科汇生环 | 末次冰盛期相对温暖的北大西洋深层水

文章来源：Wharton J H, Kozikowska E, Keigwin L D，et al., 2026. Relatively warm deep-water formation persisted in the Last Glacial Maximum. Nature,650, 116–122.
https://doi.org/10.1038/s41586-025-10012-2.

研究背景与科学问题

1.1研究背景

末次冰盛期（Last Glacial Maximum, LGM）发生在距今约1.9-2.3万年，是地球历史上最近的一个极端寒冷时期。当时，大气温室气体浓度极低，巨型大陆冰盖覆盖北美和欧洲的大部分地区，导致全球平均气温显著下降，赤道与两极之间的温度梯度随之增加。在这一气候背景下，北大西洋深海的状态一直是古海洋研究的核心问题。对比现代大西洋的分层结构（图1），传统观点（基于沉积物孔隙水证据）认为冰期深海是一个极其寒冷、由盐度差异所主导的系统：末次冰盛期（LGM）北大西洋深层水（North Atlantic Deep Water, NADW）和南极底层水（Antarctic Bottom Water, AABW）温度接近结冰点（分别为–1.1°C和–1.9°C），海洋分层的主要驱动力是盐度而非温度。然而，关于深海如何响应极端表面冷却、海水扩张以及西风带增强的物理机制，当前仍存在显著的不确定性。在当前全球变暖引发大西洋经向翻转环流（Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC）可能面临崩溃风险的背景下，深入理解末次冰盛期（LGM）深海系统的稳定性与韧性，不仅有助于校准预测未来变局的气候模型，更能为人类理解冰期形成的机制、应对当代气候临界点挑战提供地质历史时期的科学对照。

1.2 科学问题

末次冰盛期（LGM）北大西洋深层水（NADW）的形成机制存在显著的理论对立。模型结果表明冰川气候和冰盖会加强风驱动的环流，向高纬度输送更多的盐分并带走热量，从而促进NADW的产生。相反，扩张的海冰与冰川崩解产生的淡水会减少海洋热量的损失，从而可能抑制深层水的下沉。与此同时，传统营养盐代用指标指示冰期NADW发生显著的垂直收缩与边界浅化，但新兴的地球化学模型研究暗示这种推断可能存在高估。目前仍不清楚LGM时期NADW的实际温盐性质是否支持NADW的持续形成，由于缺少直接的温度和盐度约束数据，无法为冰期深海真实状态及动力机制提供有效约束。

图1 现代大西洋温度与盐度结构的经向剖面图

空心圆表示本研究所用西北大西洋沉积岩芯的位置，南极中层水（Antarctic Intermediate Water, AAIW），南极底层水（AABW）。

科学内涵

2.1 研究思路

北大西洋深层水（NADW）是全球大洋环流的关键组成部分，其形成于北欧海和拉布拉多海，主要输出路径位于亚极地的西北大西洋区域。这一区域是NADW离开形成区、向南进入全球深海的必经通道，其水团性质直接记录了深层水的形成过程与温盐特征。海洋沉积物岩芯中保存的有孔虫壳体是古海洋温度计和盐度计的良好生物载体，其地球化学信号记录了当时海水的温度和氧同位素组成。

文章作者选取的岩芯站点位于NADW主要路径上，涵盖1.5-5 km的水深范围；其中，亚热带模态水（Subtropical Mode Water, STMW）曾在末次冰盛期（LGM）延伸至2-2.5 km深度，对重建深层亚热带涡旋提供了重要依据。面对NADW温度盐度数据缺失这一关键问题，作者选取中晚全新世（2-6 ka）和LGM时期多种底栖有孔虫样品，通过测定壳体的微量金属元素比值（Mg/Ca和Mg/Li）定量重建古海水温度；为降低碳酸根离子饱和状态对温度重建的干扰，在物种选择上优先选用受该影响较小的文石质物种和深内栖物种并进行单独校正，对于Melonis spp.和Cassidulina neoteretis等低镁、浅内栖物种，作者基于前人校正数据建立了统一的校正公式，发现这些物种具有相似的温度敏感性（约0.1 mmol mol⁻¹ °C⁻¹）（图2）。同时作者通过团簇同位素（Δ₄₇）获得的独立温度估计值进行交叉验证，并结合壳体δ¹⁸O进一步计算出海水δ¹⁸O_sw（图3），对古盐度进行约束。通过分析现代海洋和LGM时期不同深度温度和δ¹⁸O_sw变化，作者探讨了冰期温暖底层水的潜在形成机制，并对地质历史时期冰期的成因提出新的思路。

