Ny MBARI-forskning på ett fält av pockmarks – stora, cirkulära fördjupningar på havsbotten – utanför centrala Kalifornien har avslöjat att kraftfulla sedimentflöden, inte metangasutbrott, upprätthåller dessa förhistoriska formationer.

Ett team av forskare från MBARI, United States Geological Survey (USGS) och Stanford University publicerade sina resultat i Journal of Geophysical Research:Earth Surface . Detta arbete ger viktig information för att vägleda beslutsfattande om ansvarsfull användning och förvaltning av havsbotten utanför Kalifornien, inklusive platsbedömningar för utveckling av vindkraftsparker till havs.

Sur Pockmark Field - ett område ungefär lika stort som staden Los Angeles som ligger utanför Big Surs kust, Kalifornien - innehåller mer än 5 200 cirkulära fördjupningar. Dessa formationer är cirka 200 meter (656 fot) i diameter, ungefär avståndet mellan två fotbollsplaner, och fem meter (16 fot) djupa.

Tidigare forskning i andra delar av världen har föreslagit att liknande stora havsbottensänkningar bildades och upprätthölls av metangas som bubblade upp genom sedimenten. Med vindkraftsparker planerade att byggas offshore i centrala Kalifornien, var resursförvaltare oroade över hur närvaron av metangas kan påverka stabiliteten på havsbotten i denna region.

Data som samlats in av MBARI-forskare och deras medarbetare hittade inga bevis för metan på den här webbplatsen. Istället har forskargruppen föreslagit att sedimentgravitationsflöden – liknande en lavin av lera, sand och vatten som rör sig längs havsbotten – som har inträffat i denna region intermittent i hundratusentals år upprätthåller dessa havsbottenformationer.

"Det finns många obesvarade frågor om havsbotten och dess processer", säger MBARI Senior Research Technician Eve Lundsten, som ledde detta arbete. "Denna forskning ger viktig information om havsbotten för resursförvaltare och andra som överväger potentiella platser till havs för undervattensinfrastruktur för att vägleda deras beslutsfattande."

Forskargruppen använde MBARIs avancerade undervattensrobotar för att studera Sur Pockmark-fältet. Först kartlade autonoma undervattensfordon (AUV) – torpedformade, självstyrda robotar – regionen.

Tidigare kartor över havsbotten samlades in med ekolod monterade på fartyg, men avståndet mellan havsytan och havsbotten resulterade i lågupplösta data. AUV:er kan resa närmare havsbotten för att visualisera terrängen nedan i mycket större detalj. MBARI:s AUV för kartläggning av havsbotten bar också teknik för att profilera de understa bottenskikten av sediment under havsbotten.

Dessa kartor ledde sedan provtagning med MBARI:s fjärrstyrda fordon (ROV) "Doc Ricketts." Drivs av forskargruppen i kontrollrummet ombord på ett MBARI-forskningsfartyg, ROV Doc Ricketts samlade sedimentprover för att rekonstruera historien om individuella pockmarks.

Dessa pockmarks är belägna på den kontinentala marginalen, en dynamisk del av havsbotten som förbinder den relativt grunda kontinentalsockeln med djuphavet. Sedimentgravitationsflöden kan flytta enorma mängder material genom denna region intermittent. Data och prover som samlats in med MBARI-teknik hjälpte forskargruppen att sätta ihop historien om sedimentrörelser över denna del av havsbotten.

Teamet hittade flera lager av sandiga avlagringar, kallade turbiditer, i sedimentproverna som tagits från pockmarks och under-botten bilder av pockmark fältet. Dessa avlagringar indikerade att stora sedimentgravitationsflöden i regionen har inträffat intermittent under åtminstone de senaste 280 000 åren. Dessa sedimentgravitationsflöden verkar orsaka erosion i mitten av varje pockmark, vilket bibehåller dessa unika undervattensmorfologiska egenskaper över tiden.

