加利福尼亚湾中部的瓜伊马斯盆地，在过去35万年间古生产力（即生物生产力的历史演变）的发展情况

《Quaternary International》：Paleoproductivity development during the last 350 ka in the Guaymas Basin, central of the gulf of California

硅酸盐含量与XRF硅铝比在墨西哥湾沿岸的Guaymas Basin显示与高生产力及低营养侵蚀相关，揭示过去350,000年间环境变化的驱动机制。研究显示MIS6之前陆源输入增加导致水体分层，而MIS6和LGM期间冬季季风增强促进浮游硅藻生产力，MIS3和MIS2的硅酸盐下降则与ITCZ和NPH位置变化引发的上升流减弱相关。Holocene期与现代海洋状况一致，反映厄尔尼诺-like气候对中央湾生产力的影响。

　　在过去的约35万年中，加利福尼亚湾（GOC）的生物硅含量呈现出与高XRF（X射线荧光）基硅/铝比值和低自然伽马辐射（NGR）总计数之间的显著相关性。研究者利用生物硅作为古生产力的代理指标，以推断加利福尼亚湾在过去环境条件和生产力的变化。在末次盛冰期（MIS 6）开始之前，加利福尼亚湾的高生物硅积累（bSiacc）和总体积累（bulkacc）值以及%生物硅含量的变化，表明了这一时期陆源输入的增加以及表层和底层水体分层的增强。在MIS 6和末次盛冰期（LGM）期间，%生物硅含量的高值反映了冬季季风的增强，这进一步促进了上升流和生产力的提升。而在MIS 3和MIS 2期间的突然寒冷事件中，%生物硅含量和XRF基硅/铝比值的下降表明上升流强度的减弱，这可能是由于赤道辐合带（ITCZ）和北太平洋高压（NPH）位置的变动，以及劳伦泰德冰盖持续扩张所导致。同时，这些时期底层水体的营养物质供应减少，可能与温跃层环流的减弱有关。在全新世期间，%生物硅含量的升高反映了加利福尼亚湾当前的海洋学条件，其特征类似于厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）的模式，增强了上升流并促进了该区域生产力的提升。

ENSO作为一个具有盆地尺度空间结构的年际气候现象，起源于赤道太平洋，对全球气候有深远影响。长期以来，ENSO在热带和北太平洋/北美地区的气候印记被用于古ENSO模拟，以理解ENSO的变异及其对全球变暖的响应。许多古海洋学研究探讨了过去全球气候和环境的变化，为预测未来气候和环境发展提供了基础。这些古海洋学记录通过海洋沉积物芯获得，如海面温度和营养物质含量，能够捕捉地质时期内的气候和环境变化，为ENSO活动及其对全球变暖的响应提供古视角。然而，Staines-Urías等人（2015）指出，之前的ENSO活动古重建结果（Shulmeister和Lees，1995；Tudhope等人，2001；Koutavas等人，2002；Moy等人，2002；Stott等人，2002；Conroy等人，2008；Ford等人，2015）与模型模拟结果（Clement等人，1999, 2001；Otto-Bliesner等人，2003, 2006；Timmermann等人，2005, 2007；Zheng等人，2008）存在矛盾。这种差异凸显了确定高分辨率、千年尺度古海洋学变化的必要性，并为理解可能影响过去ENSO类似变异的机制提供进一步的见解。

理解过去初级生产力的变化是古重建中的重要方面，因为它直接与海洋碳输出和埋藏有关。为了重建古生产力变化，研究者使用了多种来自海洋沉积物芯的代理指标，包括碳同位素比值（δ13C）、总有机碳（TOC）、%生物硅（%bSi）、%碳酸钙（%CaCO?）等。此外，还使用了与有机质相关的微量元素，如钡、锌和锶。理解这些代理指标的响应对于开发基于模型的生物反馈预测，以评估大规模气候变化具有重要意义。

