中新世晚期温暖的气温，导致珊瑚海中的珊瑚礁逐渐减少

　　文丨波波百谈编辑丨波波百谈
　　珊瑚礁是最容易受到未来气候变化影响的环境之一，珊瑚提供重要的生态系统服务，并且是具有最高经济价值的环境，因为它具有旅游、渔业和海岸保护等诸多好处。然而，许多这些珊瑚礁系统都受到现代气候变化的影响。
　　一个关键的挑战是许多定量地球化学代理在碳酸盐平台上和附近不起作用，尤其是在数百万年的时间尺度上。这是因为碳酸盐岩成岩作用、总有机质含量低以及缺乏来自珊瑚礁的长钻芯等问题。
　　因此，即使在过去的时期已知珊瑚礁消失和碳酸盐平台退化的时间，但很难将这些变化与气候变化联系起来。这导致了对过去珊瑚损失原因的扭曲看法，以及我们对多种环境压力因素的变化如何在地质时间尺度上影响珊瑚礁系统和碳酸盐平台的认识不足。
　　珊瑚海气温评估
　　昆士兰高原在珊瑚海的GBR近海形成一个孤立的高原。如今，它拥有数个小型尖顶珊瑚礁和较大的珊瑚礁复合体，它们合计占其表面的 10-15% 13。现代珊瑚礁是早至中中新世（20-11 Ma）珊瑚礁边缘平台的遗迹，覆盖了约 64,000 公里2 14。
　　在晚中新世，即 11 至 7 Ma 之间，部分溺水导致珊瑚礁面积减少 50% 15。这一变化伴随着台地几何形状的转变，在晚中新世16期间从礁石环绕的台地转变为碳酸盐缓坡。
　　晚中新世被认为是平均海温与世纪末情景17预测的未来气候变化相似的时期。然而，尽管如此，低温表面温度被认为是珊瑚礁急剧减少的原因，同时还有其他压力因素，例如海平面变化和侵蚀。
　　根据研究发现，由于方解石测试的改变，当使用非玻璃状有孔虫时， δ 18 O SST 估计值对于中新世热带环境来说太冷了 10  C 28。来自珊瑚海 GBR 近海的上大陆坡的基于烯酮的 UK 37 ＂ SST 记录显示出与假定记录 SST 29的 δ 18 O 冰川/间冰期记录截然不同的趋势。
　　然而，即使知道原来的 δ 18O 记录是有问题的 在靠近碳酸盐平台的环境中重建 SST 仍然是一个挑战，这些平台富含具有高成岩潜力的亚稳态碳酸盐相，例如文石。
　　这是由于这些环境中成岩阶段的影响，这可能会妨碍使用诸如 δ 18 O、团块同位素或来自碳酸盐档案12、29、30的 Mg/Ca 等指标。UK 37等基于烯酮的代理的使用仅限于海面温度 < 29  C，并且在记录 27  C 以上的 SST 时效果不佳31，在珊瑚礁生长的典型热带环境中可以超过的温度。因此，需要一个新的代理来测试过去海温对珊瑚礁的影响。
　　基于TEX 86的重建可以更好地估计这些成岩活跃、富含亚稳态碳酸盐岩的环境中的海温。这是因为 TEX 86是基于在海洋的许多不同部分发现的奇古菌膜的脂质成分，并且已经在低生产力环境中发现32。因为 TEX 86基于来自非方解石生物的脂质生物标志物，所以它不像其他 SST 代理33那样容易受到碳酸盐改变或溶解的影响。
　　珊瑚海区域SST比较
　　在同一时间间隔内， TEX 86 H SST 接近于现代西太平洋暖池中 ODP 806 的 29.9  C 平均 SST。将我们的记录与西太平洋暖池其他站点的 SST 记录进行比较，基于 TEX 86 H表明，温度和趋势与晚中新世31期间在西太平洋暖池看到的非常相似。
　　西太平洋不同海温记录的比较。ODP 站点 811（红色）的新 811 TEX 86 H记录和旧的 δ 18 O 记录（深蓝色）15与西太平洋的其他站点进行了比较。其中包括从 WPWP 到珊瑚海北部的 ODP 站点 806（黑色）、从南中国海南部（紫色）31的 ODP 站点 1143和从珊瑚海南端豪勋爵海隆的 DSDP 站点 588 （浅蓝色）38都是 TEX 86 H记录。
　　它们比位于豪勋爵海隆珊瑚海最南端的 DSDP 站点 588 以南的TEX 86 H温度略高。再加上比更靠北的站点稍微凉爽，表明来自 ODP 站点 811 的 SST 落在预期的 SST 梯度38内。然而，研究人员发现的ODP站点811海温与晚中新世39期间亚热带南半球大部分地区的海温和降温趋势有很大不同。
