Seismic Oceanography. A New Tool to Characterize Physical Oceanographic Structures and Processes

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Grant George Buffett

2012-A

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Resumen

Oceanografía Sísmica: Una Nueva Herramienta para Caracterizar

Estructuras y Procesos Físicos en Oceanográficos


Grant George Buffett


Presentada en la Universidad de Barcelona, 28 Enero, 2011.




Problema Científico, Motivación y Objetivos de la Investigación


La circulación oceánica a gran escala redistribuye calor y agua dulce, y, en

consecuencia, afecta el clima global. Uno de los principales mecanismos es, junto con el

calor superficial y el flujo de agua dulce, la mezcla diapícnica (a través de líneas de

igual densidad) en el interior del océano. La energía necesaria para forzar los procesos

de mezcla proviene de las mareas y el viento [Wunsch, 2002]. Esta energía se

transforma en ondas internas y finalmente en turbulencia y disipación molecular. Las

masas de agua oceánica están estratificadas y a menudo separadas por niveles

relativamente estrechos con fuertes gradientes de temperatura y/o salinidad a través de

los cuales se transfieren masa y calor para mantener la circulación global y la

estratificación. No obstante, estos procesos son difíciles de observar en la práctica. Por

debajo de escasos metros el océano es opaco a la luz y a observaciones directas de los

procesos profundos (excepto aquellos que tienen expresión en superficie, como por

ejemplo las ondas internas) [Thorpe, 2005]. Por lo tanto, observaciones ópticas directas

en profundidad son prácticamente imposibles. Con esta finalidad, el desarrollo de

metodologías e instrumentos científicos para medir los procesos internos del océano son

de gran importancia para poderlos entender.


La motivación que ha llevado a realizar este trabajo se puede separar en dos niveles: 1)

En términos generales, y académicamente, es la curiosidad puramente científica de

estudiar el océano para comprender mejor su papel en el contexto de las Ciencias de la

Tierra; 2) Concretamente, la motivación por desarrollar las herramientas científicas

necesarias para observar el océano a una escala espacial y temporal que no es posible

con las técnicas tradicionales oceanográficas, permitiendo así generar modelos más

precisos de circulación oceánica y, por lo tanto, de las interacciones océano-clima.


El objetivo de esta investigación a largo plazo (como la mayoría de actividades

científicas) es desconocido. La mayoría de hallazgos de la ciencia son fortuitos e

inesperados. El objetivo a corto y medio plazo de esta tesis es el desarrollo de nuevas

herramientas de oceanografía física que proporcionen nuevas perspectivas sobre la

dinámica oceánica. Este conjunto de herramientas está emergiendo como una

metodología sólida dentro de la oceanografía física conocida como 'oceanografía

sísmica'. Por definición, la oceanografía sísmica es la aplicación de la sísmica de

reflexión multicanal (MCS) a la oceanografía física. No obstante, esta definición podría

ser sujeta a una futura revisión y perfeccionamiento, ya que el desarrollo de nuevas

herramientas de oceanografía sísmica daría lugar, inevitablemente, a nuevas

perspectivas. Por ejemplo, el método de adquisición de sísmica podría modificarse

según las sugerencias de Ruddick et al. [2009] de manera que se utilice una fuente

continua menos potente que en la sísmica tradicional. O también puede ser aplicable a

otros aspectos de oceanografía (o limnología), como por ejemplo la biología marina o la

oceanografía química. Ya se han logrado avances significativos en la comprensión de

procesos físicos oceanográficos y se pueden lograr más mediante un mayor desarrollo y

aplicación en zonas de los océanos donde no alcanza la utilización de técnicas de

oceanografía física únicamente.



El Área de Estudio: el Golfo de Cádiz y la costa occidental Ibérica


La corriente de salida del Mediterráneo, de ahora en adelante MOW (Mediterranean

Outflow Water), es un laboratorio natural para a la oceanografía sísmica. La MOW fue

elegida para aplicar la sísmica de reflexión en oceanografía por tres razones:


1) Su fuerte huella oceanográfica. Debido a la penetración de la MOW en el Atlántico

Norte a través del Estrecho de Gibraltar, se observa un fuerte contraste de salinidad (0.3

psu), temperatura (1.5 ºC) y, por lo tanto, de densidad (0.4 kg/m3) entre la MOW y las

aguas del Atlántico [Baringer y Price, 1997]. Estos contrastes de densidad (juntamente

con la velocidad del sonido) son los factores que contribuyen al coeficiente de reflexión,

de manera que hacen posible la identificación de diferentes estructuras y procesos.


2) La gran variedad de características oceanográficas y topográficas, como un talud

continental, un accidentado fondo marino (como las montañas submarinas y cuencas) y

las remolinos del agua Mediterránea a meso escala ('Meddies'). Se cree que estas

estructuras y procesos juegan un papel muy importante en el mantenimiento de la

distribución de la temperatura y la salinidad en el Atlántico Norte [Bower et al., 1997].

Por lo tanto, la oceanografía sísmica en esta región opera en un laboratorio natural

donde estudiar fenómenos oceanográficos reales como por ejemplo la interacción con la

topografía, así como la caracterización de los procesos de mezcla y circulación.


3) Finalmente, existen numerosos conjuntos de datos tanto oceanográficos como

sísmicos archivados, que pueden aportar nueva información a las interpretaciones ya

existentes.


La MOW es una gran lengua de alta salinidad de agua Mediterránea (MW,

Mediterranean Water), que sale del Estrecho de Gibraltar en el Golfo de Cadis, forzada

principalmente por la densidad (Figura A de la 'Introduction'). La MW, debido al alto

nivel de evaporación en el mar Mediterráneo es más salada y, por lo tanto, mes densa

que el agua del Atlántico (AW, Atlantic Water) [Richardson et al., 2000]. La MOW

fluye como una cascada por el talud continental y se equilibra a profundidades de entre

500 y 1500 m, mientras se introduce y mezcla con las aguas del Atlántico Norte Central

(North Atlantic Central Water, NACW) y fluye como una corriente hacia el oeste,

conocida como la Subcorriente Mediterránea (Mediterranean Undercurrent, MU) (e.g.,

Heezen y Johnson [1969]; Madelain [1970]; Bower et al. [2002]).


La MU se desvía hacia el norte a lo largo de la costa de Iberia como consecuencia del

efecto de Coriolis, debido a la conservación del momento angular de la Tierra en

rotación. La MU fluye semi-confinada por las aguas del Atlántico que la rodean, con las

que interactúa. Es de esperar que a medida que la MU se aleja de su fuente haya un

cambio en sus propiedades físicas a causa de la mezcla interna y la interacción con las

masas de agua que la rodean y la plataforma continental. La Figura B (Introduction)

muestra la ubicación de todas las líneas analizadas durante el período de estudio (julio

2006 - noviembre 2010).



Estructura de la tesis


La principal parte de esta tesis la constituyen cuatro artículos, revisados por evaluadores

externos, publicados por el autor y coautores a lo largo de su período de investigación

(capítulos 1, 2 y 4); así como un artículo enviado (Capítulo 3). En la segunda parte,

como soporte para los lectores no familiarizados, se abordan los antecedentes

sismológicos (Capítulo 5) y oceanográficos (Capítulo 6) en el contexto de algunas de las

estructuras y procesos que son susceptibles de ser identificados mediante sísmica. Las

conclusiones generales se presentan en el Capítulo 7 y en el Capítulo 8 se dan algunas

recomendaciones para futuras investigaciones y desarrollos (Parte III). La tesis se

complementa con cuatro apéndices. El primero de ellos es este resumen en lengua

catalana. El apéndice II contiene los diagramas de flujo utilizados por el autor en el

procesado de los datos sísmicos. El Apéndice III contiene 7 desplegables de las

secciones sísmicas en gran formato, ya que son difíciles de visualizar en DIN-A4.

