基于褐铁矿测年和稳定同位素的新生代古温度重建揭示了冰室时期热带北非的气候放大效应

《Global and Planetary Change》：Cenozoic paleotemperature reconstruction from goethite dating and stable isotopes reveals climate amplification in tropical North Africa during icehouse

　　

摘要

大陆古气候重建对于理解长期气候动力学至关重要，但由于缺乏传统记录档案，（次）热带地区的地陆记录仍然稀少。本研究基于非洲西北部阿提阿特勒（摩洛哥）富含多金属硫化物矿床上覆数处褐铁矿中的超基因褐铁矿（U-Th)/He定年以及氢氧稳定同位素分析，重建了该地区首条新生代大陆古温度记录。数据显示，过去约7600万年来该区域经历了长期的风化作用，使其尽管经历间歇性海侵，仍作为周围盆地的沉积物来源。鉴于该陆生记录的分辨率及不确定性，褐铁矿衍生的古温度记录与区域及全球新生代趋势一致，但揭示出陆生系统与海洋系统之间存在显著的区域性解耦。北非对气候强迫的响应更为剧烈，这可能与南极冰盖扩张、自渐新世以来赤道辐合带北移以及早中新世至中中新世地中海海道的限制有关。现代北非虽然干旱，但其温度低于新生代任何时期。这些发现表明，（次）热带陆地在北半球中纬度全球平均温度背景下经历了独特且可能被放大的气候轨迹，而这些轨迹在海洋档案中是不可见的，凸显了大陆代用指标对于完整理解地球气候演化对陆生领域影响的重要性。

引言

量化古温度是理解并重建地球在地质时间尺度上的气候演化及其对陆地生态系统和生物多样性的影响的基础（Nolan et al., 2018）。古温度重建主要依赖于海洋代用指标，因为海洋沉积物提供了过去气候波动的连续、保存完好且具有全球整合性的记录。来自深海底栖有孔虫的稳定碳和氧同位素记录是地球碳循环、深海温度和海水中长期变化的可靠档案，其受冰量变化驱动（Zachos et al., 2001; Miller et al., 2011; Westerhold et al., 2020）。尽管取得了这些进展，由于连续陆地档案的稀缺、代用指标校准的复杂性以及获取精确年代的局限性，长期大陆古温度重建仍然极具挑战性。

陆地气候往往与海洋温度趋势脱钩，因为陆地对气候变化的响应比海洋更为迅速且幅度更大（Fedorov et al., 2013; Lu et al., 2022）。大陆温度是否遵循从海洋记录推断出的同一条长期降温趋势仍不清楚（Utescher et al., 2015）。这种可能的差异，加上海洋与陆地古温度重建之间的不平衡，限制了我们建立真正全球视角来认识过去气候的能力，也制约了我们对陆地与海洋生态系统之间相互作用的理解。全面重建陆地温度演化对于解读地质时间尺度上气候驱动的生物多样性变化、物种灭绝和演化适应至关重要（Zachos et al., 2008）。填补这些知识空白将有助于完善我们对区域陆地环境中驱动过去气候变异机制的理解，并改善对未来气候变化的预测。

对于上新世以前的时期，仅有少数陆地古温度重建方法能够提供可靠的定量估计（Dworkin et al., 2005）。其中，化石植物组合（Mosbrugger et al., 2005; Utescher et al., 2015; Herbert et al., 2016）以及有机物和/或成土矿物的同位素组成（Yapp, 1987; Eiler, 2011; Jolivet and Boulvais, 2021）是最广泛使用的方法。褐铁矿（α-FeOOH）是一种普遍存在于富氧湿润地下环境中的矿物，通过原生含铁矿物在大气降水影响下发生化学风化而形成（Cornell and Schwertmann, 2003）。这些矿物的氢氧同位素组成的综合提供了大气降水同位素组成和这些矿物所在陆地温度的关键信息（Yapp, 1987, Yapp, 2000）。最近，褐铁矿的（U-Th)/He定年法（GHe）（Shuster et al., 2005）作为一种有价值的工具脱颖而出，用于约束不同地质环境中的矿物沉淀时间（Cornell and Schwertmann, 2003; Pidgeon et al., 2004; Dani?ík et al., 2013; Heim et al., 2006; Riffel et al., 2016; Gautheron et al., 2022）。此外，将GHe定年与同一样品分样的稳定氧同位素和氢同位素分析相结合，能够对大气降水及其间接相关的古温度趋势在地质时间尺度上的演化进行详细重建（Miller et al., 2017; Yapp and Shuster, 2017; Yapp, 2020; Ansart et al., 2025）。然而，许多此类研究仅限于较短的时间间隔或分散的采样点，这限制了对长期陆地古温度演化的稳健重建能力。

