自末次盛冰期以来西锡缅鲁岛西部海域温跃层与古生产力变化及其与季风水文气候的关系

《Quaternary International》：Thermocline and paleoproductivity changes off West Simeulue Island in relation to monsoonal hydroclimate since the Last Glacial Maximum

　　

摘要
印度季风强烈影响热带东印度洋，然而长期以来关于苏门答腊岛西缘上层海洋结构和生产力的变化一直缺乏足够的约束。在此，我们利用重力岩芯 EW17-08（采集于西锡梅卢埃岛外，水深 2811 米），通过元素比值（Ti/Ca、K/Ca 和 Rb/Sr）结合浮游和底栖有孔虫组合，进行了多代用指标重建。该记录涵盖了大约从末次冰盛期到全新世的时期。这些代用指标用于检查陆源沉积物输入、与温跃层相关的栖息地、生产力以及底层水条件的变化。元素比值表明，在冰期期间陆源输入相对较低，在早中期全新世的大部分时间输入较高，而在晚全新世期间总体下降。有孔虫组合显示，与温跃层相关的和混合层种类发生了显著变化，并在脱冰期和早中期全新世的部分时间生产力普遍较高，但在大约 4 千年前之后下降。大约 16.5 千年前之后，与低氧条件相关的底栖种类减少，表明底层水环境条件发生了变化。陆源输入和生产力并未表现出一致的变化，表明生产力受到淡水分层、垂直混合、上层海洋结构和次表层营养物质可用性的综合影响，而不仅仅是季风水文气候的作用。总体而言，该记录表明与季风变率相关的广泛的水文气候和上层海洋条件发生了多千年尺度的变化，而局部海洋过程影响了海洋响应。鉴于年代学控制有限，结果被解释为广泛趋势，而不是个别气候事件的精确记录。

引言
热带东印度洋，包括苏门答腊岛西缘西锡梅卢埃岛外海域，直接处于印度季风系统的影响之下，该系统驱动了表层风、降水和海洋环流的季节性反转（Lückge et al., 2009; Mohtadi et al., 2011a）。在北半球夏季（西南季风），强烈的跨赤道风增强了印度洋东缘的上升流和表层生产力，而在北半球冬季（东北季风），减弱的风和增加的降水降低了表层盐度并使上层海洋分层（Mohtadi et al., 2017; Rixen et al., 2006）。这些季风驱动的过程控制了陆源物质的输送、温跃层的强度以及营养物质的供应，将大陆水文气候与海洋生产力和氧化作用联系起来。在更长的时间尺度上，自末次冰盛期以来，印度季风的强度和时机受到轨道 forcing、冰量变化和全球遥相关的调节（Clemens et al., 2018; Tierney et al., 2020）。因此，该地区的沉积物记录了大陆和海洋对印度季风变率的响应，为评估亚洲季风系统的演变提供了宝贵的记录。

尽管印度季风具有重要的区域意义，但苏门答腊岛西缘仍存在两个关键的研究空白。首先，由于缺乏来自该地区的连续且年代确定良好的沉积岩芯，自末次冰盛期以来响应季风变率的温跃层和生产力变化的时间模式和幅度一直约束不足。苏门答腊岛西坡代表了一个过渡环境，受到开放海洋过程和陆地径流的双重影响，使其成为季风驱动的水文气候变化的敏感记录者。其次，虽然基于 X 射线荧光（XRF）的元素比值如 Ti/Ca、K/Ca 和 Rb/Sr 已成功应用于重建东印度洋其他地区的陆源通量和降雨变率（Holbourn et al., 2011; Kuhnt et al., 2015），但很少有研究将这些地球化学代用指标与有孔虫组合数据相结合，以解释苏门答腊岛西缘温跃层深度、古生产力和底层水氧化作用的联动变化。

