當太陽在太平洋波光粼粼的所羅門海上方逐漸落下時，紀堯姆·伊萬科夫戴上潛水裝備，從“塔拉號”科考縱帆船登上機動小艇。他的目標是帶回一個巖芯，這是一個手臂長的珊瑚群落樣本，記錄了它幾十年的生命歷程。
大約在小艇離開“塔拉號”10分鐘後，它的發動機減速了。這裡的海水非常淺，以至於珊瑚礁魚類就在水面幾英寸的地方穿梭。伊萬科夫是塔拉探險基金會的科學潛水主管，他正在珊瑚礁上尋找最大、最原始的濱珊瑚樣本——一種圓形、黃綠色的珊瑚物種，通常生長得非常大，看起來像哥斯拉的頭骨。珊瑚群落由被稱為珊瑚蟲的軟體動物組成，它們（在共生藻類的幫助下）分泌出薄薄的礦物碳酸鈣層。隨著時間的推移，這些年度層一層層地堆積起來，形成構成珊瑚骨骼的堅硬物質。
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一旦他找到了理想的濱珊瑚，伊萬科夫就將他的取芯工具的三英寸寬的圓形刀片壓入珊瑚表面。當刀片沉入骨骼時，會發出微弱的嗡嗡聲，珊瑚粉塵雲在周圍的水中翻滾。在穿透所有珊瑚層後，伊萬科夫以這種方式敲擊取芯器的桶，然後以那種方式敲擊，以鬆開他切割的樣本的底部，該樣本通常約有一英尺半長。他在同一個孔中重複該過程兩次，然後游回水面，將巖芯樣本的長度——總共約四英尺長——放入小艇中。只有濱珊瑚地層的表面含有活珊瑚蟲，因此在鑽孔後，珊瑚地層應該繼續在淺水中生長，不受損害且不會中斷。
像這次這樣的海洋科學考察收集各種生物樣本，從海水到珊瑚礁魚類再到珊瑚微生物。但珊瑚巖芯與其他樣本不同。它們是有機的時間膠囊，包含當地汙染、地質、溫度和珊瑚礁健康的記錄，可以追溯到數百年或數千年。隨著研究人員改進從珊瑚骨骼中提取此類資訊的驚人方法，對於想要探究海洋過去的氣候學家、地球化學家和古生物學家來說，建議越來越多地變為：關注巖芯。“我稱它們為天然珊瑚礁歷史書，”澳大利亞海洋科學研究所的氣候學家和珊瑚巖芯專家珍妮絲·洛夫說。“它們有很多故事要講。”
鑽探海洋歷史
像法醫偵探工作一樣，珊瑚取芯已成為為過去事件的理論新增細節和可信度或證明它們確實發生過的可靠方法。人們很容易忘記，直到 20 世紀 70 年代，才有人確信珊瑚會留下年度生長環。當時，夏威夷大學地球物理學家團隊訪問了南太平洋的埃內韋塔克環礁。
埃內韋塔克是一個不起眼的島嶼，有著不尋常的歷史：美國在 20 世紀 40 年代和 50 年代的不同日期在那裡測試了核彈。夏威夷研究人員很想知道埃內韋塔克附近的珊瑚骨骼是否會顯示出這種放射性的證據。如果珊瑚巖芯層包含具有已知半衰期的放射性元素，則幾乎可以精確地計算出每個生長環的形成時間。“他們取了一片巨大的珊瑚群落，將其放在暗室中的[光敏]紙上一個月，然後他們看到了一系列放射性條帶，”洛夫說。紙上條帶的間距暗示著珊瑚的隱藏結構中可能還有更多發現，這表明有必要進行進一步的測試。“他們聯絡了當地醫生，說，‘您介意用 X 光掃描我們的珊瑚切片嗎？’”