　　原始δ 18 O SST低于U K 37＂ 在此期间位于塔斯曼前线新西兰附近的 ODP 站点 1125 的温度进一步表明这些 SST 不适合此时的其他 SST 重建39。这表明在晚中新世期间，珊瑚海属于热带而非亚热带，正如之前所暗示的那样15 。珊瑚海的平均海温在 24 至 25  C 之间21，晚中新世温度比现代珊瑚海高 2 至 6  C。
　　TEX 86 H SST 比旧的 δ 18 OSST 记录高 9–12  C。研究表明，当使用显示自生方解石过度生长的＂冷淡＂有孔虫（而不是玻璃状有孔虫）时，重建的 δ 18 O 温度大约低 10  C 27。这种重结晶是在深海中产生的，并在测试中保存的 SST 特征之上添加了海底温度分量，从而导致冷偏差。珊瑚海碳酸盐岩相再分析
　　中新世晚期珊瑚礁台地面积的减少伴随着昆士兰高原西南边缘碳酸盐台地形态和生物群的转变。中新世中新世镶边碳酸盐岩台地以热带光照动物骨骼组合为主，包括绿藻、珊瑚和大型底栖有孔虫。
　　苔藓虫作为次要成分出现，在中新世晚期，该平台演变成碳酸盐岩斜坡，其骨骼组合以苔藓虫和有孔虫为主，包括丰富的大型底栖有孔虫和浮游有孔虫。
　　相比之下，这些上中新世沉积物中缺少珊瑚和绿藻。人们认为晚中新世相更能代表甲醛组合 。骨骼组合的这种转变被解释为反映了从热带气候条件到非热带暖温带气候条件的转变，部分由氧同位素记录支持。
　　营养变化影响昆士兰高原相变的可能性。根据古生物学数据，增加的养分可用性会导致晚中新世相转变。相反，其他人则认为营养素的影响不太可能，部分原因是中温环境中的大型底栖有孔虫组合通常富含大型无孔结构，而昆士兰高原的晚中新世碳酸盐岩以穿孔结构为特征。
　　碳酸盐颗粒组合本身不足以明确解释古气候条件。已经强调需要其他数据，例如来自气候代用研究的数据来支持环境解释。我们在此处提供的新温度代理数据表明，温度以外的环境因素是中新世期间在昆士兰高原上观察到的碳酸盐岩相变化的原因。
　　对珊瑚礁开发的影响
　　TEX 86 H SST 数据表明需要一个新的驱动程序来解释珊瑚的损失。较冷的 SST 不太可能导致这些珊瑚礁的消失。在珊瑚礁淹没期间， TEX 86 H SST 数据落在＂珊瑚礁生长窗口＂的上端，这定义了珊瑚礁发育的最佳环境条件。25 C 和 29 C 之间的 SST 通常被认为是珊瑚礁发育的理想温度，而 18 C 的冬季温度定义了下限。
　　珊瑚礁生长的温度上限没有明确定义，但波斯湾的珊瑚礁年平均气温约为 28  C SST，但夏季气温超过 34  C 5 。通常，许多珊瑚物种的钙化和向上生长速率随年度海温线性增加。然而，这种趋势似乎在年温度 26-27 C 以上发生逆转，随着温度升高钙化和延伸率降低。
　　温度对珊瑚的影响在分类学上存在明显差异，但通过荟萃分析表明，预计未来温度急剧升高会降低它们的钙化率，因此可能会限制它们建造珊瑚礁的能力。因此，观察到的晚中新世平均温度约为 30  C，可能在晚中新世期间在昆士兰高原的珊瑚礁中诱发了压力条件，类似于现代大堡礁中发生的情况。
　　由于中新世中晚期热带海洋的文石过饱和度相对较低，珊瑚的钙化和延伸率可能有限。与工业化前的值相比，晚中新世热带海洋中的文石过饱和度较低，最小值约为 9Ma 53。这类似于现代海洋，预计酸化会影响未来的珊瑚礁净碳酸盐产量。
　　这种变化可以用这段时间全球海洋长期处于低碳酸盐饱和状态来解释。因此，就像在现代海洋中一样，晚中新世珊瑚正经历着高温条件和低文石过饱和度。温度和文石过饱和度等环境条件会以多种方式影响珊瑚礁碳酸盐的生产率及其吸积至海平面的能力。
　　珊瑚海地层岩心样品评估
　　ODP Site 811/825的生物地层年龄模型根据对整个岩心的 53 个样本的半定量研究进行了重新评估，包括上述 SST 重建之外的部分。载玻片根据滴落技术制备。
　　研究人员对样本进行超微化石筛选，并根据少数（F：每张载玻片一到五个样本）、罕见（R：每隔一个视野观察一个样本）、常见（C：每个视野观察一到五个样本）之间的区别来记录它们的存在、丰富。
