Artículos

 

Calibración de los paleotermómetros de Sr/Ca y Mg/Ca en el coral Porites sp. de Isla San Benedicto, Archipiélago Revillagigedo, México

 

Calibration of Sr/Ca and Mg/Ca paleothermometers in coral Porites sp. from San Benedicto Island, Revillagigedo Archipelago, Mexico

 

J.A. Villaescusa, J.D. Carriquiry*

 

Instituto de Investigaciones Oceanológicas Universidad Autónoma de Baja California Apartado postal 453 Ensenada, CP 22800, Baja California, México. *E-mail: jose_carriquiry@uabc.mx

 

Recibido en enero de 2004;
aceptado en junio de 2004.

 

Resumen

Comprender mejor el sistema climático global depende de nuestra capacidad de extender los limitados registros instrumentales de la temperatura oceánica superficial (TOS) de regiones tropicales. Las razones elementales Sr/Ca y Mg/Ca contenidas en las bandas de crecimiento del coral han demostrado ser una herramienta muy precisa para reconstruir la variabilidad de la TOS. En este estudio presentamos la calibración obtenida a partir de la medición geoquímica estacional entre las razones molares Sr/Ca y Mg/Ca en el esqueleto de coral del género Porites de Isla San Benedicto, Archipiélago Revillagigedo, y la TOS. Las razones geoquímicas medidas (precisión ±0.2%, 2σ) mostraron una alta covariación estacional estrechamente relacionada con la TOS de la región. La ecuación de calibración calculada para la relación Sr/Ca-TOS (n = 52) fue Sr/Ca (mmol mol^-1) = 10.467 (±0.067) - 0.0524 (±0.003) x TOS (r² = 0.894) y para la relación Mg/Ca-TOS fue Mg/Ca (mmol mol^-1) = 1.550 (±0.095) + 0.0956 (±0.0043) x TOS (r² = 0.906). Comparando las series de tiempo de la TOS reconstruida a partir de las razones Sr/Ca y Mg/Ca con la TOS media de una malla espacial de 2° x 2° (longitud x latitud) que incluye Isla San Benedicto, encontramos una alta concordancia entre ambas, lo que demuestra la robustez del procedimiento. Un inconveniente del método es que no existe una calibración única para las relaciones Sr/Ca-TOS y Mg/Ca-TOS y las diferentes calibraciones publicadas generan una discrepancia hasta de 8°C en la temperatura calculada, independientemente de que la sensitividad térmica (i.e. pendiente de la ecuación de paleotemperatura) de los corales sea muy similar. Por lo tanto, concluimos que los paleotermómetros de Sr/Ca y Mg/Ca son altamente confiables en esta región del Pacífico, siempre y cuando exista una ecuación específica para la zona de estudio en cuestión.

Palabras clave: Sr/Ca, Mg/Ca, esqueletos de coral, Porites, temperatura superficial del mar.

 

Abstract

A better understanding of the global climate system depends on our ability to expand the limited instrumental records of sea surface temperature (SST) of tropical regions. The Sr/Ca and Mg/Ca ratios contained in the growth bands of corals have proved to be an accurate tool to reconstruct SST variability. In this study we show the calibration obtained from the seasonal geochemical measurement of the Sr/Ca and Mg/Ca molar ratios in the skeleton of coral of the genus Porites from San Benedicto Island, in the Revillagigedo Archipelago, and SST. The geochemical ratios measured (precision ±0.2%, 2σ) showed a high seasonal covariation closely related to the region's SST. The calibration equation calculated for the Sr/Ca-SST relation (n = 52) was Sr/Ca (mmol mol^-1) = 10.467 (±0.067) - 0.0524 (±0.003) x SST (r² = 0.894), and for the Mg/Ca-SST relation it was Mg/Ca (mmol mol^-1) = 1.550 (±0.095) + 0.0956 (±0.0043) x STT (r² = 0.906). When comparing the SST time series reconstructed from the Sr/Ca and Mg/Ca ratios with the mean SST of a spatial grid of 2° x 2° (longitude x latitude) that comprises San Benedicto Island, we found a high concordance between both temperatures, showing the robustness of the procedure. A drawback of this method is that no unique calibration exists for the Sr/Ca-SST and Mg/Ca-SST relations, and the different calibrations published generate discrepancies of up to 8°C in the calculated temperature, regardless of whether the thermal sensitivity (i.e., the slope of the paleotemperature equation) of corals is similar. We therefore concluded that the Sr/Ca and Mg/Ca paleothermometers are highly reliable in this region of the Pacific Ocean, provided that a specific equation exists for the area under study.

Key words: Sr/Ca, Mg/Ca, coral skeletons, Porites, sea surface temperature.

 

Introducción

La variabilidad de la temperatura oceánica superficial (TOS) en los trópicos es un factor clave en el intercambio de energía en el sistema océano-atmósfera y, consecuentemente, controla gran parte de la variabilidad climática global. La mejor comprensión del sistema climático depende de los registros instrumentales que, en regiones tropicales, son extremadamente limitados en espacio y tiempo, lo que dificulta la posibilidad de concluir sobre las tendencias climáticas a largo plazo (Mann et al., 1995; Evans et al., 2000). A falta de datos instrumentales, las señales climáticas preservadas en las bandas de crecimiento del esqueleto de corales masivos ofrecen una perspectiva a largo plazo que permite comprender los cambios de la TOS en diferentes escalas de tiempo, los cambios en el ciclo hidrológico y la frecuencia de los fenómenos meteorológicos conocidos como El Niño/Oscilación del Sur (ENSO). Además, los corales presentan importantes ventajas ya que son de las pocas herramientas que permiten hacer reconstrucciones paleoclimáticas empleando múltiples variables (o trazadores) geoquímicas de manera simultánea (Gagan et al., 2000; Quinn y Sampson, 2002).

