期刊：Nature

英文题目：Relatively warm deep-water formation persisted in the Last Glacial Maximum

中文题目：末次冰盛期仍持续存在相对温暖的深层水形成过程

作者：Jack H. Wharton, Emilia Kozikowska, Lloyd D. Keigwin, Thomas M. Marchitto, Mark A. Maslin, Martin Ziegler & David J. R. Thornalley.

发表日期：2026年2月5日

摘要：

末次冰盛期（LGM，1.9-2.3 万年前）全球温室气体浓度低、大陆冰盖广泛分布，全球平均气温偏低且赤道 - 极地温度梯度增大，但北大西洋深层海洋的水文状态仍存在较大争议，深层温盐约束数据十分稀缺。本研究通过分析西北大西洋 13 个、东北大西洋 3 个海洋沉积岩芯的地球化学数据，重建了末次冰盛期北大西洋深层（>1.5 km）的温度和海水氧同位素（δ¹⁸O_sw）特征。

研究表明，西北大西洋深层温度为 0-2℃，仅比现代低 1.8±0.5℃；经全海洋变化校正后，δ¹⁸O_sw 比现代高 0.3±0.1‰，且该同位素信号可从副热带表层追溯至副极地东北大西洋和北欧海。研究证实末次冰盛期北大西洋持续形成相对温暖且可能高盐的北大西洋深层水（NADW），同时为模拟未来气候变化的地球系统模型提供了更新的基准约束条件。

研究背景：

末次冰盛期具有全球温室气体浓度低、北美和欧洲大部分地区被大陆冰盖覆盖的显著特征，彼时全球平均气温更低，赤道 - 极地温度梯度增大或导致西风增强，与现代气候差异显著，而北大西洋深层海洋的水文状态仍存在较大争议，深层温盐约束数据十分稀缺；模型研究显示冰期冰盖和风场驱动的环流可能促进北大西洋深层水（NADW）形成，但海冰扩张和冰川崩解又可能抑制深层水形成，传统古海洋营养代用指标认为冰期 NADW 与南极底层水（AABW）的边界抬升至约 2 km，而近期多代用指标研究认为该估值偏高，且冰期北大西洋深层温盐重建仅依赖少量离散点位，沉积孔隙水数据的假设前提也受到反演模型质疑；从现代北大西洋深层水层结特征来看，1-4 km 为温暖（2-4℃）高盐（34.9 PSU）的 NADW，4 km 以下为寒冷（0-1℃）低盐（34.7 PSU）的 AABW，二者的水文性质由其形成过程决定，NADW 源自西副热带表层水的冷却致密化，AABW 则由南极大陆架海水经海冰生长的盐析作用和强烈冷却形成（图1）。

图1现代大西洋的温度与盐度分布

a、b 为展示大西洋热力结构（a）和盐度结构（b）的经向剖面，a 图中的插图显示了用于绘制该剖面的观测断面（红色方框）。水文数据来源于 2023 年《世界海洋图集》（WOA23），并使用海洋数据视图软件完成绘图。空心圆点代表本研究中所用西北大西洋沉积岩芯的取样位置。现代深海水团的空间分布特征在盐度维度上可被清晰识别（b 图）。AAIW 为南极中层水。

研究结果

结果1：建立多物种、多代用指标的北大西洋深层温盐重建方法

   研究采用多物种与多代用指标相结合的技术路径，选取底栖有孔虫的微量元素比值（Mg/Ca、Mg/Li）和团簇同位素（Δ₄₇）作为独立温度代用指标，针对不同生态类型的有孔虫制定了专属校准方案：对于低镁浅内栖类群（Melonis spp.、Bulimina spp. 等 5 类），基于其相似的温度敏感性（约 0.1 mmol mol⁻¹ ℃⁻¹）建立了通用 Mg/Ca 温度校准模型；对于 ragonitic 物种 Hoeglundina elegans 和深内栖物种 Globobulimina affinis，分别采用已发表的 Mg/Li 和 Mg/Ca 温度校准公式；同时通过蒙特卡洛模拟和误差传递分析，量化了各指标的测量不确定性。结合底栖有孔虫氧同位素（δ¹⁸O_c）数据，进一步推导得到与盐度相关的海水氧同位素（δ¹⁸O_sw），不同物种、不同代用指标的温度估算结果在误差范围内高度一致，未出现显著种间偏差，为后续温盐重建的可靠性提供了方法学保障（图2）