本研究呈现了来自摩洛哥阿提阿特勒多金属矿床风化区（即褐铁矿带）中的大陆褐铁矿新数据（图1；见补充数据1）。通过将GHe定年与其对应的稳定氢氧同位素组成相结合，我们重建了大气降水的组成，进而推断了整个新生代的大陆古温度。这些结果表明，全球海洋气候与北非大陆气候之间存在长期的解耦趋势，进一步引发了对其他类似地区类似动力学的质疑。

章节片段

材料与采样策略

在阿提阿特勒（AA），褐铁矿是主要的铁氧化物（Verhaert et al., 2020; Poot et al., 2020, Poot et al., 2026）。所分析的褐铁矿采样自AA地区沿排列的元古宙地盾（Agoujgal、Tazalaght、Tassrirt、Irohs、Assifid、Tizert、Ighrem、Imi Omagha）的8个站点（图1；见补充表S3），其海拔高度从900至1800米不等，处于现代干旱至半干旱气候带。共采集了54份褐铁矿样品，

褐铁矿（U-Th)/He数据

对选定的假象、微晶状和葡萄状褐铁矿进行了岩石学检查，仅选取褐铁矿相最纯的样品进行定年（见补充数据1）。我们选择的样品数据集包括17个假象、微晶状和葡萄状褐铁矿（图1）。考虑到所有已定年样品（n = 84；包括24个样品的重复测量），褐铁矿GHe年龄的范围从<0.8至76 ± 5 Ma。总体而言，测得的年龄在样品之间存在差异，

阿提阿特勒的长期化学风化及其区域意义

新的GHe数据约束了AA地区从晚白垩世到现在的长期化学风化过程（<0.8至76 Ma；图2）。尽管AA地区并非在整个地质时期都持续进行风化，因为部分区域曾周期性被淹没（Clementucci et al., 2023），但高地内部区域（即元古宙地盾，图1）可能一直保持暴露状态并持续接受地表风化。因此，AA地区可能构成了一个长期存在的

结论

我们基于阿提阿特勒褐铁矿的古气候记录记录了近7600万年的风化历史，强调了该山脉作为潜在沉积物来源的长期作用。尽管褐铁矿（U-Th)/He年龄的有限时间分辨率以及δD–δ¹⁸O褐铁矿测温法的固有不确定性，本研究提供了北非新生界首条长期大陆温度重建。

结果提示两者之间可能存在分歧，

CRediT作者贡献声明

Augustin Dekoninck：写作——初稿撰写、可视化、验证、监督、调查、形式分析。Michèle Verhaert：写作——审阅与编辑、可视化、项目管理、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念构思。Cécile Gautheron：写作——审阅与编辑、可视化、验证、监督、资源获取、项目管理、方法论、经费获取、形式分析、数据整理、概念构思。Torsten

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的竞争经济利益或个人关系可能影响到本文报告的工作。

致谢

AD为博士后研究人员，MV为比利时科研基金会（FNRS）FRIA资助获得者。我们感谢MANAGEM S.A.公司在O. Maddi和L. Maacha的领导下提供矿山现场进入许可。我们感谢G. Rochez（UNamur）进行样品制备和XRD分析。本研究使用了那慕尔大学电子显微镜服务中心的资源。本工作在法国国家研究署（ANR）RECA-ANR-17-CE01-0012-01项目和欧洲

Augustin Dekoninck|Michèle Verhaert|Cécile Gautheron|Torsten Vennemann|Rosella Pinna|Mohammed Bouabdellah|Julien Poot|Johan Yans

比利时蒙斯大学理工学院矿冶工程系，Rue du Joncquois 53, 7000 Mons, 比利时