Enthüllung des Konturit-Ablagerungssystems in der Vema-Bruchzone (Zentralatlantik)

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13834 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Eine Kombination aus hohem Sedimenteintrag und intensiven Bodenströmungen führt häufig zur Bildung von Konturiten (Sedimente, die durch Bodenströmungen abgelagert oder erheblich umgearbeitet werden). Beide Komponenten sind im Tal der Vema-Bruchzone vorhanden, dem wichtigsten Durchgang für die Verteilung des antarktischen Grundwassers vom Westen in den Nordosten des Atlantiks. In mehr als einem halben Jahrhundert Forschung wurden in dieser Region jedoch keine Konturitverwehungen, Gräben oder Konturitkanäle gefunden. Das vorherrschende Sedimentationsparadigma geht davon aus, dass die Sedimentation in dieser Region während des Pleistozäns überwiegend von Trübungsströmen bestimmt wurde. Diese Arbeit beschreibt das erste Beispiel eines Konturit-Ablagerungssystems, das in der Vema-Bruchzone identifiziert wurde. Die Entdeckung wurde durch detaillierte hochauflösende Profilierung des Unterbodens sowie numerische Modellierung und direkte Messungen der Bodenströmungsgeschwindigkeiten gemacht. Solche Systeme sind in Bruchzonen äußerst selten. Diese Studie unterstreicht die Bedeutung weiterer Untersuchungen von Konturiten entlang der Vema-Bruchzone auf der Grundlage moderner Konzepte von Konturiten und gemischten Ablagerungssystemen. Die Arbeit betont auch die Notwendigkeit, den Einfluss von Bodenströmungen auf die Sedimentation in dieser Region und insbesondere in den schmalen Abschnitten des Bruchzonentals neu zu bewerten.

Konturitablagerungen in den Tiefseebereichen des Atlantiks dienen als Aufzeichnungen der Aktivität des Nordatlantischen Tiefenwassers (NADW) und des Antarktischen Grundwassers (AABW)1,2, die wichtige Teile der atlantischen meridionalen Umwälzung sind. Das AABW verteilt sich im Atlantik über eine Reihe von Tiefwasserpassagen (z. B. Vema Channel, Kane Gap, Discovery Gap, Romanche Fracture Zone). Die mit diesen ozeanischen Durchgängen verbundenen Konturitablagerungssysteme (CDS) sind von entscheidender Bedeutung für die Untersuchung der Geschichte der AABW-Aktivität und ihrer Auswirkungen auf die Sedimentation1,3,4,5,6,7 (auf einer Skala von Hunderttausenden und Millionen von Jahren). . Eine Familie langversetzter Bruchzonen (FZ) ist ein charakteristisches Merkmal der Morphologie des Zentralatlantiks8,9. Sie stammen aus dem ersten Aufbrechen des Atlantiks und dienen als entscheidende Pfade für die AABW-Ausbreitung vom westlichen in den östlichen Teil des Ozeans10. Allerdings ist diese Region in den modernen CDS-Verteilungsdatenbanken immer noch ein ziemlich weißer Fleck11,12,13. Ein seltenes Beispiel einer spezifischen Studie, die sich auf Konturite innerhalb der Bruchzonen des Zentralatlantiks konzentriert, ist die Arbeit von Westall et al.14, die die Sedimentwellen an der Flanke des nördlichen Querrückens beschreibt, der an die Romanche FZ grenzt.

