La geología marina u oceanografía geológica es el estudio de la historia y la estructura del fondo oceánico. Implica investigaciones geofísicas , geoquímicas , sedimentológicas y paleontológicas del fondo oceánico y la zona costera . La geología marina tiene fuertes vínculos con la geofísica y la oceanografía física .
Los estudios geológicos marinos fueron de suma importancia para proporcionar evidencia crítica sobre la expansión del fondo marino y la tectónica de placas en los años posteriores a la Segunda Guerra Mundial. El fondo oceánico profundo es la última frontera esencialmente inexplorada y su mapeo detallado respalda objetivos económicos ( petróleo y minería de metales ), mitigación de desastres naturales y académicos.
El estudio de la geología marina se remonta a finales del siglo XIX, durante la expedición de cuatro años del HMS Challenger . [1] [2] El HMS Challenger albergó a casi 250 personas, entre ellas marineros, ingenieros, carpinteros, infantes de marina, oficiales y un equipo de científicos de seis personas, dirigido por Charles Wyville Thomson . [1] [3] El objetivo de los científicos era demostrar que había vida en las partes más profundas del océano. [3] Utilizando una cuerda de sondeo, lanzada por el borde del barco, el equipo pudo capturar una gran cantidad de datos. Parte de su descubrimiento fue que la parte más profunda del océano no estaba en el medio. [2] Estos fueron algunos de los primeros registros del sistema de dorsales oceánicas. [ cita requerida ]
Antes de la Segunda Guerra Mundial, la geología marina se convirtió en una disciplina científica. A principios del siglo XX, se crearon organizaciones como la Institución Scripps de Oceanografía y la Institución Oceanográfica Woods Hole (WHOI) para apoyar los esfuerzos en este campo. [4] [5] Como la Institución Scripps está ubicada en la costa oeste de América del Norte y la WHOI en la costa este, el estudio de la geología marina se volvió mucho más accesible. [4] [5]
En la década de 1950, la geología marina tuvo uno de los descubrimientos más importantes, el sistema de dorsales oceánicas . Después de que los barcos estuvieran equipados con sensores de sonar, viajaron de ida y vuelta a través del océano Atlántico recopilando observaciones del fondo marino. [6] En 1953, la cartógrafa Marie Tharp generó el primer mapa en relieve tridimensional del fondo oceánico que demostró que había una cordillera submarina en medio del Atlántico, junto con la dorsal mesoatlántica . [7] Los datos del estudio fueron un gran paso hacia muchos más descubrimientos sobre la geología del mar. [6]
En 1960, el geofísico estadounidense Harry H. Hess planteó la hipótesis de que el fondo marino se estaba extendiendo desde el sistema de dorsales oceánicas. [6] Con el apoyo de los mapas del fondo marino y la teoría recientemente desarrollada de la tectónica de placas y la deriva continental , Hess pudo demostrar que el manto de la Tierra liberaba continuamente roca fundida de la dorsal oceánica y que la roca fundida luego se solidificaba, lo que provocaba que el límite entre las dos placas tectónicas divergiera . [8] Se realizó un estudio geomagnético que respaldó esta teoría. El estudio estuvo compuesto por científicos que utilizaron magnetómetros para medir el magnetismo de la roca basáltica que sobresale de la dorsal oceánica. [6] [9] Descubrieron que a ambos lados de la dorsal se encontraban "franjas" simétricas a medida que la polaridad del planeta cambiaba con el tiempo. [6] [9] Esto demostró que existía la expansión del fondo marino . En años posteriores, tecnología más nueva permitió datar las rocas e identificar que las rocas más cercanas a la dorsal eran más jóvenes que las rocas cercanas a las costas de los hemisferios occidental y oriental .
En la actualidad, la geología marina se centra en los riesgos geológicos, las condiciones ambientales, los hábitats, los recursos naturales y los proyectos energéticos y mineros. [10]
Existen múltiples métodos para recopilar datos del fondo marino sin necesidad de enviar físicamente humanos o máquinas al fondo del océano.