Finalmente, el apéndice IV contiene un glosario de términos útiles para ayudar a los

lectores no iniciados en cualquiera de las ramas de sismología u oceanografía.


Esta tesis puede tener diferentes aspectos de interés. Puede ser leída de principio a fin,

tal como se ha pretendido al escribirla, pero también se puede utilizar como una

referencia completa para aquellos que quieran iniciarse en la oceanografía sísmica. De

esta manera, puede ser utilizada para finalidades específicas, refiriéndose a la sección

correspondiente, según sea necesario. Así, cada capítulo se ha escrito con la mayor

independencia posible. No obstante, hay algunos solapamientos intencionados y se ha

realizado un gran esfuerzo posible para hacer que este trabajo sea lo más completo

posible, evitando redundancias innecesarias.



Metodología


Adquisición


La sísmica de reflexión se ha utilizado con éxito durante décadas para obtener imágenes

del subsuelo terrestre. Es un método bien consolidado, descrito por primera vez por

Reginald Fessenden y desarrollado por la industria de hidrocarburos para la exploración

de petróleo y gas [Finch, 1985]. Los primeros sondeos sísmicos se realizaron en la

primera mitad del siglo XX, y consistían en una fuente (que emite un disparo) y un

receptor situados en la superficie y separados por una distancia conocida (offset). El

tiempo transcurrido entre el primer disparo y la detección de la primera llegada de

energía al receptor se utilizaba para calcular la profundidad a la interfície reflectora. No

obstante, eran necesarias muchas suposiciones para realizar este cálculo. El subsuelo era

considerado como homogéneo y isótropo y la interfície reflectora, horizontal. Además,

la profundidad a la interfície se consideraba muy grande en relación con la separación

entre fuente y receptor, permitiendo aproximar que la fuente y el receptor están colocalizados,

de manera que se medía una reflexión casi nula de compensación. A pesar

de estas suposiciones, el método permitió por primera vez probar el concepto de

sísmica de reflexión.


En la actualidad los estudios de sísmica de reflexión marina se realizan desde un buque

de remolque mediante una fuente impulsiva y un 'streamer' (cable con hidrófonos) que

registra la señal y ruido (Figura 1.1). La energía acústica viaja a través de la columna de

agua y de la corteza terrestre, al mismo tiempo que se debilita y pierde energía por

divergencia esférica. Los límites de la impedancia acústica definidos por las variaciones

en la densidad y la velocidad del sonido modifican la razón entre energía transmitida y

reflejada. La energía transmitida es absorbida por el mar y la tierra, y es atenuada y se

convierte en otras formas de energía (por ejemplo, energía cinética, o calor). La energía

reflejada también es algo atenuada, y se registra mediante el streamer, y este registro se

almacena para su posterior procesado.


En este punto es necesario señalar que los perfiles de sísmica de reflexión sobre el

océano no representan imagenes instantánea real es tal como sería en la Tierra sólida.

Esto se debe a la dinámica oceánica, con cambios significativos en la estructura

termohalina, por lo que los datos registrados en las parte frontal y final de la sección

sísmica están separados temporalmente por horas o días, dependiendo de la longitud de

la sección obtenida (Figura 5.2). Por lo tanto, hay que tener precaución al interpretar los

datos. Las secciones 2D de oceanografía sísmica (o 'instantáneas') se redefinen como

secciones 2D casi-instantáneas de un océano en cambio constante.


El método 'common midpoint' (CMP - punto medio común) (Figura 5.4) diseñado para

la adquisición sísmica aprovecha la redundancia de fuentes y receptores para producir

una imagen continua del subsuelo, así como para minimizar el ruido. En lugar de una

única fuente y un único receptor, hay un conjunto de fuentes y receptores a intervalos

regularmente espaciados que permiten obtener diferentes distancias (offsets) entre

fuentes y receptores. Se asume que las diferencias de tiempos entre las trazas

individuales de un dispositivo CMP no se ven afectadas por diferencias estructurales

[Cox, 1999]. Esta suposición no es totalmente válida en muchos casos, como en

prospecciones con interfícies accidentadas, o en estudios marinos donde el streamer

puede ser desplazado por corrientes superficiales. A pesar de todo, estos efectos se

tienen en cuenta mediante correcciones geométricas. En estos casos el 'binning' es

necesario para agrupar los puntos medios comunes en grupos (o, 'bins') definidos por el

usuario. El objetivo final del método CMP es aproximar una sección de cero-offset

(como si la fuente y el receptor fuesen co-localizados), lo cual no es posible en la

práctica.


Algunos de los retos a superar en la adquisición de datos de oceanografía sísmica son:


1) La dinámica de Mar - una sección sísmica en dos dimensiones de la Tierra sólida

muestra efectivamente una "instantánea" en el tiempo. Sin embargo, la dinámica de los

océanos es tal que el tiempo necesario para adquirir los datos (decenas de horas) es del

orden del movimiento de los reflectores (isopicnas) en tiempo real. Así, por ejemplo, los

datos sísmicos registrados al comienzo de una línea y los registrados en su extremo

pueden no tener una correlación causal en el tiempo. Esto plantea un reto para el

intérprete y limita la cantidad de información que contienen los datos. Teniendo en

cuenta la velocidad de las corrientes oceánicas (del orden de decenas a cientos de

centímetros por segundo) [Pedlosky, 1979], es un error esperar obtener una instantánea

real de una gran parte del océano en un tiempo determinado. La excepción a esto puede

ser abordada mediante la observación espacial y temporal de estructuras estables, como

las conocidas como escaleras termohalinas. Estas estructuras se observan en diferentes

regiones de los océanos y han sido caracterizadas sísmicamente (e.g., Fer et al. [2010];

Biescas et al. [2010]) y se han observado oceanográficamente como estructuras cuasipermanentes

en las partes más profundas del Mar Tirreno (ver Zodiatis y Gasparini

[1996] y Figura 6.3).


2) Ancho de banda de la fuente - Como se explica en la Sección 5.3.1, el control sobre

el ancho de banda de la fuente es un factor determinante para caracterizar la estructura

termohalina con una resolución horizontal y vertical adecuada. Las fuentes sísmicas

utilizadas en oceanografía deben ser modificadas para satisfacer los requisitos

particulares de la región y objetivo de interés. Por ejemplo, para los objetivos de poca

profundidad, es posible que una fuente de alta resolución sea suficiente, mientras que

para caracterizar estructuras más profundas, habría que utilizar una combinación de

diferentes frecuencias [Hobbs et al., 2009]. Por otro lado, el impulso de la fuente no

genera una burbuja simple que se expande y se contrae con claridad. La oscilación de la

burbuja siempre añade ruido en la fuente. Esto se compensa en cierta medida mediante

el uso de pistolas Generador-inyector (GI), que se componen de dos cámaras de aire

independientes. El generador produce en una cámara la burbuja de aire primario,

mientras que la cámara del inyector es más pequeña y se utiliza para atenuar las

oscilaciones de la burbuja tras el colapso inicial [Hobbs, 2007]. La correcta estimación

de la señal de la fuente es determinante en las técnicas de procesado y modelado

sísmicos más complejos [e.g. Papenberg et al., 2010].



Procesado


El objetivo del procesado o tratamiento de datos sísmicos es manipular los datos

sísmicos para obtener una sección en 2D interpretable del subsuelo. Un tratamiento

cuidadoso de los datos sísmicos requiere ciertas herramientas y operaciones. Algunas de

estas operaciones son necesarias para la reducción y análisis de los datos, otros son

opcionales o aplicables en ciertos tipos de datos. El procesado de datos sísmicos se

beneficia en gran medida del conocimiento que se tiene de cómo se han adquirido estos

datos para escoger las herramientas adecuadas a aplicar o los métodos a testear. A

continuación se describen algunas de las herramientas más importantes, con referencia

cuando sea necesario a su uso en oceanografía sísmica.