當將珊瑚切片放入 X 光掃描器時，一系列獨特的明暗生長環變得可見，反映了構成珊瑚骨骼的碳酸鈣的密度。對骨骼中放射性元素進行年代測定顯示，每年會形成兩組環：一組較大、孔隙較多的環和一組較窄、密度較高的環。在1972 年的《科學》雜誌論文中，研究人員將這些巖芯稱為“珊瑚年代計”，暗示了它們作為天然計時器的用途。此後，其他科學家報告說，珊瑚在潮溼季節溫度較為溫和時會留下較大的生長環，而在乾燥季節條件較為極端時會留下較小的環。
珊瑚物種每年生長 0.3 到 10 釐米，但一般經驗法則是，例如，一個 100 釐米長的巖芯樣本提供了大約 100 年的珊瑚歷史記錄。通常是最新的 100 年，但並非總是如此。化石珊瑚可能包含追溯到最後一個間冰期（超過 10 萬年前）的生長環序列。X 射線掃描今天仍用於評估珊瑚生長環的相對密度，這反映了環形成時的氣候條件。但海洋科學家一直在努力發現其他珊瑚巖芯特性的意義。
珊瑚偵探們發現，巖芯內部最豐富的資料儲存之一是其逐年記錄的海洋水中微量元素。珊瑚蟲吸取海水以提取構建骨骼所需的礦物質，因此每個碳酸鹽層都包含少量在層形成時存在於水中的物質。昆士蘭大學古生物學家格雷戈裡·韋伯說，雖然珊瑚生長環“不像樹木年輪那樣漂亮和緊密，因為珊瑚骨骼的內部形狀複雜”，“但它們確實記錄了它們生長的水的化學成分。”
因此，對珊瑚巖芯成分的測試使科學家能夠繪製海洋區域中從一年到另一年的許多不同化合物的水平圖。這可以深入瞭解似乎與珊瑚無關的行星過程。中國廣西重點實驗室的海洋科學家最近透過測量推斷出過去 150 年東亞冬季風的強度，方法是測量濱珊瑚巖芯每一層中稀土元素（如鑭和鈰）的水平。這些稀土元素來自冬季風暴期間沉積的塵埃漩渦，因此這些元素的普遍程度是風暴強度的可靠指標。
同樣，珊瑚巖芯測試正在揭示人為汙染的歷史證據，這些證據比以前發現的任何證據都詳細得多。洛夫和她的同事正在對大堡礁的現代巖芯進行取樣，並測試生長層中鉛和鎘等有毒金屬的水平，這些金屬通常來自工業生產。開發商可能會建造一個港口，將沉積物傾倒在珊瑚礁上，並堅稱他們的干預對海洋沒有影響——但是，正如洛夫指出的那樣，“珊瑚巖芯是環境如何變化的公正觀察者。”
珊瑚巖芯還提供了一些在官方測量開始之前幾年海洋溫度的唯一可靠記錄。當水溫較低時，珊瑚會使用更多的元素鍶來補充它們用於構建骨骼的碳酸鈣。透過計算珊瑚巖芯每一層中鈣與鍶的比率，研究人員可以確定該層形成時的海洋溫度。
亞利桑那大學地球科學家格洛麗亞·希門尼斯和同事使用這種技術對來自厄瓜多加拉帕戈斯群島周圍熱帶太平洋水域的珊瑚巖芯進行了研究，最近彙編了 1940 年至 2010 年的水溫變化詳細記錄。以前該地區的氣溫記錄是零星的，而且似乎表明，由於來自深處的冷水流湧入，加拉帕戈斯群島的海洋變暖受到限制。但希門尼斯的珊瑚巖芯資料講述了一個不同的故事：該地區的水域實際上自 20 世紀 70 年代末以來一直在變暖，在 20 世紀 80 年代初，當溫暖的厄爾尼諾洋流經過時，出現了一個高峰。這種持續的變暖趨勢意味著加拉帕戈斯群島周圍的珊瑚礁可能比以前認為的更危險。
在希門尼斯研究的現代珊瑚地層之下，是另一個寶藏，它被束縛在化石珊瑚巖芯中。根據其儲存狀態，這些巖芯使像韋伯這樣的研究人員可以將海洋溫度記錄延伸到 10 萬多年前。韋伯有一艘定製的船隻“D 山號”研究船，該船設有一個鑽井平臺，用於從大堡礁下方的古代地層中採集巖芯樣本。