Un método común para recopilar imágenes del fondo marino es el sonar de barrido lateral . [11] [12] Desarrollado a fines de la década de 1960, el propósito de este método de estudio es utilizar sistemas de sonar activos en el fondo marino para detectar y desarrollar imágenes de objetos. [11] Los sensores físicos del dispositivo de sonar se conocen como matriz de transductores y están montados en el casco de un barco que envía pulsos acústicos que se reflejan en el fondo marino y son recibidos por los sensores. Las imágenes pueden ayudar a determinar la composición del fondo marino, ya que los objetos más duros generan una reflectancia más fuerte y aparecen oscuros en la imagen devuelta. Los materiales más blandos, como la arena y el barro, no pueden reflejar tan bien los pulsos de la matriz, por lo que aparecen más claros en la imagen. Esta información puede ser analizada por especialistas para determinar afloramientos de roca debajo de la superficie del agua. [12]
Este método es menos costoso que liberar un vehículo para tomar fotografías del fondo marino y requiere menos tiempo. [12] El sonar de barrido lateral es útil para los científicos ya que es una forma rápida y eficiente de recolectar imágenes del fondo marino, pero no puede medir otros factores, como la profundidad. [11] [12] Por lo tanto, otros dispositivos de sonar de medición de profundidad generalmente se acompañan con el sonar de barrido lateral para generar un estudio más detallado. [11]
De manera similar al sonar de barrido lateral, la batimetría multihaz utiliza un conjunto de transductores para enviar y recibir ondas sonoras con el fin de detectar objetos ubicados en el fondo marino. [13] A diferencia del sonar de barrido lateral, los científicos pueden determinar múltiples tipos de mediciones a partir de las grabaciones y formular hipótesis sobre los datos recopilados. Al comprender la velocidad a la que el sonido viajará en el agua, los científicos pueden calcular el tiempo de viaje de ida y vuelta desde el sensor del barco hasta el fondo marino y de regreso al barco. Estos cálculos determinarán la profundidad del fondo marino en esa área. [13]
La retrodispersión es otra medida utilizada para determinar la intensidad del sonido que se devuelve al sensor. [13] Esta información puede proporcionar información sobre la composición geológica y los objetos del fondo marino, así como sobre los objetos ubicados dentro de la columna de agua . Los objetos en la columna de agua pueden incluir estructuras de naufragios, biología densa y columnas de burbujas. La importancia de los objetos en la columna de agua para la geología marina es la identificación de características específicas, ya que las columnas de burbujas pueden indicar la presencia de respiraderos hidrotermales y filtraciones frías . [13]
Esta técnica tiene limitaciones. La distancia entre el fondo marino y el sensor está relacionada con la resolución del mapa que se crea. [13] Cuanto más cerca esté el sensor del fondo marino, mayor será la resolución y cuanto más lejos esté el sensor del fondo marino, menor será la resolución. Por lo tanto, es común que los vehículos operados a distancia (ROV) y los vehículos submarinos autónomos (AUV) estén equipados con el sensor multihaz o que el sensor sea remolcado por el propio barco. Esto garantiza que la resolución de los datos recopilados sea lo suficientemente alta para un análisis adecuado. [13]
Un perfilador de subsuelo es otro sistema de sonar utilizado en estudios geofísicos del fondo marino no solo para mapear la profundidad, sino también para mapear debajo del fondo marino. [14] Montado en el casco de un barco, el sistema libera pulsos de baja frecuencia que penetran la superficie del fondo marino y se reflejan en los sedimentos del subsuelo. Algunos sensores pueden alcanzar más de 1000 metros por debajo de la superficie del fondo marino, lo que brinda a los hidrógrafos una vista detallada del entorno geológico marino. [2]
