沉积物来源与有孔虫稳定氧碳同位素记录揭示早中新世地球轨道偏心率驱动的非洲季风演变

季风是地球气候系统的关键调节器。它通过季节性的大气环流转换，驱动跨纬度的能量与水汽交换：夏季将温暖湿润的空气输送到内陆，塑造亚洲与非洲的降水格局；冬季则将干燥的大陆气流带回赤道，加剧了季节间的差异。这一环流系统不仅调节着热带与副热带的热力学状态，还通过大气遥相关过程，与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、印度洋偶极子（IOD）等气候模态相互作用，触发极端天气事件。全球超过60%的人口依赖季风降水以维持农业生产与粮食安全，季风异常可引发洪水或干旱，带来深远的社会经济连锁影响。因此，理解季风演变机制对气候适应与可持续发展至关重要。

在全球季风系统中，非洲季风因其独特的跨赤道地理位置而具有关键意义。它受低纬度地球轨道强迫的畸变影响最小，被视为轨道驱动下热带水文气候的理想“探针”。全球海气耦合模型表明，非洲季风早在中古新世可能就已经存在。然而，此前确凿的地质证据仅能追溯至约1350万年前的中中新世，主要原因在于能够保存季风信号的适宜地质记录极为稀缺。

中国科学院南京地质古生物研究所研究员蔡悦、副研究员郭启梅、正高级工程师刘静与埃及、美国的合作者近日在《全球和行星变化》（Global and Planetary Change）期刊上发表最新成果，将非洲季风的连续记录大幅延长至2000万年前，为理解地球轨道变化如何调控热带气候提供了关键新证据。

通过对埃及苏伊士湾早中新世海相剖面的分析，研究团队利用钙质超微化石生物地层学，并结合有孔虫和牡蛎的锶同位素测年，对关键地层进行了高精度定年（图1）。在此基础上，团队进一步整合高分辨率底栖有孔虫的碳、氧同位素变化曲线，成功构建了一个分辨率高达约1万年的精细年龄框架（图2）。为追踪沉积物来源变迁、重建古环境，团队还对细粒硅酸盐沉积物开展了钕同位素（¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd）、锶同位素（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）以及主微量元素分析（图3、图4）。

研究发现，在地球轨道偏心率处于高值的时期，研究区沉积物中来自火山源区的物质贡献显著增多。这些物质极有可能源自埃塞俄比亚高原的火山岩，在强季风降雨的驱动下，经由中新世的东北非河流系统及地中海沿岸流，被长途搬运至苏伊士湾。这一假说得到了旋回地层学的验证（图3），相关地质记录成为早中新世非洲季风演变的直接证据。

与同时期的亚洲季风记录以及上新世-更新世的热带季风记录一样，早中新世非洲季风的强度变化呈现出清晰的~40万年地球轨道偏心率周期节律（图3）。这表明，轨道偏心率至少在过去2000万年里，一直是非洲季风变化乃至全球热带水文气候的主控“节拍器”。

这项研究不仅填补了早中新世非洲季风演化研究的长期空白，也为预测未来热带区域在长期轨道强迫背景下降水变化趋势，提供了宝贵的地质历史参照。

该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金及中国科学院国际交流计划（PIFI）等项目的资助。

论文相关信息: Guo, Q., Cai, Y., El-Barkooky, A.N., El-Araby, A.-.M., Ruan, T., Liu, J., Zou, A., Zakaria, A., Christie-Blick, N. & Badr, R. (2026). "Sediment provenance and foraminiferal isotope records reveal eccentricity-paced African monsoon variability in the Early Miocene." Global and Planetary Change 257. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2025.105260.

图1. (a)早中新世地理图，展示了红海北端的原苏伊士湾裂谷以及瓦迪巴巴地区研究剖面的位置（红星）（改自Scotese, 2013）; (b)早中新世期间地中海与苏伊士湾之间的沉积模式及海水环流模式（改绘自Salem, 1976）; (c)努胡尔组的简化地层柱状图，标注了生物地层学年龄（Badr et al., 2024）及锶同位素地层学年龄

图2. 利用钙质超微生物地层、锶同位素地层以及底栖有孔虫氧同位素地层建立的苏伊士湾盆地瓦迪巴巴地区努胡尔组地层年代。其中，底栖有孔虫氧同位素地层是基于研究区底栖有孔虫氧同位素曲线与同时期深海钻孔ODP 926B底栖有孔虫氧同位素曲线的对比; 深海钻孔ODP 926B底栖有孔虫氧碳同位素(a，e；Shackleton 等，1999)，及其~400-kyr周期滤波曲线(c, g); 研究区底栖有孔虫氧碳同位素(b, f); 及其~400-kyr周期滤波曲线(d, h); 研究区沉积速率变化(i); 地球轨道偏心率（Laskar 等，1993）(j).

图3. 研究剖面与 ODP 926B 钻孔底栖有孔虫稳定氧同位素记录以及地球轨道偏心率的对比。(a) ODP 926B 钻孔的 Cibicidoidesspp. 氧同位素（δ¹⁸O）（Shackleton等，1999），高值指示南半球冰盖规模较大; (b) 苏伊士湾盆地<63μm细粒碎屑沉积物的 εNd 值; (c)及其 ~400-kyr 周期滤波曲线; (d) 苏伊士湾盆地细粒碎屑沉积物的 Ni/Al 比值; (e)及其 ~400-kyr 周期滤波曲线; (f) 苏伊士湾盆地底栖有孔虫 δ¹³C 记录的三点滑动平均（蓝色）; (g) ODP 926B 钻孔底栖有孔虫 δ¹³C 记录的三点滑动平均（红色）, Uvigerina 的 δ¹³C 值已通过增加 0.9‰ 校正至 Cibicidoides 水平; (h) 苏伊士湾剖面与 ODP 926B 之间的 δ¹³C 差值（浅灰色）, ‘+0.9‰’ 表示两者在同一属种水平上 δ¹³C 值的偏移; 蓝色曲线显示 δ¹³C 差值在 ~400-kyr 和 ~100-kyr 时间尺度上的合成信号，红色曲线显示 δ¹³C 差值在 ~400-kyr 时间尺度上的变化; (i) 地球轨道离心率（Laskar等，1993），绿色条带表示离心率最小值期，根据本研究的新记录，该时期对应非洲季风活动减弱。

图4.  研究区及其周边可能源区的Nd-Sr同位素; 埃塞俄比亚火山岩，尼罗河、西部沙漠、红海丘陵沉积物，以及阿拉伯-努比亚地盾花岗岩的Nd-Sr同位素数据来自Pik et al., 1998、 Ayalem et al., 1999、 George and Rogers, 2002、 Teklay et al., 2005、 Mechesha and Shinjo, 2007、Beccaluva et al., 2009、 Nelson et al., 2019、Fielding et al., 2017,和 Palchan et al., 2013