全新世中期的环境变化以及冰川-等静力抬升作用，在南极罗斯海无名称岛屿上的一个沿海孤立盆地中得到了记录

南极 Terra Nova Bay 区域 NYD 湖沉积芯揭示潮汐海洋向半封闭湖泊系统的转变，通过沉积物粒度、有机地球化学及 δ13C 分析确定隔离时间约 1700 年前，估算地壳抬升速率 0.65±0.17 mm/yr，为 Ross 海沿岸演化及冰川均衡调整提供关键约束。

　　
南极 Terra Nova Bay 区域 NYD 湖沉积序列对冰后抬升与相对海平面演化的制约研究

一、研究背景与科学问题
南极冰盖消融引发的相对海平面变化是当前全球变暖背景下海平面上升研究的重要课题。尽管南极冰缘区保存了丰富的古环境记录，但受限于复杂的冰盖-冰架相互作用和极端环境采样难度，该区域相对海平面变化的定量研究长期存在空白。特别是罗斯海西岸地区，现有研究主要依赖抬升阶地等地貌学证据（Baroni和Orombelli, 1991；Rhee等, 2020），这类记录存在年代标定模糊和短期信号缺失等问题。本研究聚焦于 Terra Nova Bay 北部 Victoria 岛的 NYD 湖，该湖作为现代海拔1.1米以上的潮汐隔离 basin，其完整沉积序列完整记录了冰后抬升与相对海平面变化的耦合过程，为南极冰缘区海平面变化研究提供了新的关键样本。

二、研究区域特征
Victoria 岛位于 Ross 海东北部，受东南极冰盖（EAIS）和 Nansen 冰架双重影响，形成独特的海岸带地貌。研究区具有以下特征：（1）现代冰川与海洋接触界面清晰，湖岸线海拔约1.1米；（2）受西风漂流和南太平洋涛动影响，该区域海平面变化具有显著年代依赖性；（3） NYD 湖作为封闭潮汐湖，其沉积序列完整保存了冰后抬升过程中的环境转换过程。对比其他研究区域，Victoria 岛具有冰盖消融时间较晚（约1.7万年前）、抬升速率相对稳定的优势，这为建立精确的海平面变化速率标尺提供了条件。

三、沉积序列与环境演变
NYD 湖37厘米沉积芯揭示了完整的海洋-湖泊转换序列，通过岩性、有机地球化学和稳定同位素多维分析，可划分出三个典型沉积单元：

1. 海洋沉积层（0-18cm，约7400-3500年前）
灰黑色粗砂为主，发育典型潮汐韵律层理（平均潮汐周期3天）。硫同位素分析显示δ13?S值达5.2‰（相对于标准海水），表明沉积物主要来源于潮间带泥沙与海洋生物碎屑的混合沉积。有机质C/N比范围在10-15之间，δ13?C值介于-18.5‰至-23.2‰，反映海洋浮游植物与陆源有机质共同输入的混合沉积环境。

2. 过渡沉积层（18-7cm，约3500-1700年前）
灰绿色粗粒粘土与粉砂互层，沉积物中有机质含量显著提升（C/N比达25-30）。稳定同位素显示δ13?C值向淡水藻类源区（-24‰至-28‰）偏移，C/N比增大反映陆源有机质输入增加。沉积物中发现的陆源植物硅酸体（SSZ）含量从基部的5%增至顶部的18%，表明冰川退缩导致陆源碎屑输入量增加。

3. 湖泊沉积层（>7cm，1700年至今）
细粒粉砂为主，有机质类型由海洋浮游生物（δ13?C=-21.8‰）转变为淡水藻类（δ13?C=-26.3‰）。沉积物中陆源重矿物含量从12%降至5%，反映水体封闭程度提高。特别值得注意的是，在7-10cm深度段发现人为扰动层，对应于2012年冰架崩解事件引发的沉积再悬浮。

四、环境转变的关键证据
1. 沉积物结构突变：在18cm深度处，沉积物粒度从平均0.8mm粗砂（基层）突变为0.2mm粉砂（过渡层），这种转变与冰川消融导致湖盆海拔上升超过海平面基准面的关键时间点（约3500年前）吻合。

2. 有机质来源转变：C/N比从基部的12.5提升至顶部的28.6，δ13?C值由-20.3‰向-27.1‰漂移，指示有机质输入从海洋浮游植物（C/N=10-15，δ13?C=-20‰至-25‰）转变为淡水藻类（C/N=25-30，δ13?C=-26‰至-29‰）。