Muchos perfiladores de subsuelo pueden emitir múltiples frecuencias de sonido para registrar datos sobre una multitud de sedimentos y objetos sobre y debajo del fondo marino. Los datos devueltos son recopilados por computadoras y, con la ayuda de hidrógrafos, pueden crear secciones transversales del terreno debajo del fondo marino. [14] La resolución de los datos también permite a los científicos identificar características geológicas como crestas volcánicas , deslizamientos submarinos , lechos de ríos antiguos y otras características. [14]
La ventaja del perfilador del subsuelo es su capacidad para registrar información sobre la superficie y debajo del fondo marino. Cuando se acompañan con datos geofísicos del sonar multihaz y datos físicos de muestras de rocas y núcleos , los perfiles del subsuelo brindan información sobre la ubicación y la morfología de los deslizamientos submarinos, identifican cómo viajan los gases oceánicos a través del subsuelo, descubren artefactos de herencias culturales, comprenden la deposición de sedimentos y más. [14]
La magnetometría es el proceso de medir los cambios en el campo magnético de la Tierra . [15] La capa exterior del núcleo de la Tierra es líquida y está compuesta principalmente de hierro y níquel magnéticos . [16] Cuando la Tierra gira sobre su eje, los metales liberan corrientes eléctricas que generan campos magnéticos. [17] Estos campos pueden medirse para revelar estructuras geológicas del subsuelo marino. [18] Este método es especialmente útil en la exploración marina y la geología , ya que no solo puede caracterizar las características geológicas del fondo marino, sino que también puede inspeccionar los restos de aviones y barcos en las profundidades del mar. [19]
Un magnetómetro es la pieza principal del equipo desplegado, que normalmente se remolca detrás de un buque o se monta en un AUV . Es capaz de medir los cambios en los campos de magnetismo y la geolocalización correspondiente para crear mapas. [20] El magnetómetro evalúa la presencia magnética generalmente cada segundo, o un hercio , pero se puede calibrar para medir a diferentes velocidades según el estudio. Las lecturas serán consistentes hasta que el dispositivo detecte material ferroso . [21] Esto podría variar desde el casco de un barco hasta basalto ferroso en el fondo del mar. El cambio repentino en el magnetismo se puede analizar en la pantalla del magnetómetro. [22]
La ventaja de un magnetómetro en comparación con los dispositivos de sonar es su capacidad para detectar artefactos y características geológicas en la superficie y debajo del fondo marino. [23] [24] Debido a que el magnetómetro es un sensor pasivo y no emite ondas, su profundidad de exploración es ilimitada. [25] Aunque, en la mayoría de los estudios, la resolución y la certeza de los datos recopilados dependen de la distancia desde el dispositivo. Cuanto más cerca esté el dispositivo de un objeto ferroso, mejores serán los datos recopilados.
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La tectónica de placas es una teoría científica desarrollada en la década de 1960 que explica los principales eventos de formación terrestre, como la formación de montañas , volcanes , terremotos y sistemas de dorsales oceánicas. [26] La idea es que la capa más externa de la Tierra, conocida como litosfera , que está formada por la corteza y el manto , está dividida en extensas placas de roca. [8] [26] Estas placas se asientan sobre una capa de roca parcialmente fundida conocida como astenosfera y se mueven entre sí debido a la convección entre la astenosfera y la litosfera. [26] La velocidad a la que se mueven las placas varía entre 2 y 15 centímetros por año. La razón por la que esta teoría es tan importante es que la interacción entre las placas tectónicas explica muchas formaciones geológicas. [8] En lo que respecta a la geología marina, el movimiento de las placas explica la expansión del fondo marino y los sistemas de dorsales oceánicas, las zonas y fosas de subducción , el vulcanismo y los respiraderos hidrotermales, y más.