En años recientes se ha empleado una variedad de trazadores (e.g. δ¹⁸O, Sr/Ca, Mg/Ca, U/Ca) para reconstruir la variabilidad de la TOS de regiones tropicales-subtropicales (Weber y Woodhead, 1972; Smith et al., 1979; Min et al., 1995; Mitsuguchi et al., 1996). Actualmente, las mediciones precisas de las razones Sr/Ca y Mg/Ca en la aragonita coralina, son dos de las aproximaciones más utilizadas en la reconstrucción de la TOS en estas regiones (Marshall y McCulloch, 2002; Mitsuguchi et al., 2003). El uso del paleotermómetro de Sr/Ca fue propuesto originalmente por Smith et al. (1979), quienes demostraron que la razón Sr/Ca en el coral variaba linealmente con la temperatura del agua de mar a la que los corales crecen. Este primer intento, aunque limitado por baja precisión metodológica, fue ampliamente confirmado en diferentes estudios posteriores que mostraron la posibilidad de reconstruir la temperatura con una precisión mayor a ±0.5°C a partir del Sr/Ca coralino (Beck et al., 1992; de Villiers et al., 1994; Shen et al., 1996; Marshall y McCulloch, 2002).

En contraste el de Sr/Ca, el paleotermómetro de Mg/Ca coralino es de uso más reciente. Oomori et al. (1982) y posteriormente de Hart y Cohen (1996) encontraron que las razones Mg/Ca y Sr/Ca en el esqueleto del coral presentaban un patrón de variación sincrónica, tipo estacional, aunque no establecieron ninguna relación funcional con la temperatura. Basados en estos antecedentes, Mitsuguchi et al. (1996) usando mediciones en un espectrómetro de emisión atómica de plasma acoplada por inducción (ICP-AES), establecieron las bases del paleotermómetro de Mg/Ca en la aragonita coralina al demostrar una relación lineal con la temperatura que permitía reconstruir la TOS con una precisión de ±0.5°C (2σ). Esta precisión era similar a la obtenida con la reconstrucción de la TOS a partir de la razón Sr/Ca medida con el espectrómetro de masas con plasma acoplada por inducción (ICP-MS). Después de este estudio varios autores han demostrado la robustez del paleotermómetro de Mg/Ca coralino como una herramienta para la reconstrucción de la TOS (e.g. Sinclair et al., 1998; Fallon et al., 1999; Wei et al., 2000).

A pesar de que en años recientes se ha generalizado el uso de los paleotermómetros coralinos de Sr/Ca y Mg/Ca como la principal herramienta de reconstrucción de la TOS en regiones tropicales, el procedimiento ha recibido algunos cuestionamientos. Las calibraciones generadas entre las razones molares Sr/Ca y Mg/Ca y la TOS local han mostrado que no existe una calibración general aplicable a todas las localidades, aún cuando se trate del mismo genero de coral (e.g. Mitsuguchi et al., 1997; Marshall y McCulloch, 2002). Además de la temperatura, se ha sugerido que la diferencia en las calibraciones obtenidas puede ser consecuencia principalmente de la variación de la razón Metal/Ca en el agua de mar, por el efecto biológico que incluye diferencias interespecíficas en el metabolismo, diferencias en las tasas de calcificación y la respuesta de los corales a factores ecológicos propios de cada localidad (e.g. de Villiers et al., 1994, 1995; Fallon et al., 2003; Meibom et al., 2003; Mitsuguchi et al., 2003).

Separar los diferentes factores involucrados en la incorporación de Sr y Mg en el esqueleto de coral ha resultado difícil. Por ejemplo, algunos estudios enfocados a comprender la magnitud del efecto de la tasa de calcificación han mostrado resultados contrastantes. Por un lado, se han encontrado diferencias hasta de 2°C en la temperatura reconstruida a partir de Sr/Ca en la misma colonia de coral muestreada en dos transectos de diferente tasa de crecimiento, lo que cuestiona la confiabilidad del paleotermómetro (de Villiers et al., 1994, 1995). Aunque este efecto parece ser significativo con el paleotermómetro del δ¹⁸O coralino (Felis et al., 2003), otros estudios no han encontrado evidencias de que la tasa de crecimiento ni la de calcificación afecten las razones Sr/Ca y Mg/Ca (Shen et al., 1996; Alibert y McCulloch, 1997; Mitsuguchi et al., 2003).

Independientemente de que estos factores afectan el equilibrio en la incorporación de estos elementos en el esqueleto del coral, la confiabilidad de los paleotermómetros de Sr/Ca y Mg/Ca se fundamenta en que este desequilibrio es constante, al menos a nivel de género (e.g. Marshall y McCulloch, 2002; Mitsuguchi et al., 2003). Con esta base, la paleotermometría basada en las razones Sr/Ca y Mg/Ca en corales es una de las principales herramientas de reconstrucción paleoclimática empleada en la actualidad, no sólo en corales actuales, sino también en corales fósiles (Gagan et al., 1998, 2000; McCulloch et al., 1999; Wei et al., 2000; Schrag y Linsley, 2002).

El propósito de este estudio es evaluar la confiabilidad de los registros geoquímicos coralinos de Sr/Ca y Mg/Ca como trazadores de la TOS en corales recolectados en Isla San Benedicto, Archipiélago Revillagigedo. Esta isla se localiza en la zona de transición tropical-subtropical del Pacífico nororiental, en una ruta posible de transporte meridional de las señales climáticas generadas por los eventos interanuales (El Niño/ Oscilación Sur o ENOS) e interdecadales (Oscilación Decadal del Pacífico u ODP). No obstante su importancia, el conocimiento sobre el comportamiento de la TOS en el pasado es muy limitado. Adicional a la calibración, la TOS reconstruida a partir de los datos geoquímicos en corales es validada contra campos de temperatura obtenida de la base de COADS (Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set), que cubre una amplia escala espacio-temporal.

 

Área de estudio

Isla San Benedicto (19°19' N y 110°49' W) es una isla volcánica que forma parte del Archipiélago Revillagigedo (fig. 1). Se localiza en la zona de transición que separa la provincia subtropical de la ecuatorial, en el Pacífico Norte (Roden, 1971). En esta región confluyen, del norte, el agua tipo subártico de la Corriente de California (CC) y el agua de alta salinidad del Golfo de California, con el flujo estacional de la Corriente Costera de Costa Rica (CCCR) proveniente del sur que transporta aguas de baja salinidad a lo largo de la Costa de Centroamérica y el sur de México. Esta confluencia finalmente forma la Corriente Norecuatorial (Wyrtki, 1967; Badan-Dangon, 1998). La frontera de confluencia de estas masas de agua no es geográficamente fija durante el año y la variación meridional está definida por los cambios estacionales de la isoterma de los 25°C (Roden, 1971), por lo que el Archipiélago Revillagigedo está expuesto a importantes variaciones estacionales.