3. 硅酸体证据：沉积物中陆源石英含量从基部的45%降至顶部的32%，而SSZ含量从5%增至18%，佐证了冰川后退导致陆源输入增加和封闭湖泊形成的过程。

五、地壳抬升速率估算
研究通过三个关键参数建立抬升速率模型：
1. 湖盆抬升量：从现代海拔1.1米至冰盖消融初期的海平面基准面（约-1.5米），总抬升量1.6米。
2. 时间跨度：沉积记录完整覆盖1700年前后的环境转变，结合末次冰盛期（约2.8万年前）冰盖范围与现代比较，确定有效抬升时段为1.7万年前至今。
3. 沉积速率：通过测年数据（1?C和13?S同位素测定）计算平均沉积速率2.3cm/千年。

最终估算地壳抬升速率为0.65±0.17毫米/年，该值显著高于现有GIA模型在Ross海区域的预测值（0.35-0.45毫米/年），主要差异源于：（1）未充分考虑南极冰盖消融导致的流体静力学负载变化；（2）传统模型低估了区域性地壳热异常的影响。

六、对GIA模型改进的启示
1. 模型参数校准：建议在W12和ICE-6G模型中增加Victoria岛区的地壳热流参数（当前估值0.08W/m2），可使抬升速率预测误差降低40%。
2. 冰盖-沉积物反馈机制：研究揭示，当湖盆抬升至海平面以上后，湖相沉积物会显著改变区域GIA的反馈机制，需在模型中引入"封闭湖-开放海"沉积转换系数（建议值0.62）。
3. 相对海平面速率计算：通过整合沉积记录与冰盖模型，建立新的相对海平面速率（RHSL）估算方法，公式为RHSL=U-(ε·U)/H，其中U为地壳抬升速率，ε为冰盖质量变化，H为冰盖厚度。

七、区域海平面重建与对比
将NYD湖记录与Ross海其他区域对比发现：
1. 与East Antarctica的Dome F记录相比，Victoria岛地区冰后抬升速率高出15-20%，这可能源于：
- 更厚的冰盖消融补偿层（现代冰盖厚度约300米）
- 地幔热柱活动增强（磁异常显示该区存在热点）
- 非均质地壳的响应差异

2. 湖泊沉积记录显示，1700年前后的海平面变化速率达3.2毫米/年（当前值），这与全球海平面速率（约3.7毫米/年）基本一致，但区域差异明显：
- Ross海西岸：2.1毫米/年
- Victoria岛：3.2毫米/年
-东南极：1.8毫米/年

八、生态演替与气候响应
1. 水生生态系统：δ13?C值变化揭示浮游植物群落结构转变，1700年前后的δ13?C漂移幅度达5.8‰，对应着从海洋浮游桡足类（优势种）向淡水藻类（如小球藻属）的转变。
2. 湖岸植被：沉积物中陆源有机质输入增加，反映周边冰川消退导致陆地生态系统向湖岸带迁移，植被覆盖从潮间带泥炭地扩展至海拔800米区域。
3. 稳定同位素气候指示：结合δ13?C与δ1??O分析，发现1700年前后的气候突变与西风漂流增强有关，导致海洋输入减少而淡水输入增加。

九、冰川动力学启示
1. 冰川退却速率：通过沉积序列连续性与冰层年代学对比，估算EAIS在Victoria岛区的退却速率为0.8±0.2毫米/年，高于东南极平均速率（0.5毫米/年）。
2. 冰动调整滞后效应：研究显示，当冰盖前沿抬升超过海平面1米时，约滞后800年才完成完全封闭，这为理解冰盖-沉积系统的时间延迟提供了新证据。
3. 潮汐作用持续影响：即使在封闭湖泊阶段，沉积物中仍保留0.5-1.2米的潮汐振荡层理，表明地壳抬升速率与相对海平面下降速率的平衡关系。

十、研究局限与未来方向
1. 存在三个主要局限：
- 沉积序列长度仅37厘米，对应约2000年记录，可能无法完整反映自然变率的极端事件
- 同位素分析未区分生物地球化学循环的现代变化
- 冰川动力模型中未充分考虑冰架崩解对GIA的瞬时影响

2. 未来研究方向建议：
- 建立多学科联合研究平台（沉积物学+冰芯+岩磁学）
- 开展三维地壳形变监测（结合Inexpressible岛现有GNSS网络）
- 模拟不同情景下（如冰架崩解、海底滑坡）的GIA响应
- 进行古海洋环流数值模拟验证同位素记录

本研究通过单一湖泊沉积记录，成功构建了冰后抬升与海平面变化的动态耦合模型，其揭示的"抬升驱动封闭-封闭强化抬升"正反馈机制，为南极冰缘区海平面变化预测提供了新的理论框架。研究建立的7400年连续记录，填补了南半球最高纬度区域（南纬74°）的Holocene环境档案空白，对完善南极冰盖消融模型具有关键支撑作用。