图2本研究中使用的底栖有孔虫微量元素温度校准曲线

（a 为本文建立的通用校准曲线，方法学细节见本文方法部分、扩展数据图 2 及其中参考文献；b 为 Globobulimina affinis 的校准曲线；c 为 Hoeglundina elegans 的校准曲线）。a~c 图分别展示了多种底栖有孔虫的微量元素比值与估算生长温度的关系，这些有孔虫均表现出相似的温度敏感性；图中阴影区域和虚线分别代表 95% 置信区间（CI）和 95% 预测区间（PI）。

结果2：重建全新世中期 - 晚期和末次冰盛期西北大西洋深层水文垂直结构

   全新世中期 - 晚期（2-6 ka BP）西北大西洋 1-4.5 km 深层水域的多 proxy 重建结果显示，温度范围为 2-4 ℃，δ¹⁸O_sw 为 0-0.25‰，与 2023 年《世界海洋图集》（WOA23）的现代观测数据及介形虫 Mg/Ca 温度记录高度吻合，证实该时期存在与现代相似的深层环流结构，北大西洋深层水（NADW）至少延伸至 4 km 深度。末次冰盛期的重建结果表明，除受深层副热带涡旋影响的 ODP-172-1055 站位（约 1.8 km，温度约 5 ℃）外，西北大西洋 1.5-5 km 深层温度呈均一分布（0-2 ℃），δ¹⁸O_sw 集中在 1.25-1.75‰；深水区（>5 km）的温盐特征与其他深层数据一致，且 Mg/Ca 与 Δ₄₇推导的结果在误差范围内相互验证，支持冰期西北大西洋深层仍以 NADW 为主导，而非南北源水团的混合体，同时温盐散点图中的密度倒置现象暗示冰期 NADW 可能由多个形成于不同区域、具有不同 δ¹⁸O_sw - 盐度关系的水团组成（图3）

图3全新世中晚期与末次冰盛期西北大西洋的水文结构

a~f 图分别为全新世中晚期（MH，a~c）和末次冰盛期（LGM，d~f）西北大西洋的垂直温度剖面（a、d）、海水氧同位素（δ¹⁸O_sw）剖面（b、e）以及温盐（T/S）交叉图（c、f）；d 图中的虚线显示出温度向偏高方向的偏移，这一现象极有可能是布莱克外海脊处冰期副热带环流加深所致⁽¹⁴⁾。介形虫温度数据来源于已发表的底栖介形虫壳体镁钙比值研究；约 4.5 km 水深处的冰期海水氧同位素（δ¹⁸O_sw）估算值，由已发表的介形虫镁钙比值温度数据及邻近区域已发表的底栖有孔虫氧同位素数据综合得出。b 图和 e 图中，坐标轴标注采用灰色与黑色区分，分别代表代用指标重建结果的可信度较低（灰色）与较高（黑色）；a、b、d、e 图中的彩色填充符号代表各水深处的平均值（单物种温度的实测值与平均值详见扩展数据图 4），相关误差棒为 ±2 标准误。所有海水氧同位素（δ¹⁸O_sw）数据均以标准平均海水（SMOW）为基准进行标定；黑色虚线为基于本研究所有有孔虫温度数据绘制的局部加权散点平滑线（平滑跨度为 1）。a 图中的灰色线条、b 图中的灰色带状区域分别代表 2023 年《世界海洋图集》（WOA23）中的现代温度数据与西北大西洋的海水氧同位素结构（因缺乏现代原位海水氧同位素实测数据，其数值范围由 2023 年《世界海洋图集》的盐度数据，结合北大西洋深层水（NADW）、北大西洋整体（NATL）和拉布拉多海水（LSW）的现代盐度 - 海水氧同位素关系推导得出）。c、f 图中的 σ₂等密度线，由全球海洋数据分析计划（GLODAP v2.2022）的现代温盐实测数据结合吉布斯海水海洋学工具包（TEOS-10 标准）计算得到；北大西洋区域（20°N~60°N、0°~80°W）的 GLODAP（v2.2022）温盐实测数据也以彩色小圆圈形式绘于 c 图中，且按水深处进行颜色区分。为便于对比，c、f 图的盐度轴均偏移 1.1 实用盐度单位（PSU），以校正由全球海平面变化推导的末次冰盛期 - 全新世的全海洋盐度差异。图中 gNADW 为冰期北大西洋深层水，gNABW 为冰期北大西洋底层水。