图2 研究中所用底栖有孔虫微量金属比值温度校正曲线

a）低镁浅内栖有孔虫校正曲线；b）深内栖有孔虫Globobulimina affinis校正曲线；c）文石质有孔虫Hoeglundina elegans，采用Mg/Li比值重建温度，拟合曲线为二次型；阴影区域和虚线分别表示95%置信区间和95%预测区间。

1.2 核心发现

（1）LGM时期不同深度的温度重建结果表明，NADW是相对温暖的；作者将中晚全新世数据作为背景值，通过与LGM对比，一方面验证了多物种、多方法重建的可靠性（图3a、3b），另一方面量化了冰期变化的幅度（图3a、3d）。除浅层站点ODP-1055外，Mg/Ca和∆₄₇重建的NADW温度维持在0-2°C（图3d），仅比现代低1.8± 0.5 °C。这一结果与传统孔隙水数据所认为LGM时期的温度曾达到冰点（-1.1°C）形成鲜明对比（图4a），表明LGM时期的NADW仅经历了适度的降温。海冰的隔热作用是解释北大西洋深层未进一步降温的关键机制之一：冰期海冰扩张限制了热量向大气散失，从而减少开阔海洋对流。

图3 中晚全新世和末次冰盛期（LGM）的水文结构对比

a-b. 中晚全新世温度重建结果和δ¹⁸O_sw与现代海水测量结果基本一致；c. 中晚全新世温盐图数据沿等密度线分布，底图圆点为现代海洋实测数据；d. 末次冰盛期深层水温度为0-2 °C；e. δ¹⁸O_sw-ivc（经过冰量矫正）升高0.50 ‰；f. 末次冰盛期（LGM）温盐图数据点分散且不沿等密度线分布，水团来源复杂：亚热带模态水（STMW），冰期北大西洋深层水（gNADW），冰期北大西洋底层水（gNABW）。

（2）盐度是LGM时期深层水形成的核心驱动，表现为NADW的δ¹⁸O_sw-ivc较现代明显偏高（图3b、3e）。基于Mg/Ca和∆₄₇两种独立方法估算的δ¹⁸O_sw-ivc在西北大西洋和东北大西洋均表现出良好的一致性，范围在0.25–0.75‰之间，较现代高约0.2–0.5‰（图4b）。根据现代海洋中δ¹⁸O_sw与盐度的良好相关性，表明冰期NADW较现代盐度更大。在极高纬度地区，海冰扩张不仅阻碍了海气热交换，还在表层形成了由降水和融水驱动的低盐度分层，导致传统的热力驱动因浮力通量减少而受到抑制。然而，由增强的西风带驱动的亚热带高盐水体持续北上，为亚极地对流区提供了关键的盐度增益。冰期北大西洋暖流盐度较高，通过盐度补偿机制，使海水在冷却到冰点前就已获得足够密度维持下沉；同时，北欧海的溢流持续向亚极地供应稠密水，进一步保障深层水形成的连续性。概念模型指出，水温越低，进一步冷却带来的浮力通量减少，而上层水体盐度分层加剧抑制对流。

图4 末次冰盛期与现代北大西洋深海温度及δ¹⁸O_sw-ivc特征对比

a）Mg/Ca和∆₄₇数据显示冰期NADW温度比现代低1.6-2°C，远高于孔隙水复原结果；b）冰期δ¹⁸O_sw-ivc较现代海水高0.2-0.5‰; 圆形代表现代NADW，菱形代表末次冰盛期（LGM）NADW。

