大堡礁北部Halimeda生物礁的高分辨率测绘与地形分类

《Geomorphology》：High-resolution mapping and terrain classification of Halimeda bioherms in the Northern Great Barrier Reef

大堡礁北部Halimeda海藻生物礁首次采用亚米级分辨率多波束测深数据，揭示其复杂地貌结构（穹顶、峰丛、环状脊等）及沉积物搬运过程，建立包含6类地形结构的分类体系，为生态研究及碳封存评估提供基础。

　　

Zsanett Szilagyi | Luke Nothdurft | Stephanie Duce | Jody M. Webster | Mardi McNeil | Robin J. Beaman | Juan Carlos Braga | Trevor Graham | Maria Byrne | Amy Nau | Christopher Berry | Victorien Paumard | Jeffrey Shragge | Catherine Kim | Helen Bostock

昆士兰科技大学地球与大气科学学院，澳大利亚布里斯班，QLD 4000

摘要

Halimeda是一种多产的海洋钙化绿藻，在热带大陆架的中光层（20–50米深度）形成广阔的绿色草甸。随着时间的推移，它们的碳酸盐骨骼残骸积累形成了被称为生物礁的复杂相互连接的海底结构。本研究首次为大堡礁北部的三个地点提供了亚米级分辨率的数字高程模型，显著推进了自20世纪70年代以来我们对这些生物礁地貌的理解。这些高分辨率数据揭示了复杂的生物礁特征，包括之前未观察到的细微结构。通过地貌测量分析，我们量化了这三个地点内部及之间的表面特征，并首次实现了能够识别海底结构的底栖地形分类。

分析显示，生物礁周围存在明显的正地形隆起，凹陷处有更多的尖塔状结构，以及表明沉积物运输过程的复杂坡度不对称性。大型内部凹陷（直径150至700米）呈现出弱的东西向分布趋势，并且随着尺寸增大而不规则性和延长性增加，这可能反映了水深和水动力条件对生物礁长期积累的影响。识别出六种不同的生物礁特异性底栖结构，包括平面型、尖塔型、隆起型、缓坡型和凹陷型，这些结构在三个地点（南纬15°–13°）均呈现出一致的向北变浅趋势。它们的相对面积分布与土堆状的生物礁结构相符，而地形指标则突显了其结构的复杂性。

这些发现表明，Halimeda生物礁在形态上比之前描述的更为复杂，并为理解其形成过程提供了新的见解。这种地形分类为未来的底栖生境测绘、古环境分析以及这些重要生态系统的管理奠定了宝贵基础。

引言

与浅水珊瑚礁系统（0–10米深度）相比，更深层次的礁间和大陆架环境相对较少被研究（Hopley等人，2007年）。我们对许多礁间生境的地貌、物理化学条件、生态学和生物多样性状况仍存在显著的知识空白。其中一个未充分探索的礁间生境是位于澳大利亚大堡礁北部的Halimeda生物礁，其深度为25–50米（Davies和Marshall，1985年；Marshall和Davies，1988年；Wolanski等人，1988年；McNeil等人，2016年；McNeil等人，2021a；McNeil等人，2021b；McNeil等人，2022年）。这些生物礁由Halimeda草甸和堆状沉积物组成（Davies和Marshall，1985年；Orme，1985年），其平均物种丰富度和生物多样性高于相邻的礁间区域（McNeil等人，2021a）。

Halimeda是一种重要的泛热带钙质绿藻，是珊瑚礁和大陆架沉积物的主要贡献者，在整个大堡礁区域都有大量分布（Hopley等人，2007年；Mathews等人，2007年；Rees等人，2007年；Whiteway等人，2013年）。2016年，McNeil等人发布了LiDAR测深图，显示Halimeda生物礁是海底更广泛的特征，面积超过了6000平方公里（Orme和Salama，1988年；McNeil等人，2016年）。由于高生产力和快速钙化作用，这些生物礁可能对浅海碳循环有重要影响，使其成为潜在的蓝色碳和无机碳汇（Drew，1983年；Hill等人，2015年）。据估计，全球Halimeda生物礁在整个全新世期间在大陆架上积累了约590 Gt的净CaCO₃，其中北部大堡礁地区积累了55 Gt（Hinestrosa等人，2022年；McNeil等人，2021b）。

早期对利泽德岛（Orme，1985年；Orme等人，1978a；Orme和Salama，1988年）、库克镇（Davies和Marshall，1985年；Marshall和Davies，1988年）以及劳埃德湾（Skjold，1988年）附近的Halimeda生物礁的研究发现，这些生物礁厚度可达约20米，并表明它们在20–40米深度形成了连绵的线性山脊和平顶土堆（图1a）。人们推测这种形态是由单个透镜状土堆的合并（Marshall和Davies，1988年；Searle和Flood，1988年）、表面植物通过捕获和阻滞机制稳定（Marshall和Davies，1988年），以及/或水动力过程（如背礁涡流和季节性潮汐上升流）将营养物质带到生物礁处形成的（Marshall和Davies，1988年；Wolanski等人，1988年；McNeil等人，2021c）。

直到2016年，人们还认为生物礁形成的是连绵的线性山脊（Mathews等人，2007年总结），直到新技术的应用，如机载LiDAR测深调查（Beaman，2010年）揭示了生物礁形态和海底特征的复杂性（McNeil等人，2016年）（图1b）。3D测深数据分析显示，海底表面呈蜂窝状，具有圆形环状结构，每个环的直径可达约300米，分为三种不同的形态类型：蜂窝状（网状）、光滑的圆形中心环状（环状）和波浪状（起伏状）（McNeil等人，2016年）（图2）。

