Deep ocean sediments, Part 1: Flows that shape the seafloor.

Most of us are aware of the existence of waves and tides. We can see them along our coastlines, and although we may not pay much attention to them, we also know that waves and tides move the sediment resting on the seabed: sand, mud, shells, and… plastics.

We can all observe ripples and small channels on beaches or estuaries created by the movement of water from waves and tides. If we dive a few meters below sea level, we can see some morphologies that are the result of tidal currents and waves, such as dunes and submarine ridges (Figure 1).

Figure 1 Seafloor morphology: shallow marine vs. deep waters. The shallow seafloor is controlled by tidal currents and wind-driven currents. These typically produce submarine bars and dunes (see the image on the left). The deep seafloor is controlled by gravity-driven currents. Submarine channels are likely the most notable morphologies resulting from these types of currents (see the image on the right). Images modified from www.EMODnet.eu.

But is that all there is to the seafloor? What happens if we move to deeper parts of the seafloor? Many of us have seen maps representing the general morphology of Earth’s seafloor (https://earthobservatory.nasa.gov/images/87189/seafloor-features-are-revealed-by-the-gravity-field). These maps show a very rugged seafloor surface. Using the same terminology created for our continents, we see valleys, mountains, volcanoes, and enormous depressions. And things get really interesting when we look at high-resolution images from cutting-edge bathymetric surveys of these deep ocean floors. We see morphologies that resemble… rivers! Yes, they look like rivers, but they are called ‘submarine channels’ (Figure 1). But how is this possible if we are already underwater… rivers within the ocean? Not exactly… The structures resembling river shapes on the seafloor are formed by sediments moving downhill.

We know of several scenarios where relatively large volumes of sediment regularly fall through the water column and move downhill on the seafloor solely due to the effect of the Earth’s gravitational field. The most common are: (1) the input of sediment from river outflows into the ocean, (2) the collapse of accumulated sediments at the heads of channels or along their first few kilometers, (3) the input of accumulated sediments at the heads of channels by wave and tide-related currents, and (4) the collapse of relatively large portions of the seafloor due to earthquakes. These scenarios result in a wide range of mixtures of different types of rocks and particle sizes (including human-made debris!).

Whatever the mixture of solid materials, the sediment particles that fall also displace the surrounding water, pushing it outward and dragging it in the same direction as the flow. This is crucial because there comes a point when the sediment and parts of the surrounding water begin to move in the same direction; a kind of mixing of water flow and sediment moving independently in the water. You can call this type of current: ‘gravity-driven sediment flow’; but many prefer to simply call it ‘turbidity flow or turbidity current.’ You will see that flow and current are terms used interchangeably, but for studies of ‘flow dynamics’, “flow” is the preferred term.

In the end, both underwater currents and turbidity currents, as well as flows in rivers, affect the substrate in similar ways: they erode and deposit sediment. Water, due to its viscosity, can push and pull particles like mineral fragments or shells as it moves. The latter can also collide with other particles, pushing and displacing them to other locations.

There are also a number of ‘flow phenomena’ that occur in both rivers and submarine channels with similar consequences. Hydraulic jumps are one of the most effective in eroding and depositing sediment among these phenomena. The hydraulic jump results from the complex interaction between the gravitational field and the physical properties of water and solid particles. Simplifying, if a fast-moving flow going downhill is forced to decelerate ‘too quickly’, it can develop a localized burst or a so-called jump. It’s like an upside-down waterfall. The jump resembles a typical breaking wave on a beach, but don’t be mistaken, the fluid dynamics are entirely different (Figure 2-1). The water moves upward in these ‘jumps’, creating a negative pressure in the area of the floor beneath the burst. It behaves like a vacuum cleaner, trying to suck up what’s on the floor. These hydraulic jumps can create large holes (grooves) in the seafloor and incorporate tons of new sediment into an ongoing flow (Figure 2-2). Hydraulic jumps are extremely difficult to observe in underwater environments, but recent research efforts in submarine channels connected to deltas have recorded sediment movement that matches the expected movement of sediments along downstream sections (Figure 2-3).

