Seismic Oceanography. A New Tool to Characterize Physical Oceanographic Structures and Processes
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Grant George Buffett
2012-A
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.
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.
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
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.