新近纪-第四纪转换期地中海进动驱动的脱氧事件：意大利西西里岛蒙特桑尼科拉的遗迹化石与X射线计算机断层扫描

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Precession-driven deoxygenation events in the Mediterranean during the Neogene-Quaternary transition: trace fossils and X-ray CT at Monte San Nicola, Sicily, Italy

　　

•迹化石反映了格拉西亚期GSSP标准剖面海底缺氧/低氧状况及表层水生产力。
•A5层和A4/5层中的微层理表明，在紧邻上新世—更新世边界的两个岁差周期中，海底处于完全缺氧条件。
•对一处滑塌疤痕的记录表明，此处存在坡体不稳定现象，符合沉积于中—上陆架的环境。

引言

意大利西西里岛杰拉附近的蒙特圣尼古拉荒原（意大利语“calanchi”）构成了地中海地区上皮亚琴期（上上新世）至卡拉布里亚期（下更新世）最为连续、露头最为良好的沉积地层序列之一。蒙特圣尼古拉位于意大利西西里岛南部杰拉市以北约10公里处（图1、图2），紧接杰拉推覆体前缘（Gela Nappe Thrust Front）以北，属于卡尔塔尼塞塔盆地南部的一部分。该剖面包含界定格拉西亚期底部的全球地层剖面对标点（GSSP），从而也就界定了下更新世亚界、更新世界和第四纪系统（Gibbard and Head, 2009, Gibbard and Head, 2010; Gibbard et al., 2010; Head et al., 2021）的底部，并且还设有格拉西亚期候选单位层型（Capraro et al., 2022; Hilgen et al., 2026）。其地层学上一个特别引人注目的特征是显著的、由岁差驱动的可识别周期：较深颜色的层位成簇出现，并表现出受偏心率调制的特征（Hilgen, 1987; Rio et al., 1994, Rio et al., 1998）。这些深色层是在沉积时海底通气与供氧条件减弱的背景下形成的，每一层都由一次非洲夏季季风的增强与扩展所触发（Rossignol-Strick, 1983; Rohling et al., 2015）：因此它们反映了地中海内温盐环流的减弱（或抑制）。

格拉西亚期最初于1996年获得正式批准（Rio et al., 1994, Rio et al., 1998），此后对该GSSP剖面的进一步研究工作甚少。近几年兴趣的复兴是由两方面推动的：一是希望改进对GSSP的认识以利于全球对比（Head, 2019），二是因为新生代—第四纪交界区段标志着地球气候状态的一次关键转折，即北半球冰盖在此期间加强（Head et al., 2008）。

迹化石为沉积当时的沉积物及底层水中溶解氧浓度提供了宝贵的信息，揭示了气候变率与海底通气之间的密切相互作用（Monedero-Contreras et al., 2023）。本研究在GELSTRAT计划的框架下开展，旨在重新调查格拉西亚期GSSP区段（Head and Caruso, 2022），首次给出了蒙特圣尼古拉上新世—更新世之交的高分辨率遗迹学剖面，覆盖GSSP地点约2.70—2.57 Ma的10.2 m地层区间。研究特别关注突出的具微层理的尼古拉层（A5层），它在标准区全程可见地标示了上—更新世边界，同时关注其下的A4/5层，该层同样含有一段（薄的）微层理区段。

地中海是一个近乎封闭的边缘海，通过直布罗陀海峡与大西洋相连，较低盐度的大西洋表层水由此流入，而较冷且盐度较高的水则在深层流出（Rohling et al., 2015）。该海可分为两个次级盆地——西地中海盆地和东地中海盆地，二者由西西里海峡处的一系列海底门槛分隔，经过修改的大西洋水（Modified Atlantic Water）的影响可延伸至东地中海盆地。地中海位于北纬约30°至45°之间的中纬度，其今日的特征是蒸发量大于淡水输入，因此被称为浓缩盆地（如Bethoux, 1979）。冬季期间，其北缘在西地中海的利奥涅湾以及东地中海的亚得里亚海和爱琴海产生寒冷而高密度的水团（Josey and Schroeder, 2023），主要深水来源在1980至1990年代期间一度从亚得里亚海短暂切换至爱琴海（Lascaratos et al., 1999）。这些就是用于通气与供氧、维持海底水体的深层洋流来源。利凡特中间水（LIW）由东地中海强烈的冬季蒸发形成，温度较高但盐度也极高。它与亚得里亚海和爱琴海更冷、更淡的水混合，形成东地中海深层水（EMDW）（Rohling et al., 2015; Sayol et al., 2023）。

