原文来源：Radmacher W, Niezgodzki I, Gilabert V, et al.,2025. Ocean freshening near the end of the Mesozoic. Nature Communications, 16, 7238.
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62189-9.
全球海洋环境的剧变在地球生命史上扮演了关键角色。陆块重组与海洋通道连接的变迁是驱动全球环流模式、生物地球化学循环以及海洋生态系统演化的核心机制，这些变化影响了表层海水的盐度，并通过盐度驱动的分层作用进一步引起海水团分布问题。盐度对表层浮游植物生物量与生产力存在潜在调控作用。浮游植物又通过改变海水-大气系统的二氧化碳平衡影响着水体氧含量，最终塑造海洋生态结构，甚至驱动全球尺度的环境演变。尽管海洋通道对海洋系统的影响记录较多，也有不少学者进行了关于中生代末期的全球海水盐度分布的研究，但古地理变化对白垩纪晚期全球海水盐度影响的直接作用仍缺乏深入研究。
本研究聚焦于北冰洋（ArO）、大西洋及西特提斯洋（WT）在晚白垩世的古海洋变化，该变化主要受北冰洋周缘海洋通道的演变以及中美洲海道（CAS）的逐渐浅化所驱动。地质证据表明，加勒比板块的构造活动使连接太平洋和大西洋的中美洲海道在白垩纪晚期逐渐变浅，可能从之前的深水通道（>1700 m）变为一系列浅水岛屿甚至露出海平面，进而严重阻碍了大西洋与太平洋之间的水体交换。
研究方法
作者利用完全耦合的大气-海洋系统模型EMS COSMOS，对马斯特里赫特期中美洲海道的逐渐变浅、以及北冰洋与全球大洋（GO）之间海洋连通性的受限等关键古海洋情景进行了模拟。EMS COSMOS模型由海洋模块（MPI-OM）与大气模块（ECHAM5）耦合而成。其中海洋模块MPI-OM（Max Planck Institute Ocean Model）包含动态-热力学海冰模型，在GR30/L40配置下运行，其水平分辨率为3.0° × 1.8°。大气模块ECHAM5采用T31/L19分辨率，水平分辨率约为3.75°。作者将中美洲海道的最浅水深设置为10米，以确保水团仅由大西洋经该通道流入太平洋，同时阻止更深层的太平洋水体进入大西洋。这一设置排除了太平洋水体的干扰，对于研究北冰洋的开启与关闭对原北大西洋（pNA）区域盐度和温度的影响至关重要。依据前人重建结果，中美洲海道的最深测试条件设定在1700至2500m之间，其他测试深度设定为与现今西太平洋岛弧的深度相当的500 m。
本研究综合运用多种高分辨率地质代用指标，针对白垩纪/古近纪界线（KPB）前马斯特里赫特期最后～500 kyr的地质演变，重点研究了来自阿尔及利亚Sidi Ziane剖面的208个样本（图1），涵盖海洋孢粉（54份）、微体古生物（41份）和地球化学信号（113份）分析，另对来自以色列Negev地区马斯特里赫特阶Re-2岩心的12个样本进行了补充孢粉分析。基于先前研究重新分析挪威海钻取的6711/4-U-1和6707/10-1岩心，利用85个孢粉薄片对其进行一系列解释。系统梳理已发表文献，进一步补充了全球多个马斯特里赫特期剖面的数据，包括位于格陵兰-挪威海道（GNS）的巴伦支海、哈德逊海道（HS）以南的巴斯河、中美洲海道的危地马拉，以及南大西洋西部（wSA）区域的阿根廷Bajada del Jagüel剖面（图1）。
图1 白垩纪晚期（马斯特里赫特期，70Ma）古地理图，其中中美洲海道（CAS）变浅为地球系统模型模拟的边界条件，分辨率为360×180°。本研究分析的地质剖面以大星号标注：(1) 阿尔及利亚Sidi Ziane剖面；(2) 以色列Negev地区的Re-2岩心，均位于西特提斯洋（WT）区域；以及两处钻孔：(3) 格陵兰-挪威海道（GNS）的6711/4-U-1；(4) 格陵兰-挪威海道（GNS）的6707/10-1。小星号代表其他已发表的孢粉学数据来源，包括：(5) GNS的巴伦支海（Barents Sea）；(6) 哈德逊海道(HS)以南的巴斯河（Bass River）；(7) CAS的危地马拉（Guatemala）；(8) 南大西洋西部(wSA)的阿根廷Bajada del Jagüel剖面。其余缩写说明：WIS——西部内陆海道（Western Interior Seaway），pNA——原北大西洋（proto-North Atlantic），ArO——北冰洋（Arctic Ocean）。红色虚线轮廓与黑色边框分别标示：A 地球系统模型模拟分析区域；B 原北大西洋（pNA）分析区域。
