Darwin Point: A threshold for atoll formation

 

 

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I a l s o d r a w u p o n g e o p h y s i c a l e v i d e n c e f r o m t h e l i t e r a t u r e t h a t s u g g e s t s t h e D a r w i n P o i n t h a s e x i s t e d n e a r t h e s a m e l a t i - t u d e f o r a t l e a s t t h e p a s t 2 0 m i l l i o n y e a r s . M a t e r i a l s a n d M e t h o d s T h e e x p e r i m e n t w a s c o n d u c t e d o n 1 4 m a j o r i s l a n d s w h i c h s p a n t h e a r c h i p e l a g o f r o m H a w a i i t o K u r e A t o l l . S t a t i o n s w e r e s e l e c t e d o f f s o u t h w e s t e x p o s u r e s o f e a c h i s l a n d a t d e p t h s o f 1 0 m i n z o n e s o f m a x i - m u m r e e f d e v e l o p m e n t . A t e a c h s t a t i o n c o r a l g r o w t h w a s m e a s u r e d b y a v e r a g i n g t h e w i d t h o f a t l e a s t t e n a n n u a l b a n d s ( K n u t s o n e t a l . 1 9 7 2 ) i n s k e l e t a l c r o s s s e c t i o n s o f a t l e a s t t e n c o l o n i e s o f t h e m o s t a b u n d a n t s p e - c i e s , P o r i t e s I o b a t a ( F i g s . 2 a n d 3 A ) . T h e m e a n d e n s i t y o f e a c h c o l o n y w a s m e a s u r e d o n a d e n s i t o m e t e r u s i n g a l u m i n i u m s t e p w e d g e s a s s t a n d a r d s ( F i g . 3 B ) . C o l o n y m a s s a c c r e t i o n i n k g C a C O 3 w a s c a l c u l a t e d a s t h e p r o d u c t o f m e a n l i n e a r g r o w t h r a t e a n d m e a n c o l o n y d e n s i t y ( F i g . 3 C ) . M e a n v a l u e s o f m a s s a c c r e t i o n f o r c o l o n i e s o f P . l o b a t a w e r e t h e n c o m - p u t e d f o r e a c h i s l a n d a n d m u l t i p l i e d b y m e a s u r e s o f m e a n c o r a l c o v e r f o r a l l s p e c i e s o f c o r a l t o p r o d u c e m e a n r a t e s o f a c c r e t i o n d u e t o a l l c o r a l s i n k g C a C O 3 / m 2 / y e a r ( F i g . 4 B ) . P . l o b a t a i s c o n s i d e r e d r e p r e s e n t a t i v e o f o t h e r H a w a i i a n c o r a l s b e c a u s e i t s g r o w t h a p p r o x i m a t e s t h e g r o w t h i n m e a n s o l i d r a d i u s o f c o r a l s o f s u b s t a n t i a l l y d i f f e r e n t g r o w t h f o r m , i . e . b r a n c h i n g a n d e n c r u s t i n g ( M a r a g o s 1 9 7 2 ) , a n d b e c a u s e i t i s i n t e r m e d i a t e i n g r o w t h r a t e ( B u d d e m e i e r e t a l . 1 9 7 4 ) . A l s o i t i s t h e o v e r w h e l m i n g d o m - i n a n t f r a m e w o r k b u i l d e r i n t h e H a w a i i a n A r c h i p e l e g o ( G r i g g a n d D o l l a r 1 9 8 0 ) . I t c o u l d b e a r g u e d t h a t c a r b o n a t e p r o d u c t i o n s h o u l d b e m e a s u r e d i n w a t e r s h a l l o w e r t h a n 1 0 m o r i n t h e l a g o o n s i n o r d e r t o o b t a i n m a x i - m u m r a t e s . H o w e v e r , c o l o n i e s o f P . l o b a t a c o l l e c t e d a t 1 - 5 m d e p t h a t a n u m b e r