Figure 2 Hydraulic jumps in flow and their effects on the sedimentary record. 1) A surfer rides atop a hydraulic jump formed by a strong current coming from a lagoon to the right of the image (see the full video here: https://youtu.be/eDmoXkF-g9I?t=278). 2) The fill of the Alikayasi canyon, part of a submarine channel that existed 12 million years ago, shows groove and fill architectures that can be explained by interpreting the occurrence of powerful hydraulic jumps (see ongoing research here: https://eartharxiv.org/repository/view/1298/). 3) These images show three snapshots of a flow that occurred in submarine channels connected to the Squamish River delta. An acoustic Doppler current profiler (ADCP) recorded a sediment burst that formed a cloud with 2D morphologies similar to hydraulic jumps in aerial environments (see Hughes Clarke, 2016).

 

In summary, there are geomorphologies on the deep seafloor similar to continental rivers and produced by processes that share some similarities, but the differences can also be significant. We still define many of the processes that transport and deposit sediments in the deep ocean based on a good amount of assumptions. We need to continue research efforts focused on studying the deeper, darker parts of our oceans. In the next article, we will discuss another type of gravity-driven current in the ocean that shapes the deepest parts of the seafloor: thermohaline currents.

 
References: Hughes Clarke, J.E.H., 2016. First wide-angle view of channelized turbidity currents links migratory cyclic steps to flow characteristics. Nature communications, 7(1), pp.1-13.

Sedimentos en las profundidades del océano, Parte 1: flujos que dan forma al fondo marino.

La mayoría de nosotros conocemos la existencia de las olas y las mareas. Podemos verlas a lo largo de nuestras costas y, aunque no les prestemos mucha atención, también sabemos que las olas y las mareas mueven el sedimento que reposa en el fondo marino: arena, barro, conchas y… plásticos.

Todos podemos ver ondulaciones y pequeños canales en las playas o estuarios creados por el movimiento del agua de las olas y las mareas. Si buceamos a unos pocos metros por debajo del nivel del mar, podemos ver algunas morfologías que son producto de las corrientes de marea y las olas, por ejemplo, dunas y crestas submarinas (Figura 1).

Figura 1 La morfología del fondo marino: marino poco profundo versus aguas profundas.
El fondo marino poco profundo está controlado por corrientes de marea y corrientes impulsadas por el viento. Estas típicamente producen barras y dunas submarinas (ver la imagen a la izquierda). El fondo marino profundo está controlado por corrientes impulsadas por la gravedad. Los canales submarinos son probablemente las morfologías más notables producto de estos tipos de corrientes (ver la imagen a la derecha). Imágenes modificadas de www.EMODnet.eu.


Pero, ¿eso es todo lo que hay en el fondo marino? ¿Qué pasa si nos movemos a partes más profundas del fondo marino? Muchos de nosotros hemos visto mapas que representan la morfología general del fondo marino de la Tierra (https://earthobservatory.nasa.gov/images/87189/seafloor-features-are-revealed-by-the-gravity-field). Estos mapas muestran una superficie del fondo marino muy accidentada. Usando la misma terminología creada para nuestros continentes, vemos valles, montañas, volcanes y enormes depresiones. Y las cosas se vuelven realmente interesantes al observar imágenes de alta resolución de encuestas batimétricas de vanguardia en estos fondos oceánicos profundos. Vemos morfologías que se parecen a… ¡ríos! Sí, lo parecen, pero se llaman ‘canales submarinos’ (Figura 1). Pero, ¿cómo es esto posible si ya estamos bajo el agua… ríos dentro del océano? No exactamente… Las estructuras que asemejan la forma de un río en el fondo marino están formadas por sedimentos que se mueven cuesta abajo.

Conocemos varios escenarios donde volúmenes relativamente grandes de sedimentos caen regularmente a través de la columna de agua del mar y se mueven cuesta abajo sobre el fondo marino solo por el efecto del campo gravitacional de la Tierra. Los más comunes son: (1) la entrada de sedimentos de los desagües de ríos en el océano, (2) el colapso de sedimentos acumulados en las cabeceras de los canales o a lo largo de sus primeros kilómetros, (3) la entrada de sedimentos acumulados en las cabeceras de los canales por corrientes relacionadas con las olas y las mareas, y (4) el colapso de porciones relativamente grandes del fondo marino por terremotos. Estos escenarios resultan en una amplia gama de mezclas de diferentes tipos de rocas y tamaños de partículas (¡incluyendo basura hecha por el hombre!).

