西菲律宾海冰消期层状硅藻垫（Ethmodiscus rex）及其古海洋学意义

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Deglacial Laminated Diatom Mats ( Ethmodiscus rex), in the Western Philippine Sea and their palaeoceanographic significance

　　

摘要

我们报告了来自琉球增生楔的厚的Ethmodiscus rex层状硅藻垫（LDM）的首次记录，该记录保存在末次冰消期的深海沉积物中（水深 4.3 公里）。E. rex是一种巨型硅藻物种，能够调节浮力并进行垂直迁移以获取营养盐，在冰期是海洋初级生产力的关键组成部分。本研究采用了粒度分析、地球化学分析、CT 扫描、XRF-CS 和显微分析。为了克服显微分析在定义弥散性 LDM 边界方面的局限性，我们整合了 CT 扫描和 XRF 的多变量统计技术。对 MD18–3532 沉积岩心上部 12 米的聚类分析揭示了五个地球化学聚类，其特征是在过去 18.4 千年前沉积物来源发生了明显变化，表现为波动的陆源和生物源信号。针对 HS1 的聚类，结合 CT 衍生的低密度区，通过分离出一种独特的、具有高孔隙率地球化学特征（以升高的 Cl 和 Br 及高非相干/相干比值为特征）的高孔隙率指纹，精确绘制了间歇性 LDM 边界。我们的地球化学结果表明，HS1 期间E. rex水华的发展主要由强化的东亚冬季风活动驱动，这增强了风成粉尘的输送，并向分层表层水提供了生物可利用的溶解硅和铁，而深层水上涌营养盐的作用较小。末次冰消期海洋生产力的增强由升高的 Br/Ti 比值、生物硅质物质和总硫含量所证实。在一个比以前记录更浅深度的新副热带地区发现的 LDM 为巨型硅藻垫的形成机制和地理范围提供了新的见解，强调了耦合的海洋 - 大气相互作用在控制和驱动过去及未来气候转型期间的生物地球化学过程中的关键作用。

引言

西太平洋通过其复杂的海洋学系统和海洋生物地球化学循环过程，在全球气候调节中发挥着关键作用。在该区域内，菲律宾海作为一个显著区域脱颖而出，其特征是贫营养的表层水和由信风驱动的系统（Tang 等，2024；Xiong 等，2018）。台湾冲断带位于两个相向的俯冲带之间，将大量的造山碎屑输送到周围的弧前盆地和海沟（Garzanti 等，2023）。因此，琉球弧前盆地系统，包括水深在 3000 至 4500 米之间的霍平盆、南小盆、东南小盆和波照间盆（图 1b），接收了由台湾极端侵蚀率驱动的巨量沉积物通量，这是地球上最高的侵蚀率之一（Dadson 等，2004；Kao 和 Milliman，2008）。与此同时，该地区接收了大量遥远的中亚风成粉尘的输入，这些粉尘通过高空对流层路径输送，越过区域地形后在西太平洋上空沉降（Uematsu 等，1983；Uno 等，2009）。这种快速沉积发生在水深低于太平洋现代方解石溶解线（3400 米）的地方（Jia 等，2020），导致了有利于硅质微化石（如硅藻）的选择性保存，同时限制了基于碳酸盐的古海洋学代用指标的使用。

硅藻由于其主导海洋初级生产力的作用，提供了特别有价值的古环境指标，其贡献了高达现代海洋生产力的 40%，并作为生物碳泵的主要驱动力（Liu 等，2024）。由硅藻水华下沉颗粒驱动的生物碳泵，代表了一种关键的大气 CO? 吸收和气候调节机制（Kemp 等，2006）。在硅藻中，如Ethmodiscus rex（E. rex）等巨型物种表现出独特的生态策略，使其对于理解过去环境条件特别重要。尽管是现代海洋浮游植物的次要组成部分，E. rex利用复杂的浮力调节功能作为“耐荫植物”，在低光的次表层水中繁衍生息，并在深层营养盐池和表层透光层之间移动（Kemp 等，2000）。

这种生态策略使得巨型硅藻能够在阳光照射的表层水和富含营养盐的深层水交界处形成深叶绿素最大层（DCM），特别是在分层的热带海洋条件下（Kemp 等，2006；Kemp 等，2000）。当这些 DCM 群落的输出生产力达到足够高的水平时，由此产生的沉积物会形成独特的层状硅藻垫（LDM），这已在多个海洋盆地得到记录，包括西太平洋、印度洋和赤道大西洋（Abrantes，2001；Deckker 和 Gingele，2002；Garzanti 等，2023；Broecker 等，2000）。这些单一物种的E. rex沉积物代表了卓越的古环境档案，因为它们的形成需要水柱分层、营养盐可用性和保存条件的特定组合，而这些条件对气候和海洋学变化很敏感（Kemp 等，2000）。