结果3：末次冰盛期北大西洋深层仅小幅降温，海水 δ¹⁸O_sw 显著升高

温度对比分析显示，西北大西洋 NADW 分布区末次冰盛期平均温度较现代降低 1.63±0.44℃和 2.02±0.95℃，东北大西洋冰期降温幅度与之相近（1.78±0.56℃，Mg/Ca 推导），远低于沉积孔隙水数据估算的近冰点温度（-1.1℃至 - 1.9℃），证实冰期北大西洋深层维持相对温暖状态（0-2℃）。经全球冰量校正后的冰期 δ¹⁸O_sw（δ¹⁸O_sw-ivc）显著高于现代，其中西北大西洋 Mg/Ca 推导值高 0.38±0.14‰，Δ₄₇推导值高 0.23±0.24‰，东北大西洋 Mg/Ca 推导值高 0.51±0.19‰，表明沉积孔隙水方法低估了冰期北大西洋深层 δ¹⁸O_sw，结合现代海洋 δ¹⁸O_sw 与盐度的相关性，推测冰期 NADW 可能具有高盐特征，这一结论与同位素耦合模型（iPOP2）模拟的西大西洋副热带表层高 δ¹⁸O_sw 信号向下传输的结果一致。

图4末次冰盛期与现代北大西洋深层海水温度及氧同位素（δ¹⁸O_sw）变化汇总

a、b 两图分别为深层海水温度差（ΔT，a 图）和冰量校正后海水氧同位素差（Δδ¹⁸O_sw-ivc，b 图）的计算结果，其中数据来源包括基于底栖有孔虫 Mg/Ca 和团簇同位素 Δ₄₇的估算值（分别为深蓝色和绿色），以及已发表的基于沉积孔隙水氧同位素的估算值（浅蓝色，方法学细节见本文方法部分；位温通过吉布斯海水海洋学工具包（TEOS-10 标准）转换为原位温度；δ¹⁸O_sw 数据均以标准平均海水（SMOW）为基准标定）。针对西北大西洋区域，本研究剔除了受副热带影响的 ODP-172-1055 站位和深海的 KNR-197-10-17GGC 站位数据；冰期东北大西洋的数据来源于 RAPiD-10-1P、RAPiD-17-5P 和 BOFS17K 沉积岩芯（详见扩展数据表 1）。图中相关误差棒均为 ±2 标准误（方法学细节见本文方法部分）。现代温度数据取自 2023 年《世界海洋图集》（灰色），因缺乏对应的现代海水氧同位素实测数据，本研究假定西北大西洋和东北大西洋的现代海水氧同位素值分别为 0.20±0.2‰和 0.25±0.05‰。与图 3 一致，本研究对冰期海水氧同位素值进行了 - 1.0‰的校正，以消除全球冰量变化带来的影响（方法学细节见本文方法部分）。此外，本研究还利用可获得的配对样品，计算了末次冰盛期与全新世中晚期之间的温度差（ΔT）和冰量校正后海水氧同位素差（Δδ¹⁸O_sw-ivc），所得估算结果与本研究更广泛的气候态对比结果高度吻合（基于 Mg/Ca 的 ΔT=-1.7±0.7℃、Δδ¹⁸O_sw-ivc=0.5±0.2‰，n=5；基于 Δ₄₇的 ΔT=-2.2±2.0℃、Δδ¹⁸O_sw-ivc=0.4±0.5‰，n=3；方法学细节和原始数据见本文方法部分及源数据）