Existen tres tipos principales de límites de placas tectónicas: los límites divergentes , convergentes y transformantes . [27] Los límites divergentes de placas se dan cuando dos placas tectónicas se alejan una de la otra, los límites convergentes de placas se dan cuando dos placas se acercan una a la otra y los límites transformantes de placas se dan cuando dos placas se deslizan lateralmente una sobre la otra. Cada tipo de límite está asociado con diferentes características geológicas marinas. Las placas divergentes son la causa de los sistemas de dorsales oceánicas, mientras que las placas convergentes son responsables de las zonas de subducción y la creación de fosas oceánicas profundas. Los límites transformantes causan terremotos, desplazamiento de rocas y deformación de la corteza. [8] [27] [26] [28]
Las placas divergentes son directamente responsables de la cadena montañosa más grande de la Tierra, conocida como el sistema de dorsales oceánicas. [29] Con casi 60.000 km de longitud, la dorsal oceánica es una extensa cadena de montañas volcánicas submarinas que se extiende por todo el planeta. [30] Centralizada en los océanos, esta formación geológica única alberga una colección de dorsales , grietas, zonas de fallas y otras características geológicas. [29] [30]
La dorsal mesoatlántica es una consecuencia de la divergencia de las placas norteamericana y euroasiática , y africana y sudamericana . [31] Comenzó a formarse hace más de 200 millones de años cuando los continentes americano, africano y europeo todavía estaban conectados, formando la Pangea . [32] Después de la deriva continental , el sistema de dorsales se definió más y en los últimos 75 años, ha sido intensamente estudiado. La dorsal mesoatlántica también sirvió como cuna del descubrimiento de la expansión del fondo marino . [33] A medida que la actividad volcánica produce nueva corteza oceánica a lo largo de la dorsal, las dos placas divergen entre sí y levantan el nuevo fondo oceánico de debajo de la corteza. [31] [32] [33] A lo largo de la frontera océano-continente de las placas tectónicas, las placas oceánicas se subducen debajo de las placas continentales, creando algunas de las fosas marinas más profundas del mundo.
Las zonas de subducción se producen cuando dos placas tectónicas convergen entre sí y una placa es empujada debajo de la otra. [34] En un entorno marino, esto ocurre típicamente cuando la corteza oceánica se subduce debajo de la corteza continental , lo que resulta en actividad volcánica y el desarrollo de fosas oceánicas profundas. [35] La geología marina se centra en el mapeo y la comprensión de cómo funcionan estos procesos. Las características geológicas reconocidas creadas a través de las zonas de subducción incluyen la Fosa de las Marianas y el Cinturón de Fuego . [36] [37]
La Fosa de las Marianas es la fosa submarina más profunda conocida y el lugar más profundo de la corteza terrestre. [38] Es una zona de subducción donde la placa del Pacífico se está subduciendo bajo la placa de las Marianas . [3] En el punto más profundo, la fosa tiene casi 11 000 m de profundidad (casi 36 000 pies). [38] [3] Esto está más por debajo del nivel del mar que el Monte Everest sobre el nivel del mar, por más de 2 kilómetros.