　　研究人员提取了50 cc的沉积物，其中共有50到60 g，这对于有足够的材料来测量 SST 是必要的。使用 DCM: MeOH (9:1, v/v) 的溶剂混合物对样品进行索氏提取 48 小时。通过添加活化的铜屑去除元素硫。通过 Büchi 溶剂蒸发器蒸发过量溶剂至最终体积为 2 ml，然后将样品转移到 4 ml 小瓶中，在温和的氮气流下将总提取物 (TE) 干燥。
　　在 LC-TECH 自动 SPE 系统中使用极性增加的溶剂，通过硅胶柱色谱法（6 ml SPE 柱，2.8 g 二氧化硅 60 目，25–40 μm）将 TE 分成脂肪族、芳香族和极性馏分。NSO（极性）化合物用 14 ml DCM/MeOH（1:1，v/v）洗脱。
　　极性部分在己烷/异丙醇（9:1，v/v）中重构，并在氨基丙基取代的硅胶（3 ml SPE 柱，1.0 g 氨基丙基硅胶，25–40 μm）上重新层析。含有 GDGT 的醇级分用 5 ml 己烷/异丙醇（9:1，v/v）洗脱，干燥后重新溶解在己烷/异丙醇（99:1，v/v）中，最终浓度为 6 mg/ml 用于注入 HPLC/MS 系统。
　　GDGT 在 Alliance 2695 HPLC 系统（Waters，UK）上测量，该系统与 Micromass ZQ 单四极杆质谱仪联用，遵循73的分析方案. HPLC 仪器配备了两个 Waters BEH HILIC 硅胶柱（2.1   150 mm；1.7 µm 粒径）和一个保持在 30  C 的保护柱。以 0.2 ml/min 的流速洗脱目标化合物，开始时使用 82% 洗脱液 A（正己烷）和 18% 洗脱液 B（正己烷:2-丙醇 (9:1, v/v)）等度洗脱 25 分钟分钟。
　　在 25 分钟内将线性梯度设置为 65% 洗脱液A和35%洗脱液B，然后在30分钟内将线性梯度设置为 0% 洗脱液A和 100% 洗脱液 B。柱的再平衡提供 82% 洗脱液A和18%洗脱液B，持续20分钟。
　　使用配备以正离子模式运行的大气压化学电离 (APCI) 接口的 Micromass ZQ 单四极杆质谱仪 (MS) 实现类异戊二烯 GDGT 的检测。MS设置为：离子源温度，150 C；蒸发器温度，500  C；电晕，2微安; 锥电压，40 V；提取器电压，3 V；射频 (RF) 镜头，0.1 V；脱溶剂气，N2在8升/分钟。
　　通过单离子记录其质子化分子离子 [M + H] +（驻留时间，234 毫秒）实现对古细菌核心脂质的检测，并使用 MassLynx  软件通过峰面积积分对化合物进行定量。TEX 86的计算在74之后，TEX 86 H在34之后。重复测量的再现性显示相对标准误差 < 2%，使用两种方法分析的样品显示相对标准误差 < 3%。参考文献【1】Kirk, NL, Howells, EJ, Abrego, D., Burt, JA & Meyer, E.阿拉伯/波斯湾耐热珊瑚 ( Platygyra daedalea ) 耐热性的基因组和转录组学信号。摩尔。生态学。 27 , 5180–5194。
　　【2】Kubicek, A.、Breckling, B.、Hoegh-Guldberg, O. 和 Reuter, H. 气候变化推动珊瑚礁群落的特征转变。科学。众议院 9 (1), 1–10。
　　【3】Gunderson, AR、Tsukimura, B. 和 Stillman, JH 全球变化的间接影响：从生理和行为机制到生态后果。整合。比较。生物学。 57 , 48–54。
　　【4】Reuning, L., Reijmer, JJG, Betzler, C., Swart, P. & Bauch, T. The use of paleoceanographic proxies in carbonate periplatform settings—Opportunities and pitfalls. 古海洋学代理在碳酸盐岩围台地设置中的使用——机遇和陷阱。沉淀。地质学。 175 , 131–152。
　　【5】Betzler, C.、Brachert, TC 和 Kroon, D. 气候在昆士兰高原碳酸盐岩台地（澳大利亚东北部）部分淹没中的作用。Mar.Geol。 123 , 11–32 (1995)。