"Vi samlade in en enorm mängd data, vilket gjorde det möjligt för oss att göra en överraskande koppling mellan pockmarks och sedimentgravitationsflöden. Vi kunde inte avgöra exakt hur dessa pockmarks ursprungligen bildades, men med MBARIs avancerade undervattensteknologi har vi fått ny insikt om hur och varför dessa egenskaper har funnits kvar på havsbotten i hundratusentals år, säger Lundsten.

Havsbottenpockmarks har hittats på andra håll i världen. På dessa platser har pockmarks associerats med utsläpp av metangas eller andra vätskor från havsbotten. Bubblande metan kan potentiellt göra att havsbotten blir instabil, vilket kan utgöra risker för strukturer på havsbotten, som ankare för havsbaserade vindkraftverk.

I oktober 2018 tillkännagav U.S. Bureau of Ocean Energy Management (BOEM) områden utanför centrala Kalifornien för potentiell uthyrning av vindenergi. MBARI gick snabbt över till att genomföra denna forskning för att svara på kritiska frågor om havsbottens stabilitet för att vägleda utvecklingen av havsbaserad vindenergi i Kalifornien.

"Att expandera förnybar energi är avgörande för att uppnå de dramatiska minskningarna av koldioxidutsläppen som krävs för att förhindra ytterligare oåterkalleliga klimatförändringar. Det finns dock fortfarande många obesvarade frågor om de möjliga miljöeffekterna av havsbaserad vindenergiutveckling", säger MBARI:s vd och koncernchef Chris Scholin .

"Denna forskning är ett av många sätt som MBARI-forskare svarar på grundläggande frågor om vårt hav för att hjälpa till att informera beslut om hur vi använder marina resurser."

På grund av de omfattande ansträngningarna från MBARI, USGS, BOEM och NOAA som en del av samarbetskampanjen Expanding Pacific Research and Exploration of Submerged Systems (EXPRESS) är Sur Pockmark Field nu ett av de bäst studerade områdena av havsbotten på västkusten i Nordamerika. Men det finns fortfarande många frågor att besvara om dessa pockmarks, inklusive hur dessa funktioner ursprungligen bildades för hundratusentals år sedan.

Bakgrund

Havsbotten spelar en viktig ekologisk och samhällelig roll. Det ger en livsviktig livsmiljö för marint liv och stödjer vår moderna infrastruktur. Men vi har fortfarande mycket att lära om havsbottenprocesser. MBARI har ett aktivt forskningsprogram som använder avancerade robotar för att studera och kartlägga havsbotten utanför centrala Kalifornien.

MBARI:s Continental Margin Processes Team, under ledning av seniorforskaren Charlie Paull, undersöker hur morfologin hos kontinentalmarginalen – där kontinentalsockeln övergår till den avgrundsslätten – skulpteras och förändras över tiden.

Sur Pockmark Field ligger utanför Big Sur, Kalifornien, längs den kontinentala marginalen på ett djup av 500 till 1 500 meter (ungefär 1 600 till 5 200 fot). Några av dessa pockmarks upptäcktes ursprungligen av MBARI-forskare 1998 under en havsbottenundersökning med fartygsmonterade multibeam-ekolod.

Ytterligare fartygsundersökningar utförda av MBARI-samarbetspartners vid USGS och NOAA 2018 visade att pockmarks sträcker sig söderut in i regionen utanför Morro Bay. Dessa undersökningar har avslöjat mer än 5 200 pockmarks utspridda över 1 300 kvadratkilometer (500 square miles), vilket gör detta område till det största kända pockmarkfältet i Nordamerika.

Havsbotten utanför kusten av denna avlägsna sträcka av centrala Kaliforniens kustlinje har historiskt sett varit en av de minst studerade regionerna i kontinentalmarginalen utanför Nordamerikas västkust. Under de senaste sex åren har MBARI:s Continental Margin Processes Team arbetat med att förstå ursprunget till pockmarkformationerna, fastställa om de är geologiskt aktiva och avgöra om de är områden av speciell biologisk betydelse.