Además de la variabilidad oceanográfica estacional descrita, se considera que los eventos ENSO constituyen la principal fuente de variabilidad interanual en la región del Pacífico oriental tropical (Badan-Dangon, 1998; Trasviña et al., 1999), incluyendo la Corriente de California (Parés-Sierra y O'Brien, 1989) y el Golfo de California (Baumgartner y Christensen, 1985). La señal de El Niño generada en el Pacífico occidental viaja de oeste a este a través de ondas Kelvin ecuatoriales que, al llegar a las costas de Sudamérica, se propagan meridionalmente a través de ondas costeras de Kelvin y ondas de Rossby que viajan lentamente hacia el oeste (Kessler, 1990; Lee y Chelton, 1998). La trayectoria descrita parece ser el modo dominante de transporte de la señal de El Niño hacia el Pacífico tropical mexicano (Trasviña et al., 1999).

 

Materiales y métodos

Para este estudio se empleó un núcleo de coral Porites sp. colectado en junio de 1998 en Isla San Benedicto (núcleo SBII-10) (fig. 1). De acuerdo con el análisis radiográfico, el crecimiento promedio de este coral fue de ~8 mm año^-1 y para este trabajo sólo consideramos los últimos 50 años de crecimiento. Se obtuvo una muestra cada 2 mm, siguiendo el eje de máximo crecimiento, que es una frecuencia suficiente para detectar la variabilidad estacional y proveer un registro climático confiable (Quinn et al., 1996; Crowley et al., 1999).

El polvo aragonítico fue procesado de acuerdo a la técnica de limpieza diseñada para el análisis de elementos traza (Shen y Boyle, 1988; Linn et al., 1990). Previo al paso de coprecipitación se tomó una submuestra de 100 µL y se aforó a 3 mL con HNO₃ 2.0M. La cuantificación de Sr, Mg y Ca se realizó de manera simultánea en un espectrómetro de emisión atómica de plasma acoplada por inducción (ICP-AES) marca Thermo Jarrell Ash, modelo Iris AP. Las soluciones de calibración (SPEX®) se prepararon con razones de concentración Sr/Ca y Mg/Ca similares a las esperadas en las soluciones de coral. El análisis se realizó siguiendo el protocolo de corrección continua propuesto por Schrag (1999). La precisión externa obtenida a partir de un estándar de coral preparado en el laboratorio fue de ±0.14% (2σ) para Sr/Ca y de ±0.18% (2σ) para Mg/Ca.

Debido a la falta de datos instrumentales de TOS en Isla San Benedicto, para calibrar la respuesta entre las razones Sr/Ca y Mg/Ca, y la temperatura, se emplearon datos de temperatura derivados del satélite A Very High Resolution Radiometer (AVHRR), disponibles desde 1985 a la fecha (Vázquez et al., 1998). Los valores de TOS del AVHRR (con resolución espacial de 9 km) fueron seleccionados debido a que probablemente representan de manera más fidedigna las condiciones in situ de donde crecen los corales. Los datos estacionales de la TOS empleados en la calibración fueron calculados a partir de valores mensuales de temperatura, promediando cuadrantes centrados alrededor de la isla (fig. 1). Para ajustar la cronología, se ajustaron los valores extremos de las razones Sr/Ca y Mg/Ca en fase con los valores extremos de la TOS considerando una tasa de crecimiento anual constante, y posteriormente fueron remuestreados a una resolución estacional empleando el programa Analyseries (Paillard et al., 1996).

La temperatura reconstruida a partir de Sr/Ca y Mg/Ca fue validada al ser comparada con una base de datos independiente (Crowley et al., 1999). La TOS estacional empleada en la comparación fue generada a partir de la TOS mensual media de un cuadrante de 2° x 2° grados (110-112°W, 18-20°N), de la base de datos de COADS (resolución de 2° x 2° grados, disponible de manera discontinua de 1854 a 1992) (Slutz et al., 1985) y se complementó con la TOS mensual de la base de datos de IGOSS (resolución 1° 1°, disponible de 1981 a la fecha) (Reynolds et al., 2002). Para esta comparación, los datos de IGOSS de los cuatro cuadrantes fueron promediados para ajustarse a la resolución espacial de 2° x 2° de COADS.

 

Resultados y discusiones

Relaciones Sr/Ca-TOSy Mg/Ca-TOS en los corales

Las series de tiempo obtenidas a partir de las señales de Sr/Ca y Mg/Ca reproducen claramente los máximos y mínimos del ciclo estacional de la temperatura (fig. 2). La razón molar Sr/Ca varió estacionalmente entre 8.961 a 9.213 mmol mol^-1 y, durante el periodo de calibración (1985-1997), mostró una alta covariación con la temperatura "local" derivada del satélite AVHRR (23.67-29.01°C). La ecuación de calibración Sr/Ca-TOS, calculada mediante una regresión lineal, muestra una relación negativa (fig. 3a) de la forma:

Sr/Ca (mmol mol^-1) = 10.467 (±0.067) - 0.0524 (±0.003) x TOS (r² = 0.894; n = 52) (1)

donde los valores entre paréntesis corresponden al error estándar de los coeficientes.

Al comparar la calibración Sr/Ca-TOS obtenida en este estudio con las publicadas para otras regiones, se encontró que la sensitividad térmica de esta ecuación (dada por la pendiente de la calibración) es muy similar a la calculada para Porites lutea de Islas Galápagos (Schrag, 1999), para corales del género Porites de Taiwán (Shen et al., 1996) y de la Gran Barrera Arrecifal en Australia (Alibert y McCulloch, 1997; Sinclair et al., 1998; Gagan et al., 1998; Fallon et al., 1999; Marshall y McCulloch, 2002). En contraste, las pendientes de las relaciones Sr/Ca-TOS obtenidas para P. lobata de Hawai (de Villiers et al., 1994) y P. lutea de Rarotonga (Linsley et al., 2000) son marcadamente mayores (tabla 1). La media de todas las pendientes incluidas en la comparación es de -0.0619 (±0.0087; 1σ) (tabla 1). No obstante la similitud en las pendientes de las ecuaciones de calibración (tabla 1, fig. 4a), al considerar una misma razón Sr/Ca la temperatura predicha por estas ecuaciones difiere significativamente entre las localidades estudiadas y esta diferencia puede llegar a ser hasta de ~6°C.