（3）路径迁移和水团演化具有多元性，冰期的NADW暖而咸。水团示踪结果显示，冰期 NADW 的高 δ¹⁸O_sw-ivc信号并非局部产生，而是具有明确的地理演化路径。通过对浮游有孔虫与底栖有孔虫数据的空间制图，该信号可沿湾流（Gulf Stream, GS）与北大西洋暖流（North Atlantic Current, NAC）路径从副热带源区向东北方向延伸，进入冰期亚极地和北欧海的深层水形成区，最终随深层水流向南回流至西北大西洋深海（图 5）。路径的完整性证明，冰期深层水的物理属性在很大程度上继承了副热带表层水的特征，这一阶段冰期增强的西风带驱动蒸发加剧（P-E为负），导致表层海水富集重氧同位素并显著咸化。温盐图（图3c、3f）揭示LGM时期北大西洋并非单一均质水团：若用现代NADW的δ¹⁸O_sw-ivc盐度关系计算冰期密度，会出现密度倒转，恰恰证明冰期北大西洋充满了多种模态的NADW。这些水团形成于不同地点，具有不同的δ¹⁸O_sw-ivc盐度关系。例如，3–4 km水深的数据点温度更低、δ¹⁸O_sw-ivc更低，可能受海冰形成和卤水排斥过程影响；而>5 km的深渊数据则结合前人碳同位素证据，证明存在北方来源的底层水团。这表明，冰期NADW的最终构成是远端副热带盐分输入与高纬局地过程共同作用的结果。

图5 北大西洋多站点重建的高δ¹⁸O_sw-ivc信号揭示冰期西北大西洋深层水的上游路径

a. 用于重建冰期北大西洋表层海洋（红色实心圆圈）和深海（蓝色实心圆圈）δ¹⁸O_sw-ivc的岩芯站点位置，星号表示西北大西洋断面的大概位置，红色和蓝色箭头分别表示NAC和NADW，白色阴影为21.5 ka BP时冰盖的大致范围；湾流（GS），北大西洋洋流（NAC），北大西洋深层水（NADW）；b. 高的NADW潜在上游路径，所有温度数据均进行重新校准。

重要启示

启示1：古海洋研究需要结合多指标交叉验证。这篇文章采用多物种、多方法（Mg/Ca、Mg/Li、Δ₄₇、δ¹⁸O_sw）的交叉验证，综合地球生物学、地球化学、海洋学多种学科，用扎实的实验数据和研究区域的广泛性成功重建了末次冰盛期北大西洋深层水的温盐结构，并与传统孔隙水数据形成鲜明对比。可见，单一指标、单一方法的古海洋学重建可能存在较大不确定性，多指标交叉验证是提高重建结果可靠性的关键路径。本研究之前的痛点在于地质历史时期温度和盐度数据缺失，通过多指标结合很好地解决了这一问题，在未来的古海洋研究中应进一步发展和整合多种独立代用指标，以更全面地还原海洋的真实状态。

启示2：未来深层环流的研究。研究表明LGM时期极端寒冷条件下NADW仍保持相对温暖状态，表明深层水的形成具有较强的韧性。其形成机制从现代的开阔海洋对流主导，转向冰期的盐度补偿机制与多模态水团混合。在全球变暖背景下，深层环流的变化可能同样复杂：它不仅可能减弱，还可能发生形成区迁移和机制转换。未来研究需要超越简单的“增强或减弱”二元框架，聚焦空间格局与动力机制的潜在重构。同时作者也告诉我们现有地球系统模型在模拟极冷气候下的深海对流时存在严重缺陷。如今，气候预测模型在评估全球变暖导致的 AMOC 减弱或崩溃时，可能低估了海洋系统的物理韧性，未来亟需重新校准海冰与深层环流的相互作用参数，以提高对气候预测可信度。

启示3：冰期–间冰期旋回理论的可能解释。曾有假说认为，NADW的“过冷”是冰期启动的触发机制。然而，本研究发现冰期NADW相对温暖（0–2°C），远未达到过冷状态，这一假说难以成立。作者因此提出，南大洋过程（如海冰扩张、热隔离）可能在冰期启动和南极热隔离中发挥了更重要的作用。这一观点为冰期-间冰期旋回理论提供了新的思考方向，未来研究应更多关注南大洋在冰期气候演化中的核心角色。

——解读人：刘博岩、孙亚东

——责任编辑：黄元耕