La geología marina u oceanografía geológica es el estudio de la historia y estructura del fondo del océano. Implica investigaciones geofísicas , geoquímicas , sedimentológicas y paleontológicas del fondo del océano y la zona costera . La geología marina tiene fuertes vínculos con la geofísica y la oceanografía física .
Los estudios geológicos marinos fueron de extrema importancia al proporcionar evidencia crítica de la expansión del fondo marino y la tectónica de placas en los años posteriores a la Segunda Guerra Mundial. El fondo del océano profundo es la última frontera esencialmente inexplorada y un mapeo detallado en apoyo de objetivos económicos ( minería de petróleo y 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 recibió a casi 250 personas, incluidos 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] Usando una cuerda de sonda, lanzada sobre el borde del barco, el equipo pudo capturar grandes cantidades 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 en medio del océano. [ cita necesaria ]
Antes de la Segunda Guerra Mundial, la geología marina creció como disciplina científica. A principios del siglo XX, se crearon organizaciones como el Instituto Oceanográfico Scripps y el Instituto Oceanográfico Woods Hole (WHOI) para apoyar los esfuerzos en este campo. [4] [5] Con Scripps ubicado en la costa oeste de América del Norte y 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 realizó uno de los descubrimientos más importantes: el sistema de dorsales en medio del océano . Después de equipar a los barcos con sensores de sonar, viajaron de un lado a otro 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 del océano que demostraba que había una cadena montañosa submarina en medio del Atlántico, junto con la Cordillera del Atlántico Medio . [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 expandiendo desde el sistema de dorsales en medio del océano. [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 desde la dorsal oceánica y que la roca fundida luego solidificó, provocando que el límite entre las dos placas tectónicas divergiese . [8] Se realizó un estudio geomagnético que apoyó 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 cresta, se encontraban "franjas" simétricas ya que la polaridad del planeta cambiaría con el tiempo. [6] [9] Esto demostró que existía una expansión del fondo marino . En años posteriores, la tecnología más nueva pudo datar las rocas e identificó que las rocas más cercanas a la cresta eran más jóvenes que las rocas cercanas a las costas de los hemisferios terrestres occidental y oriental .
En la actualidad, la geología marina se centra en los peligros geológicos, las condiciones ambientales, los hábitats, los recursos naturales y los proyectos energéticos y mineros. [10]
Existen múltiples métodos para recopilar datos del fondo del mar sin 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 finales de la década de 1960, el propósito del método de estudio es utilizar sistemas de sonar activos en el fondo del mar para detectar y desarrollar imágenes de objetos. [11] Los sensores físicos del dispositivo de sonar se conocen como conjunto de transductores y están montados en el casco de una embarcación 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 los pulsos del conjunto, 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 del mar y requiere menos tiempo. [12] El sonar de barrido lateral es útil para los científicos ya que es una forma rápida y eficiente de recopilar 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 suelen ir acompañados del sonar de barrido lateral para generar un estudio más detallado. [11]
De manera similar al sonar de barrido lateral, la batimetría multihaz utiliza una matriz de transductores para enviar y recibir ondas sonoras con el fin de detectar objetos ubicados en el fondo del mar. [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 en ambos sentidos desde el sensor del barco hasta el fondo marino y de regreso al barco. Estos cálculos determinarán la profundidad del fondo marino en esa zona. [13]
La retrodispersión es otra medida utilizada para determinar la intensidad del sonido que regresa al sensor. [13] Esta información puede proporcionar información sobre la composición geológica y los objetos del fondo del mar, así como 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]
Existen limitaciones para esta técnica. La distancia entre el fondo del mar y el sensor está relacionada con la resolución del mapa que se está creando. [13] Cuanto más cerca esté el sensor del fondo del mar, mayor será la resolución y cuanto más lejos esté el sensor del fondo del mar, menor será la resolución. Por lo tanto, es común que los vehículos operados remotamente (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 del subfondo 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 son reflejados por los sedimentos del subsuelo. Algunos sensores pueden alcanzar más de 1.000 metros por debajo de la superficie del fondo marino, lo que proporciona a los hidrógrafos una visión detallada del entorno geológico marino. [2]