El procesado comienza con el muestreo de la señal sísmica analógica y contínua

registrada, convirtiéndolo en una señal digital (wavelet). Esta conversión permite

representar la señal como una serie temporal de forma que sus características

(frecuencia, amplitud y fase) pueden ser manipuladas de determinadas maneras. Los

datos se convierten al dominio frecuencial mediante la transformada de Fourier

(Sección 5.4.2), se aplican los filtros necesarios basados en la velocidad del sonido, y se

aplica la transformada inversa para convertir nuevamente la señal al dominio temporal y

poder representarlo en el dominio espacio-tiempo. En oceanografía sísmica, la onda

directa (la onda que viaja directamente desde la fuente hasta el receptor sin reflejarse)

domina las partes superiores de la imagen representada y debe ser adecuadamente

atenuada (Sección 5.4.4). Los datos también pueden ser filtrados en función de la

frecuencia, para evitar ruidos no deseados en determinadas bandas. Para el conjunto de

datos de un CMP determinado, para corregir el efecto de 'normal move-out' (es decir, el

efecto debido a que el tiempo de propagación en los receptores situados a mayores

distancias es mayor), hay que hacer un análisis de velocidades. Éste consiste en utilizar

valores concretos de la velocidad del sonido, que permita allanar los reflectores

hiperbólicos, como si todos los receptores estuvieran co-localizados. Para hacer este

análisis hay que conocer o asumir los valores de la velocidad de propagación del sonido

en el mar a diferentes profundidades. Por ello, a menudo se utiliza como punto de

partida los datos de sondas oceanográficas in situ. Tras estas correcciones, las trazas

obtenidas se apilan (o suman) para eliminar significativamente el ruido aleatorio y

aumentar la relación señal-ruido. Finalmente, se realiza una migración de los datos, para

desplazar los reflectores inclinados y colapsar las hipérbolas de difracción.



Algunas herramientas utilizadas en oceanografía física


El desarrollo de los dispositivos CTD (conductividad, temperatura y profundidad) desde

1955 permitió sondear de manera precisa y directa el océano y dichos dispositivos

siguen siendo ampliamente utilizados [Ingmanson y Wallace, 1995]. Los dispositivos

CTD permitieron las primeras medidas eulerianas directas de la variación de las

propiedades físicas con la profundidad en el océano, proporcionando una medida de la

salinidad (conductividad), temperatura y profundidad (presión). El uso de sondas 'in

situ' es también muy común ya que permiten una medida euleriana de las propiedades

físicas del océano en puntos fijos en el espacio en función de la profundidad y pueden

ser desplegadas a medida que el barco se mueve, lo que permite hacerlo

simultáneamente con la adquisición de datos sísmicos. Estas sondas descienden en caída

libre y son fáciles de desplegar y de alta fiabilidad. Una red horizontal de datos mucho

más densa se puede obtener mediante los dispositivos XBT, mientras que los

dispositivos CTD requieren que el barco se detenga para hacer las medidas. Los

dispositivos XBT (Batitermógrafo fungible, Figura 6.1) permite medir resoluciones

verticales tan pequeñas como 65 cm y variaciones de temperatura de +/- 0.1 º C [Boyd y

Linzell, 1993]. La resolución vertical de las sondas in situ es mucho mejor que la de los

datos sísmicos, mientras que uno de las principales ventajas de los datos sísmicos es su

resolución horizontal. Los dispositivos CTD fungibles o XCTDs también se pueden

desplegar junto con los XBTs, pero son más caros y menos fiables. No obstante, las

medidas de conductividad dan una estimación de la salinidad que puede ser utilizada

como un factor para determinar la velocidad del sonido.



Procesos y estructuras oceanográficos


Existe un gran número de estructuras y procesos en el océano que son de interés

académico. Esta tesis aborda algunos de ellos. Los que son susceptibles de detección

sísmica se pueden resumir en:


1) Escaleras termohalinas: son variaciones regulares, bien definidas y en forma de

escalera, de los gradientes verticales de temperatura y salinidad, que se forman cuando

la temperatura y salinidad aumentan en profundidad y se equilibran con la densidad

[Kelley, 1984].


2) Remolinos: son lentes de fluido cuasi-esféricas que se forman en presencia de la

mezcla diapicna (de densidades) y de turbulencias, donde las líneas diapicnas se ven

perturbadas. En el Mediterráneo, los 'Meddies' (o remolinos del agua Mediterránea) son

grandes (40 a 150 km de diámetro) remolinos anticiclónicos de aguas de la Subcorriente

Mediterránea (MU), con salinidades de aproximadamente 36,5 psu y temperaturas

máximas de alrededor de 13 ºC [Richardson et al., 2000].


3) Frentes, que, al igual que en la atmósfera, son debidos a los fuertes contrastes de las

propiedades a través de una región determinada. Pueden formarse debido a la

interacción de las ondas internas en la plataforma continental, donde las líneas isopicnas

son más abruptas [Thorpe, 2005].


4) Las corrientes oceánicas pueden ser objetivos muy interesantes para la oceanografía

sísmica, especialmente en sus límites, donde arrastran e interactúan con las aguas

circundantes por el proceso de ‘entrainment’, o el efecto de dos fluidos adyacentes. La

Subcorriente Mediterránea (MU) es un buen ejemplo de una corriente con fuertes

contrastes de temperaturas y salinidades (Buffett et al. [2009], Capítulo 3).


Algunos de los procesos oceanográficos que pueden ser estudiados mediante perfiles

MCS son los siguientes:


1) La mezcla es el proceso por el que se combinan diferentes masas de agua. Puede

ocurrir a gran escala (circulación global), impulsada principalmente por los vientos y las

mareas [Wunsch, 2002], o a escalas más pequeñas, a nivel molecular. El proceso de

mezcla suaviza las distribuciones de las propiedades del océano, como el calor, la sal y

otros productos químicos. Puede tener lugar a lo largo (mezcla lateral) o a través

(mezcla diapicna) de líneas isopicnas. Un aspecto curioso de las mezclas son los

conocidos como 'dedos de sal' (salt fingers) [Stern y Turner, 1969], que se producen

cuando una masa de agua salada caliente se sitúa por encima de una masa de agua dulce

y más fría. Si se considera una pequeña porción de agua salada cubriendo una zona de

agua dulce, el penacho de agua salada que se hunde va perdiendo calor, que es

absorbida por el agua dulce antes de perder su sal, siendo más densa que el agua que le

rodea, y por lo tanto, continuará hundiéndose. Del mismo modo, si una pequeña porción

de agua fría se desplaza hacia arriba, absorberá calor por difusión de las aguas

circundantes, las cuales la harán más ligera y harán que continúe ascendiendo. El hecho

de que la salinidad se difunda de manera mucho menos eficiente que la temperatura da

lugar, paradójicamente, a un proceso que mezcla la salinidad más eficientemente que la

temperatura. Estos dedos de sal contribuyen al proceso de mezcla diapicna de los

océanos, lo que ayuda a regular los cambios graduales en la circulación global, que en

gran medida a la vez afectan el clima. La mezcla también puede tener lugar como efecto

de la acción de las mareas y las olas internas [Thorpe, 2005].


2) La turbulencia es un estado de movimiento energético, de rotación y con remolinos

que genera gradientes relativamente grandes de velocidad a pequeña escala (de 1 mm a

1 cm), haciendo que se den las condiciones para que la disipación debida a la viscosidad

convierta la energía cinética en calor [Thorpe, 2005]. La turbulencia y la mezcla son

procesos estrechamente ligados de manera que zonas de elevada turbulencia son

propensas a la mezcla, al menos a pequeña escala. Sin embargo, la mezcla y la

intercalación de la estratificación a través de las superficies isopicnas no debe ser

necesariamente un proceso turbulento.