o f l o c a t i o n s i n t h e a r c h i p e l a g o c o n t a i n e d c o m p a r a b l e o r s l i g h t l y n a r r o w e r r a t h e r t h a n b r o a d e r a n n u m g r o w t h b a n d s . A l s o a t d e p t h s s h a l - l o w e r t h a n 1 0 m i n a r e a s e x p o s e d t o w a v e s , h i a t u s l i n e s a r e c o m m o n s u g - g e s t i n g g r o w t h i s f r e q u e n t l y i n t e r r u p t e d . H e n c e m e a s u r e s a t 1 0 m c a n p r o b a b l 7 b e c o n s i d e r e d n e a r m a x i m a l f o r o f f s h o r e r e e f s . I n s i d e t h e l a g o o n s t h e p r o p o r t i o n o f c a r b o n a t e c o n t r i b u t e d b y c o r a l s m a y b e g r e a t e r t h a n i t i s o n o f f s h o r e r e e f s , p a r t i c u l a r l y a t M i d w a y a n d K u r e A t o l l s w h e r e m a n y s h a l l o w p a t c h r e e f s s u p p o r t t h i c k e t s o f P o r i t e s c o m - p r e s s a . N e v e r t h e l e s s , g r o w t h s t u d i e s w e r e c o n d u c t e d o n s e a w a r d r e e f s b e - c a u s e m a n y i s l a n d s , b a n k s a n d s h o a l s i n t h e a r c h i p e l a g o l a c k l a g o o n s . A l s o b e f o r e l a g o o n s c a n d e v e l o p , s e a w a r d r e e f s m u s t b e c a p a b l e o f k e e p - i n g p a c e w i t h c h a n g e s i n s e a l e v e l . T h e r e f o r e , i n t e r m s o f u n d e r s t a n d i n g t h e f a c t o r s w h i c h c o n t r o l a t o l l f o r m a t i o n , t h e d e v e l o p m e n t o f s e a w a r d r e e f s i s o f f i r s t o r d e r i m p o r t a n c e . I n t h i s s t u d y , s i n c e m e a s u r e m e n t s o f g r o w t h w e r e m a d e a l o n g a x e s o f m a x i m u m g r o w t h i n e a c h c o l o n y a n d b e c a u s e e s t i m a t e s o f c o r a l b o t - t o m c o v e r w e r e t a k e n f r o m o p t i m a l a r e a s ( s o u t h w e s t e x p o s u r e s ) , r a t e s o f a c c r e t i o n s h o u l d b e c o n s i d e r e d e s t i m a t e s o f m a x i m u m g r o s s p r o d u c t i o n f o r c o r a l s . C h a v e e t a l . ( 1 9 7 2 ) h a v e d i s t i n g u i s h e d b e t w e e n p o t e n t i a l , g r o s s a n d n e t c a r b o n a t e p r o d u c t i o n . P o t e n t i a l p r o d u c t i o n r e f e r s t o t h e c a l c i f i - c a t i o n r a t e o f a n i n d i v i d u a l o r g a n i s m o r c o l o n y , g r o s s p r o d u c t i o n i s t h e c a l c i f i c a t i o n r a t e o f t h e c o m m u n i t y ( t h e p r o d u c t o f p o t e n t i a l p r o d u c t i o n a n d t h e p r o p o r t i o n o f r e e f c o v e r e d b y c a l c i f y i n g o r g a n i s m s ) , a n d n e t p r o - d u c t i o n i s t h e c a r b o n a t e p e r m a n e n t l y r e t a i n e d b y t h e r e e f . W i t h n o c a r - b o n a t e d i s s o l u t i o n o r m e c h a n i c a l g a i n s o r l o s s e s , n e t p r o d u c t i o n i s e q u i v - a l e n t t o g r o s s p r o d u c t i o n . I n o p t i m a l e n v i r o n m e n t s