Die Vema FZ ist eine der markantesten Bruchzonen in der Region. Es spielt eine entscheidende Rolle bei der AABW-Ausbreitung vom West- in den Nordostatlantik. Der AABW-Transport übertrifft den in jeder anderen Bruchzone des Zentralatlantiks beobachteten Transport15,16,17,18,19,20. Trotz des intensiven AABW-Nettoflusses durch die FZ und des hohen Sedimenteintrags21,22,23,24 wurden in dem Gebiet nur wenige Konturitenmerkmale dokumentiert. Heezen et al.21 entdeckten auf Bodenfotos aus dem Tal der Bruchzone Wellen, Scheuerstellen und Winnow-Markierungen. Kastens et al.25 berichteten über die sinusförmigen Sedimentkörper, die innerhalb und in der Nähe der Haupttransformationszone im östlichen Teil des aktiven Transformationstals verteilt sind. Die Sedimentbedeckung in dieser Zone unterliegt erheblichen Verformungen nach der Ablagerung25. Dennoch bevorzugten die Autoren die Ablagerungshypothese (nicht-tektonische Hypothese) für die Entstehung dieser Strukturen und interpretierten sie als vergrabene Sedimentwellen.

Aktive Untersuchungen der Sedimentbedeckung innerhalb der Vema FZ fanden während der Dominanz des Turbidit-Paradigmas22,25,26,27,28 statt, das zum primären Paradigma für die Tiefseesedimentation in der Region wurde. Es ist allgemein anerkannt, dass die Sedimentation im Vema-FZ-Tal hauptsächlich durch Schwerkraftflüsse vom südamerikanischen Kontinentalhang gesteuert wurde (zumindest während des Pleistozäns)21,27,29. Diese Schlussfolgerung basiert größtenteils auf Studien, die sich auf den aktiven Teil der Bruchzone zwischen den beiden Ridge-Transformation Intersections (RTIs)21,22,25,26,27,30 konzentrierten. Diese Arbeit untersucht einen wenig erforschten Sektor des Vema FZ, der östlich des östlichen RTI liegt. Es berichtet über die Entdeckung eines Ablagerungssystems aus Gräben und Stollen innerhalb des Tals der Bruchzone. Dies stellt ein bemerkenswertes und seltenes Vorkommen im Atlantischen Ozean dar (einige weitere Beispiele werden von Uenzelmann-Neben und Gohl31, Scrutton und Stow32 beschrieben), das für die Weiterentwicklung der Konturitendriftklassifizierung und für die Erweiterung des Verständnisses der Umgebungen, in denen es sich befindet, wichtig ist es können sich Verwehungen bilden. Die Studie basiert auf den Ergebnissen der Analyse hochauflösender Unterbodenprofile und der erstmals im untersuchten Teil der Bruchzone durchgeführten numerischen Modellierung der Bodenströmungsgeschwindigkeiten. Die hier präsentierten Ergebnisse ermöglichen eine neue Perspektive auf die Sedimentation im Untersuchungsgebiet, betrachtet durch die Linse moderner konzeptioneller Paradigmen für Konturit- und gemischte Ablagerungssysteme (klar zusammengefasst von Hernández-Molina et al.33). Diese Arbeit leugnet jedoch nicht den signifikanten Beitrag der Trübungsströme vom südamerikanischen Hang zur Sedimentauffüllung des Bruchzonentals.

Die Vema FZ liegt zwischen 52° W und 23° 30′ W und erstreckt sich über etwa 2300 km entlang 10° 50′ N (Abb. 1a). Es verfügt über ein 15–20 km breites flaches Tal (Abb. 1a) in einer Wassertiefe von über 5100 m21,25, das im Norden durch einen steilen Hang und im Süden durch die Nordflanke des markanten Vema-Querrückens begrenzt wird10,34. Die Mächtigkeit der Sedimente, die die raue Untergrundtopographie bedecken, erreicht 1,5 km21,25,26. Es wird angenommen, dass es sich bei den Sedimenten, die den Trog füllen, überwiegend um Trübungen handelt, die hauptsächlich während des Pleistozäns abgelagert wurden21,27,29. Die Trübungsströme drangen aus der Demerara-Abgrundebene in die Vema FZ ein und brachten das vom Kontinent stammende Material in das Transform-Tal. Im Osten (bei ~ 41° W) ist das Transform-Tal durch einen 1,2 km hohen Mittelkamm blockiert, der eine weitere Ausbreitung von Schwerkraftflüssen nach Osten verhindert22,25,30,35 (Abb. 1a). Dieser Grat ist ein bemerkenswertes topografisches Merkmal, das im Vema-Transformationstal in der Nähe der östlichen Grat-Transform-Kreuzung hauptsächlich aufgrund einer tektonischen Hebung von Krustenblöcken entstanden ist30. Das Alter der Mittelkammformation bleibt unklar. Es ist bekannt, dass es sich bei dem Bergrücken nicht um ein sehr junges vulkanisches Bauwerk handelt30 und dass sein westliches Ende im Pleistozän eine Hebung mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 mm/Jahr erfahren hat25.