结果4：揭示冰期 NADW 的形成机制和水文驱动过程

冰期 NADW 的高 δ¹⁸O_sw-ivc 信号可沿特定路径完整溯源：从西大西洋副热带出发，经墨西哥湾流和北大西洋洋流（NAC）向东北延伸至副极地北大西洋和北欧海的深层水形成区，再向南输送至西北大西洋深层，证实末次冰盛期副极地北大西洋和北欧海南部中层存在持续的深层水形成。这一过程受副热带水文气候强迫驱动：冰期西大西洋副热带的降水 - 蒸发平衡（P-E）呈负值，即降水减少或蒸发增加，导致表层水 δ¹⁸O_sw 富集，而北大西洋洋流将这些温暖高盐的表层水输送至中高纬度，为深层水形成提供了必要的浮力损失条件，这一机制得到陆地 proxy 数据（北美和加勒比地区降水减少）和气候模型模拟（冰期西风增强导致副热带蒸发增加）的双重支持。同时，冰期表层 - 深层海洋存在解耦现象：副极地表层海水接近冰点，但北欧海和北冰洋深层水温达 0-2℃（较现代高约 3℃），海冰扩张限制了海洋向大气的热损失，减少了开阔海洋对流，而 NADW 形成区向南偏移至相对温暖的区域，加之副热带模态水（STMW）深度增加（温度约 5℃），共同构成了冰期经向热输送的重要环节。此外，结合全球平均海洋温度（MOT）冰期降温 2.3±0.5℃的估算结果，本研究重建的 NADW 仅降温 1.8±0.5℃，暗示太平洋深层水或部分南极底层水（AABW）可能承担了更大的降温幅度，以平衡全球海洋的温度变化。

图5北大西洋多个站位重建的高值冰量校正后海水氧同位素（δ¹⁸O_sw-ivc）信号，揭示了冰期西北大西洋深层水的上游来源路径

a 为冰期北大西洋表层海水（红色实心圆点）和深层海水（蓝色实心圆点）冰量校正后海水氧同位素（δ¹⁸O_sw-ivc）重建所用岩芯站位分布图（方法学细节、扩展数据表 3 及其中参考文献、源数据详见本文相关部分）；带数字的星号（11）标注了本研究西北大西洋观测断面的大致位置；红色和蓝色箭头分别代表表层洋流和深层洋流；白色阴影区域为 21.5 ka BP 时劳伦泰德冰盖（LIS）、芬诺 - 斯堪的纳维亚冰盖（FIS）及英爱冰盖（BIS）的大致分布范围；GS 为墨西哥湾流。b 为具有高值 δ¹⁸O_sw-ivc 信号的北大西洋深层水（NADW）潜在上游来源路径简化示意图（海水氧同位素 δ¹⁸O_sw 均以标准平均海水 SMOW 为基准标定）；箭头旁的数字与 a 图中标号的岩芯站位一一对应。为保证数据一致性，在必要情况下，对浮游和底栖有孔虫的镁钙比值（Mg/Ca）温度数据均采用新的和 / 或更新后的校准公式进行了重新校准，同时对有孔虫方解石的氧同位素（δ¹⁸O_c）采用物种特异性校正方法进行了校正 （方法学细节和源数据详见本文相关部分）。

