L'esplorazione dei fondali oceanici: tecniche e progetti di ricerca

L'esplorazione dei fondali oceanici

L'esplorazione dei fondali oceanici ha rivelato l'esistenza di molte strutture sommerse, che rendono il paesaggio abissale molto vario quasi come quello in superficie nei continenti.

Tecniche di indagine dei fondali oceanici

• Lo studio dei fondali oceanici si basa su tre tecniche di indagine: la perforazione dei fondali oceanici, che fornisce dati sulla composizione, l'età e l'evoluzione dei bacini oceanici; la batimetria, che consente la misura della profondità degli oceani e la ricostruzione del paesaggio sommerso; i profili sismici a riflessione, che consentono di avere informazioni sulle strutture rocciose sotto i sedimenti incoerenti.

Prof.ssa Sonia Gelmetti - L'esplorazione dei fondali oceanici

La perforazione dei fondali oceanici

• La perforazione dei fondali oceanici iniziò nel 1961 con il Progetto Mohole, che aveva lo scopo di perforare la crosta oceanica fino a raggiungere la MOHO, per prelevare le rocce e studiarle.
• L'idea di questo progetto fu sviluppata da un gruppo di scienziati noto come American Miscellaneous Society, in cui figurava anche il geologo statunitense Harry Hammond Hess (1906 - 1969), autore della teoria dell'espansione dei fondali oceanici (1962).
• La perforazione, eseguita dalla nave CUSS I, giunse però solo fino ad una profondità di 183 metri, su un fondale profondo 3.600 metri al largo dell'Isola di Guadalupe.

CRUS CONTINENT MOHOL MANTLE 3 Prof.ssa Sonia Gelmetti - L'esplorazione dei fondali oceanici

Progetti di perforazione successivi

• La fase successiva delle ricerche continuò a partire dal 1968 fino al 1983 con il Progetto Deep Sea Drilling Project (DSPD), utilizzando la nave da perforazione Glomar Challenger; grazie a questo progetto furono perforati fondali nell'Oceano Atlantico, Pacifico, Indiano e anche nel Mediterraneo e nel Mar Rosso. La profondità massima raggiunta con la perforazione è circa 1.700 metri.
• Nel 1985 al 2003 ci fu un nuovo programma di perforazione, l'Ocean Drilling Program (OPD), con l'utilizzo della nave da perforazione JOIDES Resolution; furono effettuate 110 spedizioni e duemila perforazioni in tutti i bacini oceanici del pianeta fino ad una profondità di circa 2.100 metri.

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• Dal 2004 fino al 2013, grazie alla collaborazione di 26 paesi si è realizzato il Progetto Integrated Ocean Drilling Program (IODP), che ha previsto 52 spedizioni realizzate sia dalla nave JOIDES Resolution ma soprattutto dalla nave giapponese Chikyu (rimasta danneggiata con lo tsunami del 2011), con perforazioni fino a circa 3.300 metri.
• Dal 2013 la perforazione dei fondali oceanici continua con il progetto International Ocean Discovery Program, con l'intenzione di raggiungere la MOHO e quindi il mantello entro il 2030 grazie alla nave giapponese Chikyu Research Vessel, che possiede trivelle in grado di perforare fino a 7.000 metri.
• Pur non avendo ancora raggiunto la MOHO, le perforazioni dei fondali oceanici hanno permesso ai geologi di conoscere la composizione della crosta oceanica, costituita da gabbri ir profondità (in parte anche metamorfosati) e da basalti a pillow sotto gli strati di copertura sedimentaria coerente ed incoerente.

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Rilevamento con tecniche batimetriche

• Solamente una piccola parte dei fondali oceanici è stata rilevata (nemmeno il 15%), pertanto la ricostruzione della morfologia dei fondali oceanici è al momento parziale, anche se ci sono strutture geologiche che si presumono analoghe per tutti gli oceani.
• primo tentativo di rilevare i fondali oceanici risale agli anni tra il 1872 e il 1876 con la nave Challenger, che percorse tutti gli oceani tranne quello Artico.
• Per indagare la morfologia dei fondali si utilizzava lo scandaglio, costituito da un cavo munito di un peso: quando il peso toccava il fondo, si leggeva la profondità sul filo graduato tramite nodi.
• Si tratta in realtà di uno strumento utilizzato fin dall'antichità per conoscere la profondità dei fondali.
• I dati che fornì la missione del Challenger furono molto utili per tentare una ricostruzione della morfologia dei fondali, e anche per il posizionamento dei cavi di comunicazione transatlantici nella prima metà del Novecento.

Drawn from DWH Osculati SpA Prof.ssa Sonia Gelmetti - L'esplorazione dei fondali oceanici

Ecoscandaglio e Sonar

• Nel 1913 il tedesco Alexander Behm inventò l'ecoscandaglio, uno strumento che utilizzava la produzione di onde sonore e la loro riflessione da parte dei fondali per misurarne la profondità.
• La distanza della chiglia rispetto al fondale è misurata moltiplicando la metà del tempo impiegato dall'impulso sonoro (andata e ritorno) con la velocità del suono nell'acqua (circa 1,5 km/secondo): t/2 · 1,5 km/s. Per esempio, se il tempo di andata e ritorno dell'impulso sonoro è uguale a 4,7 secondi, la profondità del fondale è: p = 4,7 s / 2 · 1,5 km/s = 3,525 km, ossia circa 3.500 metri.
• L'ecoscandaglio è uno strumento che permette di localizzare gli ostacoli solamente nello spazio sotto l'imbarcazione, e il suo maggior uso è per identificare i branchi di pesci per la pesca.
• Dall'ecoscandaglio però nel 1917 è stato sviluppato da Paul Langevin il sonar, che presenta lo stesso tipo di funzionamento dell'ecoscandaglio, ma è in grado di visualizzare gli ostacoli nello spazio tutto intorno all'imbarcazione.