上升流区域是确定海洋初级生产力的关键地区，因为它们与边界流和赤道离散有关，使这些区域成为全球最具生物生产力的水域之一。此外，上升流是一种风驱动的过程，因此与气候和海洋模式密切相关，使上升流区域对气候变化敏感。通过这些区域获取的沉积物芯可以揭示本地古海洋学记录及其对全球气候变化的响应。虽然千年尺度的气候变化最初在北半球高纬度记录中被发现，但这些变化也出现在中纬度和低纬度记录中。像北美许多中纬度盆地一样，墨西哥湾（GOM）是古海洋学研究的理想区域。GOM的主要洋流——环流系统，受到与ITCZ季节位置和附近气压系统相关的风模式控制，为揭示过去表层海洋条件的变化提供了潜力。GOM之前的古表层海洋条件重建主要集中在海洋同位素阶段4到1，对更早时期的研究较少。因此，Arellano-Torres等人（2023）利用浮游有孔虫群落和Globigerinoides ruber的稳定同位素（δ1?O和δ13C）重建了GOM在更长时间尺度上的混合层条件和环流变化。浮游有孔虫的群落变化不仅提供了研究混合层水、从加勒比海流向GOM的表层和底层水流强度以及环流延伸的信息，还帮助理解了晚期更新世（MIS 9到MIS 4）期间的环境变化。

东太平洋沿岸（ETNP）区域，包括西北墨西哥边缘，以沿海上升流引发的高生物生产力和通过水柱和沉积物的高碳输出而著称。本地气候还受到ITCZ和附近气压系统、北太平洋高压（NPH）以及索诺兰沙漠低（SDL）的季节迁移的影响。该地区观察到强烈的缺氧区，支持了有机质丰富、层状的沉积构造的保存。因此，关于突变气候变化的自然和起源仍存在重大知识空白，因为低纬度和高纬度之间在千年尺度上的遥相关机制，如大气和/或海洋过程，仍存在争议。为此，Arellano-Torres等人（2015）使用了多种古海洋学代理指标，如总有机碳（%OC）、C-N元素、漫反射光谱（DSR）、底栖有孔虫的氧同位素（δ1?O-BF）等，从海洋沉积物中获取。他们的目标是重建热带太平洋的千年尺度气候事件，尽管该地区是记录全球气候扰动的理想区域，但古记录仍然稀少。同时，他们希望理解其在连接低纬度和高纬度记录的海洋和大气遥相关过程中的作用，这些记录可以追溯到最后一次气候循环之前的约24万年前。

在过去的古海洋学研究中，低纬度区域如南中国海（SCS）已经成功重建了多种古记录。SCS作为一个边缘海，被认为在古海洋学和古气候研究中具有重要价值。由于SCS由一系列浅水 sill 分隔出西太平洋的东部和印度洋的南部，其海洋环境受到季风系统的影响，而季风系统是由相邻大陆和海洋的差异加热驱动的。SCS在过去的冰期和间冰期阶段的古生产力研究显示，北侧和东侧的生产力模式与西侧不同，这主要归因于由东亚季风驱动的沿海上升流。Lin等人（1999）使用了Neogloboquadrina dutertrei的Cd/Ca比值和从SCS北部和西北部获取的重力芯中的生物硅含量，重建了过去20万年的表层营养变化。Cd/Ca比值在夏季季风较强（增加降水和淡水输入）的时期出现峰值，与海因里希事件的时间相吻合。而生物硅和硅质沉积物的输入则出现在冰期，此时冬季季风增强（风力增加）。在SCS和北半球的记录中观察到的同步变化表明了北半球和亚洲气候之间的遥相关。

本文呈现了加利福尼亚湾在过去的35万年中的古生产力记录。由于船载微体古生物学研究显示，沉积物上部300米处的硅藻种类丰富且保存完好，但在该深度以下由于强烈的成岩作用而变得稀少。因此，我们记录了从IODP 385航次获取的U1545A钻孔的上部300米沉积物样本中的生物硅含量变化，以及在船上测量的自然伽马辐射（NGR）和X射线荧光（XRF）核心扫描数据中的XRF基硅/铝比值变化。我们的目标是揭示加利福尼亚湾古生产力的发展，并探讨其背后驱动机制，以及这些变化与亚洲气候之间的遥相关关系。

