北极斯瓦尔巴群岛康士伯湾槽后冰期沉积动力学与海洋 - 冰冻圈相互作用

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Postglacial depositional dynamics and ocean-cryosphere interactions in Kongsfjordrenna, Arctic Svalbard

　　

摘要

本研究对来自斯瓦尔巴群岛西北部康格松菲奥伦纳（Kongsfjordrenna）的海洋沉积岩芯进行了多代用指标分析，以重建过去14 cal ka BP以来冰川后退期沉积过程与海洋水文条件的演化历史。粒度端元建模识别出三个明显的端元组分，反映了冰盖动力学与底层水活动变化的不同影响。利用碎屑铈和自生铈同位素互补分析，进一步约束了沉积物物源及水团组成的时序变化。在晚勃林期-奥尔德温间冰段期间，大西洋水（AW）流入的逐步减弱可能削弱了冰川底部及冰川融化的强度，从而减少了陆源沉积物的供给。在亚新干冷期（YD）期间，严酷寒冷的条件抑制了冰川活动并促进了常年海冰覆盖，在减弱的底层流作用下，以细颗粒沉积物为主的沉积过程占主导地位。然而，随着YD的持续，冰筏碎屑（IRD）通量的增加反映了冰阶段性冰川退缩和融化的事件。相比之下，全新世早期以大西洋水流入加速为特征，触发了快速冰川退缩、融水径流增强以及IRD通量升高。在全新世热极盛期，大西洋水增强的输运与融水注入的协同作用导致明显的水柱分层发育，形成较冷的表层淡水覆盖于较暖的次表层大西洋水之上。在新一轮冰期期间，北极水的重新影响促进了冰川再推进和海冰扩张；与此同时，在该远源冰川环境中，沉积物的沉积与再分配主要受持续的底层流活动控制。此外，自生铈同位素记录进一步表明，最近一次冰消期中本地来源的融水对峡湾槽谷水团的影响远大于现今，为冰后期水文演化提供了新的约束。总体而言，将粒度端元建模与铈同位素特征相结合，可深刻揭示冰川动力学、海洋环流和海冰变化的耦合演化关系，强调了海洋与冰冻圈强迫在控制最后一次冰消期以来北极斯瓦尔巴峡湾槽谷系统中沉积通路与海洋水文条件方面所发挥的综合作用。

引言

北极地区目前正在经历增幅约为全球平均4倍的变暖，这一现象被称为北极放大效应（Rantanen 等，2022；Serreze 和 Barry，2011）。这种显著的变暖由大气-海洋-冰系统中复杂的反馈机制所驱动，其中冰-反照率反馈起着至关重要的主导作用（例如，Beer 等，2020；Jenkins 和 Dai，2021；Woods 和 Caballero，2016）。近期地表气温变化趋势表明，位于北大西洋与北冰洋关键通道的斯瓦尔巴群岛是最受影响的区域之一（IPCC，2023；Rantanen 等，2022）。因此，该群岛的海冰范围急剧缩减，冰川质量平衡持续为负值，且进一步受到暖大西洋水（AW）涌入峡湾系统的加剧（Martín-Moreno 等，2017；Szafraniec，2018；Tesi 等，2021）。尽管近期的变暖趋势与人为强迫密切相关，但北极地区的自然气候变率仍缺乏充分的约束（参见 IPCC，2023）。因此，重建过去的气候条件及相伴的环境变化，尤其是在人为影响极小的时期，对于精细化未来气候动态的预测及其对斯瓦尔巴有冰区的影响至关重要。

在上末次盛冰期（LGM；约 26–21 cal ka BP），斯瓦尔巴-巴伦支海冰盖（SBSIS）完全覆盖了斯瓦尔巴群岛，并延伸至邻近的大陆架边缘（Hormes 等，2013；Hughes 等，2016）。冰盖消退随后由大气变暖和大西洋水流入增强所触发，导致 SBSIS 的快速但空间非均匀的退缩，并持续至全新世早期（Farnsworth 等，2020；Hormes 等，2013；Hughes 等，2016）。地质档案显示，在这一气候转换期间冰川活动存在显著的区域差异（Farnsworth 等，2020 及其引用文献），凸显了多种驱动因素之间的复杂相互作用，包括风驱降水模式（F?rland 等，2011；Kejna 和 Sobota，2019；Kjellman 等，2024）、峡湾形态（Larsen 等，2018）、冰川后冰期反弹（Farnsworth 等，2024；Forman 等，2004；Zwoliński 等，2013）以及海洋热传输（Martín-Moreno 等，2017）。鉴于其较高的沉积速率，峡湾沉积物可作为高分辨率档案，记录这些复杂的冰川动力学与气候变率（Cottier 等，2010；Forwick 和 Vorren，2009；Howe 等，2010），从而为了解塑造复杂斯瓦尔巴峡湾环境中冰川海洋系统的驱动因素提供关键见解。