El Cinturón de Fuego está situado alrededor del Océano Pacífico , creado a partir de varios límites de placas convergentes. [39] Su intenso vulcanismo y actividad sísmica plantean una gran amenaza de terremotos desastrosos, tsunamis y erupciones volcánicas. [40] Cualquier sistema de alerta temprana y técnicas de mitigación para estos eventos desastrosos requerirán geología marina de entornos costeros y de arcos insulares para predecir los eventos. [41]
La geología marina tiene varios métodos para detectar características geológicas debajo del mar. [2] [13] [14] [15] Uno de los beneficios económicos de la prospección geológica del fondo marino es determinar los recursos valiosos que se pueden extraer. [42] Los dos principales recursos extraídos en el mar son el petróleo y los minerales. En los últimos 30 años, la minería en aguas profundas ha generado entre 9 y 11 mil millones de dólares en los Estados Unidos de América . [43] [44] Aunque este sector parece rentable, es una industria de alto riesgo y alta recompensa con muchos impactos ambientales dañinos. [45]
Algunos de los principales minerales extraídos del mar incluyen níquel, cobre , cobalto , manganeso , zinc , oro y otros metales. [46] Estos minerales se forman comúnmente alrededor de la actividad volcánica , más específicamente respiraderos hidrotermales y nódulos polimetálicos . [47] [48] Estos respiraderos emiten grandes volúmenes de fluidos supercalentados, infundidos con metales, que se elevan y se enfrían rápidamente cuando se mezclan con el agua de mar fría . La reacción química hace que el azufre y los minerales se precipiten desde chimeneas, torres y depósitos ricos en minerales en el fondo del mar. [49] Los nódulos polimetálicos , también conocidos como nódulos de manganeso , son minerales redondeados formados durante millones de años a partir de la precipitación de metales del agua de mar y el agua de los poros de los sedimentos. [50] Por lo general, se encuentran sueltos, esparcidos por el fondo marino abisal y contienen metales cruciales para la construcción de baterías y pantallas táctiles, incluidos cobalto, níquel, cobre y manganeso. [50]
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Un área popular para la minería en aguas profundas , ubicada en el Océano Pacífico , en la Zona Clarion-Clipperton (CCZ) . La CCZ tiene aproximadamente 4.500.000 kilómetros cuadrados construidos de varias zonas de fractura submarina . [51] Se ha dividido en 16 concesiones mineras y 9 secciones dedicadas a la conservación. [52] Según la Autoridad Internacional de los Fondos Marinos (ISA) , hay un estimado de 21 mil millones de toneladas (Bt) de nódulos; 5,95 Bt de manganeso, 0,27 Bt de níquel, 0,23 Bt de cobre y 0,05 Bt de cobalto. Es un área muy solicitada para la minería debido al rendimiento de minerales que posee. [53] [54]
La geología marina también tiene muchas aplicaciones en el tema del desarrollo de energía offshore. [55] La energía offshore es la generación de electricidad utilizando recursos oceánicos. Esto incluye el uso del viento , el calor [ aclaración necesaria ] , las olas y el movimiento de las mareas para convertirlo en energía. [56] Comprender el fondo marino y las características geológicas puede ayudar a desarrollar la infraestructura para respaldar estas fuentes de energía renovable . [57] Las características geológicas submarinas pueden dictar las propiedades del océano, como las corrientes y las temperaturas , que son cruciales para la ubicación de la infraestructura necesaria para producir energía. [58]
La estabilidad del fondo marino es importante para la creación de turbinas eólicas marinas . [59] La mayoría de las turbinas se aseguran al fondo marino mediante monopilotes , si la profundidad del agua es mayor a 15 metros. [60] Deben insertarse en áreas que no estén en riesgo de deposición de sedimentos , erosión o actividad tectónica . Es necesario inspeccionar el área geológica antes del desarrollo para asegurar el soporte adecuado de las turbinas y las fuerzas que se les aplican. [60] Otro ejemplo de por qué se necesita la geología marina para futuros proyectos energéticos es para comprender los patrones de olas y corrientes . [61] Analizar los efectos que tiene el fondo marino sobre el movimiento del agua puede ayudar a respaldar la planificación y la selección de la ubicación de los generadores en alta mar y optimizar la producción de energía. [62]
La geología marina tiene un papel clave en el mapeo y la conservación de hábitats . En vista de que los eventos globales causan daños potencialmente irreversibles a los hábitats marinos, como la minería en aguas profundas y la pesca de arrastre de fondo , la geología marina puede ayudarnos a estudiar y mitigar los efectos de estas actividades. [63]
La CCZ ha sido inspeccionada y cartografiada para designar áreas específicas para la minería y la conservación. La Autoridad Internacional de los Fondos Marinos ha reservado aproximadamente 160.000 kilómetros cuadrados de fondo marino dentro de la CCZ, ya que el área es rica en biodiversidad y hábitats . [51] La zona alberga más de 5.000 especies, incluidos pepinos de mar , corales , cangrejos , camarones , esponjas de cristal y miembros de la familia de las arañas y ha sido un área donde se han descubierto nuevas especies de gusanos marinos . [53] Además, el 90% de las especies aún no se han identificado. [64] Las técnicas adecuadas de estudio marino han protegido miles de hábitats y especies al dedicarlas a la conservación.