印度洋的众多古海洋学研究表明，陆源元素比值（如 Ti/Ca、K/Ca、Rb/Sr）是大陆径流和季风降雨的可靠追踪者，因为它们反映了化学风化和河流输入的变化（Kuhnt et al., 2015; Mohtadi et al., 2011b, 2017）。同时，浮游和底栖有孔虫组合提供了上层海洋结构、生产力和氧化还原条件的稳健指示（Jorissen et al., 2007; Rathburn and Corliss, 1994）。温跃层栖息种和表层栖息种浮游有孔虫相对丰度的变化反映了温跃层深度和营养物质可用性的变化（Bolliet et al., 2011），而底栖有孔虫的变化则追踪了氧化和有机质通量向海底的输送（De and Gupta, 2010）。结合基于 XRF 的地球化学记录与有孔虫组合分析的多代用指标重建，已成功将季风强度与阿拉伯海和东印度洋表层生产力和中层水通风的变化联系起来（Kuhnt et al., 2015; Lückge et al., 2009; Mohtadi et al., 2017）。然而，印度尼西亚最西边缘缺乏同类数据集，该地区的地方水文气候直接受印度季风区域变性的塑造。

本研究旨在利用自然对数转换的 XRF 元素比值（ln Ti/Ca、ln K/Ca 和 ln Rb/Sr），重建自末次冰盛期以来西锡梅卢埃岛外的季风降雨和陆源输入。温跃层深度、古生产力和底层水氧化的变化是从浮游和底栖有孔虫组合的相对丰度中推断出来的。本研究还旨在识别与印度季风变率相关的重大古海洋学转变的原因。通过整合地球化学和微古生物学代用指标，本研究提供了一个稳健的框架，以揭示东印度洋季风水文气候、温跃层动力学和生物生产力之间的耦合。研究结果将为了解印度季风系统在其最敏感的热带海洋区域之一的长期演变和气候影响提供新的见解。

热带东印度洋，包括西锡梅卢埃岛外海域，由印度季风系统主导，该系统是更广泛的亚洲季风复合体的重要组成部分。印度季风源于与赤道辐合带（ITCZ）纬度迁移相关的大气环流强烈季节性反转（Wang et al., 2017; Webster et al., 1998）。在北半球夏季，ITCZ 向北移动并位于印度次大陆至中南半岛上方，建立了西南季风（SWM）。这种环流从南半球带来湿润的海洋空气，导致南亚和东南亚广泛降雨。在北半球冬季，ITCZ 向南迁移，产生了东北季风（NEM），其特征是干燥的大陆气团主导该地区大部分地区（Clemens and Prell, 1991; Zhisheng et al., 2015）。这些季风风的反转受海陆热力差异控制，并受印太海表温度（SST）梯度调节，后者也将印度季风与更广泛的亚洲季风系统联系起来（Konecky et al., 2013; Wang et al., 2005）（图 1）。

在印度洋东部上空，苏门答腊岛西缘的地方水文气候对季风变率和 ITCZ 迁移高度敏感。在 SWM 期间（6 月至 9 月），强烈的西南风增强了苏门答腊岛边缘的沿海上升流，并促进了高表层生产力。相反，在 NEM 期间（12 月至 3 月），增加的降水和淡水输入降低了表层盐度并增强了垂直密度梯度，而较弱的风驱动混合和受抑制的上升流允许更强的表层分层和更厚的阻挡层发展（Qu et al., 2005; Sprintall et al., 2014）。这些季节性变化也影响了区域降雨和陆源输入，增强的 SWM 降雨增加了河流流量和来自苏门答腊岛西高地的沉积物供应。

区域海洋环流反映了这些大气变化。西南季风洋流（SWMC）在 SWM 期间向东流经赤道印度洋，而东北季风洋流（NEMC）在 NEM 期间反转向西流动（Schott and McCreary, 2001; Shankar et al., 2002）。在赤道以南，南赤道逆洋流（SECC）在 SWM 期间增强，而在印度尼西亚南部边缘，南爪哇洋流（SJC）向东流动并与澳大利亚西岸的列维恩洋流（LC）连接，后者在南半球冬季变得更加强烈（Feng et al., 2003）。喀里马塔海峡穿过流（KSTF）将低盐度的南海水输送到爪哇海，在太平洋和印度洋之间压力梯度最强的 NEM 期间达到峰值（Fang et al., 2009; Gordon et al., 2012）。在西北部，东印度沿岸流（EICC）在孟加拉湾形成一个半永久特征，季节性反转方向并调节印度边缘的淡水和沉积物扩散（Mukhopadhyay et al., 2020; Shankar et al., 2002）（图 1）。

