《Global and Planetary Change》：Influence of Antarctic Circumpolar Current frontal migration across the Mid-Brunhes transition in the Southeastern Pacific and its linkages to inter-basin intermediate-water dynamics
编辑推荐：
南极绕极流前缘迁移对东南太平洋南极中间水形成及跨流域循环的影响研究。基于IODP站U1542的底栖有孔虫、矿物成分及SSFS数据，揭示中布伦斯过渡期（MBT）前后ACC前缘南移导致底水条件恶化，AAIW形成区改变，并通过合恩角流（CHC）强度变化影响沉积物通量与跨流域水交换，为理解MBT期间ACC与气候系统的耦合机制提供新证据。
苏曼·达塔（Suman Datta）| 苏尼塔·拉特（Sunita Rath）| 尼拉卡拉·马汉塔（Nirakara Mahanta）| 比斯韦斯瓦尔·萨胡（Bisweswar Sahoo）| 苏尼尔·K·达斯（Sunil K. Das）| 拉杰·K·辛格（Raj K. Singh）
印度理工学院布巴内斯瓦尔分校地球、海洋与气候科学学院，阿尔古尔（Argul），贾特尼（Jatni）752050，奥里萨邦（Odisha），印度
摘要
南极绕极流（Antarctic Circumpolar Current，ACC）前沿和各种气候学指标在中布伦赫斯过渡期（Mid-Brunhes Transition，MBT）显示出突然的变化，这可能影响南极中间水（Antarctic Intermediate Water，AAIW）的动态以及不同海域间的中间水古海洋学特征。本研究通过分析国际海洋发现计划（International Ocean Discovery Program，IODP）U1542站点在东南太平洋（Southeastern Pacific，SEP）的底栖有孔虫组合、主要矿物成分以及可分类的淤泥和细沙（Sortable Silt Plus Fine Sand，SSFS）的变化，来评估ACC前沿在MBT期间迁移的影响及其对不同海域间中间水循环的潜在影响。对底栖有孔虫和主要矿物丰度的变化点分析揭示了MBT期间明显的古海洋学重组现象。从约40万年前开始，底部水体条件从氧气充足的状态转变为缺氧状态，并且在约32万年前后成为主导。在MBT之前，ACC前沿和合恩角流（Cape Horn Current，CHC）的起源位置位于其现代水文位置以北，使得智利北部边缘的沉积物能够输送到研究区域。这些沉积物富含斜长石，且含有相对较多的SSFS，表明当时的CHC活动较为强烈。在MBT期间及之后，CHC的起源随着ACC前沿向南移动而发生改变，进而改变了沉积物的来源，这种变化具有冰期-间冰期的周期性特征。ACC前沿的变化也影响了AAIW的形成区域、输送机制及其在不同海域间的分布。这些结果为了解SEP地区的ACC前沿动态及其对MBT期间不同海域间中间水连通性的影响提供了新的依据。
引言
南极绕极流（ACC）是全球最大的向东流动的洋流，自塔斯曼海峡（Tasman Leakage，TL）和德雷克海峡（Drake Passages，DP）开通以来，它连接了太平洋、大西洋和印度洋（Indian Ocean，IO）这三个海域（Bahr等人，2023年；Lamy等人，2024年）。观测和建模研究表明，ACC与南半球西风带（Southern Hemisphere Wetherly Wind Belt，SWW）的位置和强度密切相关（V?lker和K?hler，2013年）。SWW与ACC的相互作用驱动了南大洋的上升流、水团翻转以及深层和中间水体的形成（Park等人，2019年；Datta等人，2025年）。ACC在间冰期通常较强，而在冰期则较弱（Toyos等人，2020年；Lamy等人，2024年）。