i n H a w a i i r a t e s o f e r o s i o n a n d d i s s o l u t i o n a r e s m a l l a n d g r o s s p r o d u c t i o n i s a r e a s o n a b l e a p p r o x i m a t i o n o f n e t p r o d u c t i o n . I n f a c t , e s t i m a t e s o f c a l c i f i c a t i o n b a s e d o n t h e m e t h o d u s e d h e r e a g r e e r e m a r k a b l y w e l l w i t h m e a s u r e s o f n e t c a l - c i f i c a t i o n b a s e d o n a l k a l i n i t y d e p r e s s i o n f o r c o m p a r a b l e a r e a s i n H a w a i i ( K i n s e y 1 9 7 9 ) . R e e f a c c r e t i o n d e p e n d s o n n e t p r o d u c t i o n o f a l l c a l c i f y i n g o r - g a n i s m s , t h a t i s , t h e a m o u n t o f C a C O 3 r e t a i n e d b y t h e r e e f . I n o p t i m a l e n v i r o n m e n t s i n H a w a i i w h e r e c o r a l c o v e r i s h i g h , g r o s s p r o d u c t i o n b y c o r a l s i s a g o o d a p p r o x i m a t i o n o f n e t p r o d u c t i o n o n t h e r e e f . W h e r e c o r - a l c o v e r i s l o w , g r o s s p r o d u c t i o n b y c o r a l s i s a n u n d e r e s t i m a t e o f n e t p r o - d u c t i o n o n t h e r e e k R e s u l t s T h e r e s u l t s s h o w t h a t c a l c i f i c a t i o n o f i n d i v i d u a l c o r a l s a n d c o r a l r e e f s a c c r e t i o n d u e t o c o r a l s d e c l i n e i n a l i n e a r f a s h - i o n a s a f u n c t i o n o f l a t i t u d e f r o m H a w a i i i n t h e s o u t h e a s t t o K u r e A t o l l i n t h e n o r t h w e s t ( F i g s . 3 A - C , 4 A - B ) . A t t h e s o u t h e a s t e r n e n d o f t h e c h a i n t h e w e i g h t e d m e a n g r o w t h r a t e o f c o l o n i e s o f P . I o b a t a i s 1 3 m m / y e a r o r 1 8 k g C a C O 3 / m 2 / y e a r . E q u i v a l e n t r a t e s f o r t h e n o r t h e a s t e r n e x - t r e m e a r e 3 m m / y e a r a n d 5 k g C a C O 3 / m 2 / y e a r . T h e s e r a t e s c o r r e c t e d d o w n t o a c c o u n t f o r c o r a l c o v e r f o r a l l s p e - c i e s a r e 1 1 m m / y e a r a n d 1 5 k g C a C O 3 / m 2 / y e a r a n d 0 . 2 m m / y e a r a n d 0 . 3 k g C a C O 3 / m 2 / y e a r , r e s p e c t i v e l y ( F i g . 4 B ) . L a t i t u d e - d e p e n d e n t c a l c i f i c a t i o n b y c o r a l s i s c o n s i s - t e n t w i t h t h e m o d e l s u g g e s t e d b y M c K e n z i e e t a l . ( 1 9 8 0 ) b u t i m p l i c i t l y c o n t r a d i c t s t h e c o n c l u s i o n s o f K i n s e y ( 1 9 7 9 ) , K i n s e y a n d D a v i e s ( 1 9 7 9 ) , a n d S m i t h a n d K i n s e y ( 1 9 7 6 ) . W h i l e a c k n o w l e d g i n g a l a r g e d e g r e e o f v a r i a b i l i t y i n c a l c i f i c a t i o n a s s o c i a t e d w i t h h a b i t a t , K i n s e y ( 1 9 7 9 ) h a s s u g g e s t e d t h a t c o r a l r e e f s a s a w h o l e e x h i b i t a " s t a n d a r d " 3 1 F i g . 