Deep-ocean sediments. Part 2: Thermohaline currents that shape the seafloor

In Part 1, we differentiate between (1) tidal-related currents in shallow marine waters and (2) purely gravitational sedimentary currents. We could add that the former are periodic, as they are controlled by the gravitational fields of the Moon and the Sun on ocean water as the Earth rotates, whereas the latter are ‘spontaneous’ currents driven by the gravitational field of the Earth on sediments and rocks, with unpredictable duration and spatial impact.

Both types of currents erode and deposit sediments on the seabed, but these are not the only types of currents in the ocean that can do so. Thermohaline currents can also achieve this. These currents are movements of ‘huge masses’ of seawater driven by gravity. As their name indicates, temperature (thermo) and salinity (haline) of seawater are the key elements promoting water movement. Simply put: the colder and saltier the water, the denser it becomes, and eventually the gravitational field of the Earth will move it to a position closer to the center of the Earth; that is, to the seabed (see key aspects of thermohaline currents in Table 1).

Thermohaline currents occur at any water depth. They can begin at the sea surface, as in the so-called “dense shelf water cascading process” (Canals et al., 2006), and have been observed in the deepest parts of the ocean, such as in subduction zone trenches (Thomson et al., 2010). Thermohaline currents are still not well understood, as they are connected to a complex system that integrates the dynamics of the atmosphere and the ocean. The combined action of wind stress and the Coriolis effect on the sea surface produces a series of large vortices known as oceanic gyres. These gyres are also connected to the formation of global upwelling and sinking currents that reach the seabed (see Figure 1).

Figure 1 Global thermohaline circulation This Mollweide projection of Earth shows a simplification of global surface and subsurface currents and the areas where water sinks (deep water formation) or rises (upwelling) to the surface due to density differences. Source: Rebesco et al. 2014.

If we were to dive to abyssal depths where thermohaline currents occur, we would see ripples and grooves of any kind (see Table 1). However, on a much larger scale, these currents create stratified geometries that may be similar to some submarine channel systems formed by episodic gravity-driven currents caused by sediment and rock collapses in relatively close coastal areas. Thermohaline currents also create channels and deposits of bank-like features analogous to channel dikes connected to continental margins. These are comparatively much larger and typically formed by finer sediments.

Figure 2 The pathways of thermohaline currents in the Gulf of Cádiz. The figure on the left shows the continents in black and the ocean in blue. In dark blue, the thermohaline channels where Mediterranean currents move westward. The figure on the right shows a seismic section of the northernmost channel and the dike-like deposit created by the thermohaline current, known as Faro Drift (A-B in the previous figure).

Some thermohaline channels are connected both to continental margin channels and controlled by regional tidal pathways. One of the most studied areas of this type is the Gulf of Cádiz (Figure 2).

One can imagine how important these thermohaline currents can be in the evolution of global climate. It is thought that these currents play a crucial role in controlling global climate. However, their impact on oceanic physical and chemical processes is not well understood. Therefore, the effects of anthropogenic climate change on thermohaline currents and how they interact with geological and biological systems in the deep sea are still under discussion. Research is key.

More on the links between thermohaline currents and global climate:

https://easac.eu/publications/details/a-sea-of-change-europes-future-in-the-atlantic-realm


References 
Alonso, B., Ercilla, G., Casas, D., Stow, D.A., Rodríguez-Tovar, F.J., Dorador, J., and Hernández-Molina, F.J., 2016. Contour vs. gravity flow deposits of the Faro Drift from the Pleistocene (Gulf of Cádiz): Sedimentological and mineralogical approaches. Marine Geology, 377, pp.77-94.

Canals, M., Puig, P., de Madron, X.D., Heussner, S., Palanques, A., and Fabres, J., 2006. Submarine canyon outflow. Nature, 444(7117), pp.354-357.

Integrated Ocean Drilling Program - Expedition 339 Scientists, 2012. Mediterranean outflow: environmental significance of Mediterranean outflow water and its global implications. IODP Prel. Rept., 339. doi:10.2204/ iodp.pr.339.2012. 

Rebesco, M., Hernández-Molina, F.J., Van Rooij, D., and Wåhlin, A., 2014. Contourites and associated sediments controlled by deep-water circulation processes: state of the art and future considerations. Marine Geology, 352, pp.111-154. 

Thomson, R.E., Davis, E.E., Heesemann, M., and Villinger, H., 2010. Long-term episodic bottom currents observed in the Central America Trench: Evidence for tide-induced turbidity flows. Journal of Geophysical Research: Oceans, 115(C10).

Sedimentos en las profundidades oceánicas. Parte 2: corrientes termohalinas que dan forma al fondo marino

En la Parte 1 diferenciamos entre (1) corrientes relacionadas con mareas en aguas marinas poco profundas y (2) corrientes sedimentarias puramente gravitacionales. Podríamos agregar que las primeras son periódicas, ya que están controladas por el efecto de los campos gravitacionales de la Luna y el Sol sobre el agua oceánica mientras la Tierra gira, mientras que las últimas son corrientes ‘espontáneas’ impulsadas por el campo gravitacional de la Tierra sobre sedimentos y rocas, con una duración e impacto espacial impredecibles.