在韋伯和他的團隊回收化石珊瑚巖芯後，他們可以使用鈾釷測年法確定巖芯的年齡。質譜分析顯示了巖芯層中微量鈾有多少衰變為釷，並且兩個元素之間的比率用於計算每個層的大概年齡。像希門尼斯一樣，韋伯使用鍶鈣比率來計算每個珊瑚帶形成時的海洋溫度，他使用他的化石巖芯來追蹤史前水域中微量元素的流行程度。“我們已經能夠回收來自整個全新世的巖芯，”韋伯說，他指的是當前的地質時代，該時代始於大約 12,000 年前。“我們可以開始比較同一珊瑚礁、同一確切地點但在 10 萬年前的氣候和水質問題。”
韋伯的化石巖芯分析也正在揭示古代地質過程的新證據。在最近一次前往蒼鷺礁（大堡礁的一個區域，位於澳大利亞海岸附近）的旅行中，他和他的團隊遇到了一個小故障。該團隊的鑽機能夠鑽入海底 30 米深處，有一天，他們計算出他們很快就會到達追溯到更新世最後一個間冰期的地層，即 10 萬多年前。但他們從未完全到達。“我們認為我們會在大約 15 米處到達更新世，”韋伯回憶說。“我們對那個深度進行了打賭——有人賭 12 米，有人賭 14 米。接下來你知道的，我們已經到了 22 米，但我們還沒有到達。我們碰巧鑽入了一個山谷，我們根本沒想到會這樣。”
事實證明，珊瑚巖芯包含一個追溯到最後一個冰河時期的地層，當時海平面低至 130 米，整個大堡礁結構都在海浪之上。風、雨水和流水將該地點的裸露石灰岩雕刻成一個深窪地，周圍環繞著高聳、陡峭、崎嶇的山丘。當海平面再次上升時，水流和海浪將沉積物顆粒填滿了水下山谷，而這種地形成為了在該地點生長的新珊瑚礁的基礎。這一發現幫助研究人員得出結論，現代珊瑚礁的形狀通常不是由先前的珊瑚礁或它們生長的地質結構的形狀決定的，正如一些科學家所認為的那樣。沉積物的積累可以掩蓋較舊結構的輪廓，併為新珊瑚礁的生長提供更平坦的表面。與此同時，珊瑚礁的最高點只能長到海平面允許的高度，這意味著它們也從頂部被壓平了。
正如本週剛剛釋出的《自然地球科學》雜誌上的一項研究進一步證明的那樣，海洋的不斷變化始終在塑造這些獨特的生態系統中發揮著不可或缺的作用。悉尼大學的喬迪·韋伯斯特、法國皮埃爾·西蒙·拉普拉斯研究所的布萊恩·洛格希德及其同事從大堡礁下方提取了各種古代珊瑚巖芯。對巖芯中的骨骼物質和沉積物的分析表明，在過去 30,000 年中，海平面變化導致珊瑚礁的某些部分死亡了五次——有時是當珊瑚礁暴露在空氣中時，有時是當上漲的水域中的沉積物阻擋光線照射到珊瑚礁時。然而，珊瑚礁在每種情況下都重新生長，因為珊瑚蟲從其他地方遷移進來，並且其活珊瑚地層隨著時間的推移而移動，以利用可用的最佳水和光照條件。
巖芯樣本中每個珊瑚層的獨特結構組成也提供了有關珊瑚在形成過程中遇到的其他壓力的線索，無論這些壓力發生在幾十年前還是幾千年前。例如，伍茲霍爾海洋研究所的研究人員今年在《美國國家科學院院刊》上報告說，當海洋由於大氣中的二氧化碳而相對呈酸性時，珊瑚會完全改變其生長習性。
伍茲霍爾海洋研究所的海洋科學家團隊，包括研究生納撒尼爾·莫利卡和地質學家安妮·科恩，分析了來自巴拿馬、帛琉、臺灣和南海東沙環礁附近水域的現代濱珊瑚巖芯樣本。他們將每個珊瑚巖芯放入計算機斷層掃描 (CT) 掃描器中，這是一種專門的 X 射線裝置，可以揭示珊瑚深處的生長模式和密度差異。
