Marin geofysik

Marin geofysik är den vetenskapliga disciplin som använder geofysikmetoder för att studera världens havsbassänger och kontinentala marginaler, särskilt den fasta jorden under havet. Den delar mål med marin geologi , som använder sedimentologiska , paleontologiska och geokemiska metoder. Marin geofysiska dataanalyser ledde till teorierna om havsbottenspridning och plattektonik .

Ålder av oceanisk litosfär

Metoder

Marin geofysik använder tekniker som till stor del används på kontinenterna, från områden däribland utforskningsgeofysik och seismologi och metoder som är unika för havet som ekolod . De flesta geofysiska instrument används från ytfartyg men vissa bogseras nära havsbotten eller fungerar autonomt, som med autonoma undervattensfordon eller AUV.

Målen för marin geofysik inkluderar bestämning av havsbottens djup och egenskaper, den seismiska strukturen och jordbävningarna i havsbassängerna, kartläggning av gravitation och magnetiska anomalier över bassängerna och marginalerna, bestämning av värmeflödet genom havsbotten och elektriska egenskaper av havsskorpan och jordens mantel .

Navigering

Modern marin geofysik, som med de flesta oceanografiska mätningar med forskningsfartyg, använder Global Positioning System- satelliter, antingen den amerikanska GPS-matrisen eller den ryska GLONASS för fartygsnavigering. Geofysiska instrument som bogseras nära havsbotten använder vanligtvis akustiska transpondernavigeringsekolodsnätverk .

Havets djup

Havsbottens djup mäts med ekolod , en ekolodsmetod utvecklad under 1900-talet och avancerad under andra världskriget . Vanliga variationer är baserade på ekolodsstrålens bredd och antalet ekolodsstrålar som används i multibeam-ekolod eller strängkartering som blev mer avancerad mot senare hälften av 1900-talet.

Multibeam ekolodskartläggning

Sedimentär täckning av havsbotten

Tjockleken och typen av sediment som täcker havsskorpan uppskattas med hjälp av seismisk reflektionsteknik . Denna metod var mycket avancerad av oljeprospekteringsföretag till havs . Metoden använder en ljudkälla vid fartyget med mycket lägre frekvenser än ekolod, och en rad hydrofoner som bogseras av fartyget, som registrerar ekon från den inre strukturen av sedimenthöljet och jordskorpan under sedimentet. I vissa fall kan reflektioner från havsskorpans inre struktur upptäckas. Ekolod som använder lägre frekvenser nära 3,5 kHz används för att detektera både havsbotten och grunda strukturer under havsbotten. Sidoliknande ekolod , där ekolodsstrålarna är riktade strax under horisontalplanet, används för att kartlägga havsbottnens bottenstruktur till intervall från tiotals meter till en kilometer eller mer beroende på enheten.

Struktur av havsskorpan och övre manteln

När ljud- eller energikällan separeras från inspelningsanordningarna med avstånd på flera kilometer eller mer, mäts seismiska brytningsvågor . Deras restid kan användas för att bestämma havsskorpans inre struktur, och utifrån de seismiska hastigheterna som bestäms av metoden kan en uppskattning göras av jordskorpans typ. Inspelningsanordningar inkluderar hydrofoner vid havsytan och även havsbottenseismografer. Refraktionsexperiment har upptäckt anisotropi av seismisk våghastighet i den oceaniska övre manteln.

Mätning av jordens magnetiska fält och gravitationsfält inom havsbassängerna

Den vanliga metoden att mäta jordens magnetfält vid havsytan är genom att dra en totalfältsprotonprecessionsmagnetometer flera hundra meter bakom ett undersökningsfartyg. I mer begränsade undersökningar har magnetometrar bogserats på ett djup nära havsbotten eller fäst vid djupa nedsänkningsfartyg . Gravimetrar som använder noll-längd fjäderteknik är monterade på den mest stabila platsen på ett fartyg; vanligtvis mot mitten och lågt. De är speciellt utformade för att skilja skeppets acceleration från förändringar i accelerationen av jordens gravitation, eller gravitationsanomalier, som är flera tusen gånger mindre. I begränsade fall har gravitationsmätningar gjorts vid havsbotten från djupa dränkbara vatten.

Bestäm hastigheten för värmeflödet från jorden genom havsbotten

Den geotermiska gradienten mäts med en 2 meter lång temperatursond eller med termistorer fästa på sedimentkärnorna. Uppmätta temperaturer i kombination med sedimentets värmeledningsförmåga ger ett mått på det ledande värmeflödet genom havsbotten.

Mät de elektriska egenskaperna hos havsskorpan och den övre manteln

Elektrisk ledningsförmåga , eller den omvända resistiviteten, kan relateras till bergart, närvaron av vätskor i sprickor och porer i bergarter, närvaron av magma och mineralavlagringar som sulfider vid havsbotten. Undersökningar kan göras på antingen havsytan eller havsbotten eller i kombination med aktiva strömkällor eller naturliga jordströmmar, kända som telluriska strömmar .

I speciella fall har mätningar av naturlig gammastrålning från havsbottenmineralfyndigheter gjorts med scintillometrar som bogseras nära havsbotten.