3) La dinámica de los océanos representa un difícil reto para la oceanografía sísmica, ya

que la sísmica multicanal (MCS) se desarrolló exclusivamente para la industria de los

hidrocarburos para caracterizar las estructuras sub-oceánicas. Éstas son un medio

estático en comparación con el océano, donde las velocidades de las corrientes son

típicamente del orden de 0.5 m·s-1 y donde las ondas internas se pueden propagar a

velocidades del orden de 1 m·s-1. Estas velocidades son suficientes para evitar la

generación de imágenes sísmicas instantáneas, que son características en el estudio de la

litosfera.


4) Las ondas internas son ondas de gravedad en el interior del océano que se generan

debido a cambios en equilibrio hidrostático, es decir, el equilibrio entre la gravedad y la

flotabilidad [Thorpe, 2005]. Las ondas internas pueden tener diferentes orígenes, como

las oscilaciones en la presión atmosférica, el viento, las fuerzas de marea o la

interacción con el fondo marino [Miropol'sky, 2001]. Holbrook y Fer [2005] utilizaron

por primera vez la oceanografía sísmica para estimar espectros de ondas internas en la

capa límite entre la corriente Noruega y las aguas profundas del Mar de Noruega. Los

autores observaron que el espectro de número de onda horizontal obtenido a partir de

los datos sísmicos se podía correlacionar con el espectro de Garrett-Munk (Garrett-

Munk tow spectra), que describe el campo de ondas internas.


5) La interacción con la topografía es otra contribución importante de la sísmica

multicanal (MCS) en la oceanografía. Las ondas internas se generan como ondas de

sotavento, donde el agua estratificada se mueve a lo largo de obstáculos como montañas

submarinas [Thorpe, 2005]. Biescas et al. [2010] analizaron sísmicamente escaleras

termohalinas en interacción con una montaña submarina (el Banco Gorringe en el Golfo

de Cádiz), observando cómo las escaleras termohalinas se veían distorsionadas por esta

interacción. Holbrook y Fer [2005] mostraron un efecto de distorsión similar en que las

isopicnas interactúan con el pendiente topográfico. Es decir, a cierta distancia de la

pendiente, los reflectores eran más continuos, mientras que cerca de la pendiente, los

reflectores se 'amontonan' creando un patrón ondulado.



Conclusiones


La oceanografía sísmica está emergiendo en los últimos años como una herramienta

interdisciplinaria para la oceanografía física. Esta emergencia se debe a dos razones

específicas: 1) la técnica ha sido ampliamente utilizada con éxito por la industria y a

nivel académico durante más de 30 años, por lo que se demuestra su solidez y hace, por

lo tanto, su desarrollo y adaptación a la oceanografía una tarea relativamente sencilla, y

2) el deseo de oceanógrafos físicos por visualizar a grandes escalas horizontales lo que

han sospechado durante años, pero no han sido capaces de reproducir, por falta de

suficientes muestras horizontales. Dicho esto, la oceanografía sísmica es mucho más

que la visualización de flujo horizontal y continuará avanzando, siempre y cuando se

disponga de financiación para la investigación. Varios autores han demostrado que se

pueden obtener los parámetros físicos reales a partir de los datos, incluyendo, pero no

limitado a, las estimaciones de la temperatura y la salinidad. Por otra parte, además de

entender el mar en un sentido estrictamente académico, es evidente que la comprensión

de la circulación oceánica es de suma importancia para la generación de modelos

precisos del clima.


A continuación se resumen las principales conclusiones de esta tesis, que se compone

de cuatro artículos publicados y un quinto enviado.


Capítulo 1 - Seismic Reflection Along the Path of the Mediterranean Undercurrent

(Reflexión sísmica a lo largo de la trayectoria de la Subcorriente Mediterránea)


Esta investigación fue concebida en el mes de abril de 2007 mientras se realizaba el

experimento GO en el Golfo de Cádiz. A partir de la comprensión de los mecanismos

de la Corriente de Salida del Mediterráneo y de la Subcorriente Mediterránea (por la

cual cruzan datos sísmicos adquiridos en el Margen Ibérico-Atlántico, en agosto y

septiembre de 1993), se hizo evidente que debe ser posible comprobar si los datos

sísmicos son sensibles a ciertas propiedades intrínsecas y a sus variaciones. Así, se

procesaron y analizaron cuatro líneas sísmicas, correspondientes a diferentes secciones

de la Subcorriente Mediterránea en diferentes puntos a lo largo de su trayectoria,

alejándose de su fuente en el Estrecho de Gibraltar. Las principales conclusiones de este

trabajo son:


• Las amplitudes de las trazas sísmicas se pueden utilizar para analizar la

evolución de los valores de las propiedades estructurales e intrínsecas de la

Subcorriente Mediterránea desde su origen en el Estrecho de Gibraltar. Estas

amplitudes disminuyen proporcionalmente a la disminución de los contrastes de

temperatura y salinidad (pero la dependencia es mayor con la temperatura, Figura

1.10), de manera concordante con otros estudios. De esta manera, las amplitudes

de las trazas representan un indicador de la temperatura.


• Se pudieron identificar tres masas diferentes de agua: el agua Norte-Central

Atlántica (approx. 0-500 m), el agua Mediterránea (approx. 500 m - 1500 m) y el agua

profunda Norte Atlántica (approx. 1500 m hasta el fondo marino). La profundidad del

agua Mediterránea en una localización dada viene determinada por un incremento

de un factor de 5 o más en la amplitud sísmica RMS en relación a la amplitud

correspondiente a las aguas circundantes.


• Se observaron varias características curiosas en los datos sísmicos, como la

evolución de los Meddies (remolinos de agua Mediterránea o grandes lentes de

sal) en función de la distancia recorrida. Es decir, parece ser que los Meddies

pierden su estructura interna a medida que se van mezclando a lo largo del tiempo

(se puede ver en el Apéndice III, secciones IAM-3 y IAM-11).


• Se observa una disminución general en la estratificación lateral consistente en

las áreas de los perfiles a lo largo de la corriente, dentro de los 80 kilómetros más

próximos a la costa de Portugal, una región en que estudios independientes

localizaban la Subcorriente Mediterránea. Esta observación indica que la

estratificación es lentamente distorsionada debido al flujo de la Subcorriente

Mediterránea (MU).



Capítulo 2 - Stochastic Heterogeneity Mapping Around a Mediterranean Salt Lens

(Caracterización Estocástica Heterogénea de una Lente de Sal de Agua Mediterránea)


En este trabajo se siguió un enfoque estadístico para el análisis de datos sísmicos. La

premisa detrás de este enfoque es que los diferentes tipos y grados de reflectividad son

susceptibles a los diferentes métodos de ensonificación sísmica. La caracterización

estocástica heterogénea se concibió para abordar la dificultad de identificar

determinadas litologías. Es decir, mientras que la sísmica de reflexión permite

caracterizar correctamente estratificaciones sedimentarias horizontales y subhorizontales,

este método puede fallar cuando el objetivo son rocas cristalinas. Esto es

debido a los diferentes tipos de reflectividad debidos a la estructura interna de las rocas.

Rocas altamente estratificadas muestran unos límites en la impedancia acústica muy

bien marcados que se reflejan especularmente. En cambio, en regímenes con una

geología compleja como zonas de rocas cratónicas, la reflectividad es difusa. La

caracterización estocástica heterogénea analiza estadísticamente el campo de

reflectividades de una imagen sísmica, e identifica la presencia de heterogeneidades o

anomalías, en una traza que de lo contrario sería homogénea.