2 A - D . X - r a d i o g r a p h s o f c r o s s s e c t i o n s f r o m c o l o n i e s c o l l e c t e d f r o m H a w a i i ( A ) , F r e n c h F r i g a t e S h o a l s ( B ) , P e a r l a n d H e r m e s R e e f ( C ) a n d K u r e A t o l l ( D ) . N o t e p r o g r e s s i v e d e c r e a s e i n t h i c k n e s s o f a n n u a l g r o w t h b a n d s a n d c h a n g e i n g r o w t h f o r m f r o m l o b a t e t o v e n e e r m o v i n g n o r t h w e s t o r u n i f o r m m e t a b o l i c p e r f o r m a n c e i n d e p e n d e n t o f l a t i - t u d e . K i n s e y ( 1 9 7 9 ) c l a i m s t h a t i n g e n e r a l , P a c i f i c c o r a l r e e f s c a n b e c h a r a c t e r i z e d b y a b i m o d a l s c h e m e c o n s i s t i n g o f r e e f f l a t s o r p e r i m e t e r z o n e s ( 3 - 5 k g C a C O 3 / m 2 / y e a r ) a n d s a n d - r u b b l e z o n e s ( 0 . 5 k g C a C O a / m 2 / y e a r ) . C h a v e e t a l . ( 1 9 7 2 ) h a v e s u m m a r i z e d t h e l i t e r a t u r e u p t o 1 9 7 t a n d r e p o r t v a l u e s o f g r o s s p r o d u c t i o n f o r P a c i f i c a n d I n d i a n O c e a n r e e f s o f 5 - 8 k g C a C O 3 / m 2 / y e a r . I n 1 9 7 8 , A d e y s u m m a r i z e d t h e l i t e r a t u r e f o r n e t p r o d u c t i o n d u r i n g t h e H o l o c e n e f o r r e e f s i n t h e t r o p i c a l ( < 2 4 ~ l a t i t u d e ) C a r i b - b e a n ( 1 3 - 2 2 k g C a C O 3 / m 2 / y e a r b a s e d o n a n a c c r e t i o n r a t e o f 9 - 1 5 r a m / y e a r 1 ) a n d t h e P a c i f i c ( 4 - 1 4 k g C a C O 3 / m 2 / y e a r , b a s e d o n a n a c c r e t i o n r a t e o f 3 - 1 0 r a m / y e a r 1 ) . T h e c o r a l r e e f s c o n s i d e r e d b y K i n s e y ( 1 9 7 9 ) a n d o t h e r s a r e a l l s i t u a t e d a t l a t i t u d e s b e t w e e n 2 3 ~ S a n d 2 5 ~ N . W i t h i n t h e s e l a t i t u d e s , w i t h t h e p o s s i b l e e x c e p t i o n o f t h e C a r i b - b e a n t h e n o t i o n o f u n i f o r m c a l c i f i c a t i o n o f c o r a l r e e f s i s r e a s o n a b l y w e l l s u p p o r t e d b y e x i s t i n g d a t a . 1 A s s u m i n g a s k e l e t a l d e n s i t y o f 2 . 9 g / c m 3 a n d p o r o s i t y o f 0 . 5 0 L o o k i n g a g a i n a t t h e d a t a f o r t h e H a w a i i a n c h a i n , v a l u e s a t t h e s o u t h e a s t e r n e n d a r e r e l a t i v e l y h i g h s u g g e s t - i n g o p t i m a l c o n d i t i o n s . I n t h e m i d d l e o f t h e c h a i n , f i g u r e s a r e m o r e c o m p a r a b l e t o r e e f s e l s e w h e r e i n t h e w o r l d , w h i l e a t t h e n o r t h w e s t e r n e x t r e m e e s t i m a t e s a r e u n u s u a l l y l o w . I n v i e w o f t h e d a t a f o r m o r e t r o p i c a l r e e f s d i s c u s s e d a b o v e , t h e i n v e r s e r e l a t i o n s h i p r e p o r t e d h e r e b e t w e e n l a t i t u d e a n d c o r a l c a l c i f i c a t i o n m a y o n l y a p p l y n e a r l a t i t u d i n a l l i m i t s o f c o r a l r e e f d e v e l o p m e n t . D i s c u s s i o n T h e r a t e s f o r c o r a l g r o w t h a n d r e e f a c c r e t i o n d u e t o c o r a l s a t K u r e I s l a n d ( 0 . 