Muchos perfiladores del 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 del mar. [14] La resolución de los datos también permite a los científicos identificar características geológicas como crestas volcánicas , deslizamientos de tierra submarinos , lechos de ríos antiguos y otras características. [14]
El beneficio del perfilador del subfondo es su capacidad para registrar información en la superficie y debajo del fondo marino. Cuando se acompañan de datos geofísicos de sonar multihaz y datos físicos de muestras de rocas y núcleos , los perfiles del subsuelo brindan información sobre la ubicación y morfología del deslizamiento de tierra submarino, identifican cómo los gases oceánicos viajan a través del subsuelo, descubren artefactos de herencias culturales y comprenden los sedimentos. deposición, 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 magnético y níquel . [16] Cuando la Tierra gira sobre su eje, los metales liberan corrientes eléctricas que generan campos magnéticos. [17] Estos campos pueden luego medirse para revelar estructuras geológicas del fondo marino. [18] Este método es especialmente útil en la exploración marina y la geología, ya que no sólo puede caracterizar las características geológicas del fondo marino, sino que también puede estudiar los restos de aviones y barcos en las profundidades del mar. [19]
Un magnetómetro es el principal equipo desplegado, que normalmente se remolca detrás de una embarcación 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 puede calibrarse 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 el basalto ferroso en el fondo marino. El cambio repentino de 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 parte superior 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 certeza de los datos recopilados depende 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 fenómenos de formación del terreno, como la formación de montañas , volcanes , terremotos y sistemas de dorsales en medio del océano. [26] La idea es que la capa más exterior 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 oscila 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 en medio del océano, las zonas y fosas de subducción, el vulcanismo y los respiraderos hidrotermales, y más.
Hay tres tipos principales de límites de placas tectónicas; Límites divergentes , convergentes y transformantes . [27] Los límites de placas divergentes son cuando dos placas tectónicas se alejan una de la otra, los límites de placas convergentes son cuando dos placas se mueven una hacia la otra y los límites de placas transformadas son 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 en medio del océano, mientras que las placas convergentes son responsables de las zonas de subducción y la creación de fosas oceánicas profundas. Los límites transformados provocan terremotos, desplazamientos de rocas y deformaciones de la corteza terrestre. [8] [27] [26] [28]
Las placas divergentes son directamente responsables de la cadena montañosa más grande de la Tierra, conocida como sistema de dorsales en medio del océano. [29] Con casi 60.000 km de largo, la dorsal en medio del océano es una extensa cadena de montañas volcánicas submarinas que se extiende por todo el mundo. [30] Centralizada en los océanos, esta formación geológica única alberga una colección de crestas , fisuras, zonas de fallas y otras características geológicas. [29] [30]
La Dorsal Mesoatlántica es consecuencia de la divergencia de las placas norteamericana y euroasiática , y de las placas 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 volvió más definido y en los últimos 75 años ha sido intensamente estudiado. La Cordillera del Atlántico Medio también sirvió como lugar de nacimiento para el descubrimiento de la expansión del fondo marino . [33] A medida que la actividad volcánica produce nueva corteza oceánica a lo largo de la cresta, las dos placas divergen entre sí levantando el nuevo fondo oceánico desde debajo de la corteza. [31] [32] [33] A lo largo del borde 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 se empuja 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 mapear y comprender cómo funcionan estos procesos. Las características geológicas de renombre creadas a través de zonas de subducción incluyen la Fosa de las Marianas y el Anillo de Fuego . [36] [37]
La Fosa de las Marianas es la fosa submarina más profunda conocida y el lugar más profundo de la propia corteza terrestre. [38] Es una zona de subducción donde la Placa del Pacífico está siendo subducida bajo la Placa de Mariana . [3] En el punto más profundo, la trinchera 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 Anillo de Fuego está situado alrededor del Océano Pacífico y se crea a partir de varios límites de placas convergentes. [39] Su intenso vulcanismo y actividad sísmica plantea una gran amenaza de terremotos, tsunamis y erupciones volcánicas desastrosas. [40] Cualquier sistema de alerta temprana y técnica de mitigación para estos eventos desastrosos requerirá la geología marina de los entornos costeros y de arcos insulares para predecir eventos. [41]