加利福尼亚湾（GOC）（图1）是一个狭窄的东太平洋边缘海，它在大约12-15百万年前形成，当时下加利福尼亚半岛开始从北美分离。它向西北延伸，将凉爽的太平洋水体与北美分隔开来，同时在南部与东太平洋相连，形成了独特的海洋环境。这种海洋环境使得GOC的海洋生态系统呈现出明显的季节性和年度变化，受到ITCZ和NPH以及SDL的影响。ITCZ和大气压力系统的变动，响应于太阳辐射强迫，调节了GOC地区的季风气候。

由季风变化驱动的海面风向和风力的季节性波动，导致了GOC地区上升流的季节性发生和强度变化。这种季节性上升流将富含营养的底层水体带到表层，为初级生产力的季节性增强提供了动力，特别是硅藻的季节性爆发。这些季节性变化的生物物质被输送到深水，并在GOC的沉积物中保存下来。此外，海底生物活动对有机质的高氧消耗也促进了GOC南部和中部底层水体的缺氧区发展。值得注意的是，GOC的缺氧区出现在大约500至1000米的深度（Pride等人，1999；Price等人，2013），由于海底生物的生物扰动有限，形成了层状沉积物。这为揭示GOC以及区域和全球尺度上的高分辨率古气候和古海洋学变化提供了潜力。

加利福尼亚湾内的Guaymas盆地是一个对东太平洋沿岸系统（ETNP）的区域和环流高度敏感的地区。它是一个与上升流相关的高硅藻生产力区域。Griffin等人（2024）使用树脂嵌入沉积物的背散射电子成像（BSEI）技术，对Guaymas盆地的两个核心样本JPC56和JPC48中的硅藻通量季节序列进行了总结，支持了上述发现。在夏季的陆源沉积层下方，发现了大型Coscinodiscus spp.、Rhizosolenia spp.、Stephanopyxis palmeriasna和Thalassiothrix longissima的层状结构，表明了冬季上升流相关的沉积（硅藻生产力）发生在秋季和早冬。而在夏季陆源沉积层下方，发现了较为稀少的Chaetoceros（玻璃状）和Skeletonema的层状结构，表明了春季上升流相关的沉积（硅藻生产力）发生在春季。

深海钻探计划（DSDP）第64次和阿特兰蒂斯II 125次科考任务成功获取了Guaymas盆地中保存良好的层状沉积物。这些沉积物芯样本被用于重建古海洋学变化（Teske等人，2020）。对于GOC的晚第四纪时期，研究者使用了多种代理指标，包括硅藻和硅质鞭毛虫群落（Sancetta，1995；Barron等人，2004, 2005, 2014）、甲藻囊（Price等人，2013）、有孔虫的氧同位素（δ1?O）（Keigwin和Jones，1990；Keigwin，2002）、氮稳定同位素（δ1?N）（Pride等人，1999）以及多种生产力代理指标，如%生物硅（%bSi）、%碳酸钙（%CaCO?）等。目前，GOC的古海洋学研究主要集中在最近的55万年，由于沉积物样本的有限性（如Barron等人，2014）。因此，对于该地区超过MIS 2和MIS 3时期的古气候和古海洋学变化仍知之甚少。

国际海洋发现计划（IODP）第385次科考任务（以下简称“IODP 385”）在Guaymas盆地的八个地点进行了钻探，沿着西北-东南的横断面覆盖了大约81公里的距离（Teske等人，2020）。其中，Site U1545含有超过500米海底深度（>500 mbsf）的近连续的远洋沉积物记录，使其成为开发Guaymas盆地年龄模型的理想地点。在Hole U1545A中获取的先进活塞芯，大约达到了某个深度，使得研究能够深入探讨该地区的古环境变化。

在Guaymas盆地，生物硅的生产力在所有浮游植物生产力中占据主导地位。硅藻在海洋生物泵和全球碳循环中起着关键作用，通过将碳从大气中固定并输送到深海沉积物中。此外，在硅藻生长期间，硅质骨架结构中的非晶质二氧化硅和硝酸盐的广泛分布，驱动了氮和硅循环（Ma等人，2022）。因此，生物硅含量的变化可以用来重建该地区的古海洋学变化，并为评估过去ENSO活动变化的气候模型提供基础。