2 m m / y e a r a n d 0 . 3 k g C a C O 3 / m 2 / y e a r , r e s p e c t i v e l y [ F i g . 4 B ] ) a r e m o r e t h a n s u f f i c i e n t t o o f f s e t s u b s i d e n c e a t t h i s l a t i t u d e i n t h e c h a i n ( 0 . 0 4 m m / y e a r ) ( G r e e n e e t a l . 1 9 7 8 ) , b u t n o t n e a r l y l a r g e e n o u g h t o h a v e k e p t p a c e w i t h s e a l e v e l r i s e d u r i n g t h e H o l o c e n e t r a n s - g r e s s i o n w h i c h w a s a b o u t 1 4 r a m / y e a r b e t w e e n 1 5 , 0 0 0 a n d 3 2 2 5 " C >
–
,

2
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< r r I 0 T I - - O 5 n , " ( _ O 0 2 . 0 1 . 8 r , ~ E E " ~ 1 . 6 E 1 . 4 0 3 z L d C ~ 1 . 2 I . O 0 . 0 " E 2 5 0 0 o 0 2 0 z 1 5 0 I - - I . . d o ~ l 0 c ) < >
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< 0 . 0 1 , r = - O . 8 7 (cid:12) 9 - - ~ O A H U - _ _ (cid:12) 9 N E C K E R I ~ . , (cid:12) 9 ; o (cid:12) 9 - - L A Y S A N M ~ O d - ~ ~ ~ M A U I - - - - - - - T - _ . ~ ! " - - - - M I D W A Y (cid:12) 9 F F S ~ _ _ . _ _ _ _ N I H O A G A R N t - - I ~ I I I I I , I L I S I A , N S K ~ " ~ I ~ ~ I I L I S I A N S K I K A U A I G A R D N E R I I " I A W A I I O A H U N E C K E R (cid:12) 9 M A R O I I (cid:12) 9 l (cid:12) 9 M A U l N I H O A (cid:12) 9 F F S I M I D W A Y - 1 I P ; H (cid:12) 9 1 4 9 e l " 1 K U R E L A Y S A N Y = 0 . 6 7 + 0 , 0 3 6 ( X ) B D E N S I T Y i i i I I I I I I I I C C O L O N Y A C C R E T I O N O A H U ~ ~ ~ N E C K E R . . A W A I I (cid:12) 9 (cid:12) 9 o ~ ~ (cid:12) 9 Y = 4 4 . 9 - 1 . 3 9 ( X ) , p < O . O I , r = - 0 . 8 6 (cid:12) 9 (cid:12) 9 , I L ~ (cid:12) 9 (cid:12) 9 ~ L A Y S A N - - _ M 2 0 , " " M A R O I " - - _ " K A U A I - - ~ (cid:12) 9 I " K A U A I - F F S (cid:12) 9 ~ I ' . . . . : : - _ (cid:12) 9 ? ~ I N I H O A - - - - G A R D N E R I p l . ~ ~ L I S I A N S K I I ~ . T K U R E I I I I l I f I ~ 1 I 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 5 0 L A T I T U D E ( ~ F i g . 3 A - C . G r o w t h r a t e ( A ) , c o l o n y d e n s i t y ( B ) , c o l o n y a c c r e t i o n ( C ) o f P . l o b a t a i n t h e H a w a i i a n A r c h i p e l a g o . D a t a p l o t t e d i n F i g . 3 A a r e a v e r a g e s b a s e d o n a t l e a s t t e n a n n u a l b a n d s p e r c o l o n y a n d i n t h i s r e s p e c t r e p r e s e n t s d e c a d e l o n g m e a n s 6 , 0 0 0 y e a r s B . P . ( B l o o m 1 9 7 1 ; C h a p p e l l 1 9 7 4 a ; A d e y 1 9 7 8 ) . S u r e l y M i d w a y a n d K u r e A t o l l s w o u l d h a v e " d r o w n e d " d u r i n g t h i s p e r i o d w e r e t h e y n o t e m e r g e n t f e a t u r e s . E v i d e n c e i s n o w a c c u m u l a t i n g t h a t m a n y c o r a l a t o l l s , c o r a l i s l a n d s a n d r e e f s w e r e p r o b a b l y a b o v e s e a l e v e l d u r - i n g t h e l a s t g l a c i a t i o n ( K i n s e y a n d D