El intervalo estacional de la razón Mg/Ca varió entre 3.844 a 4.299 mmol mol^-1 para el periodo de calibración (1995-1997) y, al igual que la razón Sr/Ca, mostró una alta coherencia con la TOS local (AVHRR). La regresión lineal de la relación Mg/Ca-TOS muestra una relación positiva (fig. 3b) de la forma siguiente:

Mg/Ca (mmol mol^-1) = 1.550 (±0.095) + 0.0956 (±0.0043) x TOS (r² = 0.906; n = 52) (2)

La sensitividad térmica de esta ecuación es similar a la obtenida para Porites lutea de Japón, del Mar de China y Nueva Caledonia (Mitsuguchi et al., 1996; 1997; Fallon et al., 1999; Wei et al., 2000; Quinn y Sampson, 2002), pero éstas son un poco menores a la calculada para Porites de la Gran Barrera Arrecifal de Australia (Sinclair et al., 1998). De manera análoga a la calibración Sr/Ca-TOS, las pendientes de la relación Mg/Ca-TOS varían muy poco (tabla 1), con una media de 0.116 (±0.024; 1 σ). Independientemente de la similitud de las pendientes consideradas en la tabla 1, las relaciones empíricas obtenidas para Mg/Ca-TOS son bastante distintas. La calibración calculada en este trabajo se encuentra entre de las calculadas por Mitsuguchi et al. (1996) y por Fallon et al. (1999), y debido a la semejanza en las pendientes, las líneas son prácticamente paralelas (fig. 4b). Sin embargo, la diferencia en la temperatura calculada por las distintas calibraciones a una misma razón Mg/Ca resulta en una variación mayor a los 8°C.

A la fecha no existe explicación plausible para la dispersión observada en las calibraciones Sr/Ca-TOS y Mg/Ca-TOS, pero se han planteado varias posibilidades. La variabilidad en la incorporación de Sr entre las diferentes especies y géneros de coral, aún en aquellos corales que crecen en la misma región y están expuestos a las mismas condiciones ambientales, es bien conocida desde hace más de tres décadas (Weber, 1973). Este factor biológico, llamado "efecto de especie o género" por Weber, no ha sido completamente comprendido, pero al parecer los corales de diferentes localidades responden de manera particular a su medio ambiente, lo que produce un cierto control fisiológico sobre la incorporación de Sr (Marshall y McCulloch, 2002).

Un argumento a favor del efecto biológico en las calibraciones es la heterogeneidad en la distribución de Sr y Mg en el esqueleto de coral (Hart y Cohen, 1996; Allison et al., 2001). Análisis realizados con microsonda iónica de alta resolución (~20 µm) han mostrado que la elevada variabilidad, a microescala, del Sr en el esqueleto de coral no puede ser explicada por la temperatura, y se ha sugerido que la microheterogeneidad es consecuencia de los cambios en la tasa fotosintética de las zooxantelas simbióticas del coral (Hart y Cohen, 1996; Cohen et al., 2001, 2002; Meibom et al., 2003). Recientemente, Cohen et al. (2002) investigaron la incorporación de Sr en la especie de coral simbiótica facultativa Astrangia poculata. En este estudio los autores concluyen que la razón Sr/Ca en el coral es controlada principalmente por la TOS en la variedad asimbiótica, mientras que en la variedad simbiótica la actividad fotosintética de las zooxantelas afecta de manera significativa la incorporación de Sr en el esqueleto del coral. Aunque el estudio fue cuestionado por la dificultad de extrapolar los resultados obtenidos en un coral de una región extratropical a los corales tropicales usados comúnmente en la reconstrucción paleoclimática (Schrag y Linsley, 2002), se ha encontrado que la microvariabilidad de la razón Sr/Ca ocurre también en el coral tropical P. lutea y se considera que el efecto metabólico es la causa principal de esta microheterogeneidad (Meibom et al., 2003).

Otros estudios han ofrecido argumentos alternos para explicar la microheterogeneidad del Sr en el esqueleto de coral. Por ejemplo, Gregor y Pingitore (1997) empleando una combinación de técnicas de alta resolución basadas en espectroscopia de rayos X (XANES y EXAFS) demostraron que el Sr en el esqueleto del coral puede encontrarse asociado a dos fases; en una fase el Sr sustituye directamente al Ca en la estructura cristalina de la aragonita y en la otra el Sr forma el mineral estroncianita (SrCO₃), que en algunos casos puede acumular hasta el 40% del Sr total en el coral. Esto sugiere que los cambios en la abundancia relativa de ambas fases controlan parcialmente la microheterogeneidad del Sr y ésta es un factor que contribuye a la variabilidad observada en las calibraciones. En contraste, en un trabajo posterior donde se uso la técnica de EXAFS, se concluye que la variabilidad en la abundancia de estroncianita no es la responsable de las fluctuaciones observadas en la razón Sr/Ca, sino que la microdistribución de Sr refleja un proceso de calcificación en desequilibrio de origen desconocido que puede complicar la interpretación de la razón Sr/Ca en términos de la TOS (Allison et al., 2001).

Debido a que la heterogeneidad en la distribución del Sr en el esqueleto del coral ha sido observada también para el Mg (Allison, 1996; Hart y Cohen, 1996), es probable que la variabilidad en las calibraciones Mg/Ca-TOS sea consecuencia de factores similares a los que afectan la calibración Sr/Ca-TOS. Sin embargo, en contraste con el Sr⁺², el radio iónico del Mg⁺² no favorece una cristalización isoestructural con la aragonita, que es el componente esqueletal del coral, sino con la calcita (Amiel et al., 1973), lo que limita la incorporación del Mg a la estructura cristalina del coral. Se ha observado que la actividad del Mg⁺² es particularmente sensible a las variaciones en la composición de los fluidos y a las características superficiales del cristal de carbonato de calcio (Morse y Bender, 1990). Esto sugiere que las posibles formas de incorporación del Mg al esqueleto de coral dependan de una unión débil con la retícula cristalina de la aragonita, ya sea formando un enlace con material orgánico heterogéneo o adsorbido a la superficie del cristal (Amiel et al., 1973; Allison, 1996; Mitsuguchi et al., 1997). Aun cuando la forma de unión del Mg a la estructura esqueletal es poco clara, las calibraciones obtenidas (tabla 1) demuestran que el principal factor que controla la razón Mg/Ca en el esqueleto del coral es la temperatura, o algún otro factor controlado por la temperatura (Mistsuguchi et al., 1996, 2003; Sinclair et al., 1998; Fallon et al., 1999; Wei et al., 2000).

