南海北部过去60 ka以来的沉积演化及其对气候和海平面变化的响应

南海（South China Sea, SCS）作为西太平洋最大的边缘海，为研究古气候变率和海-气相互作用提供了关键档案。然而，其沉积记录保存了受复杂多层地质过程影响的信号，导致古环境解释呈现多样化和有时模糊的特征。为应对这些不确定性，高分辨率沉积重建对于阐明区域对全球气候强迫的响应至关重要。本研究调查了来自南海西北部陆坡的SCS A01岩心沉积物。通过建立高分辨率年代框架，分析沉积速率、质量堆积速率（Mass Accumulation Rate, MAR）、粒度分布和元素组成，旨在重建南海西北部过去60 ka以来的沉积演化，并阐明控制这些变化的机制。结果显示，过去60 ka以来的沉积过程经历了三个 distinct 阶段。从60 ka BP至22 ka BP，沉积以细粒物质为主，表现为高MAR值、高K/Al比值和低Ca/Ti比值，共同指示强烈的化学风化和强劲的陆源供给。在22 ka BP至11.7 ka BP期间，粒度向粗组分转变，而MAR却矛盾性地降低；K/Al因直接的陆架侵蚀而保持相对稳定，但K/Ti在18 ka BP至12 ka BP之间急剧下降，Ca/Ti显著上升，共同指示由悬浮搬运减弱、冬季风底层流增强以及随后海侵导致陆源风化产物在泛滥陆架上的截留所驱动的近岸滞留与外侧斜坡饥饿模式。自11.7 ka BP以来，细粒黏土端元再次主导沉积序列，MAR在早全新世保持较低水平后趋于稳定；K/Ti在9–8 ka BP的全新世大暖期出现明显峰值，随后逐渐下降，反映了复杂的非线性化学风化演化。总体而言，南海西北部自60 ka BP以来的沉积演化反映了海平面波动、红河源-汇变化以及季风驱动气候变化的动态相互作用。东亚夏季风强度变化、红河沉积物输送效率以及海平面位置共同控制了沉积物供给和搬运路径，而千年尺度气候事件（如：新仙女木事件、波林-阿勒罗德期、 Heinrich事件1、Heinrich事件2）进一步调制了短期沉积格局。这些发现为南海西北部陆坡气候、环境与沉积过程之间的动态耦合提供了新证据。

南海（South China Sea, SCS）作为西太平洋最大的边缘海，每年接收约7亿吨沉积物，其中约80%来自周边河流，主要为红河、珠江和湄公河。这些沉积物被认为是重建东南亚大陆古环境变化和东亚季风演化历史的关键载体。东亚季风作为全球气候系统中最活跃的组成部分之一，在调节亚洲大陆与相邻边缘海之间的热量和水分交换方面发挥着基础性作用，它不仅控制东亚的降水格局，还对进入南海的陆源物质的化学风化强度和源-汇过程（source-to-sink processes）施加主要控制。现代观测表明，南海呈现受季风强迫、黑潮入侵和吕宋海峡水交换控制的复杂多层环流系统，季节性沿岸流和中深层水体溢流过程在调节陆坡沉积物搬运、再悬浮和再分布方面发挥重要作用。理解第四纪晚期特别是过去60 ka以来东亚季风（East Asian Monsoon, EAM）的演化，对于阐明陆-海相互作用和预测未来气候响应至关重要，这一时段涵盖了海洋同位素阶段3（Marine Isotope Stage 3, MIS 3）、末次冰盛期（Last Glacial Maximum, LGM）和全新世。

以往研究表明，南海北部来自红河和珠江的沉积物输入相对贡献在不同时期存在变化，突出了沉积物搬运过程和沉积记录的复杂性。高分辨率粒度和元素记录进一步证明，自末次冰期以来沉积环境对气候和海平面变化表现出高度敏感性。研究人员指出，该区域的沉积过程主要受物源供给、海平面波动和洋流的综合效应控制，并强调了基于多岩心钻探对比研究的区域沉积演化阶段性特征。这些研究表明，南海西北部沉积格局呈现出显著的时空异质性，其演化过程与气候波动、海平面变化和陆源输入密切相关。这种复杂性可能源于多重因素：首先，海平面波动周期性地重塑沉积物源分布和搬运路径；其次，不同深度洋流强度的差异对沉积物搬运和再沉积施加选择性控制；第三，东亚季风强度的变化直接调节源区的风化和侵蚀过程，从而影响陆源输入和沉积物保存。