Ambos tipos de corrientes erosionan y depositan sedimentos en el fondo marino, pero estos no son los únicos tipos de corrientes en el océano que pueden hacerlo. Las corrientes termohalinas también pueden hacerlo. Estas corrientes son movimientos de ‘masas enormes’ de agua de mar impulsados por la gravedad. Como su nombre indica, la temperatura (termo) y la salinidad (halina) del agua de mar son los elementos clave que promueven el movimiento del agua. Hablando simplemente: cuanto más fría y más salada esté el agua, más densa será, y eventualmente el campo gravitacional de la Tierra la moverá a una posición más cercana al centro de la Tierra; es decir, al fondo marino (ver los aspectos clave de las corrientes termohalinas en la Tabla 1).

Las corrientes termohalinas ocurren a cualquier profundidad del agua. Pueden comenzar en la superficie del mar, como el llamado “proceso de cascada de agua densa de la plataforma” (Canals et al., 2006), y se han observado en las partes más profundas del océano, como en las trincheras de zonas de subducción (Thomson et al., 2010). Las corrientes termohalinas todavía no se comprenden bien, ya que están conectadas a un sistema complejo que integra la dinámica de la atmósfera y del océano. La acción combinada del estrés del viento y el efecto Coriolis sobre la superficie del mar produce una serie de grandes remolinos llamados giros oceánicos. Estos giros también están conectados con la formación de corrientes globales de afloramiento y hundimiento que llegan al fondo marino (ver Figura 1).

Figura 1 Circulación termohalina global
Esta proyección de Mollweide de la Tierra muestra una simplificación de las corrientes globales de superficie y subsuperficie y las áreas donde el agua se hunde (formación de agua profunda) o asciende (afloramiento) a la superficie debido a diferencias de densidad. Fuente: Rebesco et al. 2014.

Si nos sumergiéramos a profundidades abisales donde ocurren las corrientes termohalinas, veríamos ondulaciones y surcos de cualquier tipo (ver Tabla 1). Sin embargo, a una escala mucho mayor, estas corrientes crean geometrías estratificadas que pueden ser similares a algunos sistemas de canales submarinos formados por corrientes esporádicas impulsadas por gravedad causadas por colapsos de sedimentos y rocas en áreas relativamente cercanas a las costas. Las corrientes termohalinas también crean canales y depósitos de sobrebanco análogos a los diques de canales conectados a márgenes continentales. Estos son comparativamente mucho más grandes y típicamente formados por sedimentos más finos.

Figura 2 Las rutas de las corrientes termohalinas del Golfo de Cádiz.
La figura de la izquierda muestra los continentes en negro y el océano en azul. En azul oscuro, los canales termohalinos donde las corrientes del Mar Mediterráneo se mueven hacia el oeste. La figura de la derecha muestra una sección sísmica del canal más septentrional y el depósito tipo dique creado por la corriente termohalina, denominado Faro Drift (A-B en la figura anterior).

Algunos canales termohalinos están conectados tanto a canales de márgenes continentales como controlados por caminos de marea regionales. Una de las áreas más estudiadas de este tipo es el Golfo de Cádiz (Figura 2).

Cualquiera puede imaginar cuán importantes pueden ser estas corrientes termohalinas en la evolución del clima global. Se piensa que estas corrientes juegan un papel crucial en el control del clima global. Sin embargo, su impacto en los procesos físicos y químicos oceánicos no se conoce bien. Por lo tanto, todavía está en discusión cuáles son los efectos del cambio climático antropogénico en las corrientes termohalinas y cómo interactúan con los sistemas geológicos y biológicos de las profundidades marinas. La investigación es la clave.

Más sobre los vínculos entre las corrientes termohalinas y el clima global:

https://easac.eu/publications/details/a-sea-of-change-europes-future-in-the-atlantic-realm

 

Referencias
Alonso, B., Ercilla, G., Casas, D., Stow, D.A., Rodríguez-Tovar, F.J., Dorador, J. y Hernández-Molina, F.J., 2016. Depósitos de contorno vs depósitos de flujos de gravedad del Faro Drift del Pleistoceno (Golfo de Cádiz): Enfoques sedimentológicos y mineralógicos. Marine Geology, 377, pp.77-94.

Canals, M., Puig, P., de Madron, X.D., Heussner, S., Palanques, A. y Fabres, J., 2006. Aflujo de cañones submarinos. Nature, 444(7117), pp.354-357.

Integrated Ocean Drilling Program - Expedition 339 Scientists, 2012. Aflujo mediterráneo: significación ambiental del agua de aflujo mediterráneo y sus implicaciones globales. IODP Prel. Rept., 339. doi:10.2204/ iodp.pr.339.2012.

Rebesco, M., Hernández-Molina, F.J., Van Rooij, D. y Wåhlin, A., 2014. Contouritas y sedimentos asociados controlados por procesos de circulación de aguas profundas: Estado del arte y consideraciones futuras. Marine Geology, 352, pp.111-154.

Thomson, R.E., Davis, E.E., Heesemann, M. y Villinger, H., 2010. Observaciones de corrientes de fondo episódicas de larga duración en la Trinchera de América Central: Evidencia de flujos de turbidez iniciados por mareas. Journal of Geophysical Research: Oceans, 115(C10).