Evidence of freshened groundwater below a tropical fringing reef

Abstract

Submarine groundwater discharge (SGD) is widely acknowledged as a key driver of environmental change in tropical island coral reefs. Previous work has addressed SGD and groundwater-reef interactions at isolated submarine springs; however, there are still many outstanding questions about the mechanisms and distribution of groundwater discharge to reefs. To understand how groundwater migrates to reefs, a series of offshore ²²²Rn (radon) and submarine electrical resistivity (ER) surveys were performed on the tropical volcanic island of Mo’orea, French Polynesia. These surveys suggest that fresher water underlies the fringing reef, apparently confined by a <1-m-thick low-permeability layer referred to as a reef flat plate. Reef flat plates have been documented elsewhere in tropical reefs as thin, laterally continuous limestone units that form through the super-saturation of calcium carbonate in the overlying marine waters. In other tropical reefs, the reef flat plate is underlain by a highly permeable karstic limestone formation, but the submarine reef geology on Mo’orea is still uncertain. Numerical modeling of two-dimensional reef transects and SGD quantifications, based on water budget and radon/salinity mass balance, support the confining nature of the reef flat plates and indicate important implications for SGD impacts to tropical reefs. Except where incised by streams or local springs, reef flat plates may route SGD to lagoons or to the reef crest 100s of meters offshore. Because groundwater can transport pollutants, nutrients, and low pH waters, the reef flat plate may play an important role in the spatial patterns of reef ecology and coastal acidification.

Résumé

L’émergence d’eaux souterraines sous-marines (EESSM) est largement reconnue comme un des moteurs principaux des changements environnementaux dans les récifs coralliens d’iles tropicales. Des travaux précédents se sont intéressés aux EESSM et aux interactions entre récifs et eaux souterraines pour des sources sous-marines isolées; toutefois, il reste de nombreuses questions en suspens sur les mécanismes et la distribution des émergences d’eaux souterraines dans ces récifs. Pour comprendre comment les eaux souterraines migrent vers les récifs, une série de mesures de ²²²Rn (radon) en mer et de résistivité électrique sous-marine a été mise en œuvre sur l’ile volcanique tropicale de Mo’orea, en Polynésie française. Ces relevés suggèrent que de l’eau peu salée gît sous le récif frangeant, apparemment confinée sous une couche de faible perméabilité, d’épaisseur < 1 m, correspondant au plateau récifal. Les plateaux du récif ont été documentés par ailleurs dans des récifs tropicaux comme étant de minces unités calcaires continues qui se constituent par sursaturation des carbonates de calcium dans les eaux marines sus-jacentes. Dans d’autres récifs tropicaux, le plateau récifal est recouvert par une formation calcaire karstique très perméable, mais la géologie de la partie sous-marine du récif de Mo’orea reste incertaine. La modélisation numérique de transects du récif à deux dimensions et de la quantification des EESSM, basée sur le bilan de l’eau et le bilan de masses radon/salinité, confirment le caractère confiné des plateaux récifaux et indiquent d’importantes conséquences des impacts des EESSM sur les récifs tropicaux. En dehors des zones d’incision par les cours d’eau ou par les sources locales, les plateaux récifaux peuvent conduire les EESSM vers les lagons ou la crête du récif, à des 100^aines de mètres en mer. Du fait que les eaux souterraines peuvent transporter des polluants, des nutriments et des eaux à faible pH, le plateau récifal peut jouer un rôle important dans les modèles spatiaux d’écologie récifale et d’acidification de la côte.