(a) Die allgemeine Bathymetrie der Vema-Bruchzone36 mit den allgemeinen Richtungen der AABW-Strömung19; Das gestrichelte Quadrat markiert die Lage des Untersuchungsgebiets, die roten Linien markieren die in dieser Arbeit dargestellten Unterbodenprofile. (b) Bathymetrisches Schema des Untersuchungsgebiets36 mit Lage der Unterbodenprofile und Richtungen der AABW-Strömung; rote Linien markieren die in dieser Arbeit dargestellten Unterbodenprofile; (c) Ergebnisse der numerischen Modellierung der Bodenströmungsgeschwindigkeiten im Untersuchungsgebiet unter Verwendung des Ocean Model des Institute of Numerical Mathematics (INMOM); (d) Ergebnisse direkter Messungen der Bodenströmungsgeschwindigkeiten mit einem Lowered Acoustic Doppler Current Profiler (LADCP). Der Einschub oben rechts zeigt die allgemeinen Richtungen der AABW-Ausbreitung vom Südwesten zum Nordostatlantik19,36, der Stern markiert den Standort des Untersuchungsgebiets. MAR – Mittelatlantischer Rücken, VFZ – Vema-Bruchzone, RFZ – Romanche-Bruchzone; NP1-5 – schmale Passagen, die im Text beschrieben werden. Bathymetrische Schemata aus (a–d) basieren auf dem Datensatz GEBCO_2022 (https://www.gebco.net/data_and_products/gridded_bathymetry_data/gebco_2022/).

Das Untersuchungsgebiet umfasst einen Teil der FZ zwischen 40° W und 38° 38′ W (Abb. 1b). Die Verengung des Troges in diesem Bereich bildete eine Reihe ellipsoider Vertiefungen, die mit Sedimenten gefüllt und von steilen Hängen (Wänden) umgeben waren. Die Neigungswinkel betragen an der Süd- und Nordwand 23° bzw. 45°36. Die Senken sind durch kleine Gänge in der Nähe der Südwand miteinander verbunden. Diese Passagen sind von West nach Ost mit NP1–NP5 nummeriert. Das Untersuchungsgebiet liegt zwischen NP3 und NP5 (Abb. 2b).

Aufzeichnung der Profilierung unterhalb des Bodens über den Stollen und Graben in der westlichen Senke (a) mit Interpretation (b), die Lage der Profile ist in Abb. 1b dargestellt; (c) eine zusammenfassende Beschreibung der akustischen Struktur der oberen Sedimentdecke im Untersuchungsgebiet.

Die Wassertiefe in den Passagen nimmt östlich von 5400 m (NP1, 40° 19′ W) auf 4600 m (NP5, 38° 39′ W) ab. Die beiden untersuchten sedimentgefüllten Senken haben Abmessungen von 8,5 × 31,5 km und 8,5 × 78 km. Die Sedimentfüllung sorgt für eine glatte Meeresbodenoberfläche in einem Wassertiefenbereich von 5300–5500 m36. Die Gesamtdicke der Sedimentbedeckung in diesen Senken ist weiterhin unbekannt. Im Folgenden werden diese Senken als westliche (kleinere) bzw. östliche (größere) Senke bezeichnet.

