海院科研动态（139）| 深水Nd同位素示踪地中海环流末次冰期以来变化

        现代地中海具有一个活跃的温盐环流，与全球大洋的环流系统非常类似。地中海通过直布罗陀海峡与大西洋相连，又被西西里海峡分隔为东、西地中海（EMS、WMS）。受强烈的蒸发作用驱动，大西洋表层水自西向东流入地中海后，不断变咸变重，直到在最东端下沉形成中层水；大部分中层水自东向西流出直布罗陀海峡，形成地中海溢出流，是大西洋的主要水团之一；另一部分中层水向北岸运移，在极端寒潮时会继续下沉，形成深层水（图1）。

图1. a) 地中海地形图及主要水团示意图，标注研究站位CP10/11及其他相关站位；b) 地中海现代海水εNd组成和盐度等值线的东–西剖面图，两者的高度相关性表明海水/自生εNd在地中海可视为准保守指标用于示踪水团，同时显示CP10/11站位能可靠记录东地中海深层水体信号。

        地中海因半封闭海盆特性及较短的环流混合时间（75–150年），其温盐环流对气候变化高度敏感并且快速响应：近70余年西地中海深层水变暖记录以及上世纪90年代观测到东地中海深层水形成位置改变均为明证。地中海环流变化可影响甚至改变大西洋经向翻转流（AMOC）的强度与模态，且与腐泥层（sapropel）形成直接相关。腐泥层是富含有机质的页岩沉积，可通过海洋沉积物或海相地层追溯到中中新世（更多出现在东地中海），其沉积呈现特征天文韵律，只形成于岁差极小值期，对应北半球夏季太阳辐射量最大值及非洲季风活跃期。腐泥层形成通常指示了底层水体缺氧，这与深层通风减弱和表层生产力增强有关。这些过程背后的主要驱动因素是表层水体的相对淡化。然而，在不同气候条件下，地中海环流对淡水强迫的响应敏感性仍不明确，尤其是在淡水来源、海平面及海盆差异等方面。

        针对以上科学问题，我院海洋同位素地球化学团队在国际著名学术期刊《Global and Planetary Change》发表题为“Circulation changes in the Mediterranean Sea over the last 30,000 years – Constraints from deep-water Nd isotopes” 的研究论文。该研究利用鱼牙/鱼骸和有孔虫壳体的Nd同位素组成（εNd）作为古海水示踪指标，不仅提出了一条东地中海深层水εNd标准记录（图1b），而且整合所有已发表的海水/自生组分εNd数据进行验证对比，再利用基于Nd收支平衡的箱式模型，系统探讨了东地中海深层水的混合与运移过程（图2）。研究结果重建了末次冰期以来（~30 ka）地中海温盐环流的演化特征，聚焦于三个关键气候时期：末次冰盛期（LGM）、海因里事件1（HS1）以及早全新世腐泥层（S1），着重关注海平面上升引发的表层淡化影响，获得以下认识（图3）：

1. 在LGM时期，受低海平面影响，东地中海（EMS）与西地中海（WMS）之间的水体交换量较现代减少约56% ± 14%，导致两个海盆形成相对独立的环流格局。同时，EMS深层水的形成区从现今的Adriatic海转移至Ionian海。

2. 在HS1时期，海平面上升导致整个地中海出现强烈的中层水外流，同时伴随着东地中海（EMS）深层环流减弱。

3. 在S1时期，EMS与WMS的水体交换量减少至现代值约44%，且主要局限于上层水体；EMS在800 m以深水体基本停滞，来自Adriatic海的底层水输出虽弱但仍持续存在。这种深水停滞现象始于腐泥层S1形成前约1000年，并随S1结束、环流恢复翻转和深层水重新通风而终止。

图2. 东地中海深层水εNd记录（CP10/11站位）与其他指标记录对比图，指示了该记录的变化受控于高εNd尼罗河输入端元与低εNd大西洋表层水输入端元的平衡关系。

图3. 地中海现代海水εNd及若干气候变化关键时期自生εNd的东–西剖面图。

文章相关信息

        我院硕士研究生张延为该论文的第一作者（现为法国巴黎萨克雷大学博士研究生），吴家望副教授为通讯作者，合作作者包括：法国巴黎萨克雷大学Christophe Colin教授、高国辉博士、崂山实验室黄璜副研究员、德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心Marcus Gutjahr研究员、河海大学吴琼副教授、同济大学刘志飞教授、德国奥登堡大学Katharina Pahnke教授、荷兰乌特勒支大学Gert J. de Lange教授。该研究由国家自然科学基金（项目号：42276051、41806064）和广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515030293）资助，并获法国国家科研署“未来投资”计划（ANR-11-IDEX-0004-17-EURE-0006）、MEDSENS项目（ANR-19-01CE-0019）以及INSU LEFE-IMAGO PALMEDS 项目的支持。欧盟海洋科学与技术计划（SAP: MAS3-CT97-0137）资助了CP10/11站位沉积物岩芯的航次工作。

原文信息：

Zhang, Y., Wu, J.*, Colin, C., Gao, G., Huang, H., Gutjahr, M., Wu, Q., Liu, Z., Pahnke, K., de Lange, G.J. (2025). Circulation changes in the Mediterranean Sea over the last 30,000 years – Constraints from deep-water Nd isotopes. Global and Planetary Change 255, 105086.

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2025.105086