El océano no es ubicuo ni está estratificado de manera uniforme. Se caracteriza por

tener muchas zonas de turbulencia y mezcla, donde los estratos son constantemente

creados y destruidos por las interacciones con las masas de agua de alrededor y el

intercambio de calor entre ellas. Este hecho hace que las estructuras físicas y procesos

oceanográficos sean ideales para testear los patrones de la reflectividad difusa. Desde el

campo de la reflectividad de un conjunto de imágenes sísmicas apiladas, se extrajeron

dos parámetros útiles: el número de Hurst y la longitud de correlación. Para determinar

qué procesos pueden diferir analizamos el perímetro de un meddy en tres zonas

diferentes: la parte superior, inferior y ambos lados.


• Los valores del número de Hurst obtenidos para la parte superior del meddy son

consistentes con trabajos teóricos recientes, que utilizan valores de entre 0,25 y

0,5 para modelar superficies de ondas internas basados en la simulación de un

número de onda Garrett-Munk (GM76) de espectro -2.


• Sin embargo, la longitud de correlación correspondiente (longitud de escala)

determinada sobre el mismo campo de reflectividades no se ajusta tan bien a la

reflectividad sísmica específica.


• Se propusieron dos posibles explicaciones: (1) debido a que los parámetros

estocásticos se derivan del campo de reflectividades en lugar del campo de la

impedancia, la escala de longitudes puede ser subestimada, y (2) debido a que la

imagen sísmica del meddy es una sección bidimensional de un objeto

tridimensional complejo y dinámico, es probable que las longitudes de escala

estimadas sean sesgadas por la dirección del flujo.


Sin embargo, esta publicación significó un primer paso en la aplicación de un enfoque

estadístico, no determinista, en los datos de oceanografía sísmica. Trabajos posteriores

siguiendo este enfoque mediante el uso de sondas oceánicas in situ (XBT) están en

preparación, para confirmar la correlación de los parámetros estocásticos en el campo

de la impedancia acústica, es decir, para limitar el grado de correlación con el campo de

reflectividades. Estas restricciones podrían ser aplicadas a los estudios en tierra sólida,

donde la función de la velocidad del sonido in situ (a través de un pozo) es

prácticamente indeterminable.



Capítulo 3 - Near Real-time visualization of thermohaline finestructure

(Visualización casi instantánea de la estructura termohalina)


El océano es dinámico a escalas de tiempo menores que los tiempos de adquisición. La

visualización de la estructura termohalina es una manera importante de poder

comprender la dinámica de los océanos ya que cuantifica su movimiento. En este

trabajo se presentó la primera animación (ver carpeta “Soporte_informático” en el

DVD) casi a tiempo real del movimiento del que se interpreta como ondas internas en

desarrollo. También se probó un esquema de procesado que aprovecha el paso de los

sensores sísmicos sobre un punto fijo del fondo del océano para crear una serie de

imágenes (o 'stacks') y poder construir una película (con 7 fotogramas) en que se ven las

fluctuaciones de la estructura termohalina en intervalos de tiempo de 3,5 minutos. De

esta manera cada imagen muestra una estructura termohalina ligeramente diferente y

nos permitió construir una imagen de la oscilación temporal de las ondas internas.



Capítulo 4.1 - Imaging meddy fine structure using multichannel seismic data

(Caracterización de la estructura fina de un 'meddy' utilizando datos de sísmica multicanal)


Este documento fue una carta breve de investigación de alto impacto. La contribución

del autor en este trabajo fue parte del procesado de datos sísmicos, interpretación y la

edición del texto. El trabajo fue el primero en caracterizar la estructura de un meddy

sísmicamente, tanto horizontal como vertical, y compararlo con los ángulos de Turner

(TU). Estos ángulos son indicadores prácticos que diferencian las regiones propensas a

la convección difusiva (90° <TU <45°) y a la inestabilidad de los dedos de sal (45° <TU

<90°) de las regiones estables (TU <45°). Las principales regiones dentro del meddy,

previamente detectadas por instrumentos oceanográficos convencionales, se observan

claramente en las imágenes sísmicas, tales como:


• La zona límite superior, que se caracteriza por la presencia de escasos pero

prominentes reflectores laterales continuos.


• La zona límite inferior, con más reflectores, más cortos y entre tres y cuatro

veces más débiles, distribuidos en una región más amplia.


• Una región central con reflectores muy débiles.


• En cuanto a los Meddies, el método MCS permite la detección de estas lentes de

alta salinidad en rotación de agua del Mediterráneo, al tiempo que da información

sobre sus dimensiones, así como la distribución vertical y lateral detallada y las

características de su estructura.


• Los resultados muestran que la utilización de fuentes potentes y grandes

longitudes de los streamers (en este caso las utilizadas originamente para

caracterizar estructuras corticales) son adecuados para la oceanografía sísmica.



Capítol 4.2 - Relative contribution of temperature and salinity to ocean acoustic

reflectivity (Contribución relativa de la temperatura y salinidad a la reflectividad acústica del océano)


El trabajo de Sallarès et al. [2009] permitió calcular el grado de reflectividad que se

puede atribuir a cualquiera de las variaciones de temperatura o salinidad (suponiendo un

aumento constante de la presión con la profundidad). La contribución del autor a este

trabajo fue en el procesado y análisis de datos sísmicos, la interpretación y las

correcciones de estilo.


Para una determinada profundidad (presión), la temperatura y la salinidad son los

factores que contribuyen a la densidad y la velocidad del sonido, y, por tanto, a la

impedancia acústica, y al mismo tiempo, al coeficiente de reflexión. Este trabajo fue una

contribución importante a la oceanografía sísmica porque permitió aislar las causas de la

reflectividad acústica del océano, un primer paso para determinar las propiedades físicas

de las masas de agua directamente a partir de datos sísmicos.


Las principales conclusiones de este trabajo fueron:


• La principal contribución al coeficiente de reflexión son las variaciones de la

velocidad del sonido, con un 90-95% de contribución, mientras que la densidad

sólo representa el 5 - 10%.


• De manera similar, la temperatura representa aproximadamente el 80% de la

contribución y la salinidad representa el 20% restante.


• Sin embargo, la proporción parcial de la temperatura y la salinidad depende de

cada región. Por ejemplo, cerca de la parte superior de la masa de agua del

Mediterráneo, la salinidad representa hasta un 40% de la contribución parcial,

mientras que en la base de las aguas del Mediterráneo, la salinidad sólo representa

aproximadamente el 15%.


• La alta variabilidad de las contribuciones parciales hace que sea prácticamente

imposible extraer valores precisos de la temperatura y la salinidad a partir

únicamente de datos sísmicos.


• En la región de estudio, las áreas dominadas por una contribución de alta

salinidad son más propensas a la convección difusiva, mientras que las zonas con

poca contribución de la salinidad son más propensas a procesos que involucran la

formación de 'dedos de sal '(salt fingers).


Estos cuatro estudios ilustran la diversidad de técnicas de oceanografía sísmica en

combinación con medidas oceanográficas históricas y coincidentes / simultáneas. Éstos,

junto con otros artículos, forman la base de una metodología totalmente y nueva cada

vez más común en la oceanografía física. A lo largo del período de investigación del

autor, se han realizado avances importantes en cuanto a la comprensión de la

turbulencia, la mezcla y la interacción con la topografía, la inversión de datos sísmicos

para obtener propiedades físicas, los Meddies y la dinámica de los océanos.


Fuera de los retos técnicos obvios a los que ha sido necesario (y habrá que) enfrentarse,

ha habido un esfuerzo creciente de colaboración entre las comunidades sísmicas y

oceanográficas. Esto se refleja también en la participación de sismólogos en

conferencias tradicionalmente oceanográficas y viceversa. Pero sin duda la colaboración

más importante hasta ahora ha sido en la celebración del Workshop de Oceanografía

Sísmica (SOW), patrocinada por la Fundación Europea de la Investigación, en Begur y

organizado por el autor y sus compañeros españoles. Este workshop reunió por primera

vez un grupo relativamente grande de especialistas internacionales en sismología y

oceanografía. Además de los avances hechos en las sesiones técnicas, se han establecido

redes científicas sólidas entre algunos de los mejores oceanógrafos físicos del mundo y

sismólogos que han consolidado la oceanografía sísmica como una comunidad

científica propia. Actualmente ya se está trabajando en la próxima edición del workshop

SOW que probablamente se celebrará en Woods Hole Oceanographic Institution en

EE.UU en 2013. Muchos de estos mismos grupos de científicos, así como otros grupos,

han mostrado interés en garantizar que la oceanografía sísmica continúe siendo un

método factible durante los próximos años. En la siguiente sección se abordan algunas

de las iniciativas de investigación internacionales y los desafíos a los que se enfrenta

actualmente la oceanografía sísmica.