Die Bodenzirkulation im tiefsten Teil der Vema FZ wird durch das antarktische Grundwasser (Abb. 1) gesteuert, das dem unteren Nordatlantischen Tiefenwasser (LNADW) zugrunde liegt17,18,19,37,38,39. Das Fehlen allgemein anerkannter Kriterien zur Bestimmung der AABW/LNADW-Grenze in diesem Gebiet macht die Unterscheidung des von der AABW eingenommenen Tiefenbereichs nicht eindeutig19,38. Das LNADW ist durch ein lokales Maximum an Sauerstoff- und Fluorchlorkohlenwasserstoffgehalten17 gekennzeichnet. Gemäß den Schwankungen des gelösten Sauerstoffgehalts in der Wassersäule liegt die AABW/LNADW-Grenze im Untersuchungsgebiet in einer Tiefe von etwa 4100 m und entspricht der Isotherme von (potentielle Temperatur) θ = 1,7 °C17,38. Die AABW bewegt sich entlang der Vema FZ in allgemeiner östlicher Richtung19 (Abb. 1a,b). Die direkten Messungen der Strömungsgeschwindigkeit (~ 41° W) am nächsten zum Untersuchungsgebiet zeigten starke kurzfristige Schwankungen in der Richtung und Geschwindigkeit des AABW-Flusses (auf der Skala von Stunden und Tagen)35,38,39. Die gemessene Strömungsgeschwindigkeit erreichte 20–33 cm/s19,35,38. Die zeitlich gemittelten Geschwindigkeiten können anhand der Daten geschätzt werden, die mithilfe von Liegeplätzen mit Strömungsmessern in der Vema FZ35 gesammelt wurden. Diese Strömungsmesser zeigten, dass die Strömungsrichtung stark schwankte und die mittleren Geschwindigkeiten in der Tiefe von 5040 m etwa 2,9 und 3,7 cm/s betrugen, während die maximal beobachteten Geschwindigkeiten 33 cm/s erreichten. Wiederholte Messungen mit einem Lowered Acoustic Doppler Current Profiler (LADCP)39 legen nahe, dass die mittleren Geschwindigkeiten in den schmalen Schwellern der Bruchzone viel höher sind. Für genaue Berechnungen der mittleren Geschwindigkeit können jedoch nur langfristige Geschwindigkeitszeitreihen verwendet werden. Schätzungen des AABW-Transports durch die Vema FZ variieren erheblich (von 0,05 bis 2,4 Sv, 1 Sv im Durchschnitt, laut Vangriesheim35, McCartney et al.15, Fischer et al.16, Demidov et al.18,38, Morozov et al .20 und andere), abhängig von der angenommenen Tiefe der AABW/LNADW-Grenze, den Methoden zur Schätzung des Quadrats des Abschnitts und der Extrapolation der aktuellen Geschwindigkeiten19. Der gesamte AABW-Transport durch die Gruppe der Bruchzonen südlich der Vema FZ wurde auf 0,48 ± 0,05 Sv15,16,17,18,19,20 geschätzt. Der AABW-Transport in den östlichen Teil des Atlantiks durch die Brüche nördlich der Vema FZ ist höchstwahrscheinlich unbedeutend15,16,17,18,19,20.

Sowohl Modellierungen als auch direkte Messungen zeigen die relative Beschleunigung der AABW-Strömung innerhalb der engen Passagen und die weitere Verlangsamung in breiteren Teilen des Trogs (Abb. 1c, d). Die LADCP-Daten zeigen, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit von 49 cm/s am schmalen Durchgang mit der Bezeichnung NP1 auf 31 cm/s bei NP2 und 32 cm/s bei NP3 ändert. In der westlichen Senke (zwischen den Engstellen NP3 und NP4) erreicht die gemessene Bodenströmungsgeschwindigkeit 30 cm/s. Die Strömungsgeschwindigkeit sinkt bei NP4 auf 26 cm/s und in der östlichen Senke auf 18 cm/s.