La geología marina tiene varios métodos para detectar características geológicas debajo del mar. [2] [13] [14] [15] Uno de los beneficios económicos del estudio geológico del fondo marino es determinar los recursos valiosos que se pueden extraer. [42] Los dos principales recursos extraídos en el mar incluyen el petróleo y los minerales. En los últimos 30 años, la minería en aguas profundas ha generado entre 9.000 y 11.000 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 infundidos con metales sobrecalentados 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 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 del 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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Una zona 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 a partir 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) , se estima que hay 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 una zona muy cotizada para la minería por el rendimiento de minerales que posee. [53] [54]
La geología marina también tiene muchas aplicaciones en el tema del desarrollo energético marino. [55] La energía marina es la generación de electricidad utilizando recursos marinos. Esto incluye el uso del movimiento eólico , térmico [ se necesita aclaración ] , de las olas y 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 renovables . [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 fijan al fondo marino mediante monopilotes , si la profundidad del agua es superior 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 la geología marina es necesaria para futuros proyectos energéticos es comprender los patrones de olas y corrientes . [61] El análisis de los efectos que el fondo marino tiene 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 el cultivo de energía. [62]
La geología marina tiene un papel clave en el mapeo y la conservación de hábitats . Dado 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 lecho 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 vidrio 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 han sido identificadas. [64] Las técnicas adecuadas de estudio marino han protegido miles de hábitats y especies dedicándolos a la conservación.
La pesca de arrastre de fondo también plantea 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 gran red que pastorea 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 destrozar los sistemas de raíces y las madrigueras de los animales , lo que puede afectar directamente la distribución de los sedimentos. [68] Esto puede provocar cambios en la química y los niveles de nutrientes en el agua de mar. [69] La geología marina puede determinar áreas que han sido dañadas para emplear técnicas de restauración de 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 provocar la destrucción de los hábitats de los animales, las industrias pesqueras y la infraestructura. [72] En los Estados Unidos, los daños a propiedades e infraestructura han causado aproximadamente 500 millones de dólares al año, y el gobierno federal de los Estados Unidos dedica 150 millones de dólares 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 del océano para predecir las tendencias de erosión 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 provocó que las olas alcanzaran 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 respaldan 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] Se han implementado muchos sistemas de alerta temprana de terremotos (EEWS) y se están desarrollando más. [79] [80]
Muchas secciones de los océanos están permanentemente oscuras, tienen bajas temperaturas y están bajo presión extrema, lo que los hace difíciles de observar. [81] Según la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA), sólo el 23% del fondo marino ha sido cartografiado en detalle y uno de los principales proyectos de exploración es el desarrollo de mapas de alta resolución del fondo marino. El Okeanos Explorer , un barco propiedad de la NOAA, ya ha cartografiado más de 2 millones de kilómetros cuadrados del fondo marino utilizando un sonar multihaz desde 2008, pero esta técnica ha demostrado consumir demasiado tiempo. [82]
Tanto los gobiernos como los científicos han reconocido la importancia de cartografiar el fondo marino. Debido a esto, se desarrolló un esfuerzo de colaboración internacional para crear un mapa de alta definición de todo el fondo marino, llamado Proyecto Nippon Foundation-GEBCO Seabed 2030 . Este comité tiene el objetivo de terminar el proyecto para 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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