Consideraciones futuras


Las perspectivas futuras de la oceanografía sísmica abarcan muchos aspectos. Los

avances metodológicos y técnicos permitirán hacer análisis de los datos y

interpretaciones más exhaustivos. Algunas de las mejoras y aplicaciones que se pueden

llevar a cabo en oceanografía sísmica son:


• Mejora de la adquisición de datos sísmicos en medios marinos así como la

aplicación en estudios limnológicos.


• Mejora de las técnicas de inversión para obtener mapas de las propiedades

físicas más rigurosos.


• Caracterización mediante fractales de las estructuras utilizando métodos

estocásticos, y descripción de los mecanismos a través de la criticalidad autoorganizada

(SOC).


• Adquisición de datos en 3D sobre estructuras oceanográficas importantes, como

los Meddies.


• Mejora de la caracterización de la dinámica de los océanos.


• Generación de mapas de propiedades 2D + tiempo de manera similar a los

generados por la temperatura en la superficie del mar a partir de datos de satélite.


• Experimentación de la oceanografía sísmica en el contexto de biología marina.


• Utilización de la oceanografía sísmica como una herramienta para localizar

fenómenos como los hidratos de gas o fumarolas hidrotermales.


Actualmente, la oceanografía sísmica, a pesar de mostrar un gran potencial, también se

ha encontrado con un escepticismo moderado. Algunos oceanógrafos, a pesar de parecer

impresionados por las imágenes de la estructura interna del océano, se muestran

estoicos en cuanto al papel de la oceanografía sísmica como una herramienta dentro la

oceanografía física. Esta actitud se puede comparar con la reacción de algunos

oceanógrafos cuando se les mostraron los primeros mapas de temperatura a partir de

datos de satélite, pero que al final acabaron aceptando. Una situación similar también se

inició (y ha persistido hasta cierto grado) entre algunas comunidades de geólogos y

geofísicos, con la introducción del método sísmico hace muchos años.


El escepticismo es muy saludable dentro de la ciencia ya que, a pesar de que el método

científico es una buena guía hacia el conocimiento, los científicos somos humanos,

sujetos a intereses personales y profesionales. Desgraciadamente, otros intereses como

los de los gobiernos o las multinacionales más influyentes juegan un papel importante

en determinar qué métodos son los más exitosos y cuáles no. La oceanografía sísmica

enriquecerá oceanografía física con nueva información y los oceanógrafos pueden

verificar si esta información confirma o refuta los modelos actuales de circulación a

gran escala y procesos oceánicos. Su mayor contribución hasta ahora es una resolución

horizontal sin precedentes, que es similar a la de desplegar sondas oceánicas cada cinco

o diez metros. Esto ha significado mejoras en la visualización de flujos, permitiendo a

los oceanógrafos ver por primera vez la continuidad horizontal de las isopicnas, y

obtener mapas de los procesos del océano a una mayor escala.


Finalmente, la oceanografía sísmica no ofrece únicamente una nueva perspectiva para

los oceanógrafos físicos con la adquisición de nuevos datos. La sísmica marina

multicanal ha sido utilizada, durante unas cuatro décadas, para caracterizar la Tierra

sólida, mientras que incidentalmente registraba las reflexiones dentro del océano (o

lagos). Muchos de estos datos han sido archivados en su forma original.

Consecuentemente, la oceanografía sísmica no sólo ofrece mapas de parámetros

espaciales (que se pueden comparar con los datos archivados), sino que también se

pueden crear mapas que comparen como determinados parámetros de circulación han

cambiado a lo largo del tiempo. Ante la importancia e inminencia del cambio climático

global, y el rol que juega el océano, se espera poder hacer un seguimiento a una escala

de décadas. Con esta información al alcance, podremos empezar a analizar nuestras

acciones y quizás modificarlas para poder ser medioambientalmente sostenibles.

 


 
Abstract

Oceanografía Sísmica: Una Nueva Herramienta para Caracterizar Estructuras y Procesos Físicos en Oceanográficos

Presentada en la Universidad de Barcelona, 28 Enero, 2011

La oceanografía sísmica permite caracterizar estructuras y procesos dentro de la columna de agua en el océano. La investigación realizada dentro de la tesis doctoral se recoge en los artículos que se describen a continuación:

En "Seismic Reflection Along the Path of the Mediterranean Undercurrent" los autores detallan el cambio de amplitud sísmica a lo largo de la subcorriente mediterránea. Relacionan la disminución en la amplitud media de la señal sísmica con un aumento de la mezcla de masas de agua, y, por lo tanto, con una disminución en la impedancia acústica contrastada entre ellas. Los hallazgos más importantes de esta investigación fueron que la temperatura juega un papel dominante (en comparación con la salinidad) en la determinación del coeficiente de reflexión, pero que la salinidad juega un papel creciente (aunque todavía menor que el de la temperatura), a medida que la corriente se aleja de la fuente de agua del Mediterráneo. Esto se concluyó a partir de la observación de que la velocidad de disipación de temperatura es dos órdenes de magnitud mayor que la disipación molecular de la sal.

En "Stochastic Heterogeneity Mapping Around a Mediterranean Salt Lens" los autores presentan una técnica novedosa en oceanografía sísmica, mediante la adaptación de una técnica que se ha aplicado con éxito en tierra. Ésta se basa en el análisis estadístico de, no sólo reflexiones especulares, sino del campo de reflectividad entero, incluyendo la reflectividad difusa. Se encontró que en las zonas de mayor mezcla valores bajos del número de "Hurst" (una medida de las irregularidades superficiales) corresponden a una gama más rica de escalas de longitud de la heterogeneidad termohalina. Se deduce que la mezcla es debida a un incremento de la turbulencia.

En el trabajo "Near Real-Time Visualization of Oceanic Internal Waves Using Multi-Channel Seismic Reflection Profiling" se introduce una nueva técnica que permite la creación de una animación en tiempo real de la estructura fina termohalina. Los datos se procesan por grupos con diferentes rangos de “offset”. Cada imagen representa un fotograma de la animación; así, se pueden observar variaciones temporales y espaciales en la columna de agua.

En "Imaging meddy finestructure using multichannel seismic reflection data" los autores presentan las primeras imágenes sísmicas de Meddies (lentes salinas de meso-escala  mediterráneos) utilizando el método de sísmica de reflexión. Las principales conclusiones de este trabajo son que los resultados permiten caracterizar sísmicamente zonas con diferentes valores de los ángulos de Turner (que son indicadores de regiones propensas a la convección difusa). Los resultados también mostraron que fuentes de alta energía y largos “streamers” (usados en sísmica convencional) son adecuados para la oceanografía sísmica.

En el artículo "Relative contribution of temperature and salinity to ocean acoustic reflectivity" se encontró una manera de calcular el grado de reflectividad que se puede atribuir a la temperatura o variaciones de salinidad. Las principales conclusiones de este trabajo fueron que la principal contribución al coeficiente de reflexión son las variaciones de la velocidad del sonido. En términos de cantidades física, la temperatura representa aproximadamente el 80% de la contribución y la salinidad el 20% restante. En la región de estudio, se encontró que las áreas dominadas por una contribución de alta salinidad son propensas a la convección difusa, mientras que las zonas con una contribución pequeña a la salinidad son probablemente más propensas a los procesos de “salt fingers”.

