从中中新世气候最适期到中中新世气候转变期南海古环境响应：孤立碳酸盐台地的地球化学记录

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Paleoenvironmental response in the South China Sea from the Middle Miocene Climatic Optimum to Middle Miocene Climate Transition: Geochemical records from an isolated carbonate platform

　　

摘要 中新世中期气候适宜期（MMCO）至气候转型期（MMCT）是新生代的一个关键转折点，然而其对浅水碳酸盐台地的印记仍知之甚少。我们对南海西沙群岛 CK2 井 13.5–18 Ma 的碳酸盐进行了系统的地球化学分析（主量/微量元素、δ13C、87Sr/86Sr），以重建一个孤立碳酸盐台地的古环境演化。利用 Al、Ti、Zr 追踪陆源输入，Ni、Cu、δ13C 代表海洋生产力，Mn 代表氧化还原条件，我们识别出三个演化阶段。在 18–17.42 Ma 期间，较弱的东亚夏季风（EASM）限制了源区的风化和侵蚀，维持了一个稳定、寡营养和氧化环境，陆源输入极少。从 17.42 到 14.87 Ma，在温暖的 MMCO 条件下，强化的 EASM 降水增强了化学风化和物理侵蚀，增加了陆源碎屑通量，升高的 87Sr/86Sr 佐证了这一点。高海平面和季风驱动的上升流协同作用显著提升了初级生产力。随后有机质耗氧引发了局部的次氧化条件。在 14.87 到 13.5 Ma 之间，EASM 减弱减少了风化和侵蚀，限制了陆源物质供应。长距离运输过程中的风成分选使得 Al 保持高位，而 Ti 和 Zr 下降。同时，海平面下降和上升流减弱导致生产力急剧下降。值得注意的是，Mn 富集持续存在，表明次氧化作用的主要驱动因素已从生产力引起的耗氧转变为海平面下降导致的水体循环受限。本研究表明，来自孤立平台的高分辨率地球化学记录有效地捕捉到了陆源输入、海洋生产力和氧化还原状态对中新世中期季风和气候强迫的耦合响应。

引言 中新世中期气候适宜期（MMCO，~17–14.7 Ma）代表了新生长期冷却趋势中一段显著的全局变暖时期（Shevenell 等，2004；Steinthorsdottir 等，2021；Westerhold 等，2020；Zachos 等，2001）。这一时期的特征是大气 CO?浓度升高（van de Wal 等，2011）、深海氧同位素值降低（Zachos 等，2001），以及全球平均温度比现在高约 3–6°C，伴随着全球海平面和深海环流模式的显著变化（Flower 和 Kennett，1994）。全球多个地区对 MMCO 气候变化做出了响应：例如，南极冰盖从大陆架退缩至横贯南极山脉的更高海拔（Lewis 等，2007）；低纬度地区水文循环、风化和有机碳埋藏增强（Clift 等，2014；Liu 等，2024）；降水增加（Guo 等，2002；Ma 等，2022；Zhao 等，2017）；以及亚洲内陆原生矿物溶解增强（Li 等，2023a）。在此温室峰值之后，地球气候跨越了一个关键阈值，并突然转变进入中新世中期气候转型期（MMCT，~14.7–13.8 Ma）。这一阶段以东南极冰盖的快速扩张和全球海平面的急剧下降为标志，预示着全球气候向冰室状态的不可逆转转变（Shevenell 等，2008）。

作为西太平洋最大的边缘海，南海（SCS）的环境演化受到东亚季风系统的强烈控制，季风的季节性交替深刻影响区域降水模式、陆源沉积物运输和表层海洋环流（Clift 等，2014；Wan 等，2007；Wei 等，2006）。众多研究记录了南海对 MMCO 极端气候的一系列古气候、地质和古海洋学响应（Clift 等，2014；Li 等，2023b；Ma 等，2023；Shao 等，2017a；Shao 等，2017b；Wan 等，2025；Wan 等，2009；Wan 等，2007；Zhang 等，2025）。例如，基于在南海北部海洋钻探计划（ODP）和国际海洋发现计划（IODP）1146（Clift 等，2014）、1148（Wei 等，2006）、U1499（Shu 等，2023）和 U1502（He 等，2022）站点取回的连续沉积序列，化学风化指数和粘土矿物组合的阶梯式变化表明，在 MMCO 期间，由强化的东亚季风驱动的陆源风化显著增强。此外，MMCO 期间初级生产力升高导致水柱中耗氧增加，导致南海深水中铁组分异常增加以及锰和铀的富集因子（MnEF、UEF）增加，指向缺氧条件（Zhang 等，2025）。底栖有孔虫组合也记录了这一时期水柱氧化度的显著下降（Xue 等，2019）。随后，在 MMCT 冷却阶段，随着生产力下降和环流重组，发生了向良好氧化条件的回归（Xue 等，2019；Zhang 等，2025）。