除风应力（及大西洋水体交换）之外，地中海内的环流因此主要由温盐过程驱动：盐度高但温暖且含氧的表层水在冬季冷却并在下沉的同时为海底通气。这与北大西洋的情况相似，只是地中海的较小尺寸对这些过程形成约束，使气候信号得以被更直接地记录（Sayol et al., 2023）。正因如此，在地中海中堆积的沉积物包含了出色（outstanding）的气候变化记录。

受相对干旱的陆地边界和低营养输入所限制，地中海是世界上营养盐最匮乏的海洋盆地之一，这在很大程度上归因于磷酸盐的极低浓度。它被定义为低营养盐—低叶绿素系统（LNLC），寡营养特征由西向东逐渐增强（Varkitzi et al., 2020），这在卫星影像中的叶绿素浓度上得到体现（见Colella et al., 2016中的图1）。虽然西地中海相对更具生产力，尤其以季节性表现为显著（如Barbieux et al., 2021），但相对于大多数大洋区域，它仍属于寡营养范畴：因此将地中海描述为寡营养盆地的说法在全球尺度上依然成立。

在阿斯旺大坝于1964年建成之前，尼罗河向东南地中海的排水在地中海最东端形成了一个显著的羽状水体，其中部分水源由非洲季风经青尼罗河/阿特巴拉河输送。因而可认为1964年以前的现代水文状态在某种程度上代表了间冰期的典型状况。地中海沉积记录中的深色层，尤其在东地中海盆地，长期以来被认为代表通气减弱的时期。部分此类层由于缺乏生物扰动而表现为微层理。若其有机质含量超过1%或2%，则被视作有机质层（sapropel）；尽管同沉积与后沉积氧化作用及堆积速率会使这类分类趋于复杂，但较高的有机碳含量也可能指示沉积时透光带生物生产力增强（Rohling et al., 2015）。地中海的有机质层可追溯至中新世，单层持续时间约大于1至8千年。每一次有机质层均与岁差最小值相吻合，此时北半球夏处于近日点、南半球冬处于远日点，致使北半球夏季日照最强、南半球冬季日照同时最弱，从而放大北半球夏季与南半球冬季之间的对比。岁差受轨道偏心率调制，在偏心率最大时效应最强，在偏心率为零时无效应。在偏心率较高的时期，岁差最小值增强了夏季季风的强度并将降水延伸至北非，导致北非陆缘径流大幅升高，特别是经尼罗河注入东地中海。夏季在东地中海上方堆积的低密度表层水随即扰乱了冬季深水的形成，导致底层水停滞并出现缺氧（Rossignol-Strick et al., 1982; Rossignol-Strick, 1983, Rossignol-Strick, 1985; Rohling et al., 2015）。在有机质层沉积阶段，径流将营养盐带入寡营养的东地中海，加上营养盐层（nutricline）上移，将会提高透光带的生产力（Meier et al., 2004; Addante et al., 2025），但有机质层中典型的高有机质含量也反映了海底在缺氧/低氧条件下的保存。除了上述更宏观的机制之外，模型研究表明，受岁差控制的気温变化在有机质层形成中亦起重要作用，单靠淡水输入不足以形成有机质层。该系统中的非线性因素也可能显著影响其中点时刻的时位，换言之，每一层有机质层都是不同的（Dirksen and Meijer, 2020）。因此，必须对每一层有机质层进行单独研究，并沿其整个横向展布进行考察，方能理解其所代表的气候与水文控制因素。