Das numerische Modell bestätigt diese Daten im Allgemeinen. Im westlichen Tiefdruckgebiet schwanken die modellierten Geschwindigkeiten zwischen 29 cm/s nahe der Südwand und 8 cm/s nahe der Nordwand. In der östlichen Senke (zwischen (NP4 und NP5)) erreicht die modellierte Bodenströmungsgeschwindigkeit 15 cm in der Nähe der Südwand und verlangsamt sich auf 7 cm/s in der Nähe der Nordwand.

Im untersuchten Teil der Bruchzone werden mehrere Abflüsse von Grundwasser durch die Nordwand des Vema FZ beobachtet (Abb. 1c,d). Numerische Modellierungen legen nahe, dass bedeutende Abflüsse bei 39° 33′ W, 39,0° W und 38,7° W liegen. Ein Teil des Grundwassers kann sich durch NP5 weiter nach Osten ausbreiten.

Beide in der Studie untersuchten Senken zeichnen sich durch ähnliche Veränderungen im Sedimentfüllungsmuster aus. Von Westen nach Osten verwandelt sich das hügelige Füllmuster auf der Überlappung allmählich in eine divergente Füllung (Abb. 2, 3, 4, 5 und 6, ergänzende Abb. S2–4). Entlang des Fußes der Südwand erstrecken sich zwei lineare kanalartige topografische Strukturen mit einer Tiefe von etwa 5–20 m und einer Breite von 1–3 km (Abb. 2a, b, 4). Es kann zwischen 39° 54′ und 39° 42′ W in der westlichen Senke und zwischen 39° 21′ W und 39° 03′ W in der östlichen Senke verfolgt werden. Die relative Tiefe der Merkmale nimmt von den schmalen Passagen NP3 bzw. NP4 aus allmählich nach Osten ab (Abb. 4, 5).

Aufzeichnungen zur Profilierung des Unterbodens aus der westlichen Senke (a,c) mit Interpretationen (b,d). Die Lage der Profile ist in Abb. 1b dargestellt. Die Legende zur Interpretation ist in Abb. 2c angegeben.

Unterbodenprofilierungsaufzeichnungen über den Stollen und Graben in der östlichen Senke (a,c) mit Interpretationen (b,d), die Lage der Profile ist in Abb. 1b dargestellt. Die Legende zur Interpretation ist in Abb. 2c angegeben.

Unterbodenprofilierungsaufzeichnungen aus dem Bereich des AABW-Ausflusses durch die Nordwand, östliche Senke (a,c) mit Interpretationen dieser Aufzeichnungen (b,d), die Lage der Profile ist in Abb. 1b dargestellt. Die Legende zur Interpretation ist in Abb. 2c angegeben.

(a–d) Profilierungsaufzeichnungen unterhalb des Bodens in den Bereichen außerhalb der Grenzen des Konturit-Ablagerungssystems; (e) Profilierungsaufzeichnung unterhalb des Bodens, die die Auswirkung der tektonischen Aktivität auf die Sedimentbedeckungsstruktur im Vema-Transformationstal zeigt. Die Lage der Profile ist in Abb. 1a,b dargestellt.

Die Struktur der oberen Sedimentdecke im Untersuchungsgebiet ist in vier seismische Einheiten (VE1–4) unterteilt, die von unten nach oben nummeriert und hier in der gleichen Reihenfolge beschrieben werden (Abb. 2). Die unterste Einheit VE1 wurde nur in der westlichen Senke nachgewiesen (Abb. 3). Das Gerät zeigt die akustische Schichtung mit subparallelen, intermittierenden, leicht wellenförmigen Reflektoren. Die untere Grenze der Einheit wurde aufgrund unzureichender akustischer Durchdringung nicht definiert. Die obere Grenze ist größtenteils undeutlich. In der westlichen Senke in der Nähe von NP3 gibt es Hinweise auf eine Reflektorkürzung an der Oberseite der Einheit (Abb. 2a, b). Die Verkürzung ist nur in der Nähe der Südwand zu beobachten.