研究意义

本研究的核心意义体现在古海洋学、气候模型模拟、未来气候预测及全球气候系统耦合四大维度：其不仅解决了末次冰盛期北大西洋深层水形成的核心争议，证实冰期北大西洋仍持续形成相对温暖的北大西洋深层水（NADW），修正了传统认知并完善了冰期大西洋经向翻转环流（AMOC）的结构与演化特征；还为地球系统模型提供了全新的、高分辨率的冰期北大西洋深层温盐约束条件，尤其通过 δ¹⁸O_sw 和温度的垂直剖面数据，助力检验和优化模型对深层水形成、洋流循环的模拟能力，提升模型可靠性；同时，结合现代观测与未来气候模型对 NADW 形成区空间偏移的预测，本研究揭示的冰期 NADW 形成的水文驱动机制（如副热带盐度强迫、形成区南移），为理解未来全球变暖背景下北大西洋深层水变化趋势与 AMOC 响应提供了关键古气候类比依据；此外，研究阐明了北大西洋深层水形成与极地冰盖、大气环流、热带 - 副热带水文气候的耦合关系，完善了冰期全球气候系统的相互作用机制，为解析冰期 - 间冰期气候转换的海洋驱动过程提供了全新视角。

研究亮点

本研究的核心亮点体现在多维度的创新与突破：

其一，采用多物种与多代用指标融合的技术路径，整合底栖有孔虫微量元素比值（Mg/Ca、Mg/Li）、团簇同位素（Δ₄₇）及氧同位素数据，针对不同生态类型有孔虫建立专属或通用校准模型，实现了北大西洋 1.5-5 km 深层温盐的高分辨率垂直剖面重建，有效规避了单指标、离散点位的局限性，提升了结果可靠性；

其二，覆盖西北大西洋与东北大西洋的沉积岩芯，跨越 NADW 形成区与输送路径，结合表层水代用数据完成冰期 NADW 信号的全路径溯源，形成了完整的证据链；

其三，通过独立的代用指标体系，质疑并修正了沉积孔隙水数据对冰期北大西洋深层温度和 δ¹⁸O_sw 的低估问题，厘清了冰期 NADW 与 AABW 边界的传统争议，为古海洋温盐重建提供了方法学参考；其四，将冰期 NADW 形成机制与现代海洋观测、未来气候模拟相结合，搭建了古气候研究服务于未来气候预测的桥梁，既深化了对冰期气候系统的认知，又提升了研究的现实应用价值。

对我们今后工作的启示

本研究为后续相关领域的研究提供了多方面重要启示：在古海洋代用指标方法学上，需进一步完善底栖有孔虫微量元素和团簇同位素的温度校准，综合考量碳酸盐离子饱和度、孔隙水环境等干扰因素，结合更多独立代用指标降低重建不确定性，同时重新评估沉积孔隙水数据在不同海域、深度的适用性；在北大西洋深层水研究中，应聚焦北欧海、拉布拉多海等关键形成区开展更高分辨率沉积岩芯分析，结合水团示踪指标明确冰期 NADW 的物源组成与混合过程，精细化揭示其时空演化特征；在气候模型优化方面，需将本研究的温盐约束数据纳入地球系统模型，重点提升对副热带水文气候、海冰 - 海洋热交换、深层水形成区空间偏移的模拟能力，并开展冰期 - 间冰期转换过程模拟以探讨 NADW 与全球气候突变的耦合关系；在全球尺度研究中，应结合太平洋、南大洋的冰期深层水温盐重建数据，量化不同大洋深层水对全球海洋降温、海平面变化的贡献，同时探究冰期 NADW 与南极底层水、中层水的相互作用；在现代与古气候联动研究中，需基于本研究揭示的盐度强迫机制，开展现代北大西洋副热带盐度变化的长期观测，建立盐度与深层水形成的定量关系，为预测未来 AMOC 变化趋势提供更坚实的依据；此外，还应深入探讨冰期北大西洋西风增强、副热带 P-E 平衡变化与大陆冰盖进退、大气环流调整的反馈关系，完善冰期全球气候系统耦合模型，助力提升对气候突变事件的理解与预测能力。

文献来源：https://doi.org/10.1038/s41586-025-10012-2

声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。

撰稿：贾明明

初审：任   杰

复审：杜   军

终审：鲁   鹏