由于有机质层对应岁差最小值，而岁差受偏心率调制，故每一层有机质层（或其等同岩性）都落在一个偏心率簇内。轨道定速作用使地中海沉积序列及其详细的气候变化记录得以调整到天文时间尺度上（Hilgen, 1991a, Hilgen, 1991b; Lourens et al., 1996, Lourens et al., 2005）。相应地，包括蒙特圣尼古拉在内的五个新生代GSSP均与地中海日照周期相联系（国际地层委员会, 2025）。

尼古拉层是维哈尔伦（Verhallen）所定义A组偏心率簇（Verhallen, 1987; 图3）中最高、最显著的一组六层岁差相关深色层中的一层。尼古拉层以深红色和贯穿其全部约20—24 cm厚度的微层理区别于该簇中的所有其他层（Radmacher et al., 2023; Radmacher et al., 2025）。A组各层按向上顺序依次标记为A1、A2、A3、A4、A4/5和A5（即尼古拉层），分别对应第260、258、256、254、252和250个i周期，经天文调谐后的中点年龄介于2.703至2.588 Ma之间（Lourens et al., 1996）。这一特征显著的地层组合也在西西里岛的Punta Picola（Hilgen, 1991b）以及意大利卡拉布里亚的Singa剖面（Lourens et al., 1992，但该处缺少A4/5层）得到识别，并一直延伸至最东端的东地中海大洋钻探计划967井（Grant et al., 2022）。

西西里岛格拉西亚期的浅海沉积中已报道有迹化石（如Massari and D'Alessandro, 2010; Dominici et al., 2020），对沉积过程的解释具有重要帮助。在深海底的东地中海上新世—更新世背景下，迹化石被用于评估透光带——尤其是其物理化学特征与生物生产力——与反映于宏、介底栖造痕者群落的底域环境之间的关联（如L?hr and Kennedy, 2015; Casanova-Arenillas et al., 2021; González-Lanchas et al., 2022; Rodríguez-Tovar et al., 2023）。特别是，其分布格局、多样性以及洞穴直径和侵人深度可用于重建沉积剖面内古氧化的波动（Savrda, 2007a, Savrda, 2007b）。

此前对蒙特圣尼古拉层型剖面的研究（Spaak, 1983; Driever, 1988; Bonaduce and Sprovieri, 1985; Channell et al., 1992; Rio et al., 1994, Rio et al., 1998; Becker et al., 2005）均未报道迹化石。在GELSTRAT框架内，Addante et al.（2024, 2025）和Fasone et al.（2024）从A1层顶部的MIS G4到MIS 99（约2.70—2.51 Ma）对标准地点的GSSP区段进行了多种地球化学、同位素及微古生物指标的分析，并注意到深色层中存在环蚯蚓属（Chondrites Sternberg, 1833）和虾蟹穴属（Thalassinoides Ehrenberg, 1944）。另一项平行的研究将抛光面观察与尼古拉层的X射线三维CT扫描相结合，通过沉积特征（包括遗迹组构）重建了底层水含氧量的演变过程，记录到了Trichichnus Frey, 1970、Chondrites、Planolites Nicholson, 1873和Thalassinoides（Radmacher et al., 2023, Radmacher et al., 2025；分类学上的更新见下文）。

蒙特圣尼古拉的曼多洛剖面（Mandorlo section）位于GSSP以西约400 m处，构成其横向延伸部分，由Capraro et al.（2022）研究，他们对整个格拉西亚期区段进行了沉积学、浮游有孔虫、颗石藻和古地磁学研究。在整个层序下、中部的深色层中均记录到Chondrites，但迹化石未作其他讨论。Zanola et al.（2024a, 2024b）的工作对此形成补充，他们专注于从曼多洛剖面分析上新世—更新世边界区段的气候变率高分辨率变化。Zanola et al.（2024a）利用浮游和底栖有孔虫的δ18O和δ13C稳定同位素，Zanola et al.（2024b）则聚焦于利用长链酮类和有孔虫δ18O进行古温度重建，但这两项研究均未涉及迹化石。对曼多洛剖面该区段颗石藻的配套研究（Bonomo et al., 2024）同样未涉及迹化石。