En general, esta tesis, la primera en España en esta temática, presenta nuevas técnicas de oceanografía sísmica, con altas perspectivas interpretativas sobre la naturaleza de la corriente de salida del Mediterráneo (MOW  ? Mediterranean Outflow Water) con una aplicación amplia de la oceanografía física. Los cinco estudios incluidos en la tesis representan avances significativos en la comprensión de la turbulencia del océano, la interacción de mezcla, topografía, los rangos de escala espacial, Meddies y la dinámica temporal de los océanos.

 

 
Índice

List of tables .........................................................................i

 

List of figures ...................................................................... ii

 

List of abbreviations ................................................................. v

 

Introduction ...........................................................................1

 

 

Part I. Research Contributions to Seismic Oceanography

 

Chapter 1: Seismic Reflection Along the Path of the Mediterranean

Undercurrent ..........................................................................17

1.1 Introduction ......................................................................19

1.2 Methodology .......................................................................20

1.2.1 Seismic acquisition .............................................................20

1.2.2 Seismic data processing .........................................................20

1.2.3 Oceanographic data ..............................................................23

1.3 Results ...........................................................................23

1.3.1 Partition of seismic lines ......................................................23

1.3.2 Seismic amplitude analysis ......................................................26

1.4 Discussion ........................................................................26

1.4.1 Temperature and salinity fine structure .........................................26

1.4.2 Seismic profiles ................................................................27

1.4.3 Along-stream changes in seismic reflectors and hydrographic properties ......... 27

1.5 Conclusions .......................................................................29

 

Chapter 2: Stochastic Heterogeneity Mapping Around a Mediterranean Salt

Lens ..................................................................................33

2.1 Introduction ......................................................................35

2.2 The stochastic model ..............................................................36

2.3 Results ...........................................................................37

2.4 Discussion ........................................................................37

2.5 Conclusions .......................................................................40

 

Chapter 3: Near Real-Time Visualization of Oceanic Internal Waves Using

Multi-Channel Seismic Reflection Profiling ............................................43

3.1 Introduction ......................................................................45

3.2 Data acquisition ..................................................................47

3.3 Processing scheme .................................................................47

3.4 Results ...........................................................................49

3.5 Verification against synthetic seismic data .......................................50

3.6 Discussion - proof of concept......................................................53

3.7 Conclusions .......................................................................55

 

Chapter 4: Research Letters ...........................................................57

4.1 Imaging Meddy Finestructure Using Multichannel Seismic Reflection Data ............59

4.1.1 Introduction ....................................................................61

4.1.2 Data acquisition and processing..................................................61

4.1.3 Results: Imaging Meddy finestructure ............................................62

4.1.4 Discussion ......................................................................63

4.1.5 Conclusions .....................................................................65

4.2 Relative Contribution of Temperature and Salinity to Ocean Acoustic Reflectivity . 67

4.2.1 Introduction ....................................................................69

4.2.2 Data ............................................................................70

4.2.3 Method ..........................................................................71

4.2.4 Discussion of results ...........................................................72

4.2.5 Conclusions .....................................................................73

 

 

Part II. Seismic Oceanography Background

 

Chapter 5: Multi-channel seismic reflection profiling .................................77

5.1 Introduction ......................................................................79

5.2 Governing equations of seismic wave propagation ...................................81

5.3 Acquisition .......................................................................82

5.3.1 Marine seismic sources and receivers ............................................83

5.3.2 The Common midpoint method ......................................................87

5.3.3 Specific challenges for seismic oceanography ....................................88

5.4 The seismic processor's toolbox ...................................................89

5.4.1 Digitization ....................................................................89

5.4.2 The Fourier transform ...........................................................90

5.4.3 Data sorting ....................................................................90

5.4.4 Direct wave attenuation .........................................................92

5.4.5 Frequency filtering .............................................................93

5.4.6 Spherical divergence corrections ................................................94

5.4.7 Deconvolution ...................................................................95

5.4.8 'Velocity analysis' and normal moveout correction ...............................96

5.4.9 CMP stacking ....................................................................98

5.4.10 Migration.......................................................................99

5.4.11 General considerations .........................................................99

5.5 Interpretation ....................................................................100

 

Chapter 6: Physical Oceanography ......................................................101

6.1 Introduction ......................................................................103

6.2 Tools of physical oceanography ....................................................104

6.2.1 In situ probes ..................................................................104

6.2.2 Float measurements ..............................................................104

6.3 Structures ........................................................................106

6.3.1 Thermohaline staircases .........................................................106

6.3.2 Eddies/Meddies ..................................................................106

6.3.3 Fronts ..........................................................................108

6.3.4 Currents ........................................................................109

6.4 Processes .........................................................................110

6.4.1 Mixing ..........................................................................110

6.4.2 Turbulence ......................................................................111

6.4.3 Dynamics ........................................................................112

6.4.4 Internal waves ..................................................................113

6.4.5 Topographic interaction .........................................................114

 

 

Part III. Conclusions and Future Considerations

 

Chapter 7: Conclusions ................................................................119

 

Chapter 8: Future considerations ......................................................127

 

 

Acknowledgements ......................................................................135

 

Bibliography ..........................................................................139

 

Appendix I: Resum en Català (Summary in Catalan) ..................................... 151

 

Appendix II: Processing flows for IAM sections ....................................... 175

 

Appendix III: High-resolution seismic sections ....................................... 185

 

Appendix IV: Seismic oceanography glossary ........................................... 201

 


 
Conclusiones

Seismic oceanography is quickly emerging as a viable tool of physical oceanography. Its emergence is for two particular reasons: 1) the tool has been widely used successfully by industry and academia for over 40 years, thus making it robust and therefore its development and adaption to oceanography a relatively straight-forward endeavor; and 2) the need of physical oceanographers to visualize in thermohaline finestructure on large horizontal scales what they have suspected for years but have not been able to produce, simply for lack of sufficient horizontal sampling. This being said, seismic oceanography is much more than just horizontal flow visualization. It has been demonstrated by various authors that real physical parameters can be acquired from the data, including but not limited to, estimates of temperature and salinity, scale lengths, turbulent dissipation parameters and dynamics. Obtaining these parameters and others will help in the understanding of the ocean circulation that is paramount to generating accurate models of climate.

 

The following is a summary of the main conclusions of the author's work during the completion of this thesis, contained in four published papers and the one that has been submitted to a peer-reviewed journal.

 

 

 

Chapter 1 - Seismic reflection along the path of the Mediterranean Undercurrent

This research was conceived in the month of April, 2007 while conducting the GO experiment in the Gulf of Cadiz. It became clear from an understanding of the Mediterranean Outflow Water and the Mediterranean Undercurrent (which is crossed at several points along its flow path by some archived seismic data from the Iberian-Atlantic Margin survey, conducted in August and September, 1993), that it should be possible to test whether the seismic data were sensitive to observing certain intrinsic properties and structural trends downstream. Four seismic lines were processed and analyzed which corresponded to different two-dimensional vertical slices of the Mediterranean Undercurrent along its flow path, moving away from its source at the Strait of Gibraltar. The main conclusions are:

 

-Seismic trace amplitudes can be used to analyze the structural and intrinsic property values resulting from the evolution of the Mediterranean Undercurrent from its source at the Strait of Gibraltar.Trace amplitudes dropped in proportion to temperature and salinity decreases (but, mainly in correspondence with temperature, see Figure 3.10), in agreement with other studies. In this way, trace amplitudes represent a proxy for temperature. 

 

-Three distinct water masses were mapped: the North Atlantic Central Water (˜0-500 m), Mediterranean Water (˜ 500 m  ? 1500 m) and North Atlantic Deep Water (˜1500-sea floor). The MW depth for anygiven location is given by an increase of a factor of 5 or more of the RMS seismic amplitude relative to the surrounding water amplitudes. 