McNeil等人（2021b）使用空间分辨率为30米的机载LiDAR和多波束测深数据集（Beaman，2010年；Beaman，2017年）对劳埃德湾和利泽德岛的Halimeda生物礁进行了初步的定量地貌分析。他们的研究确定了三种形态类型：

•

环状形态：特征为高正地形隆起、均匀的厚度、光滑的环状隆起以及双峰坡度模式，称为“双重光环”效应，其中内部坡度是外部坡度的三倍。

•

网状形态：表面更为复杂，地形隆起更陡峭，隆起更尖锐，厚度变化较大，但没有双峰坡度特征。

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起伏状形态：地形隆起最小，表面光滑至波浪状，类似于周围的大陆架地形。

地貌测量分析显示，任何一种形态类型在三维空间中都没有优先的方位方向（McNeil等人，2021b）。从分布上看，网状形态类型主要分布在生物礁复合体的东侧（海侧），而环状类型则常见于西侧（近岸侧）。起伏状形态类型则介于两者之间。生物礁边界清晰可见，由东侧的测深突变标记。McNeil等人（2021b）提出，这种跨大陆架的形态类型分布差异反映了不同的环境因素，如风暴波浪影响和靠近大陆架边缘的屏障礁的影响，这些因素影响了生长模式和形态发育。

30米分辨率的广泛测深数据覆盖以及局部潜水观测表明，生物礁中的底栖结构、生态和沉积物具有高度复杂性。然而，缺乏亚米级分析限制了系统识别和定量描述其独特形态的能力。在这项研究中，我们利用首次获得的亚米级分辨率多波束测深数据（图1c），以前所未有的细节研究了Halimeda生物礁。这些数据是在HALO项目（IN2022_V07）期间，使用研究船“Investigator”（Webster等人，2023年）在三个目标地点收集的。利用这些新获得的高分辨率测深数据，我们旨在回答以下问题：（1）如何识别和区分Halimeda生物礁与其他地貌海底特征？（2）它们的地貌特征能为我们提供关于其形成和演化的哪些见解？

为此，我们进行了以下工作：

1)

对三个目标地点进行总体地貌测量分析，并与先前定义的环状、网状和起伏状Halimeda形态类型进行比较；

2)

识别、绘制并量化Halimeda生物礁内部凹陷的地貌特征；

3)

使用新的底栖地形分类方法描述构成Halimeda生物礁的独特底栖结构；

4)

比较研究地点内部和之间的底栖结构地貌特征；

5)

评估生物礁与其他地貌海底特征之间的形态相似性和差异。

了解表面特征有助于理解生物礁的形成和演化，对于未来在其他地区远程识别Halimeda生物礁至关重要。此外，底栖地形分类是捕捉这些特征复杂性的强大工具。还收集了精确定位的表面样本、振动取芯和海底剖面数据，以支持未来的实地验证工作（Webster等人，2023年），但其展示和分析超出了本研究的范围。

研究地点

研究的三个地点位于大堡礁北部大陆架，距离海岸35–50公里，纬度相差约1度（图3）。每个地点都覆盖了McNeil等人（2016年）定义的不同Halimeda形态类型。

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地点1（145.7398 E，15.4845 S）位于库克镇以东约50公里处，呈东西方向延伸（图3 b）。

•

地点2（145.5581 E，14.6404 S）位于利泽德岛东侧，距离海岸约40公里，朝向东北方向——

视觉分析

高分辨率测深数据显示，与之前30米分辨率LiDAR图像的结果相比（McNeil等人，2016年；McNeil等人，2021b）（图1 b vs. 1 c），海底地貌明显更为复杂。尽管三个地点观察到了相似的特征，但底栖结构的复杂性和特征存在显著差异（图3、图5和图6）。

通常被称为“甜甜圈”的堆状结构（Webster等人，2023年）在12米深度的海底占主导地位

讨论

本节结合了地貌测量分析和地形分类，以解释三个研究地点中Halimeda生物礁的结构复杂性和空间变异性。通过结合地形属性、地貌模式和底栖结构，我们探讨了生物礁形态如何记录局部环境影响和更广泛的地貌过程。

结论

本研究首次提供了大堡礁北部Halimeda生物礁的亚米级分辨率地貌测量和地形分类，揭示了它们的细微结构复杂性和生态重要性。

• 1.
  增强的地貌理解：
  Halimeda生物礁展现出多样的土堆状结构，内部有凹陷和尖塔，表明了复杂的生物沉积和水动力塑造过程。这些发现扩展了早期的描述，并与之一致

CRediT作者贡献声明

Zsanett Szilagyi：撰写——初稿、可视化、软件开发、项目管理、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Luke Nothdurft：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、调查、资金获取、数据管理、概念化。Stephanie Duce：撰写——审阅与编辑、验证、监督、软件开发、方法论、概念化。Jody M. Webster：撰写——审阅与编辑

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者使用了ChatGPT和Co-Pilot来提高可读性和语言表达。使用这些工具/服务后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。

资金来源

我们感谢CSIRO海洋国家设施（https://ror.org/01mae9353）的支持，以及RV Investigator研究船的使用许可。同时，我们也感谢National Geographic Society和Ian Potter Foundation的资助。

未引用参考文献

大堡礁海洋公园管理局，2024年
科学报告，2022年

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢HALO科学团队、联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的支持人员，以及R/V Investigator船的船长和船员在航行中的出色工作。同时，我们也感谢Geoscience Australia对此次航行的支持。