尽管基于多钻孔或区域尺度对比的前期研究已揭示南海沉积系统的若干特征，但关于北部陆坡第四纪晚期演化过程仍存在显著不确定性。特别是在千年尺度上，沉积序列常记录有对应于Heinich冰期、波林-阿勒罗德期和新仙女木事件等的气候信号，但这些信号在不同站位间存在不一致性，在沉积物源供给变化、沉积速率波动以及碳酸盐与陆源沉积物相对关系方面常观察到区域变异甚至矛盾。这表明南海西北部沉积对气候和海平面变化的响应并非受单一机制控制，而是受多因素耦合影响。近年来，南海复杂沉积动力学和源-汇过程研究取得重要进展。先进定量模型提取环境敏感粒度组分的应用，实现了对第四纪东亚季风强度和南海西北部水动力变化的更精确重建；综合源-汇评估表明，长期海侵持续重塑沉积物搬运路径并驱动北部陆缘沉积系统的快速更替；现代沉积通量的定量研究强调了极端气候事件和环境变化对南海盆地物质输入的深刻影响，为解释古海洋学沉积突变响应提供了关键现代类比。然而，现有研究仍存在以下局限：关于海平面变化的作用，以往研究主要强调末次冰期间冰期快速海平面上升对陆源沉积供给减弱的效应，但对不同海平面阶段（如低海平面暴露期与高海平面淹没期）沉积过程差异的认识仍不充分；关于东亚季风的影响，目前尚缺乏对季风增强和减弱过程如何具体调控生源输入强度、沉积通量和碳酸盐生产力等过程的系统理解；关于洋流和区域环流过程（如南海中层水溢流和沿岸流）对沉积物搬运和再沉积贡献的定量评估尚不完整。现代观测表明，南海呈现受季风强迫和吕宋海峡交换控制的多层环流系统，包括表层流、中层水溢流和深层水流入，共同在沉积物搬运和再分布中发挥重要作用。总体而言，这些局限阻碍了研究人员全面阐明北部陆坡沉积过程对气候-海平面变化的响应模式，也制约了对控制沉积演化关键因素的时空变异性的深入理解。

为此，本研究利用来自南海西北部陆坡的SCS A01岩心沉积物，通过建立高分辨率年代框架和高分辨率X射线荧光（X-ray Fluorescence, XRF）元素扫描粒度分析，重建了过去约60 ka以来南海西北部的沉积过程，探讨了对气候和海平面变化的响应机制。

该研究区域位于南海西北部陆坡（17.42°N, 111.10°E），水深1717 m，岩心长度7 m。样品通过重力取样器获取，在实验室沿中线劈开后分段选取测试样品，以2 cm间隔取样，共获得350个样品。岩心沉积物整体呈灰褐色。年代模型基于加速器质谱放射性碳（¹⁴C）测年建立，岩心顶部4–6 cm对应约0.76 ka BP，最深部562–564 cm对应约43.48 ka BP。基于校准年龄，使用R统计软件中内嵌的CLAM软件进行深度-年龄多项式拟合，构建SCS A01岩心沉积物的年龄-深度剖面，拟合结果显示该岩心记录了过去约60 ka的连续沉积序列。

为研究碎屑粒度的时间变化，研究人员采用Si/Al比值作为辅助指标。较高的Si/Al比值通常指示相对于铝硅酸盐更高的石英含量，代表砂-粉砂级颗粒在沉积物中占主导；较低的比值则代表黏土级颗粒占优。端元1（End Member 1, EM1）代表细粒悬浮端元，反映远源陆源物质的持续输入；端元2（EM2）代表粗粒底流端元，反映近源再悬浮或底层流改造。研究将过去60 ka以来的沉积演化划分为三个阶段：