连接太平洋和印度洋的关键要素是印度尼西亚穿过流（ITF），它将温暖、低盐度的太平洋水通过印度尼西亚群岛输送到印度洋。ITF 对印度洋的南赤道洋流（SEC）贡献显著，并调节盆地间的热量和淡水收支（Gordon et al., 2010; Sprintall et al., 2009）（图 1）。ITF 强度和路径的变率影响了整个印度洋东部，包括锡梅卢埃岛边缘的温跃层深度、营养物质上升流和上层海洋分层。这些耦合的大气 - 海洋相互作用共同决定了研究区域生产力、水柱结构和沉积模式的时空变率。

章节片段
数据收集与制备
本研究使用了重力岩芯 EW17-08，采集于 2017 年 Widya Nusantara 远征（E-WIN）期间，地点位于西锡梅卢埃岛外，坐标 2.496°S, 94.779°E，水深 2811 米。该岩芯总长度为 217 厘米（图 2，表 1）。XRF 样品以 1 厘米间隔采集（共采集 217 个子样品）。为了最小化沉积物干燥带来的潜在污染，样品在分析前用聚丙烯塑料保鲜膜密封。

元素组成
年龄模型结果
岩芯 EW17-08 的 AMS 14C 测年结果总结在表 2 中，贝叶斯年龄 - 深度模型如图 4 所示。校准的年代将岩芯底部段（216–217 厘米）置于大约 24.77 千年前，处于末次冰盛期内，通常定义为～26.5–19 千年前（Clark et al., 2009）。对于这个底部样品，可获得的球杆虫属标本非常少，因此使用了混合浮游有孔虫类群以获得足够的碳酸盐材料进行 AMS 14C 测年。

结论
岩芯 EW17-08 的多代用指标记录表明，自末次冰盛期以来，西锡梅卢埃岛外的水文气候和上层海洋条件发生了广泛的、多千年尺度的变化。元素比值表明，在冰期期间陆源沉积物输入相对较低，随后在早中期全新世的大部分时间输入较高，并在晚全新世期间总体下降。这些变化与季风水文气候的长期变化大致一致，尽管

CRediT 作者贡献声明
瑞恩·德维·瓦胡·阿尔迪：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。普尔纳·苏拉斯蒂亚·普特拉：写作 – 审阅与编辑，验证，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，概念化。塞普特里奥诺·哈里·努格罗霍：写作 – 审阅与编辑，验证，资源，项目管理，方法论，资金获取，数据

数据可用性
支持本研究结果的主要数据，包括贝叶斯年龄模型结果、元素比值数据、鉴定的有孔虫类群及其丰度，以及基于有孔虫的代用指标数据，作为本文的补充材料提供。

关于稿件准备过程中使用生成式人工智能和人工智能辅助技术的声明
在准备本稿件期间，作者使用了 ChatGPT (OpenAI) 来协助提高文本的清晰度、可读性和语言质量。在使用该工具后，作者对所有内容进行了彻底的审查、编辑和验证，以确保其准确性和科学完整性。作者对本文呈现的内容和结论承担全部责任。

竞争利益声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文报告的工作。

致谢
作者感谢国家研究与创新署（BRIN）海洋学研究中心授予使用数据的权限。我们还感谢国家研究与创新署（BRIN）地质灾害研究中心以及万隆理工学院地球科学与技术学院地质工程课程在样品分析期间提供实验室设施和支持。

瑞恩·德维·瓦胡·阿尔迪 | 普尔纳·苏拉斯蒂亚·普特拉 | 塞普特里奥诺·哈里·努格罗霍 | 温达·埃卡·曼迪里·普特里 | 赫里尔·安瓦尔·玛丽尤纳尼
苏迪尔曼将军大学工程学院地质工程系，印度尼西亚中爪哇省布尔干加