近几十年来，西斯瓦尔巴外海的康格松菲奥登-克罗斯菲奥登系统已成为监测这些前所未有的环境变化的哨兵站。该系统的动力学特征由暖大西洋水与退缩型入海冰缘冰川融水径流之间的竞争影响所主导（Hop 等，2002；Jernas 等，2018；Menze 等，2020）。虽然康格松菲奥登槽谷的沉积记录表明冰川行为与大西洋水变率之间存在紧密联系（Skirbekk 等，2010），但全新世之前的沉积过程与环境条件仍缺乏充分的约束。因此，厘清早期冰消期阶段海洋水文与冰冻圈响应的耦合关系，对于理解这一复杂峡湾环境的长期演化至关重要。

为填补这一知识空白，本研究对来自康格松菲奥伦纳（Kongsfjordrenna）的冰川海洋沉积岩芯进行了高分辨率调查，该岩芯记录了过去14 kyr的演化历史（Knies 等，2025）。通过将粒度端元建模与沉积物理性质及铈（Nd）同位素相结合，我们重建了冰川和海洋水文条件变化所对应的沉积环境演化过程。这些记录为了解冰后期以来沉积过程中的瞬态扰动及其沉积记录特征提供了有价值的见解，从而增强了我们对区域冰冻圈-海洋相互作用及其与全球气候变率更广泛遥相关关系的理解。

章节片段

区域环境

斯瓦尔巴群岛由数个岛屿组成，包括斯匹次卑尔根岛（最大岛屿）、东北地岛、埃格岛和巴伦支岛（图1）。该地区的景观特征以复杂的峡湾系统为主，主要由第四纪期间广泛发育的冰川活动所雕刻而成。目前，其约57%的陆地面积被冰川覆盖（Nuth 等，2013），其中超过60%为入海型冰缘冰川，直接终止于峡湾及周围的海洋中（

样品采集

本研究分析的所有沉积岩芯均于2019年、2022年和2023年的三次北极斯瓦尔巴地质科学考察期间采集。沉积岩芯 CAGE19-3-KH17-GPC01（以下简称 KH17-GPC01；表 S1 和图 1b）于2019年11月在 CAGE19-3 航次中，由"哈尔康王子"号科学考察船（RV Kronprins Haakon）上使用 Calypso 大型活塞取芯器从康格松菲奥伦纳中获取。在子样采样之前，对岩芯 KH17-GPC01 的全岩和半剖段分别进行了多种非破坏性岩芯录井技术。

水团特征

基于从外康格松菲奥伦纳至康格松菲奥登内部靠近克洛内布伦-康格斯维根冰川系统的4个CTD站点的温度和盐度剖面（图 1b, c），按照 Cottier 等（2005）的分类方案识别出四种不同的水团：表层水（SW）、中间水（IW）、大西洋水（AW）和转化型大西洋水（TAW）（图3，另见图 S1）。

在康格松菲奥登（HH22–1158-CTD、HH22–1160-CTD 和 HH22–1162-CTD）中，表层水盐度

沉积物粒度的端元特征及其对沉积过程的启示

冰川海洋环境中颗粒度的分布反映了多种沉积过程之间的动态相互作用，包括冰川来源的沉积物输入、水动力学搬运和沉积（例如，Weltje 和 Prins，2003；Ahn 等，2024；Cui 等，2025）。端元建模可识别沉积层序中在统计上具有代表性的颗粒度组分，从而通过分析端元比例的变化来解释主导的搬运和沉积机制。

结论

本研究重建了过去14 kyr以来斯瓦尔巴西北部康格松菲奥伦纳沉积过程与海洋水文条件的演化历史，突出了大西洋水流入、冰川动力学和海冰变率在冰后期气候波动响应中的相互作用。通过将粒度端元建模与碎屑和自生铈同位素分析相结合，我们识别了沉积过程、沉积物物源和水团属性的时序变化

CRediT作者贡献声明

Youngkyu Ahn：写作–审阅与编辑、写作–初稿撰写、可视化、调查、形式分析、数据整理、概念构思。Young Jin Joe：写作–审阅与编辑、可视化、验证、概念构思。Kwangchul Jang：写作–审阅与编辑、可视化、验证、概念构思。Yeong Ju Son：写作–审阅与编辑、资源获取。Berenice Ebner：写作–审阅与编辑、形式分析。Jung-Hyun Kim：写作–审阅与编辑、可视化，

利益冲突声明

作者声明，不存在已知的竞争性经济利益关系或个人关系，这些关系可能会影响本文所述工作的客观性。

致谢

我们衷心感谢"哈尔康王子"号（RV Kronprins Haakon）和"赫尔默·汉森"号（RV Helmer Hanssen）的船长及全体船员，以及所有航次参与者给予的宝贵海上支持。我们亦感谢 Dahae Kim 和 Minji Bae 在 KOPRI 实验室采样与分析过程中提供的协助。本研究谨献给已故洪承敏教授（韩国仁荷大学），他在本文审稿过程中不幸辞世。他长期以来为本研究领域的贡献，

Youngkyu Ahn|Young Jin Joe|Kwangchul Jang|Yeong Ju Son|Berenice Ebner|Jung-Hyun Kim|Jochen Knies|Matthias Forwick|Sungmin Hong|Seung-Il Nam

韩国极地研究所冰川与地球科学部，韩国仁川，21990