记录 MMCO 期间南海极端气候响应的绝大多数记录来源于深海盆地沉积物，而原位浅水环境的直接证据仍然缺乏。事实上，自新生代晚期以来，浅水碳酸盐台地已在热带和亚热带海洋中广泛发育（Shao 等，2017b；Wilson，2008；Wilson，2002；Wu 等，2021），作为记录全球海洋环境演化的理想档案（Camoin 和 Webster，2015；Jiang 等，2019；Yu，2012）。近年来，南海西沙和南沙群岛多次实施科学钻探计划（如 XK-1 和 NK-1 井），获得了关于自中新世早中期以来孤立碳酸盐台地的重大见解。这包括建立基于锶同位素地层学和微体古生物学的高精度年代地层框架（Fan 等，2020；Meng 等，2022；Su 等，2024）；台地构造对海平面波动的响应（Qin 等，2022；Shao 等，2017a；Zhao 等，2026）；由季风、温度和营养盐驱动的碳酸盐工厂更替（Wu 等，2021；Wu 等，2019b；Wu 等，2019a）；以及利用同位素和稀土元素等地球化学指标进行海水化学重建、陆源输入评估和成岩流体追踪（Chen 等，2024；Jia 等，2024；Jiang 等，2025；Wu 等，2024；Xu 等，2019）。然而，南海浅水碳酸盐台地的先前钻探研究通常缺乏高分辨率的年代框架，导致井间地层对比及其与全球气候事件的精确对应存在显著的不确定性。此外，现有研究主要集中在沉积相分类、古生物学描述和成岩过程，而从地球化学角度系统地重建古环境相对有限。目前，碳酸盐的微量元素和同位素组成已广泛应用于其他海洋区域来追踪古海洋学环境参数（例如，Ashok 和 Absar，2025；Han 等，2022；Jiang 等，2019；Liu 等，2025；Okafor 和 Azmy，2024；Shembilu 和 Azmy，2022；Steinmann 等，2020；Wittkop 等，2020），然而这种方法尚未系统应用于南海的孤立碳酸盐台地。特别是，在 MMCO 到 MMCT 期间，浅水台地上的陆源输入、生产力和氧化还原条件如何共同演化，以及浅水台地的古环境响应与同时期深海记录之间的异同，迄今为止尚未得到深入探讨。

为解决这些空白，本研究聚焦于 CK2 井，该井于 2013 年在南海西沙群岛的一个孤立碳酸盐台地上钻探（图 1）。岩心平均取心率约为 70%，大多数层段的取心率超过 80%，保存了连续的碳酸盐沉积记录，记录了从 MMCO 极端温暖到 MMCT 冰室状态的气候演化。在此，我们对 CK2 井 18–13.5 Ma 层段的碳酸盐岩石进行了系统的主量元素、微量元素和同位素分析。通过全面比较 CK2 井的高分辨率地球化学序列与同时期全球和区域气候及海洋学记录，本研究重建了西沙碳酸盐台地从 MMCO 到 MMCT 古环境的阶段性演化特征和驱动机制。

片段

区域背景 位于热带西太平洋和东印度洋的交界处，南海通过北部的台湾海峡和吕宋海峡与中国东海及太平洋相连，并向南通过巽他陆架与印度洋相连。总面积约为 350 万平方公里，它是西太平洋最大的边缘海之一（图 1A）。东亚季风自中新世早期甚至可能始新世以来就已存在，

主微量元素分析 总共收集了 875 个代表性样品，由珊瑚、珊瑚藻和整体基质沉积物组成，来自 CK2 井，空间分辨率 1 m。通过仔细的目视检查排除了可见的风化表面。然后使用牙科钻头获取新鲜材料，并在玛瑙研钵中研磨成粉末。其中，选取了 541–803 m 层段的 213 个样品用于本研究的古环境分析。所有地球化学样品前处理和

岩石学和矿物学 研究层段（541–803 m）以浅海礁滩碳酸盐石灰岩为主，含有丰富的生物骨架和生物碎屑，包括珊瑚、珊瑚藻、底栖有孔虫和双壳类。具体而言，541–611 m 层段主要由生物碎屑砾屑岩和颗粒岩组成。该部分的造礁生物以块状或分枝状珊瑚和双壳类为主，显示出相对较浅且高能的礁内坪环境。在

碳酸盐纯度评估 碳酸盐岩石有潜力记录同时期海水的地球化学特征，然而此类记录的可靠性关键取决于样品纯度。因此，碳酸盐纯度评估是古环境重建的重要前提。只有排除了同沉积陆源碎屑的掺入和沉积后改造（例如成岩流体 - 岩石相互作用、白云岩化）后，记录的微量元素信号才能

讨论 基于上述碳酸盐纯度评估，CK2 井的地球化学代用指标分为两组用于古环境解释：（1）陆源碎屑指示元素（Al、Ti、Zr），用于追踪陆源物质输入的强度和运输模式的变化；（2）海水环境指示元素（Mn、Ni、Cu），分别反映水柱氧化还原条件和海洋初级生产力的变化。

作为氧化还原敏感元素，Mn

结论 CK2 井碳酸盐的主微量元素分析揭示，在 MMCO 到 MMCT 期间，西沙孤立碳酸盐台地的陆源输入、海洋生产力和水柱氧化还原条件经历了显著的阶段性演化。在 S1（~18–17.42 Ma）期间，MMCO 之前，EASM 相对较弱，限制了风化和侵蚀，减少了源区的陆源物质供应。因此，陆源碎屑输入（Al、Ti、Zr）、生产力

CRediT 作者贡献声明 Ning Guo：写作 - 初稿，可视化，软件，调查，形式分析。Wei Jiang：写作 - 审查与编辑，可视化，监督，方法论，调查，形式分析，概念化。Tianlai Fan：调查，数据管理。Shendong Xu：调查，数据管理。Rui Wang：调查，数据管理。Jian-xin Zhao：方法论，数据管理。Yue-xing Feng：方法论，数据管理。Kefu Yu：可视化，监督，资源，项目管理。

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

致谢 本研究得到了国家自然科学基金（批准号 42030502）、广西科技计划项目（编号 AD25069075）、广西壮族自治区重大人才项目（GXR-1BGQ2424020）以及广西研究生教育创新项目（YCSW2024062）的资助。

Ning Guo|Wei Jiang|Tianlai Fan|Shendong Xu|Rui Wang|Jian-xin Zhao|Yue-xing Feng|Kefu Yu
中国广西大学海洋科学学院南海珊瑚礁研究广西实验室，南宁 530004，中国