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• Il sonar ebbe larghissimo impiego per scopi militari soprattutto nel corso della Seconda Guerra Mondiale. Nel secondo dopoguerra fu sviluppato dalla Marina degli Stati Uniti il sonar a scansione laterale, utilizzato per la ricerca di imbarcazioni affondate e ordigni inesplosi.

Sonar a scansione laterale

Il sonar a scansione laterale (sidescan sonar) consiste in uno strumento della forma di un siluro che viene trainato da un'imbarcazione; questo sonar emette un ventaglio di onde sonore su entrambi i lati dell'imbarcazione, e consente un'esplorazione molto più vasta dei fondali.

1 Tow depth up to 8m (26ft) 20m (65ft) towing cable Tow at 1 to 5 knots Shows targets (like cables) as small as 2%cm (1") 100m (320ft) acoustic range Prof.ssa Sonia Gelmetti - L'esplorazione dei fondali oceanici

Sonar multibeam e progetto SEABED 2030

• Un altro tipo di sonar, il sonar multibeam, è stato perfezionato nel corso degli anni Novanta del Novecento; il multibeam è montato sotto la chiglia dell'imbarcazione e produce un ventaglio molto ampio di onde sonore, che sono rilevate da sensori posti a diverse angolazioni sulla nave.
• L'indagine dei fondali con sonar multibeam è molto lenta, infatti le navi possono viaggiare ad una velocità massima di 20 km/ora, è per questo motivo che fino ad ora non si è andati oltre il 15% di mappatura dei fondali.
• Nel 2018 ha avuto avvio un progetto internazionale di mappatura di tutti i fondali oceanici del pianeta, il SEABED 2030, che prevede di concludersi con successo entro il 2030, grazie all'utilizzo di un elevato numero di navi con sonar multibeam.

GPS antenna transducer Transmit/beam swath single beams Receive beam surveyed seabed Prof.ssa Sonia Gelmetti - L'esplorazione dei fondali oceanici

I profili sismici a riflessione

• La sismica a riflessione è un metodo di indagine geofisica che sfrutta le onde sismiche prodotte artificialmente per indagare le strutture rocciose del sottosuolo e dei fondali marini.
• Quali sorgenti sismiche si utilizzano sulla terraferma esplosivi tradizionali (dinamite) sepolti in pozzi appositamente scavati; esplosivi tradizionali si usavano un tempo anche in mare, ma negli anni Settanta del Novecento questo utilizzo è stato messo al bando in tutto il mondo per i danni ambientali che causava.
• Si è iniziato pertanto ad utilizzare cannoni ad aria compressa (air gun) trainati da navi, ma attualmente si pensa di mettere al bando anche questa modalità, perché sembra danneggiare i grandi cetacei, quali delfini, orche, balene.

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Registrazione e utilizzo dei profili sismici

• Le onde sismiche sono registrate da geofoni sulla terraferma, e da idrofoni trainati dalla nave stessa nel caso di indagini del fondale; la registrazione delle onde sismiche permette una ricostruzione delle strutture rocciose in profondità.
• I profili sismici a riflessione sono molto utilizzati dalle compagnie petrolifere per la ricerca di giacimenti di petrolio, sia in superficie sia sui fondali marini ed oceanici. I dati provenienti da queste indagini petrolifere tuttavia hanno permesso di avere molte informazioni sulla struttura della crosta oceanica e anche della crosta continentale sommersa; per esempio, il grande cratere di Chicxulub nel Golfo del Messico è stato identificato con questa tecnica.

survey ship source of shock waves (air gun) hydrophones Linea di costa sea bed sedimentary rock layers path of reflected waves unconformity. impermeable rock water porous reservoir rock Prof.ssa Sonia Gelmetti - L'esplorazione dei fondali oceanici

La morfologia dei fondali oceanici

• Si distinguono tre zone tipiche nei fondali oceanici: i margini continentali attivi e passivi, i bacini oceanici profondi, le dorsali oceaniche.

I margini continentali attivi

• Questo tipo di margini continentali si trovano soprattutto lungo l'anello di fuoco del Pacifico, ma anche in altre zone geologicamente molto attive, come per esempio le Antille e il Mediterraneo.
• Il confine tra litosfera continentale e litosfera oceanica è rappresentato dalla fossa oceanica, una depressione lineare e molto profonda che corre grosso modo parallela al margine continentale.
• Le fosse oceaniche sono lunghe migliaia di metri, profonde al massimo quasi 11 km e molto strette, al massimo 100 km.

prisma di accrezione Catena tiera fossa costiera Fossa Crosta continentale Prof.ssa Son ja Gelmetti - L'esplorazione dei fondali oceanici

• Le fosse oceaniche hanno un profilo a V, ma i due versanti della fossa non sono identici: quello verso l'oceano è poco ripido, mentre quello verso il continente o l'arco insulare è molto ripido e alla sua base si trova un accumulo di sedimenti caotici (detti melanges) di rocce sedimentarie marine (per la maggior parte), metamorfiche e anche ignee di crosta oceanica, detto prisma o cuneo di accrezione.

I margini continentali passivi

• In questi tipi di margine, il confine tra litosfera continentale e litosfera oceanica è rappresentato dalla scarpata continentale.
• Si tratta di un declivio largo in media una ventina di km, con una pendenza che varia da 5° a 25°, che raccorda la piattaforma continentale con la piana abissale.

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