ACC的变化主要受SWW系统控制。影响SWW的大规模气候重组预计会显著影响ACC的行为。Jansen等人（1986年）指出，在海洋同位素阶段11（Marine Isotope Stage 11，MIS 11）期间，间冰期的振幅和各种气候学指标发生了显著变化，这一时期被称为中布伦赫斯过渡期（Mid-Brunhes Transition，MBT，Yin，2013年）。Han等人（2022年）认为，在MBT之后的间冰期，SWW向极地方向移动；而在MBT之前的间冰期，则更靠近赤道。SWW及其相关ACC前沿的变化通常发生在冰期-间冰期（Glacial-Interglacial，G-Ig）的变率期间，这些变化影响了艾克曼输运（Ekman transport）和海洋-大气之间的二氧化碳交换（Lamy等人，2015年；Haddam等人，2020年；Toyos等人，2020年；Duarte等人，2025年）。SEP地区的二氧化碳（CO?）交换还受到环极深层水（Circumpolar Deep Water，CDW）上升流、南极表层水（Antarctic Surface Water，ASW）下降流以及南极中间水（AAIW）形成的影响（McKinley等人，2004年；Anderson等人，2009年；Li等人，2022年；Menviel等人，2023年）。AAIW作为大西洋经向翻转环流（Atlantic Meridional Overturning Circulation，AMOC）的上层组成部分，负责将热量、营养物质和碳从高纬度地区输送到低纬度地区（Talley，1999年；Fischer等人，2010年）。现代观测显示，AAIW主要在东南太平洋（SEP）形成，随后向北流入南赤道流（South Equatorial Current，SEC），然后向西穿过亚热带太平洋（Bostock等人，2013年）。从那里，它可以通过印度尼西亚贯穿流（Indonesian Throughflow，ITF）影响中间水体的分布，或者通过东澳大利亚流（East Australian Current，EAC）进入塔斯曼海峡（Bostock等人，2013年；Yao和Shi，2017年；Yang等人，2018年）。G-Ig时期的变化可能影响了AAIW的输送机制以及不同海域间的中间水交换。Duarte等人（2025年）提出了一个概念模型，认为在间冰期向大西洋的输送量增加；而在冰期则减少了输送量，导致太平洋水体在过去的79万年间滞留时间延长，这可能对AMOC的动态产生影响。Kemp等人（2010年）指出，ACC的极地前沿在中更新世过渡期向北移动了7度，在MBT之后又突然回到了原来的位置。ACC前沿位置的变化可能改变了AAIW的形成区域以及合恩角流（CHC）在SEP地区的位置和强度。
智利大陆边缘（Chilean Continental Margin，CM）是一个理想的地点，用于评估ACC前沿迁移和AAIW形成的影响（Duarte等人，2025年），这可能显著影响了沉积过程和沉积物来源。CHC是ACC系统的一部分，它沿着CM流向DP；其强度也表现出G-Ig时期的变化（Rigalleau等人，2025年）。SEP地区的千年尺度沉积相变化可能是由SWW和ACC前沿位置的共同变化驱动的；而G-Ig时期的巴塔哥尼亚冰盖（Patagonian Ice Sheet，PIS）动态进一步影响了CM地区的沉积过程（Illing等人，2025年；Rigalleau等人，2025年）。底栖有孔虫是评估过去海洋生产力、底部水体氧含量变化的宝贵指标，这些因素受到沉积过程和ACC前沿变化的影响（Gooday，2003年；Datta等人，2025年）。靠近大陆边缘的底栖有孔虫群落，如SEP地区的CM附近的群落，受到附近陆地有机物输入以及相关表层和底层水流的影响（Datta等人，2025年；Duarte等人，2025年；Datta等人，2026年）。主要矿物和可分类的淤泥及细沙（SSFS）数据有助于推断沉积物的来源和底层水流的强度（Singh等人，2023年；Datta等人，2025年；Rigalleau等人，2025年；Datta等人，2026年）。最近的研究大大加深了我们对SEP地区G-Ig时期变化的理解。例如，Datta等人（2025年）关注了过去40万年间AAIW和PIS的动态；Illing等人（2025年）研究了过去16万年间ACC与PIS的相互作用。