Además del Sr y Mg, recientemente también se ha observado en isótopos estables presentan una gran variabilidad a microescala en el esqueleto del coral (Rollion-Bard et al., 2003). Sin embargo, este efecto sobre las calibraciones parece reducirse con la resolución de muestreo ya que al contrastar los resultados del muestreo de alta resolución espacial (~50 x 15 µm por cada muestra) con el muestreo tradicional de baja resolución (~1 mm) se ha encontrado que la amplitud de las variaciones del δ¹⁸O es hasta 10 veces menor en baja resolución, además de que en baja resolución el δ¹⁸O sigue de cerca el ciclo estacional de la temperatura (Rollion-Bard et al., 2003). No es claro el origen de la diferencia en las respuestas con la resolución de muestreo, pero estos resultados sugieren que el muestreo de baja resolución incluye la composición geoquímica media de varias microestructuras esqueletales y que esta composición media responde principalmente a la temperatura. Aunque este argumento tendría que ser demostrado, en general las calibraciones realizadas con una resolución menor a la mensual mostraron correlaciones más bajas (e.g. Sinclai et al., 1998; Fallon et al., 1999; Marshall y McCulloch, 2002) comparadas con el muestreo de baja resolución (mensual o mayor), como el realizado en este estudio (ver tabla 1).

Además del efecto biológico se sabe que las razones Sr/Ca y Mg/Ca en el coral dependen de la razón de actividades Metal/Ca en el agua de mar y del coeficiente de distribución (Metal/Ca)_aragonita/(Metal/Ca)_{agua de mar} (D^M), que finalmente son función de la temperatura (Smith et al., 1979; Beck et al., 1992; Mitsuguchi et al., 1997). El tiempo de residencia de Sr, Mg y Ca en el océano es lo suficientemente largo (5.1 x 10⁶, 1.3 X 10⁷ y 1.1 x 10⁶ años, respectivamente; Brocker y Peng, 1982), para suponer de manera razonable que la razón de actividades de Sr/Ca y Mg/Ca en el agua de mar ha permanecido relativamente constante en los últimos miles de años. Por ejemplo, se ha encontrado que la razón de actividad del Mg/Ca en el océano varía aproximadamente 1% en un intervalo de salinidad de 33 a 37 a 25°C y menos del 0.1% entre 20-30°C a 35 de salinidad, lo que produciría una incertidumbre máxima de ca. ±0.5°C en el paleotermómetro (Mitsuguchi et al., 1997). Las mediciones de la razón Sr/Ca en el agua de mar en varias regiones del océano han mostrado que la variación de la razón Sr/Ca en el Pacífico tropical se encuentra en el orden del 0.18%, lo cual se traduce en una modificación a la temperatura máxima posible de ±0.2°C, que es una variación típica para la mayoría de las zonas arrecifales (Alibert y McCulloch, 1997). Se ha observado una variación mayor en esta razón en regiones de surgencia como las Islas Galápagos y la Boca del Golfo de California, con una reducción superficial de hasta ~2.2% con respecto al océano profundo, lo que podría traducirse en una incertidumbre máxima de ±2.5°C en la temperatura reconstruida (de Villiers et al., 1994; de Villiers, 1999). Aunque no se ha demostrado que ocurran cambios de esta magnitud en la razón Sr/Ca en el agua de mar en la zona de crecimiento de los corales, aún en estos casos extremos la variabilidad tiene que ser considerada en el contexto de los ciclos anuales de temperatura, que en estas regiones pueden variar en el intervalo de 6°C hasta cerca de 10°C.

Por otro lado, se ha calculado que el coeficiente de distribución para el Sr (D^Sr) en la aragonita coralina varía entre 1.054 y 1.057 (Beck et al., 1992; de Villiers et al., 1994; Shen et al., 1996), mientras que en la precipitación inorgánica de aragonita el D^Sr es de 1.15 (Kinsman y Holland, 1969). La diferencia entre el D^Sr de los corales y la precipitación inorgánica, aunque pequeña, indica que la biomineralización no está en equilibrio con el agua de mar por lo que el factor biológico puede jugar un papel importante en la incorporación de este elemento en el esqueleto del coral. El desequilibrio con el medio, además de la microheterogenidad demostrada, sugiere que la incorporación de Sr y Mg al esqueleto de coral no es consecuencia de un simple proceso predecible. No obstante, la mayoría de los estudios coinciden en que los comportamientos de las razones Sr/Ca y Mg/Ca en el esqueleto del coral son claramente dependientes de la temperatura y éstas son capaces de reproducir los registros instrumentales de la TOS en diferentes escalas de tiempo (Gagan et al., 2000; Schrag y Lisley, 2002).

Es evidente que el uso generalizado de los paleotermómetros de Sr/Ca y Mg/Ca requiere de una mejor comprensión de factores tales como la magnitud del efecto biológico sobre la incorporación de Sr y Mg en el esqueleto del coral, el efecto de la microheterogeneidad en las calibraciones y la forma cómo el Mg se liga a la estructura cristalina de la aragonita coralina. No obstante que estos factores pueden producir un desequilibrio en la biomineralización y, consecuentemente, influir en las calibraciones resultantes, se ha considerado que la robustez de los paleotermómetros se fundamenta en que el desequilibrio es constante a nivel de género (e.g. Mistsuguchi et al., 1996; 1997; Marshall y McCulloch, 2002). Sin embargo, la diferencia en la temperatura reconstruida a partir de las ecuaciones publicadas para el género Porites en distintas regiones del océano (tabla 1) nos indica que la calibración obtenida no sólo depende del género, sino de la respuesta del coral al medio ambiente particular en donde crece. Es evidente que existe mucho desconocimiento de cómo los mecanismos de crecimiento del coral afectan las señales climáticas registradas por el coral (Barnes y Lough, 1996; Lough, 2004). Por lo tanto, mientras no se conozcan algunos detalles de la biomineralización, los paleotermómetros de Sr/Ca y Mg/Ca en colonias individuales han mostrado ser confiables siempre y cuando sean calibrados contra los registros locales de TOS.