Cualquiera que sea la mezcla de materiales sólidos, las partículas de sedimento que caen también desplazan el agua que las rodea, empujándola hacia afuera y arrastrándola en la misma dirección del flujo. Esto es crucial, porque hay un momento en que el sedimento y partes del agua circundante comienzan a moverse en la misma dirección; una especie de mezcla de flujo de agua y sedimento moviéndose de manera independiente en el agua. Puedes llamar a este tipo de corriente: ‘flujo sedimentario impulsado por gravedad’; pero muchos prefieren llamarlo simplemente ‘flujo de turbidez o corriente de turbidez’. Verás que flujo y corriente son términos usados indistintamente, pero para estudios de ‘dinámica de flujo’, “flujo” es el preferido.

Al final, tanto las corrientes subacuáticas, como las corrientes de turbidez, y los flujos en los ríos afectan el sustrato de manera similar: erosionan y depositan sedimento. El agua, debido a su viscosidad, puede empujar y tirar de partículas como fragmentos minerales o conchas a medida que se mueve. Estas últimas también pueden chocar con otras partículas empujándolas y desplazándolas a otras ubicaciones.

También hay una serie de ‘fenómenos de flujo’ que ocurren tanto en ríos como en canales submarinos con consecuencias similares. El salto hidráulico es uno de los más efectivos en la erosión y deposición de sedimentos entre estos fenómenos. El salto hidráulico resulta de la interacción compleja entre el campo gravitacional y las propiedades físicas del agua y las partículas sólidas. Simplificando, si un flujo acelerado que se mueve cuesta abajo se ve obligado a desacelerar ‘demasiado rápido’, puede desarrollar un estallido localizado o un llamado salto. Es como una cascada al revés. El salto se asemeja a una ola rompiente típica en una playa, pero no te equivoques, la dinámica de fluidos es totalmente diferente (Figura 2-1). El agua se mueve hacia arriba en estos ‘saltos’, y esto causa una presión negativa en el área del suelo debajo del estallido. Se comporta como una aspiradora, tratando de absorber lo que hay en el suelo. Estos saltos hidráulicos pueden crear grandes agujeros (surcos) en el fondo marino e incorporar toneladas de nuevo sedimento dentro de una corriente en curso (Figura 2-2). Los saltos hidráulicos son extremadamente difíciles de observar en entornos subacuáticos, pero recientes esfuerzos de investigación en canales submarinos conectados a deltas han registrado movimiento de sedimentos que coincide con el movimiento esperado de sedimentos a lo largo de secciones cuesta abajo (Figura 2-3).

Figura 2 Saltos hidráulicos en curso y sus efectos en el registro sedimentario.
1) Un surfista cabalga sobre la parte superior de un salto hidráulico formado por una fuerte corriente que proviene de una laguna a la derecha de la imagen (ver el video completo aquí: https://youtu.be/eDmoXkF-g9I?t=278). 2) El relleno del cañón Alikayasi, parte de un canal submarino que existió hace 12 millones de años, muestra arquitecturas de surcos y rellenos que se pueden explicar interpretando la ocurrencia de potentes saltos hidráulicos (ver investigación en curso aquí: https://eartharxiv.org/repository/view/1298/). 3) Estas imágenes muestran tres instantáneas de una corriente que ocurrió en canales submarinos conectados al delta del río Squamish. Un perfilador de corriente Doppler acústico (ADCP) registró una explosión de sedimentos que formó una nube con morfologías 2D similares a saltos hidráulicos en entornos subaéreos (ver Hughes Clarke, 2016).


Resumiendo, hay geomorfologías en el fondo marino profundo similares a los ríos continentales y producidas por procesos que comparten algunas similitudes, pero las diferencias también pueden ser significativas. Aún definimos muchos de los procesos que transportan y depositan sedimentos en el océano profundo a partir de una buena cantidad de suposiciones. Necesitamos continuar con los esfuerzos de investigación enfocados en estudiar las partes más profundas y oscuras de nuestros océanos. En el próximo artículo, hablaremos sobre otro tipo de corrientes impulsadas por gravedad en el océano que modelan las partes más profundas del fondo marino: las corrientes termohalinas.

 
Referencias:
Hughes Clarke, J.E.H., 2016. Primera vista de ángulo amplio de corrientes de turbidez canalizadas vincula pasos cíclicos migratorios a características del flujo. Nature communications, 7(1), pp.1-13.