本研究考察了保存在琉球增生楔区域深海沉积岩心中的厚E. rex层状硅藻垫，重点关注它们在冰消期转型过程中的古海洋学生成过程。为此，我们应用了多变量统计技术，特别是主成分分析（PCA）和层次聚类，对高分辨率、无损的 X 射线荧光岩心扫描（XRF-CS）数据进行分析（Martin-Puertas 等，2017；Huang 等，2025）。虽然传统的显微分析往往难以检测薄硅藻层或精确定位其弥散边界，但这种统计方法为区分不同的沉积相提供了一个客观的地球化学框架，并成功绘制了在其他情况下容易被稀释或掩盖在散装沉积物记录中的间歇性硅藻垫。通过整合详细的地球化学和沉积学代用指标与古海洋学重建，本研究旨在阐明黑潮（KC）变率、东亚季风（EAM）影响、与深海环流变化的联系、这一全球气候变化关键时期巨型硅藻生产力以及 LDM 保存条件之间的关系。我们的发现为西太平洋海洋学过程在全球生物地球化学循环和气候调节中的主要气候转型期间以及未来气候模型中的作用提供了新的见解。

章节片段

构造与沉积背景

琉球岛弧形成于中新世以来菲律宾海板块俯冲至欧亚板块之下。在过去 8 至 10 百万年中，琉球俯冲带的东西走向南段沿 STEP（俯冲 - 转换边缘传播者）断层向西传播，这是由南海板块沿马尼拉海沟的回撤驱动的（Lallemand 等，2001）。研究区域包括几个深盆，包括位于

研究区域与沉积岩心位置

2018 年由台湾和法国开展的一项国际计划台湾附近海洋地质记录中的极端事件存档（EAGER），在台湾东部近海回收了沉积岩心。在“玛丽 - 杜弗伦斯二世”号考察船执行的 EAGER 航次期间，沉积岩心 MD18–3532（23°28.88′N, 123°5.89′E；水深 4325 米，岩心长度 22.98 米）于 2018 年 6 月被回收（Babonneau 等，2025）。岩心站位位于台湾以东的琉球增生棱内的坡内盆地，属于

结果

全新世和 YD（新仙女木期）时段（0–375 厘米；3.4–12.9 千年前）的特征是中等深灰色粘土，带有非常薄的平面层理。这个时间间隔表现出最低的质量累积和沉积速率（36.9 厘米/千年；图 3）。平均中值粒径为 6.1 微米，CT 扫描图像显示在此期间整体体密度相对较高。波林 - 阿勒罗德（B/A）（375–642 厘米；12.9–14.7 千年前）表现出最高的沉积速率（268.4 厘米/千年；图 3）。

讨论

MD18–3532 微型盆地内的沉积主要由半深海沉积主导，局部辅以重力驱动过程。由于明显的水深屏障（图 1，图 2），源自台湾并通过琉球弧前系统传输的浊流和超密流被周围的隆起有效阻挡，因此无法到达 MD18–3532 岩心站位。在 chirp 声呐数据中未观察到局部不整合面（图 2），表明

结论

本研究为东亚季风变率、黑潮变率和海洋生产力在主要气候转型期间的复杂关系提供了新的见解，强调了西太平洋海洋学过程在末次冰消期全球气候系统重组中的重要性。在西菲律宾海，特别是在末次冰消期水深 4.3 公里的琉球增生楔中识别出E. rex LDM，代表了

CRediT 作者贡献声明

Thilina Munasinghe: 写作 – 初稿，可视化，方法论，形式分析，数据整理，概念化。Pierrick Fenies: 写作 – 审查与编辑，资源，调查，概念化。Jyh-Jaan Steven Huang: 写作 – 审查与编辑，资源，调查。Ludvig L?wemark: 数据整理。Nathalie Babonneau: 写作 – 审查与编辑，资源，项目管理，调查，资金获取，数据整理，概念化。Gueorgui Ratzov:

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本报告中工作的影响。

致谢

本研究得到了国家科学及技术委员会（NSTC 110-2116-M-110-001-, 111-2116-M-110-001-, 112-2116-M-110-001-）和国立中山大学的支持。我们衷心感谢台湾附近海洋地质记录中的极端事件存档（EAGER）项目和所有参与成员提供沉积物样本并协助样本处理。我们也感谢国立中山大学微古生物学实验室的工作人员对实验室的支持

蒂莉娜·穆纳辛格|皮耶里克·费尼斯|黄志坚·史蒂文|路德维格·洛夫马克|娜塔莉·巴诺诺|格奥尔基·拉佐夫|徐书坤|苏志杰|玛丽亚 - 安杰拉·巴塞蒂|娜塔莉亚·巴斯克斯·里韦罗斯|张元品

台湾国立中山大学海洋学系