Exempel på inverkan av marin geofysik

Bevis för havsbottenspridning och plattektonik

Ekolod användes för att förfina gränserna för de kända mitthavsryggarna och för att upptäcka nya. Ytterligare sonderande kartlade linjära havsbottensprickzoner som är nästan ortogonala mot trenderna för åsarna. Senare upptäckte jordbävningsplatserna för det djupa havet att skalv är begränsade till topparna på mittoceanens åsar och sträckor av sprickzoner som länkar ett segment av en ås till en annan. Dessa är nu kända som transformationsfel , en av de tre klasserna av plattgränser. Ekolod användes för att kartlägga havens djupa skyttegravar och jordbävningsplatser noterades vara belägna i och under skyttegravarna.

Ett spridningscentrum (åssegment) förskjutet av ett transformationsfel. Båda är plattgränser. En sprickzon är ärret från det aktiva transformationsfelet

Data från marina seismiska refraktionsexperiment definierade en tunn havsskorpa, cirka 6 till 8 kilometer tjock, uppdelad i tre lager. Seismiska reflektionsmätningar gjorda över havsryggarna visade att de saknar sediment vid krönet, men täcks av allt tjockare sedimentlager med ökande avstånd från krönet. Denna observation antydde att åsens toppar är yngre än åsens flanker.

Magnetiska undersökningar upptäckte linjära magnetiska anomalier som i många områden löpte parallellt med en havsåskrön och visade ett spegelbildssymmetriskt mönster centrerat på åskrön. Korrelationen mellan anomalierna och historien om jordens magnetfältsvängningar gjorde det möjligt att uppskatta havsbottens ålder. Detta samband tolkades som utbredning av havsbotten från åsens krönar. Att länka spridningscentra och transformationsfel till en gemensam orsak bidrog till att utveckla begreppet plattektonik.

När havsskorpans ålder, bestämd av magnetiska anomalier eller borrhålsprover jämfördes med havsdjupet, observerades att djup och ålder är direkt relaterade i ett åldersförhållande mellan havsbottendjupet . Detta förhållande förklarades av kylningen och sammandragningen av en oceanisk platta när den sprider sig bort från en åskrön.

Bevis för paleoklimat

Seismiska reflektionsdata i kombination med djuphavsborrningar på vissa platser har identifierat utbredda oöverensstämmelser och distinkta seismiska reflektorer i djuphavssedimentregistret. Dessa har tolkats som bevis på tidigare globala klimatförändringar. Seismiska reflektionsundersökningar gjorda på polära kontinentaljag har identifierat nedgrävda sedimentära särdrag på grund av kontinentalisarnas framryckning och tillbakadragande. Ekolodskartläggning av strängar har avslöjat skårorna efter inlandsisar som klipptes när de korsade polära kontinentalsocklar tidigare.

Bevis för hydrotermiska ventiler

Värmeflöde mätt i havsbassängerna avslöjade att ledande värmeflöde minskade med det ökade djupet och jordskorpans ålder på flankerna av havsryggarna. På åsens krön befanns dock det ledande värmeflödet vara oväntat lågt för en plats där aktiv vulkanism åtföljer havsbottnens spridning. Denna anomali förklarades av den möjliga värmeöverföringen genom hydrotermisk ventilering av havsvatten som cirkulerar i djupa sprickor i skorpan vid åskrönens spridningscentrum. Denna hypotes bekräftades i slutet av 1900-talet när undersökningar av djupa undervattensfartyg upptäckte hydrotermiska ventiler vid spridningscentra.

Bevis för Mid-Ocean Ridge struktur och egenskaper

Marin gravitationsprofiler gjorda över Mid-Ocean Ridges visade en brist på gravitationsanomali, friluftsavvikelsen är liten eller nära noll när den beräknas i medeltal över ett brett område. Detta antydde att även om åsar nådde en höjd på sin krön av två kilometer eller mer över de djupa havsbassängerna, så var den extra massan inte relaterad till en ökning av gravitationen på åsen av den storleksordning som kunde förväntas. Åsarna är isostatiskt kompenserade, vilket innebär att den totala massan under ett visst referensdjup i manteln under åsen är ungefär densamma överallt. Detta kräver en mantel med lägre densitet under åsens krön och övre åsflanker. Data från seismiska studier avslöjade lägre hastigheter under åsarna, vilket tyder på att delar av manteln under topparna är bergsmälta med lägre densitet. Detta överensstämmer med teorierna om havsbottenspridning och plattektonik.

Forskningscentra som bedriver marin geofysik

Se även

Vidare läsning

Arora, K.; Gupta, H.; Cazenave, A .; Engdahl, ER; Kind, R.; Manglik, A.; Roy, S.; Sain, K.; Uyeda, S. (2011). Encyclopedia of solid earth geophysics . Dordrecht: Springer Nederländerna. ISBN 9789048187010 .
Harff, J.; Meschede, M.; Petersen, S.; Thiede, J. (2014). Encyclopedia of marin geosciences . Springer Nederländerna. ISBN 9789400766440 .
Jones, EJW (1999). Marin geofysik . Chichester: Wiley. ISBN 978-0471986942 .