Radmacher等人（2025）采用抛光面观察结合X射线CT技术，对曼多洛罗地区的尼科拉层进行了研究，方法与全球标准层型剖面和点位（GSSP）研究相同。其研究更加侧重于有孔虫的分布，同时也对遗迹化石进行了分析，结果显示其遗迹化石模式与Radmacher等人（2023）在GSSP地区所记录的模式极为相似。Radmacher等人（2023）和Radmacher等人（2025）的研究表明，尼科拉层沉积期间遗迹构造发育与近底氧含量之间存在密切联系。本研究将这项工作扩展至模式产地GSSP更宽泛的区段，从A1层顶部到A5层上方不远处，时间跨度约为2.70–2.57百万年前。遗迹化石可能反映底水氧化的变化，因此可与地球历史上一个关键转变时期的温盐环流变化和/或初级生产力的变化联系起来，即从上新世早期的温暖条件到最晚上新世和第四世的冰期条件。

**材料与方法**

本节研究使用的材料包括：1）GSSP地区A组富有机质泥炭组上的采样板；2）GSSP地区单独一块约13厘米厚的A5层板岩；3）GSSP地区代表4/5层的G9–11号岩块、同一产地一块3.5厘米厚的岩石样品，以及曼多洛罗产地一块7厘米厚的岩石样品。蒙特圣尼科拉采样地点（包括采样板）列于表1中。

**结果与解释**

研究人员采用厘米级精度的标准视觉沉积学描述方法，对一段连续的10.2米长的泥岩和偶见的微层理岩进行了调查，旨在整合沉积学和遗迹化石观察（图4、图5）。共记录了七个遗迹属：Chondrites、Halimedides、Palaeophycus、Phymatoderma?、Planolites、Trichichnus和Zoophycos。

**讨论**

蒙特圣尼科拉的向上变浅序列始于特鲁比组，此处约有36米的泥岩/石灰岩互层，沉积于约700至1000米水深之间的半深海环境（Sgarrella等人，1997；Fasone等人，2024，基于附近埃拉克莱亚·米诺亚和卡波罗塞洛剖面的底栖有孔虫数据）。具体而言，特鲁比组的顶部对应于马亚塔角（卡波罗塞洛）的88–101周期。在蒙特圣尼科拉，与马亚塔角一样……

**总结与结论**

遗迹化石为沉积期间沉积物和底水中的溶解氧浓度提供了关键信息，同时也反映了海底通风状况、沉积深度、透光带生产力以及气候变率。本文首次为蒙特圣尼科拉上新世—更新世之交呈现了一份高分辨率遗迹化石剖面，该剖面跨越10.2米的区段，时间从约2.72百万年前至2.58百万年前，位于GSSP以东10.4米处。该剖面重点关注离心率C组……

**作者贡献声明**

Wies?awa Radmacher：撰写—审阅与编辑、撰写—原稿、可视化、验证、监督、软件、项目管理、方法学、调查研究、资金获取、形式化分析、概念化。Martin J. Head：撰写—原稿、可视化、验证、方法学、调查研究、概念化。Alfred Uchman：撰写—原稿、监督、方法学、调查研究、数据整理、概念化。Mateusz Miko?ajczak：方法学。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所报告工作的公正性。

**致谢**

本研究由波兰国家科学中心资助（DEC-2022/47/D/ST10/01103）授予WR。MJH感谢加拿大自然科学和工程研究理事会发现计划的资助。AC感谢意大利PRIN PNRR 2022资助的REMEPP项目支持（UNIPA PRJ-1566）。感谢Esther Martín-González在双壳类鉴定方面提供的帮助。我们感谢三位期刊审稿人和编辑的有益评论。

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