**60 ka BP至22 ka BP：稳定细粒沉积阶段**

此阶段沉积以细粒物质为主，表现为高质量堆积速率（MAR）、高K/Al比值和低Ca/Ti比值。K/Al比值升高指示强烈的化学风化作用，而低Ca/Ti比值反映较低的海洋生产力或陆源碎屑稀释效应。该阶段东亚夏季风（East Asian Summer Monsoon, EASM）强度相对较高，带来了充沛的降水和增强的化学风化，促使大量细粒风化产物经红河等河流系统输送至南海北部。同时，该时期海平面相对较低但尚未达到最低海平面，陆架部分暴露，但仍有部分沉积物可跨越陆架输送至陆坡。此阶段EM1（细粒悬浮端元）占主导地位，表明远源陆源物质的持续输入，沉积环境相对稳定，但存在 episodic 粗粒脉动事件，可能与短期季风增强或浊流活动有关。

**22 ka BP至11.7 ka BP：近岸滞留与外侧斜坡饥饿阶段**

此阶段粒度向粗组分转变，但MAR却矛盾性降低，呈现"粗粒化但低通量"特征。K/Al因直接的陆架侵蚀而保持相对稳定，但K/Ti在18 ka BP至12 ka BP之间急剧下降，Ca/Ti显著上升。这一变化格局指示了独特的"近岸滞留与外侧斜坡饥饿模式"。末次冰盛期（约26–19 ka BP）及随后冰消期，海平面大幅下降至约-120 m，大面积陆架暴露，沉积物源区向海方向迁移。随着冰消期海平面快速回升，陆架逐渐被淹没，早期沉积的陆源风化产物被海侵作用重新改造和截留于陆架区域，难以有效输送至陆坡。同时，增强的冬季风底层流（winter monsoon bottom currents）对陆坡沉积物产生改造和再悬浮作用，进一步加剧了外侧斜坡的沉积饥饿。EM2（粗粒底流端元）在该阶段相对增加，反映了底层流活动的增强。该阶段跨越了Heinrich事件1、Bølling–Allerød期和新仙女木事件等千年尺度气候事件，这些事件通过调控季风强度和海洋环流，进一步调制了短期沉积格局。

**11.7 ka BP至今：全新世细粒再主导与化学风化非线性演化阶段**

自11.7 ka BP全新世开始以来，细粒黏土端元再次主导沉积序列。MAR在早全新世保持较低水平，可能与高海平面时期陆源物质被截留于广阔陆架有关，随后趋于稳定。K/Ti在9–8 ka BP的全新世大暖期（Holocene Climatic Optimum）出现明显峰值，随后逐渐下降，反映了复杂的非线性化学风化演化。该峰值对应于东亚夏季风的强盛期，增强的降水和温度促进了源区化学风化的加剧。此后K/Ti的逐渐下降可能与季风强度减弱、人类活动影响或沉积物源区变化有关。此阶段EM1重新占据主导，远源细粒物质再次成为陆坡沉积的主要组分。

研究结果表明，南海西北部过去60 ka以来的沉积演化反映了海平面波动、红河源-汇变异性和季风驱动气候变化的动态相互作用。海平面位置通过控制陆架暴露/淹没状态和沉积物搬运路径距离，从根本上调控着陆源物质能否有效输送至陆坡。在低海平面时期，源区向海迁移，河流直接入海口接近陆坡，但暴露陆架的沉积物可能被重新改造；在高海平面时期，广阔陆架成为沉积物的"汇"，截留大量陆源物质。红河作为南海北部主要物源区，其沉积物输送效率受流域降水量（季风控制）和地形梯度（海平面控制）的双重调节。东亚夏季风强度变化不仅影响化学风化强度和沉积物产生量，还通过调控降水格局影响河流输沙能力；冬季风则主要通过底层流活动对沉积物进行再分配和改造。

千年尺度气候事件如Heinich事件1和2、Bølling–Allerød期和新仙女木事件在沉积记录中留下了清晰印记，表现为MAR、粒度组成和元素比值的快速波动。这些事件通过突然改变大西洋经向翻转环流（Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC）状态，引发全球 teleconnection 效应，影响东亚季风强度和南海环流格局，进而调制沉积过程。例如，新仙女木事件期间的冷干条件可能导致东亚冬季风增强、夏季风减弱，从而引起陆源输入减少和海洋生产力变化，在沉积物中表现为特定的粒度-元素组合特征。

论文发表在《Quaternary International》。该研究建立的高分辨率年代框架和沉积学记录，为理解南海西北部陆坡沉积系统对气候-海平面耦合变化的响应机制提供了重要约束。研究强调，未来工作需要进一步结合数值模拟和更多站位对比，以区分不同控制因素的相对贡献，并建立更完整的源-汇定量模型。