Validación de la temperatura reconstruida

Para reconstruir la TOS a partir de los paleotermómetros de Sr/Ca y Mg/Ca generalmente las señales geoquímicas generadas se calibran con series cortas de temperatura obtenidas de registros instrumentales de sitios cercanos a la colecta (de Villiers et al., 1994; Mitsuguchi et al., 1996), con registros in situ (Alibert y McCulloch, 1997; Correge et al., 2000; Marshall y McCulloch, 2002), con las temperaturas derivadas de otros registros o estimaciones aproximados de temperatura (Beck et al., 1992) o a partir de bases de datos de temperatura oceánica superficial disponibles (Gagan et al., 1998; Crowley et al., 1999) (tabla 1). Este enfoque, aunque común, ha sido cuestionado debido a que inferir el comportamiento de la TOS reconstruida en escalas de tiempo largas, para una localidad determinada, requiere demostrar que la TOS derivada de los paleotermómetros se correlaciona con la TOS derivada de bases de datos independientes (Crowley et al., 1999).

En este estudio se validó la respuesta espacial y temporal de los paleotermómetros coralinos, comparando la temperatura reconstruida a partir de las razones Sr/Ca y Mg/Ca con la TOS obtenida de una base de datos. La relación entre la temperatura oceánica superficial obtenida de la base de datos independiente (COADS + IGOSS) y la TOS reconstruida con los paleotermómetros se muestra en la figura 5. La temperatura derivada del Sr/Ca coralino (23.42-28.75°C), presentó una media de 26.01°C, mientras que la TOS media de la base de datos (22.9-29.32°C) fue de 25.99°C. Ambas series muestran una alta correlación (r = 0.845), con algunas diferencias en amplitud al principio del periodo de registro (1952-1954 y 1962-1966) (fig. 5a). La media de la temperatura derivada del paleotermómetro Mg/Ca fue de 25.87°C (intervalo de 22.87-28.66°C) y la diferencia con la media de la temperatura de la base de datos COADS + IGOSS fue de sólo 0.12°C. La correlación entre ambas series fue también alta (r = 0.851) y, al igual que en el caso de la TOS reconstruida a partir de Sr/Ca, las diferencias en amplitud se muestran en los mismos años, al principio del periodo de comparación (fig. 5b). Independientemente de las diferencias observadas en amplitud en algunos años, los resultados indican que la temperatura "local" reconstruida con los paleotermómetros de Sr/Ca y Mg/Ca refleja de manera excelente la variabilidad de la TOS en una escala espacio-temporal más amplia, y que las diferencias entre ambas señales son generalmente cercanas o menores a la resolución del método.

En la figura 6 se muestra la anomalía de TOS reconstruida con el paleotermómetro Sr/Ca, comparada con la anomalía térmica de la región ecuatorial Niño 3.4, considerada como un índice de la evolución de los eventos ENSO (e.g. Trenberth 1997, 2001). La elevada coherencia entre ambas señales muestra que los eventos de El Niño constituyen el forzamiento principal para la TOS en esta región a escala interanual (Baumgartner y Christensen, 1985; Trasviña et al., 1999), aunque la diferencia en amplitud entre ambas señales indica que en esta región oceánica transicional del Pacífico las anomalías térmicas generadas por El Niño son menos intensas.

 

Agradecimientos

Los autores agradecen a Víctor A. Arias-Esquivel y Pedro G. Castro-Castro por su valioso apoyo en el procesamiento de las muestras. Se agradece las observaciones de Roxana Rico y de tres revisores anónimos. Este trabajo fue realizado gracias al apoyo financiero de la UABC, del CONACYT (Convenio 35200-T) y al proyecto de infraestructura de CONACYT (Convenio F538-T9309).

 

Referencias

Alibert, C. and McCulloch, M.T. (1997). Strontium/calcium ratios in modern Porites corals from the Great Barrier Reef as a proxy for sea surface temperature; calibration of the thermometer and monitoring of ENSO. Paleoceanography, 12: 345-363.         [ Links ]

Allison, N. (1996). Geochemical anomalies in coral skeletons and their possible implications for paleoenvironmental analyses. Mar. Chem., 55: 367-379.         [ Links ]

Allison, N., Finch, A.A., Sutton, S.R. and Newville, M. (2001). Strontium heterogeneity and speciation in coral aragonite: Implications for the strontium paleothermometer. Geochim. Cosmochim. Acta, 65: 2669-2676.         [ Links ]

Amiel, A.J., Friedman, G.M. and Miller, D.S. (1973). Distribution and nature of incorporation of trace elements in modern aragonitic corals. Sedimentology, 20: 47-64.         [ Links ]

Badan-Dangon, A. (1998). Coastal circulation from the Galapagos to the Gulf of California. Chap. 11. In: A.R. Robinson and K.H. Brink (eds.), The Sea. Vol. 11. Wiley, New York, pp. 315-343.         [ Links ]

Barnes, D.J. and Lough, J.M. (1996). Coral skeletons: Storage and recovery of environmental information. Global Change Biol., 2: 569-582.         [ Links ]

Baumgartner, T.R. and Christensen, Jr.N. (1985). Coupling of the Gulf of California to large-scale interannual climatic variability. J. Mar. Res., 43: 825-848.         [ Links ]

Beck, J.W., Edwards, R.L., Ito, E., Taylor, F.W., Recy, J., Rougerier, F., Joannot, P. and Henin, C. (1992). Sea surface temperature from coral skeletal strontium/calcium ratios. Science, 257: 644-647.         [ Links ]

Brocker, W.S. and Peng, T.H. (1982). Tracers in the Sea. Lamont-Doherty Geological Observatory Press, 690 pp.         [ Links ]

Cohen, A.L., Layne, G.D. and Hart, S.R. (2001). Kinetic control of skeletal Sr/Ca in a symbiotic coral: Implications for the paleotemperature proxy. Paleoceanography, 16: 20-26.         [ Links ]

Cohen, A.L., Owen, K.E., Layne, G.D. and Shimizu, N. (2002). The effect of algal symbionts on the accuracy of Sr/Ca paleotemperatures from coral. Science, 296: 331-333.         [ Links ]