Resumen

La descarga submarina de aguas subterráneas (SGD) es ampliamente reconocida como un determinante clave del cambio ambiental en los arrecifes de coral de las islas tropicales. En trabajos anteriores se han abordado la SGD y las interacciones entre las aguas subterráneas y los arrecifes en manantiales submarinos aislados; sin embargo, todavía quedan muchas cuestiones pendientes sobre los mecanismos y la distribución de la descarga de aguas subterráneas en los arrecifes. Para comprender cómo migran las aguas subterráneas a los arrecifes, se realizaron una serie de estudios de ²²²Rn (radón) en alta mar y de resistividad eléctrica submarina (RE) en la isla volcánica tropical de Mo’orea, en la Polinesia Francesa. Estos estudios sugieren que el agua dulce subyace en el arrecife circundante, aparentemente confinado por una capa de baja permeabilidad de <1 m de espesor denominada placa plana de arrecife. Las placas planas de arrecife han sido documentadas en otros lugares de los arrecifes tropicales como unidades de caliza delgadas y lateralmente continuas que se forman a través de la supersaturación de carbonato de calcio en las aguas marinas superficiales. En otros arrecifes tropicales, la placa plana del arrecife está subyacente por una formación de caliza kárstica altamente permeable, pero la geología del arrecife submarino en Mo’orea es todavía incierta. La modelización numérica de perfiles bidimensionales de arrecifes y las cuantificaciones de SGD, basadas en el balance hídrico y el balance de masa de radón/salinidad, apoyan la naturaleza confinada de las placas planas de arrecifes e indican importantes implicancias para los impactos de SGD en los arrecifes tropicales. Excepto cuando son cortadas por arroyos o manantiales locales, las placas planas del arrecife pueden conducir el SGD a lagunas o a la cresta del arrecife a cientos de metros de la costa. Debido a que el agua subterránea puede transportar contaminantes, nutrientes y aguas de bajo pH, la placa plana del arrecife puede jugar un papel importante en los patrones espaciales de la ecología del arrecife y la acidificación costera.

摘要

海底地下水排泄(SGD)被公认为热带岛屿珊瑚礁环境变化的主要驱动力。先前的工作研究了孤立海底泉水的SGD和地下水-礁石的相互作用;但是,关于地下水向礁石排泄的机理和分布仍然存在许多未解决的问题。为了了解地下水如何迁移到礁石上,在法属Polynesia的Mo’orea热带火山岛上进行了一系列近海²²²Rn(氡)和海底电阻率(ER)调查。这些调查表明,在礁石下面是淡水,显然是由<1 m厚的低渗透层(称为礁石平板)所隔开。在热带珊瑚礁的其他地方,珊瑚礁平板被记录为薄的、横向连续的石灰岩单元,它们是通过上覆海水中碳酸钙的过饱和而形成的。在其他热带珊瑚礁中,珊瑚礁平板位于高渗透性的岩溶石灰岩层之下,但Mo’orea岛的海底珊瑚礁地质条件仍然不确定。基于水均衡和氡 /盐度质量平衡的二维礁样带和SGD定量化的数值模型,证实了礁石平板的局限性,并指出了SGD对热带礁石的重要影响。除非受到溪流或当地温泉的影响,否则礁石平板可将SGD导向咸水湖或离岸100米的礁脊。由于地下水可以输运污染物,养分和低pH值的水,因此礁石平板可能在礁石生态系统和沿海酸化的空间格局中发挥重要作用。

Resumo

Descarga submarina de águas subterrâneas (DSAS) é amplamente reconhecida como um fator chave para a mudança ambiental em recifes de corais em ilhas tropicais. Trabalhos anteriores endereçaram a DSAS e as interações entre corais e águas subterrâneas em nascentes submarinas isoladas; entretanto, existem ainda muitas perguntas excepcionais sobre os mecanismos e a distribuição da descarga de águas subterrâneas para os recifes. Para entender como as águas subterrâneas migram para os recifes, uma serie de pesquisas de resistividade elétricas (RE) submarinas e de ²²²Rn (Radônio) no mar foram feitas na ilha vulcânica tropical de Mo’orea na Polinésia Francesa. Essas pesquisas sugerem que existe água doce sob o recife franjado, aparentemente confinado por uma camada de baixa permeabilidade com espessura de <1m, referida como a placa plana do recife. Placas planas de recifes foram documentadas em outros lugares em recifes tropicais como unidades calcárias contínuas lateralmente finas que se formam através da super saturação do carbonato de cálcio na sobreposição das águas marinhas. Em outros recifes tropicais, a placa plana do recife é sobreposta por uma formação calcária cárstica altamente permeável, mas a geologia de recifes marinhos no Mo’orea é ainda incerta. Modelagem numérica do corte transversal bidimensional do recife e quantificações da DSAS, baseada no balanço hídrico e no balanço de massa de Radônio/Salinidade, apoia a natureza confinante das placas planas do recife e indicam implicações importantes para os impactos da DSAS em recifes tropicais. Exceto onde é incidido por correntes ou nascentes locais, as placas planas de recifes podem levar à DSAS para lagunas ou para a crista do recife centenas de metros em alto mar. Pelas águas subterrâneas poderem transportar poluentes, nutrientes, e águas com baixo pH, a placa plana do recife pode desempenhar um papel importante nos padrões espaciais da ecologia dos recifes e acidificação costeira.