Duarte等人（2025年）提出了一个概念框架，将G-Ig时期的AAIW生成与AMOC的变化联系起来；Rigalleau等人（2025年）记录了过去约79万年间CHC强度的变化及其与半球气候和大气二氧化碳的变化之间的关联。尽管已有许多关于ACC前沿、AAIW和PIS动态的古海洋学研究，但SEP地区这些因素的长期变化及其相互作用仍不明确。在这项研究中，我们整合了来自国际海洋发现计划（IODP）U1542站点的的高分辨率SSFS数据、底栖有孔虫数据和主要矿物数据（图1），以评估ACC前沿迁移及其相关AAIW变化在MBT期间的影响。我们的主要目标是确定MBT期间SEP地区的ACC前沿位置、AAIW和PIS的动态。在此基础上，通过区域环流框架对中间水循环的更广泛影响进行了概念性推断。
章节摘录
海洋学背景
SEP地区的南部CM是一个重要的区域，用于评估SWW、ACC、AAIW和PIS之间的相互作用，这些因素在塑造海洋-大气动态中起着关键作用（Barker和Thomas，2004年；Harada等人，2013年；Lamy等人，2015年；Davies等人，2020年）。在SEP地区，ACC是一个重要的水文特征（Haddam等人，2020年），它从南向北延伸，从南极ACC前沿（South Antarctic ACC Front，SACCF）延伸到亚热带前沿（Subtropical Front，STF）（Orsi等人，1995年；Stramma等人，1995年；Rintoul等人，
底栖有孔虫分析
IODP U1542站点的150个样本的底栖有孔虫数据来自Datta等人（2025年）的先前研究，这些样本采集自海床至约129米的深度；另外还新生成了126个样本（采样间隔约1米），采集自海床以下约129至249米的复合深度（CCSF）。大约20-25克的冻干样本被浸泡在含有5-8滴30% H?O?的水中过夜，以帮助其分散。识别出的生物相及其推断的环境
在56个物种中（附录A），只有18个物种或物种群在12个或更多样本中出现了3%或更高的比例。根据因子分析和聚类分析的结果，确定了六个生物相，并以具有最高因子载荷的物种命名（表1）。生物相的关联基于表现出最高正负因子载荷的物种，阈值设为0.40以上（表1）。基于特征值保留了四个关键因子。自MIS 19以来的东南太平洋古海洋学演变
底栖有孔虫生物相表明，自MIS 19以来SEP地区发生了重大的海洋学变化。进一步的变化点分析显示，矿物成分的主要变化发生在约41.1万年前，而氧气充足和缺氧物种的主要变化分别发生在约39.8万年前和32.3万年前。考虑到古海洋记录的时间不确定性，约41.1万年和约39.8万年前的变化可能代表了一个广泛的海洋学重组过程，而不是完全独立的事件。结论
本研究提供了来自东南太平洋（SEP）的底栖有孔虫组合、可分类的淤泥和细沙以及半定量的主要矿物记录，这些数据评估了ACC前沿移动对中间水古海洋学及其不同海域间影响的作用。底栖有孔虫记录揭示了SEP地区的长期古海洋学转变，即从中布伦赫斯过渡期之前以氧气充足和通风良好的底部水体为主的情况
作者贡献声明
苏曼·达塔（Suman Datta）：撰写原始草稿、方法论研究、数据分析、概念构建。苏尼塔·拉特（Sunita Rath）：撰写原始草稿、数据分析、数据分析。尼拉卡拉·马汉塔（Nirakara Mahanta）：数据分析、数据分析。比斯韦斯瓦尔·萨胡（Bisweswar Sahoo）：数据分析、数据分析。苏尼尔·K·达斯（Sunil K. Das）：数据分析、资金筹集。拉杰·K·辛格（Raj K. Singh）：撰写与编辑、撰写原始草稿、项目监督、方法论研究、资金筹集、概念构建。
致谢
感谢国际海洋发现计划（International Ocean Discovery Program）提供岩芯样本给RKS。感谢印度理工学院布巴内斯瓦尔分校（IIT Bhubaneswar）提供的基础设施和支持，以及SD和BS的奖学金。SR、NM和SKD感谢DST, India提供的INSPIRE奖学金（分别为IF200111、IF190584和IF180859）。RKS和SD感谢ANRF (SERB)（CRG/2020/000396）和ESSO-NCPOR（RP - 277）提供的财政支持。