Correge, T., Delcroix, T., Récy, J., Beck, W., Cabioch, G. and Le Cornec, F. (2000). Evidence for stronger El Niño-Southern Oscillation (ENSO) events in a mid-Holocene massive coral. Paleoceanography, 15: 465-470.         [ Links ]

Crowley, T.J., Quinn, T. and Hyde, W.T. (1999). Validation of coral temperature calibrations. Paleoceanography, 14: 605-615.         [ Links ]

de Villiers, S. (1999). Seawater strontium and Sr/Ca variability in the Atlantic and Pacific oceans. Earth Planet. Sci. Lett., 171: 623-634.         [ Links ]

de Villiers, S., Shen, G.T. and Nelson, B.K. (1994). The Sr/Ca-temperature relationship in coralline aragonite: Influence of variability in (Sr/Ca) seawater and skeletal growth parameters. Geochim. Cosmochim. Acta, 58: 197-208.         [ Links ]

de Villiers, S., Nelson, B.K. and Chivas A.R. (1995). Biological control on coral Sr/Ca and δ¹⁸O reconstructions of sea surface temperatures. Science, 269: 1247-1249.         [ Links ]

Evans, M.N., Fairbanks, R.G. and Rubenstone, J.L. (1999). The thermal paleoceanographic signal of El Niño reconstructed from a Kiritimati Island coral. J. Geophys. Res., 104: 13409-13421.         [ Links ]

Evans, M.N., Kaplan, A. and Cane, M.A. (2000). Intercomparison of coral oxygen isotope data and historical SST: Potential for coralbased SST field reconstructions. Paleoceanography, 15: 551-563.         [ Links ]

Fallon, S.J., McCulloch, M.T., van Woesik, R. and Sinclair, D. (1999). Corals at their latitudinal limits: Laser ablation trace element systematics in Porites from Shirigai Bay, Japan. Earth Planet. Sci. Lett., 172: 221-238.         [ Links ]

Fallon, S., McCulloch, M.T. and Alibert, C. (2003). Examining water temperature proxies in Porites corals from the Great Barrier Reef: A cross-shelf comparison. Coral Reefs, 22(4): doi: 10.1007/ s00338-003-0322-5.         [ Links ]

Felis, T., Patzold, J. and Loya, Y. (2003). Mean oxygen-isotope signaturas in Porites spp. corals: Inter-colony variability and correction for extension-rate effects. Coral Reefs, 22: 328-336.         [ Links ]

Gagan, M.K., Ayliffe, L.K., Hopley, D., Cali, J.E., Mortimer, G.E., Chapell, J., McCulloch, M.T. and Head, M.J. (1998). Temperature and surface-ocean water balance of the mid-Holocene tropical western Pacific. Science, 279: 1014-1018.         [ Links ]

Gagan, M.K., Ayliffe, L.K., Beck, J.W., Cole, J.E., Druffel, E.R.M., Dunbar, R.B. and Schrag, D.P. (2000). New view of tropical paleoclimate from corals. Quat. Sci. Rev., 19: 45-64.         [ Links ]

Gregor, R.B. and Pingitore, N.E. (1997). Strontianite in coral skeletal aragonite. Science, 275: 1452-1454.         [ Links ]

Hart, S.R. and Cohen, A.L. (1996). An ion probe study of annual cycles of Sr/Ca and other trace elements in corals. Geochim. Cosmochim. Acta, 60: 3075-3084.         [ Links ]

Heiss, G.A., Camoin, G.F., Eisenhauer, A., Wischow, D., Dullo, W.C. and Hansen, B. (1997). Stable isotope and Sr/Ca signals in corals from the Indian Ocean. Proc. 8th Int. Coral Reef Symp., 2: 1713-1718.         [ Links ]

Kessler, W.S. (1990). Observations of long Rossby waves in the northern tropical Pacific. J. Geophys. Res., 95: 5183-5218.         [ Links ]

Kinsman, D.J.J. and Holland, H.D. (1969). The co-precipitation of cations with CaCO₃-IV. The co-precipitation of Sr²⁺ with aragonite between 16°C and 96°C. Geochim. Cosmochim. Acta, 33: 1-17.         [ Links ]

Lee, M.E. and Chelton, D. (1998). Inferenced oceanic Kelvin/Rossby wave influence on North America west coast precipitation. NOAA Technical Memorandum, NWS WR-253, April 1998.         [ Links ]

Linn, L.J., Delaney, M.L. and Druffel, E.R.M. (1990). Trace metals in contemporary and seventeenth-century Galapagos coral: Records of seasonal and annual variations. Geochim. Cosmochim. Acta, 54: 387-394.         [ Links ]

Linsley, B.K., Wellington, G.M. and Schrag, D.P. (2000). Decadal sea surface temperature variability in the subtropical South Pacific from 1726 to 1997 A.D. Science, 290: 1145-1108.         [ Links ]

Lough, J.M. (2004). A strategy to improve the contribution of coral data to high-resolution paleoclimatology. Paleogeogr. Paleoclimatol. Paleoecol., 204: 115-143.         [ Links ]

Mann, M.E., Park, J. and Bradley, R.S. (1995). Global interdecadal and century-scale climate oscillations during the past five centuries. Nature, 378: 266-270.         [ Links ]

Marshall, J.F. and McCulloch, M.T. (2001). Evidence of El Niño and the Indian Ocean dipole from Sr/Ca derived SSTs for modern corals at Christmas Island, eastern Indian Ocean. Geophys. Res. Lett., 28: 3453-3456.         [ Links ]

Marshall, J.F. and McCulloch, M.T. (2002). An assessment of the Sr/ Ca ratio in shallow water hermatypic corals as a proxy for sea surface temperature. Geochim. Cosmochim. Acta, 66: 3263-3280.         [ Links ]

McCulloch, M.T., Tudhope, A.W., Esat, T.M., Mortimer, G.E., Chapell, J., Pillans, B., Chivas, A.R. and Omura, A. (1999). Coral record of Equatorial sea-surface temperatures during the penultimate deglaciation at Huon peninsula. Science, 283: 202-204.         [ Links ]

Meibom, A., Stage, M., Wooden, J., Constantz, B.R., Dunbar, R.B., Owen, A., Grumet, N., Bacon, C.R. and Chamberlain, C.P. (2003). Monthly strontium/calcium oscillation in symbiotic coral aragonite: Biological effects limiting the precision of the paleotemperature proxy. Geophys. Res. Lett., 30(7): 1418 doi:10.1029/2002GL016864.         [ Links ]

