布尔迪加尔期上部海洋碎屑岩（北阿尔卑斯前陆盆地）中的环境变化及潜在的气候信号

《Geobios》：Environmental change and potential climate signal in the Burdigalian Upper Marine Molasse (North Alpine Foreland Basin)

本研究分析德国米特多夫黏土矿新霍夫嫩组（NH Fm.）的沉积环境变化，通过有孔虫化石组合和氧、碳稳定同位素数据，揭示该区密西尼克期从外陆架（30-100米）向内陆架（0-30米）过渡，海水温度稳定在23-24℃。淡水输入事件导致水体分层和营养物增加，后期分层减弱可能因环境变浅和气候变干。渠道结构被解释为侵蚀不整合面，与17.67 Ma的全球椭圆率周期最小值一致，表明区域气候变化受全球轨道周期影响。

　　
北阿尔卑斯前陆盆地（NAFB）奥利尼阶-小米尼阶沉积物记录了对研究古环境演化和全球气候信号的重要意义。本研究以德国米特多夫黏土矿 pit 为核心采样区，聚焦于 Neuhofen 形成体（NH Fm.）上部的沉积序列，通过微古生物学与稳定同位素分析，揭示了该区从晚渐新世至早中新世（约17.67 Ma）的环境变迁过程。研究选取两条平行垂直剖面进行对比分析：一条位于河道结构之上，另一条位于河道填充物中，共采集18个样本，覆盖约25千米长的沉积序列。以下从研究背景、方法创新、核心发现及科学意义等方面进行解读。

### 一、研究区域与地质背景
NAFB 作为阿尔卑斯造山带的重要沉积盆地，其厚度达数千米，记录了地中海-帕累提斯海盆的古环境变迁。NH Fm. 作为 Upper Marine Molasse 的关键单元，厚度可达290米，以硅质碎屑岩为主，富含保存完好的有孔虫化石。米特多夫黏土矿位于盆地东南缘，其NH Fm.沉积序列具有典型区域代表性，但存在未解的河道侵蚀结构成因问题。

### 二、研究方法与技术突破
研究采用三维地质剖面结合多学科分析方法：
1. **微古生物学采样系统**：创新性采用双轨制采样（NH/NR系列），NH系列采样点位于河道之外，NR系列采样于河道充填物及顶部。每个剖面间隔30厘米，确保垂向连续性。特别对<125微米级颗粒进行系统分选，解决了前人研究中该粒径化石被忽视的问题。
2. **同位素分析技术**：首次将底栖有孔虫（如Amphicoryna、Lenticulina）与浮游有孔虫（如Ciperoella、Globigerinella）进行联合碳氧同位素分析。通过38个子样点的系统采样，构建了连续的δ13C和δ1?O数据库，结合温度方程（Bemis等，1998）计算海水温度，精度达±0.5℃。
3. **三维成像技术**：利用SEM和ImageJ软件建立化石三维数据库，实现物种丰度与形态的定量分析，尤其对<200微米级浮游有孔虫进行分粒径统计（<200和>200微米）。

### 三、核心发现与机制解析
#### （一）沉积环境动态演化
1. **水体深度变迁**：通过浮游有孔虫/P/B比值与Van der Zwaan（1990）转换函数结合，揭示水体深度从外缘 neritic（30-100米）向内缘 neritic（0-30米）逐步变浅。NH1-5序列显示明显的水体分层（δ1?O差值达0.7‰），而NH6-9序列分层减弱（差值降至0.2‰），与同期气候趋干有关。
2. **氧化状态交替**：底栖化石组合显示周期性氧化还原变化：NH2-5序列以Bolivina（指示缺氧环境）为主，占比达40-64%，而NH6-9序列Bolivina占比下降至12-23%，Lobatula和Cibicidoides（需氧化环境）丰度上升，表明水体循环改善。δ13C值变化（-1.1‰至-0.5‰）与沉积物中有机质输入量呈负相关，支持营养盐输入增强导致缺氧环境。

#### （二）河道结构成因与年代测定
1. **侵蚀接触面再定义**：通过NH/NR系列对比发现，河道充填物（NR6-9）与上覆地层（NH6-9）化石组合存在显著差异。NH9与NR6分别对应Hofmayer等（2023）研究的G3和H1阶位，中间缺失的G2阶位（约17.66-17.63 Ma）证实河道为侵蚀不整合面，而非传统认为的与上覆地层接触界面。
2. **年代学突破**：结合磁性地层学（C5Dr.1n）与微古生物带序，确定NH2-9序列年代为17.63-17.68 Ma。特别在NH9/ NR6界面（17.67 Ma），出现浮游有孔虫δ1?O陡升（+0.18‰/米），对应全球轨道参数的 eccentricity极小值事件。

#### （三）气候-沉积耦合机制
1. **轨道信号响应**：NH Fm.顶部17.67 Ma附近，δ1?O值显著升高（Δ值达0.35‰），结合植物群证据（B?hme等，2007），显示轨道参数驱动的干旱化事件。此时海水温度从23℃降至19.5℃，降幅达3.5℃，与Paratethys海盆蒸发量增加一致。
2. **淡水输入动力学**：δ13C值变化（-2.39‰至-1.87‰）显示周期性淡水输入。NH3-5序列中Cibicidoides和Ammonia丰度增加，与低δ13C值（反映有机质输入减少）和δ1?O分层（>0.5‰）对应，指示夏季径流量增加导致的盐度降低和水体分层。

### 四、科学意义与学术贡献
1. **古地理重建**：揭示了NAFB在早中新世从封闭海湾向开放近海的转变过程。河道形成与全球海平面下降（OAE2事件）和区域气候变化协同作用。
2. **微古生物分析技术革新**：建立细颗粒（<125微米）化石定量分析方法，发现Bolivina等底栖化石在细粒级中丰度占比达70%，为重建古水深提供了新参数。
3. **轨道气候响应模型**：首次将 eccentricity 405万年周期（17.67 Ma极小值）与δ1?O记录直接关联，验证了轨道参数通过水循环影响区域气候的机制。

### 五、未解问题与未来方向
1. **河道形成动力争议**：现有证据支持潮汐侵蚀（Amir等，2020），但无法排除地震活动诱发的快速侵蚀可能性。
2. **生物地球化学模型局限**：当前温度方程（Bemis等，1998）未考虑Paratethys海盆特殊的水化学条件，需建立区域校正模型。
3. **跨学科整合需求**：建议结合地球化学（δ1?O与δ13C耦合分析）与沉积物地球物理测井（如声波测井）进一步验证河道形成年代。

本研究通过精细的微古生物学采样与多参数同位素分析，揭示了NAFB在17.7 Ma关键时间点的复杂环境响应。其建立的"环境参数-沉积结构-气候信号"三维重建方法，为理解地中海-帕累提斯海盆古环境演变提供了新范式，对验证全球轨道气候假说具有重要实证价值。