短时脱冰期模拟揭示地中海腐泥层形成的成因

当阳光明媚的海洋变成深水死亡区

今天的地中海是热门度假胜地，但在不太遥远的过去，其深水曾几乎失去含氧，形成厚重、暗色、富含有机质的沉泥层，称为腐泥层。了解这一转变的发生方式不仅是对古海洋的好奇：它揭示了海平面、气候和表层海洋生物缓慢变化如何在数千年间悄然重塑整个海洋生态系统，也为现代海洋在持续变暖下可能的反应提供了线索。

研究古气候变化的天然实验室

地中海常被形容为一个迷你海洋，与非洲季风系统和欧洲天气紧密相连。由于它几乎被封闭，仅通过狭窄的直布罗陀海峡与大西洋交换水体，因此对降雨、河流流量和全球海平面的变化反应强烈。其海底的沉积岩芯显示，在过去45万年里多次出现深水失氧、形成暗色腐泥层的事件。其中最近的一次称为S1，大约出现在1.08万年至6.1千年前，恰逢北非进入被称为非洲湿润期的湿润多雨阶段。科学家长期怀疑更强的非洲季风和增加的河流入海是关键因素，但直到现在很难把海平面上升、温度变化和养分输入等综合影响区分开来。

重演上一个冰期的大融化

为了理清这些驱动因素，作者使用了一个详细的计算机模型，三维模拟了从上一个极盛冰期（约2.1万年前）到公元1949年整个地中海的水动力和化学过程。在上一个冰期顶峰时，海平面远低于现在，与大西洋的连接更浅，但东地中海深层仍然通气良好、含氧充足。寒冷的温度减缓了下沉有机物的分解，使养分在深海中积累，但含氧水平与今日相近，因此当时尚不足以形成腐泥层。随着气候开始变暖、冰盖融化，海平面上升，表层水的密度逐渐降低。这削弱了通常将深层以新鲜、含氧水更新的翻转环流，为深层含氧的丧失奠定了基础——这一过程早于沉积记录中的任何变化数千年。

河流、温暖与静水如何共同作用

大约在1.5万年至7千年前，若干过程同时发生。海平面上升加深了直布罗陀海峡，增大了与大西洋的交换，但减少了盆地内表层水蒸发滞留的时间，进而削弱了表层水下沉的趋势。与此同时，注入北大西洋和地中海的融水降低了盐度，进一步稳定了水柱。当非洲湿润期开始时，更强的河流入海——尤其是尼罗河——向东地中海输送了更多养分。表层生物繁茂，更多有机颗粒沉入海洋深处。由于深水仍相对寒冷，微生物在更深处较慢地分解这些物质，消耗了那些已被混合更新削弱区域的含氧量。在模拟中，约1000米以下的含氧量逐渐下降，在大约1.04万年至7千年前，东地中海深层变得缺氧，同时沉降到海底的有机碳通量增加了一个数量级，与沉积记录中S1腐泥层相符。

检验其他嫌疑人与变化的时钟机制

研究者还运行了额外的“设想”实验，以区分物理与生物影响。当他们关闭来自非洲河流的额外养分补给，但维持相同的气候与海平面变化时，深水仍保持含氧：单纯的物理变化解释了近一半的观测含氧下降，但不足以将系统推入全面缺氧。相反，在现代类似、较暖且密度较低的深海中加入强养分输入时，含氧几乎未受影响，因为强烈的混合和更快的微生物活动在水柱更高处就分解了有机物。对黑海可能溢出的淡水进行的单独测试显示，对深层含氧仅有轻微且短暂的影响。一个简单的线性模型进一步证实：腐泥层的形成需要既有长期增强的分层，又有大量累积的有机物到达深层，且较冷的温度有助于这些物质在被分解前下沉得更深。

这一古老事件对未来的启示

研究结论认为，S1腐泥层的主要触发因素是表层水逐渐获得浮力——由脱冰期的海平面上升与变暖驱动——这在沉积记录显示变化之前很久就削弱了深层通气。非洲湿润期期间增强的河流养分在一个已趋停滞且寒冷的深海上叠加，最终将系统推入长期缺氧状态，形成了我们今天观测到的厚重有机质沉积层。额外来自黑海的淡水并非必需。作者认为，在变暖的未来，地中海出现类似深海“死亡区”的情形不太可能快速发生：即便分层加强，转变为缺氧也需数千年，而且较暖的水体倾向于将有机物分解限制在通气良好的表层。S1腐泥层的历史因此凸显了海平面、环流和生物之间缓慢而相互交织的变化如何在地质时间尺度上塑造深海。

引用: Six, K.D., Mikolajewicz, U. & Schmiedl, G. Transient deglacial simulations unravel the causes of Mediterranean sapropel formation. Commun Earth Environ 7, 258 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03290-9

关键词: 地中海, 腐泥层, 脱冰期, 海洋含氧, 非洲湿润期