a v i e s 1 9 7 9 ) . D u r i n g t h i s p e r i o d , s e a l e v e l r e c e d e d t o a b o u t - 1 3 0 m a b o u t 1 8 , 0 0 0 y e a r s a g o ( C h a p p e l l 1 9 7 4 b ) a n d p e r s i s t e d b e l o w p r e s e n t s e a l e v e l f o r a s l o n g a s 1 2 0 , 0 0 0 y e a r s B . P . ( A d e y 1 9 7 8 ) . I f M i d w a y a n d K u r e w e r e e x p o s e d d u r i n g t h i s t i m e , a s o l u t i o n u n c o n f o r m i t y ( S c h l a n g e r 1 9 6 3 ) s h o u l d b e p r e s - e n t b e l o w t h e l a y e r w h i c h r e p r e s e n t s H o l o c e n e g r o w t h . N o d a t e s a r e a v a i l a b l e f o r c o r e s t a k e n a t M i d w a y ( L a d d e t a l . 1 9 7 0 ) , b u t s u c h u n c o n f o r m i t i e s h a v e b e e n f o u n d a t o t h e r p l a c e s i n t h e P a c i f i c . A t E n e w e t a k a n u n c o n f o r m i t y e x i s t s a t a p p r o x i m a t e l y 1 0 m d e p t h w h i c h s e p a r a t e s h o r i z o n s 6 , 0 0 0 a n d 1 0 0 , 0 0 0 y e a r s i n a g e ( T h u r b e r e t a l . 1 9 6 5 ; T r a c e y a n d L a d d 1 9 7 7 ) . O t h e r u n c o n f o r m i t i e s w h i c h m a t c h t h i s t i m e p e r i o d h a v e b e e n f o u n d a t 2 0 m a t H e r o n I s l a n d o n t h e G r e a t B a r r i e r R e e f ( D a v i e s a n d K i n s e y 1 9 7 7 ) a n d 6 m a t M u r o r o a ( L a d d e t a l . 1 9 7 0 ) . I f t h e c o r e d a t a f o r E n e - w e t a k a n d M u r u r o a c a n b e a p p l i e d t o M i d w a y a n d K u r e A t o l l s , t h e n p r e s e n t d a y r e e f s t h e r e m a y h a v e f o r m e d f r o m p r e - e x i s t i n g k a r s t f o u n d a t i o n s ( P u r d y 1 9 7 4 ) a b o u t 6 - 1 0 m b e l o w p r e s e n t s e a l e v e l d u r i n g t h e l a s t 6 , 0 0 0 y e a r s . I 0 0 8 o n 6 0 r F t a J >

0

4
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1

< r r 2 0 O 0 (cid:12) 9 H A W A I I (cid:12) 9 M A U l (cid:12) 9 O A H U (cid:12) 9 F F S A C O R A L C O V E R (cid:12) 9 I I I I I (cid:12) 9 N I H O A (cid:12) 9 L A Y S A N (cid:12) 9 N E C K E R l L I S I A N S K I (cid:12) 9 P ~ H M I D W A Y l I K U R E (cid:12) 9 G A R D N E R I I I I I 0 B R E E F A C C R E T I O N E 2 5 o ~ o 2 o ( . 9 _ ~ I / Y = 4 5 5 6 - 1 6 0 ( X ) , r = - 0 . 9 8 , N = I O ~ 1 5 ~ i ~ / f Y = 4 2 6 3 - , 5 3 ( x , , , ~ N ~ ~ (cid:12) 9 M A R O p & ~ , , ~ r _ . . . . @ L I S I A N S K I O * I ' l I I I I I (cid:12) 9 G A R D N E R i ~ " ~ O @ K U R E 1 9 2 0 2 , 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 L A T I T U D E ( O N ) 3 3 3 1 0 (cid:12) 9 F i g . 4 A , B . M e a n c o r a l c o v e r ( A ) a n d r e e f a c c r e t i o n ( B ) o n s e a w a r d r e e f s o f f a l l m a j o r H a w a i i a n I s l a n d s . M e a n v a l u e s o f c o r a l c o v e r , a l t h o u g h b a s e d o n d a t a c o l l e c t e d i n o n e y e a r , r e p r e s e n t l o n g e r t i m e p e r i o d s s i n c e r e e f t r a n s e c t s t e n d t o i n t e g r a t e s m a l l s c a l e