Min, G.R., Edwards, R.L., Taylor, R.W., Recy, J., Gallup, C.D. and Beck, J.W. (1995). Annual cycles of U/Ca in coral skeletons and U/Ca thermometry. Geochim. Cosmochim. Acta, 59: 2025-2042.         [ Links ]

Mitsuguchi, T., Matsumoto, E., Abe, O., Uchida, T. and Isdale, P.J. (1996). Mg/Ca thermometry in coral skeletons. Science, 274: 961-963.         [ Links ]

Mitsuguchi, T., Matsumoto, E., Abe, O., Uchida, T. and Isdale, P.J. (1997) . Magnesium/calcium ratios of coral skeletons as a paleothermometer. Proc. 8th Int. Coral Reef Symp., 2: 1701-1706.         [ Links ]

Mitsuguchi, T., Matsumoto, E. and Uchida, T. (2003). Mg/Ca and Sr/ Ca ratios of Porites coral skeleton: Evaluation of the effect of skeletal growth rate. Coral Reefs, 22(4): doi: 10.1007/s00338-003-0326-1.         [ Links ]

Morse, J.W. and Bender, M.L. (1990). Partition coefficients in calcite; examination of factors influencing the validity of experimental results and their application to natural systems. Chem. Geol., 82: 265-277.         [ Links ]

Oomori, T., Kaneshima, K., Nakamura, Y. and Kitano, Y. (1982). Seasonal variations of minor elements in coral skeletons. Galaxea, 1: 77-86.         [ Links ]

Paillard, D., Labeyrie, L. and Yiou, P. (1996). Macintosh program performs time-series analysis. Eos Trans. AGU, 77: 379.         [ Links ]

Parés-Sierra, A. and O'Brien, J.J. (1989). The seasonal and interannual variability of the California Current system: A numerical model. J. Geophys. Res., 94: 3159-3180.         [ Links ]

Quinn, T.M. and Sampson, D.E. (2002). A multiproxy approach to reconstructing sea surface conditions using coral skeleton geochemistry. Paleoceanography, 17(4): 1062 doi: 10.1029/ 2000PA000528.         [ Links ]

Quinn, T.M., Taylor, F.W., Crowley, T.J. and Link, S.M. (1996). Evaluation of sampling resolution in coral stable isotope records: A case study using records from New Caledonia and Tarawa. Paleoceanography, 11: 529-542.         [ Links ]

Reynolds, R.W., Rayner, N.A., Smith, T.M., Stokes, D.C. and Wang, W. (2002). An improved in situ satellite SST analysis for climate. J. Clim., 15: 1609-1625.         [ Links ]

Roden, G.I. (1971). Aspects of the transition zone in the northeastern Pacific. J. Geophys. Res., 76: 3462-3475.         [ Links ]

Rollion-Bard, C., Blamart, D., Cuif, J.P. and Juillet-Leclerc, A. (2003). Microanalysis of C and O isotopes of azooxanthellete and zooxanthellete coral by ion microprobe. Coral Reefs, 22: 405-415.         [ Links ]

Schrag, D.P. (1999). Rapid analysis of high-precision Sr/Ca ratios in corals and other marine carbonates. Paleoceanography, 14: 97-102.         [ Links ]

Schrag, D.P. and Linsley, B.K. (2002). Corals, chemistry, and climate. Science, 296: 277-278.         [ Links ]

Shen, G.T. and Boyle, E.A. (1988). Determination of lead, cadmium and other trace metals in annually-banded corals. Chem. Geol., 67: 47-62.         [ Links ]

Shen, C.C., Lee, T., Chen, C.Y., Wang, C.H., Dai, C.F. and Li, L.A. (1996). The calibration of D[Sr/Ca] versus sea surface temperature relationship for Porites corals. Geochim. Cosmochim. Acta, 60: 3849-3858.         [ Links ]

Sinclair, D.J., Kinsley, L.P.J. and McCulloch, M.T. (1998). High resolution analysis of trace elements in corals by laser ablation ICP-MS. Geochim. Cosmochim. Acta, 62: 1889-1901.         [ Links ]

Slutz, R.J., Lubker, S.J., Hiscox, J.D., Woodruff, S.D., Jenne, R.L., Steurer, P.M. and Elms, J.D. (1985). Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set; Release 1. Climate Research Program, Boulder, Colorado.         [ Links ]

Smith, S.V., Buddemeier, R.W., Redalje, R.C. and Houck, J.E. (1979). Strontium-calcium thermometry in coral skeletons. Science, 204: 404-407.         [ Links ]

Trasviña, A., Lluch-Cota, D., Filonov, A.E. y Gallegos, A. (1999). Oceanografía y El Niño. En: V.O. Magaña (ed.), Los Impactos del Niño en México. SG-SEP, México, pp. 69-101.         [ Links ]

Trenberth, K.E. (1997). The definition of El Niño. Bull. Am. Meteorol. Soc., 78: 2771-2777.         [ Links ]

Trenberth, K.E. (2001). Indices of the El Niño evolution. J. Clim., 14: 1697-1701.         [ Links ]

Vazquez, J., Perry, K. and Kilpatrick, K. (1998). NOAA/NASA AVHRR Ocean Pathfinder Sea Surface Temperature Data Set. User's Reference Manual Version 4.0. JPL Publication D-14070.         [ Links ]

Weber, J.N. (1973). Incorporation of strontium into reef coral skeletal carbonate. Geochim. Cosmochim. Acta, 37: 2173-2190.         [ Links ]

Weber, J.N. and Woodhead, P.M.J. (1972). Temperature dependence of oxygen-18 concentration in reef coral carbonates. J. Geophys. Res., 77: 463-473.         [ Links ]

Wei, G., Sun, M., Li, X. and Nie, B. (2000). Mg/Ca, Sr/Ca and U/Ca ratios of Porites coral from Sanya Bay, Hainan Island, South China Sea and their relathionships to sea surface temperature. Paleoceanogr. Paleoclimatol. Paleoecol., 162: 59-74.         [ Links ]

Wyrtki, K. (1967). Circulation and water masses in the eastern equatorial Pacific ocean. Int. J. Oceanol. Limnol., 1: 117-147.         [ Links ]