 

-Many curious features were noted in the seismic data such as the evolution of meddies (Mediterranean water eddies - or large salt lenses) as a function of distance traveled. That is, it appears thatmeddies lose their internal structure as they become more well-mixed over time (Compare meddies of Appendix III, sections IAM-3 and IAM-11).

 

-A general decrease in consistent lateral stratification in areas of the profiles proceeding downstream is observed, within the nearest 80 km from the coast of Portugal, the region in whichindependent studies place the Mediterranean Undercurrent. This observation seems to indicate that stratification is slowly disturbed due to the flow of the undercurrent.

 

 

 

Chapter 2 - Stochastic Heterogeneity Mapping around a Mediterranean salt lens

This paper followed a statistical approach to seismic analysis. The premise behind the approach is that different types and degrees of reflectivity are amenable to different methods of seismic ensonification. Stochastic heterogeneity mapping was conceived to address the difficulty of imaging certain lithologies in the solid Earth. That is, while seismic reflection profiling works well to image horizontal or sub-horizontal sedimentary stratification, the method breaks down somewhat when crystalline rocks are the target of investigation. This is because of the different types of reflectivity due to the rocks' internal structure. Highly stratified rock layering show marked acoustic impedance boundaries that reflect specularly. However, in regimes of complex geology such as mountain thrust belts and cratonic rocks, reflectivity is diffuse. Stochastic heterogeneity mapping statistically analyzes the reflectivity field of a seismic image for the presence of heterogeneities, or anomalies in an otherwise homogeneous fabric. 

The ocean is not ubiquitously and uniformly stratified. It is characterized by many zones of turbulence and mixing where strata are constantly being created and destroyed by interactions with surrounding water masses and the heat exchange between them. This fact makes physical oceanographic structures and processes ideal for testing of diffuse reflectivity patterns. From the reflectivity field of a processed seismic stacked image, two useful parameters were extracted, the Hurst number and the correlation length. To determine what processes might differ we analyzed the perimeter of a meddy into three distinct zones: its top, bottom and sides. 

 

-Our calculations of Hurst number for the top of the meddy agreed with recent theoretical work, which used values between 0.25 and 0.5 to model internal wave surfaces based on simulating a Garrett-Munk (GM76) wavenumber spectrum of -2. 

 

-The corresponding correlation lengths (scale lengths) mapped over the same reflectivity field however, did not fit as well to specific seismic reflectivity. 

 

-Two possible explanations were put forward: (1) due to the fact that the stochastic parameters were derived from the reflectivity field rather than the impedance field the estimated scale lengths maybe underestimated; and (2) because the meddy seismic image is a two-dimensional slice of a complex and dynamic three-dimensional object, the estimated scale lengths are likely biased toward thedirection of flow.

 

This publication was a first step in applying a statistical, non-deterministic approach to seismic oceanography data. Follow up work using this approach is being prepared by using oceanic in situ probes (XBTs) to confirm the correlation of the stochastic parameters to the acoustic impedance field, that is to constrain the degree of correlation to the reflectivity field. These constraints could then be applied to solid earth studies, where such a sound speed function (via a well-log) is practically unattainable.

 

 

 

Chapter 3 - Near Real-time visualization of thermohaline finestructure

The Ocean is dynamic on times scales shorter than acquisition times. Visualization of thermohaline finestructure is an important way of understanding ocean fluid dynamics because it quantifies the movement. We present the first near real-time animation of the motion of what appear to be internal waves. Developing and testing a processing scheme to take advantage of the passage of a seismic acquisition streamer over a fixed point on the seafloor to create not just one, but a series of images, or "stacks", in order to build up a 7-frame "movie" of fluctuating thermohaline finestructure in time steps of 3.5 minutes. In this way each image shows a slightly different thermohaline finestructure allowing us to create a striking visualization of what are likely temporally oscillating internal waves.

 

 

 

Chapter 4.1 - Imaging meddy fine structure using multichannel seismic data

This paper was a short, high-impact research letter. The author's role in this paper was part of the seismic data processing, interpretation and copy editing. The work was the first to seismically image meddy finestructure both horizontally and vertically and to compare it to Turner angles, which are practical indicators that differentiate regions prone to diffusive convection (-90°< Tu <-45°) and salt finger instability (45°< Tu < 90°) from stable regions (|Tu| < 45°). The main regions within the meddy, previously detected by conventional oceanographic instruments, are clearly observed in the seismic snapshots, such as: 

 

- The upper boundary zone, characterized by the presence of a few, strong, laterally continuous reflectors.

 

- The lower boundary zone, with more numerous, shorter and 3–4 times weaker reflectors distributed into a broader region.

 

- A very weakly reflective central core region.

 

- With respect to meddies, the MCS method allows the detection of these rotating highly saline lenses of Mediterranean water, while giving information about their dimensions, as well as the detailedvertical and lateral distribution and the characteristics of their finestructure.

 

- Results show that high-energy sources and long streamer lengths (in this case chosen to image deep crustal structures) are suitable for seismic oceanography.

 

 

 

 

Chapter 4.2 - Relative contribution of temperature and salinity to ocean acoustic reflectivity 

The paper by Sallarès et al. [2009] calculated the degree of reflectivity that can be attributed to either temperature or salinity variations (assuming a constant increase in pressure with depth). The contribution of the author to this work was in seismic data analysis, interpretation and copy editing. 

 

For a given depth (pressure), temperature and salinity are the contributing factors to density and sound speed, thus to acoustic impedance, and therefore, to reflection coefficient. This paper was an important contribution to seismic oceanography because it isolated the causes of ocean acoustic reflectivity, a first step in determining the physical properties of water masses directly from seismic data. 

 

The main conclusions of this paper were:

 

- The principal contribution to reflection coefficient are sound speed variations, or, 90-95% contribution, whereas density only accounted for 5-10% of the reflection coefficient.

 

- In a similar manner, temperature accounted for approximately 80% of the contribution and salinity accounted for the remaining 20%.

 

- However, the partial proportion of each of temperature and salinity is spatially dependent. For example, near the top of the Mediterranean water mass, salinity accounted for up to 40% of the partialcontribution, whereas at the base of the Mediterranean water, salinity only accounted for approximately 15%.

 

- The high variability of the partial contributions makes it virtually impossible to extract precise values of temperature and salinity from unconstrained seismic data.

 

- In the study region, areas dominated by a high salinity contribution were found to be prone to diffusive convection, whereas areas with a small salinity contribution are more likely prone to saltfingering processes.

 

 

These five studies illustrate the diversity of the techniques of seismic oceanography combined with historical and coincident/simultaneous oceanographic measurements. These papers, among those by other authors, form the base of an increasingly common methodology in physical oceanography. Through the author's research, significant advances have already been made in the understanding of ocean turbulence, mixing, topographic interaction, spatial scale ranges, meddies and ocean dynamics. 

 

Outside of the obvious technical challenges that have been (and will be) faced, there has been a growing collaborative effort between the seismic and oceanographic scientific communities. This is illustrated well by the participation of seismologists in traditionally oceanographic conferences and vice-versa. However, the finest collaboration to date was seen in the 2008 European Science Foundation sponsored Seismic Oceanography Workshop (SOW) that was held in Begur, Spain and organized in part by the author among his Spanish colleagues. This workshop brought together for the first time a relatively small group of individuals from the international seismology and oceanography disciplines. In addition to the advances made at the technical sessions, strong scientific networks have been established among some of the world's best physical oceanographers and seismologists that have solidified seismic oceanography as a scientific community unto itself. Already preliminary preparations are being made for a follow-up SOW to be held in England in the summer of 2012. Many of the same groups of scientists as well as newer international groups have shown interest ensuring that seismic oceanography will remain a feasible methodology for years to come.