河流侵蚀与气候驱动下墨西拿盐度危机期间千米级海平面变化的机制解析

为解决地中海墨西拿盐度危机(MSC)阶段3中同时存在极低与近满海平面证据的矛盾问题，研究人员通过景观演化模型(LEM)结合古气候与沉积预算约束，揭示了河流侵蚀引发的帕拉特提斯海(Paratethys)湖水注入导致地中海海平面逐渐上升的机制，为理解盐类巨量沉积事件的地球化学与生态影响提供了新视角。

　　

在地球历史上，地中海曾经历过一场惊心动魄的"脱水事件"——墨西拿盐度危机(Messinian Salinity Crisis, MSC)。约600万年前，由于构造运动阻断了地中海与大西洋的连接，这个巨大的内陆海在蒸发作用下逐渐干涸，沉积了超过百万立方千米的盐层。但令人困惑的是，地质记录中同时存在着两种截然相反的证据：一方面，在深海钻探中发现了生活在浅水环境的化石，表明当时地中海可能几乎完全干涸；另一方面，沿岸地区广泛分布的"湖海相"(Lago-Mare)沉积却暗示着一个接近满水的盆地。这个持续了约63万年的地质谜题，一直困扰着学界。

为解开这个谜团，研究人员开展了一项创新性研究。通过构建景观演化模型(Landscape Evolution Model, LEM)，结合古气候数据和沉积物收支平衡分析，研究团队发现了一个此前被忽视的关键机制——河流侵蚀驱动的渐进式海平面上升。这项发表在《SCIENCE ADVANCES》上的研究，为理解盐类巨量沉积事件的地球化学与生态影响提供了全新视角。

研究采用了TISC模型（构造-均衡-地表过程-气候耦合模型），这是一个基于固定矩形有限差分网格的开源景观演化模型。关键技术包括：1）稳态水文平衡计算，考虑湖泊蒸发与河流输出的精确平衡；2）基于流功率定律的河流侵蚀算法；3）弹性薄板挠曲理论计算均衡隆升；4）古气候重建，将降水与65°N夏季太阳辐射相关联；5）沉积物收支约束，整合地中海地区地震地层学数据。模型空间分辨率为10公里，时间步长1000年，覆盖MSC阶段3（5.55-5.33百万年前）的完整演化过程。

【模型构建】

研究团队首先建立了晚中新世地中海及周边地区的高精度古地理重建。初始地形整合了潘诺尼亚盆地、黑海-里海地区、利比亚古河道等多源数据，并恢复了非洲-欧亚板块相对旋转造成的地中海收缩效应。降水模式采用随海拔、经纬度和太阳辐射变化的线性关系，蒸发率恒定为1.2米/年。通过调整基岩侵蚀率(k_b)，使模型产生的沉积物体积(14.5万立方千米)与实测数据吻合。

【结果分析】

模型M0显示，在首次干涸事件（5.546百万年前）时，地中海西部的湖面低至-1795米。但随着帕拉特提斯海出口（如博斯普鲁斯海峡和爱琴海）发生侵蚀（74米和50米），其湖面积减少了63.5万平方公里，导致24,100立方米/秒的过量淡水注入地中海。这种"水转移"效应使得地中海湖面在阶段3末期升至-222米。敏感性分析表明，仅气候波动可造成约600米的海平面振荡（模型M2），而侵蚀作用则贡献了额外的1300米上升（模型M3）。

【机制解释】

研究揭示了关键的正反馈机制：帕拉特提斯海近海平面的平坦地形学意味着微小的出口下切就能造成巨大的湖面下降。模型显示，100米的帕拉特提斯海下降（对应70万平方公里蒸发面积缩减）可导致地中海上升约1400米。这种"浅盆放大效应"完美解释了为何早期干涸期（阶段3.1）会形成深海平原的浅水沉积，而后期湿润期（阶段3.2）则出现近满盆地的湖海相沉积。

【讨论与意义】

这项研究革新了对MSC演化阶段的理解：1）将传统三阶段重新划分为"正常海平面-构造限制期"和"完全隔离-蒸发干涸期"两阶段；2）证实帕拉特提斯海侵蚀是湖海相低盐度特征的成因；3）为Zanclean大洪水（赞克勒洪水）提供了合理背景——最后一次干旱期（约5.338百万年前）的中等程度干涸（<1千米）既允许高位湖海相沉积，又为海峡突破创造了条件。研究还预测了两个可验证现象：盆地间出口应存在数十至数百米侵蚀痕迹；水体注入应呈现自东向西的时空序列。

该模型具有普适意义，可应用于其他地质历史时期的盐类巨量沉积事件。特别是，研究提出的"侵蚀-蒸发平衡"机制为理解极端环境下的生物避难所提供了新思路——动态变化的多层次生境（如河流三角洲、分层子盆地）可能为海洋物种在整个MSC期间提供了生存机会。这一认识对研究全球盐度危机与生物大灭绝的关联具有重要启示。