微体古生物学方面作者通过对浮游有孔虫进行属级定量统计重建上层水体结构，并借助甲藻囊孢形态类群的鉴定推断古盐度与营养水平变化。地球化学分析涵盖沉积物碳（δ13C）、氧（δ18O）稳定同位素及碳酸钙含量（CaCO3 %）测定，追踪生产力演变、碳循环动态以及古温度信号。结合主成分分析（PCA）和成分数据分析（CoDA）等统计方法，客观揭示环境变量与生物组合之间的耦合机制，为模拟结果提供坚实的地质证据。
科学认识
模拟结果表明（图2），当中美洲海道水深缩减至10 m时，无论北冰洋与全球海洋之间是否受限，大西洋与太平洋之间的表层水体交换均受到影响，洋流路径发生显著变化。北冰洋受限会导致表层淡水通过格陵兰—挪威海道向南流出形成低盐度浮力水团，向南流入原北大西洋。仅当中美洲海道变浅与北冰洋受限这两个因素共同作用时，才会在格陵兰—挪威海道、原北大西洋及西特提斯区域引发显著的盐度分层现象，而单向流（大西洋至太平洋）的深度介于500 m至10 m之间。
作者通过对阿尔及利亚Sidi Ziane剖面的高分辨率生物地层学与碳、氧同位素分析，研究确立了该段地层跨越马斯特里赫特期最后～500 kyr的时间框架，识别出三次碳同位素漂移（CIE-1至CIE-3）并与西班牙Zumaia剖面进行天文旋回校正（图3），氧同位素则指示了~66.5-66.02 Ma持续升温与随后短暂降温事件。该段沉积物中浮游有孔虫以Heterohelix、Planohedbergella和Guembelitria为主，甲藻囊孢则以适应低营养环境的Areoligeraceae占主导，反映出表层水体可能存在盐度降低与强化的水体分层。高纬度地区Peridiniaceae囊孢的富集则指示陆源淡水输入增强与营养水平升高，与模型模拟的北极表层淡水输出高度一致，为中生代末期海洋淡化提供了生物地层学证据。
图2 一系列采用不同古地理与水深条件的模型实验。北冰洋（ArO）被隔绝或与全球海洋（GO）相连。中美洲海道（CAS）深度设定为10 m、500 m及1700–2500 m。WT代表西特提斯海，pNA代表原始北大西洋。
图3 Sidi Ziane与Zumaia剖面之间的地层对比。LO表示最后出现层位（Last Occurrence），FO表示首次出现层位（First Occurrence），*表示未在Zumaia识别，Gansserina gansseri的LO基于其在意大利Gubbio剖面的地层位置。
主成分分析和成分数据分析结果表明，浮游有孔虫Guembelitria的丰度与低δ13O、低δ13C及Areoligeraceae高值同步，而Planohedbergella则与高δ13C、高CaCO3含量相关（图4）；这一关系指示当河流淡水输入增强、表层盐度降低时，混合层趋于分层。Guembelitria与Areoligeraceae的共同繁盛进一步佐证了古生物生产力变化和水体结构变化，共同证实了马斯特里赫特末期存在高盐度海水层。
图4 Sidi Ziane剖面浮游有孔虫、甲藻囊孢与碳酸盐岩地球化学的时序相关性。A 沉积物总碳同位素（δ13C，‰）；B 氧稳定同位素（δ18O，‰）；C 碳酸钙含量（CaCO3 %）；D浮游有孔虫属的相对丰度（%）；E甲藻囊孢相对丰度（%）。生物带范围标记为：1 = Gansserina gansseri；2 = Plummerita hantkeninoides；3 = Archaeoglobigerina cretacea。C29r/C30n事件年代依据《2020年地质年代标尺》确定。
重要启示
启示1：海道协同作用驱动白垩纪末期全球海洋淡化与海水分层：该研究综合模拟与全球地质记录，提出马斯特里赫特期末存在由中美洲海道变浅与北冰洋受限共同驱动的“海洋淡化”事件：该事件导致北冰洋表层盐度下降、低盐海水经格陵兰-挪威海道南侵，并在原始北大西洋与西特提斯引发水体分层；德干火山与希克苏鲁伯撞击可能在短期内叠加了温度与酸化信号，但古地理变化本身足以在无冰条件下重塑全球环流与气候系统。这一认识填补了盐度演变研究的空白，揭示了古海洋通道演化对地球系统稳定性的深远影响。
启示 2：多方法融合揭示古地理对地球系统的调控机制：本文将地球系统模型模拟与地质代用指标相结合，通过分析中美洲海道浅化与北冰洋周边海道连接变化等多情景对比，识别全球环境变迁中的关键特征信号，并将其内在机制与地质代用指标进行比对。研究深入揭示了盐度的长期扰动对海水物理和化学特性的调控作用以及其对海洋初级生产者的影响，深化了对马斯特里赫特期古地理变化影响海洋环流及气候转型的理解，为未来研究其他地质时期的重大气候转型提供了范本，对理解地球系统各圈层之间复杂相互作用具有重要的理论价值。
——解读人：高远、吴奕洁