La pesca de arrastre de fondo también tiene efectos perjudiciales para el mar y el uso de técnicas de geología marina puede ser útil para mitigarlos. [65] La pesca de arrastre de fondo, generalmente una técnica de pesca comercial , implica arrastrar una red grande que arrea y captura una especie objetivo, como peces o cangrejos. [66] Durante este proceso, la red daña el fondo marino raspando y eliminando animales y vegetación que viven en el fondo marino, incluidos arrecifes de coral , tiburones y tortugas marinas . [67] Puede desgarrar sistemas de raíces y madrigueras de animales , lo que puede afectar directamente la distribución de sedimentos. [68] Esto puede conducir al cambio en la química y los niveles de nutrientes en el agua del mar. [69] La geología marina puede determinar áreas que han sido dañadas para emplear técnicas de restauración del hábitat. También puede ayudar a determinar áreas que no han sido afectadas por la pesca de arrastre de fondo y emplear protección de conservación.
El transporte de sedimentos y la erosión costera es un tema complejo que es necesario comprender para proteger la infraestructura y el medio ambiente. [70] La erosión costera es el proceso de descomposición y transporte de sedimentos y materiales debido a los efectos del mar . [71] Esto puede conducir a la destrucción de hábitats animales, industrias pesqueras e infraestructura. [72] En los Estados Unidos, los daños a las propiedades y la infraestructura han causado aproximadamente $ 500 millones por año, y el gobierno federal de los EE. UU. dedica $ 150 millones adicionales al año a la mitigación . [73] La geología marina respalda el estudio de los tipos de sedimentos, los patrones de corrientes y la topografía oceánica para predecir las tendencias erosivas que pueden proteger estos entornos. [74]
Los terremotos son uno de los desastres naturales más comunes . [75] Además, pueden causar otros desastres, como tsunamis y deslizamientos de tierra , como el terremoto submarino en el Océano Índico ocurrido con una magnitud de 9,1 que luego desencadenó un tsunami que causó olas que alcanzaron una altura de al menos 30 pies y mató a aproximadamente 230.000 personas en 13 países diferentes. [76] [77] La geología marina y la comprensión de los límites de las placas apoyan el desarrollo de sistemas de alerta temprana y otras técnicas de mitigación para proteger a las personas y los entornos que pueden ser susceptibles a los desastres naturales . [78] Muchos sistemas de alerta temprana de terremotos (EEWS) están en funcionamiento y se están desarrollando más. [79] [80]
Muchas secciones de los océanos están permanentemente oscuras, tienen bajas temperaturas y están bajo una presión extrema, lo que hace que sea difícil observarlas. [81] Según la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA), solo el 23% del fondo marino ha sido cartografiado en detalle y uno de los proyectos líderes en exploración es el desarrollo de mapas de alta resolución del fondo marino. El Okeanos Explorer , un buque propiedad de la NOAA, ya ha cartografiado más de 2 millones de km2 del fondo marino utilizando un sonar multihaz desde 2008, pero esta técnica ha demostrado ser demasiado lenta. [82]
Tanto los gobiernos como los científicos han reconocido la importancia de cartografiar el fondo marino. Por ello, se ha desarrollado un esfuerzo de colaboración internacional para crear un mapa de alta definición de todo el fondo marino, denominado Proyecto Nippon Foundation-GEBCO Seabed 2030. Este comité tiene como objetivo finalizar el proyecto en 2030. Para alcanzar su objetivo, están equipando vehículos antiguos, nuevos y autónomos con sonares , sensores y otras tecnologías basadas en SIG para alcanzar su objetivo. [82]
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