Tidigare forskning av MBARI, BOEM och USGS undersökte de biologiska samhällena inom Sur Pockmark-fältet. Denna nya forskning syftade till att förstå de geologiska processer som bildar och upprätthåller pockmarks inom fältet.

Forskargruppen använde kartläggning av AUV:er utvecklade av ingenjörer i MBARI:s Seafloor Mapping Lab för att visualisera en del av Sur Pockmark-fältet mer i detalj.

Batymetriska undersökningar av dessa undervattensrobotar kartlade 317 av de 5 251 pockmarks med en meters upplösning. Med den här fina upplösningen blev det uppenbart att pockmarkerna har mycket släta, gradvis lutande sidor.

Pockmarks är i genomsnitt 156 meter (512 fot) tvärs över, nästan cirkulära till formen och ganska jämnt fördelade från varandra. Dessutom var AUV:erna utrustade med en chirp sub-bottom profiler som använder ljud för att avslöja lager av sediment under havsbottenytan. Chirp-profiler fångade delar av underytan under cirka 200 pockmarks på platsen.

Dessa undersökningar fångade ett urval av detaljerade havsbottendata som inte skulle vara synliga från fartygsbaserad kartläggning med multibeam-ekolod. Dessa data möjliggjorde målinriktad sampling av pockmarks inom fältet.

Continental Margin Processes Team genomförde 30 dyk med två av MBARI:s ROV för att få en närmare titt på 21 pockmarks inom fältet. Teamet spelade in 185 timmars havsbottenvideofilmer inuti och intill pockmarks. MBARI:s ROV Doc Ricketts samlade också in 107 vibracores - en 1,5 meter (fem fot) kärna av sediment som lossnat i ett metallrör av högfrekventa vibrationer - och 433 pushcores - ett grundare 24-centimeters (9,4 tum) prov av sediment - inom och runt fem pockmarks.

En USGS-kryssning på forskningsfartyget M/V 'Bold Horizon' 2019 samlade djupare kolv- och gravitationskärnor upp till 7,5 meter (25 fot) i längd. Kolvkärnorna togs inuti pockmarks och på bakgrundsplatser intill men utanför pockmarks för jämförelse.

Viktigt, forskargruppen hittade inga bevis för metangas i något av proverna eller data som de samlade in. Istället indikerade underjordsprofilerna och sedimentproverna att pockmarkerna innehåller alternerande lager av fint och grovt sediment.

De sandiga avlagringarna, eller grumligheterna, var nyckeln till att låsa upp den överraskande historien om massiva sedimentgravitationsflöden som passerade över hela området. Fint sediment på havsbotten avsattes långsamt över tiden, sedan lämnade intermittenta stora sedimentgravitationsflöden ett karakteristiskt lager av grov sand. Det verkar som om dessa flöden eroderar pockmark-centrumen och lämnar efter sig sandiga avlagringar över flera pockmarks i regionen samtidigt.

Forskare har först nyligen börjat förstå mönstren för erosion och avsättning genom sedimentgravitationsflöden i undervattensraviner och kanaler. Sur Pockmark-fältet kantas av två kanaler – Lucia Chica-kanalen i norr och San Simeon-kanalen i söder – men är annars bred och öppen terräng.

Exakt hur strömmar och sediment rör sig över den fördjupade ytan av Sur Pockmark-fältet är fortfarande okänt. Forskargruppen har dock föreslagit att den unika havsbottenmorfologin i detta område kan skapa flödesmönster som urholkar pockmark-centrumen.

I denna region är gravitationsflöden för sediment episodiska och förekommer tiotusentals år från varandra. Den senaste var för cirka 14 000 år sedan. Datormodellering kommer att krävas för att bekräfta om ett obegränsat flöde som passerar över pockmarkfältet bär tillräckligt med energi för att erodera och bibehålla pockmarkerna.

Mer information: Pockmarks Offshore Big Sur, Kalifornien ger bevis för återkommande, regionala och obegränsade sedimentgravitationsflöden, Journal of Geophysical Research Earth Surface (2024). DOI:10.1029/2023JF007374

Tillhandahålls av Monterey Bay Aquarium Research Institute