述，MD90–912岩芯的分析不仅揭示了北非西北部地区粉尘的来源和输送路径，还提供了关于过去气候条件变化的重要信息。这些信息对于理解北非与地中海之间的气候联系以及粉尘输送的机制具有重要意义。同时，该研究也强调了高纬度和低纬度气候系统在控制粉尘输送中的协同作用。通过这些分析，我们能够更好地理解北非地区的古气候演变，以及其对地中海环境的影响。这些发现为未来研究提供了新的视角，并有助于进一步探讨气候系统与地质过程之间的相互作用。