透過將這些珊瑚巖芯記錄與從每個地點獲得的水樣本進行比較，科學家們證明，過去時代較高的酸度水平導致了明顯的結構異常。酸性較強水域中的珊瑚與其他珊瑚的生長速度大致相同，但受酸性影響的珊瑚的結構不同，存在像煎餅麵糊中的氣泡一樣的間隙。原因是當二氧化碳溶解到海水中時，它會附著在水中的遊離碳酸根離子上。因此，可供珊瑚蟲從水中提取的碳酸根離子較少，因此珊瑚蟲無法產生那麼多碳酸鈣。
隨著時間的推移，這種缺陷導致珊瑚骨骼更薄、更多孔。“基本上，我們看到了所有這些空隙[和]內部的空心區域，”研究團隊的地質化學家郭為夫說。這種脆弱的骨骼更容易在風暴潮或海浪的衝擊下崩塌——反過來，這種崩塌會危及珊瑚礁上的其他生命，包括為珊瑚生長食物的藻類和依賴珊瑚為生的魚類。
模擬海洋的未來
像這樣的珊瑚巖芯觀察填補了我們行星和海洋動力學知識的空白，但它們也有助於研究人員預測未來幾年壓力將如何影響珊瑚礁。伍茲霍爾海洋研究所的研究人員在檢視他們的巖芯資料以及氣候變化導致海洋酸度預計增加的情況下，得出結論，到 2100 年，全球珊瑚骨骼的密度可能會下降高達 20%，這一預測突顯了珊瑚礁可能遭受物理衝擊破壞的潛力。
更重要的是，鎖定在珊瑚巖芯中的長期記錄揭示了過去的珊瑚礁如何在汙染和海洋變暖中生長和適應，這與今天的類似趨勢尤其相關。“我們需要珊瑚礁行為方式的歷史記錄，以前發生過哪些變化以及它們如何應對。這為我們提供了更好的立足點，[瞭解]我們可能面臨的挑戰，”韋伯說。“當我們把所有這些記錄聯絡在一起時，我們將能夠做的事情令人驚歎。”
積累的知識已經幫助研究人員調整預測性全球氣候模型，洛夫說這將為珊瑚礁保護策略提供資訊。“全球氣候模型並不完美——它們一直在被調整。來自珊瑚的記錄提供了來自過去的證據，這些模型可以使用這些證據。”
一大筆研究資金用於記錄現代珊瑚礁生態，而用於探測過去的資金所剩無幾。但韋伯、郭和其他人認為，為了拼湊出對海洋歷史和現狀的準確評估，至關重要的是要找到更多跨越不同時代和水況的珊瑚巖芯樣本。“當您擁有更大的收藏時，您就不會將整個論點建立在單個珊瑚上，”郭說。“您可以講述一個更自信的故事。”
伊萬科夫的長期目標是為這個不斷發展的故事添磚加瓦。在他的小艇——現在裝滿了濱珊瑚巖芯樣本——突突地開回“塔拉號”後，他將巖芯段吊到船甲板上，並將它們排列在工作臺上晾乾。當船隻到達港口時，伊萬科夫從太平洋各地收集的數十個巖芯將被運往法國國家科學研究中心 (CNRS) 和摩納哥科學中心。
藉助來自這些巖芯的資料，研究人員將組裝出一幅詳細的海洋生態系統肖像及其組成部分如何相互作用。“我們收集[群落的]整個環境[樣本]，”伊萬科夫說。“珊瑚、水、魚——我們把所有東西都收集起來並放在一起。” 幾千年來，珊瑚逐個細胞地記錄著整個生命系統的健康和轉變。現在，這些系統的命運可能取決於我們解碼這些骨骼中隱藏記錄的能力。
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