Die Einheit VE2 ist gleichmäßig und nahezu akustisch transparent mit einer Dicke von 8–14 ms Zwei-Wege-Laufzeit (TWTT). Von oben wird es durch eine Winkelabweichung begrenzt. Die Einheit ist vor allem in den Aufzeichnungen aus dem westlichen Tiefdruckgebiet zu erkennen (Abb. 3).

Die Gesamtgeometrie der Einheit VE3 ändert sich in beiden untersuchten Senken ähnlich. Die linsenartige nach oben konvexe Geometrie im Westen geht in eine nach unten konvexe Geometrie im Osten über (Abb. 2a, b, 3, 4, 5). Die Dicke der Einheit weist seitliche Schwankungen auf. Sie nimmt von der Trogachse zu den Wänden hin ab. In der östlichen Senke ist die Einheit doppelt so dick wie in der westlichen (80 ms bzw. 40 ms) (Abb. 2a, b, 4). Die internen Reflexionsmuster der Einheit VE3 zeigen Variationen sowohl in vertikaler als auch in seitlicher Richtung (NS und WE). Die vertikale Struktur der Einheit ist durch die Einlagerung geschichteter und relativ transparenter Untereinheiten gekennzeichnet, die durch Diskordanzen begrenzt sind (Abb. 4, 5). Fünf Untereinheiten sind von unten nach oben als VE3a-e nummeriert (Abb. 2c). Die Untereinheiten wurden im westlichen Teil der östlichen Senke entdeckt und sind in dem Bereich, in dem die Mächtigkeit der Einheit VE3 abnimmt, nicht mehr zu unterscheiden. Transparente Untereinheiten nehmen an Dicke zu und dominieren in der vertikalen Struktur hauptsächlich in der Nähe der Südwand (Abb. 4). In den Bereichen, in denen sich das Grundwasser jedoch nach Norden wendet und die Mulde bei 39,0° W verlässt (Abb. 1c, d), nehmen die akustisch transparenten Ablagerungen am Fuß der Nordwand an Dicke zu (Abb. 5). Geschichtete Untereinheiten zeigen ein Progradationsmuster mit internen Winkelabweichungen und Reflektorkürzungen (Abb. 4), während die gesamte Einheit VE3 im Allgemeinen aggradatorisch ist.

Die oberste Einheit VE4 zeigt keine internen Reflexionen. Es verdeckt die Unregelmäßigkeiten der darunter liegenden Einheit und glättet die Meeresbodenoberfläche. Die Einheitsdicke nimmt östlich von 6 ms in der kleineren westlichen Senke auf weniger als 1,5 ms (TWTT) in der östlichen ab.

Östlich von NP5 erfasste die Profilierung unter dem Boden hauptsächlich akustisch geschichtete Ablagerungen ohne Hinweise auf die oben beschriebenen Einheiten (Abb. 6d).

Tektonische Prozesse beeinflussten die Struktur der Sedimentbedeckung westlich des Mittelkamms im aktiven Vema-Transformationstal 25, 26, 40 erheblich (Abb. 6e, ergänzende Abb. S5). Die Verformungen nach der Ablagerung sind dort sogar auf der Meeresbodenoberfläche zu erkennen25,26. Allerdings ergab die Analyse der Profilierungsdaten unterhalb des Bodens im oberen Teil der Sedimentbedeckung der untersuchten Senke keine Hinweise auf Verwerfungen oder Verformungen, die durch tektonische Aktivität verursacht wurden.

Der Mittelkamm verhinderte die Ausbreitung der Schwerkraftströme nach Osten, die sich vom südamerikanischen Kontinentalhang zum Transform-Tal bewegten22,25,30,35. Das Alter der Mittelkammbildung bleibt unbekannt25,26,30. Es ist jedoch bekannt, dass der Bergrücken bereits im Pleistozän existierte25,30. Aufgrund der Isolation vom direkten Einfluss der Trübungsströme vom Kontinentalhang wurde die Sedimentation im Untersuchungsgebiet durch das Zusammenspiel zwischen strömungsbedingten Prozessen, pelagischen Ablagerungen und Schwerkraftflüssen von der Nord- und Südwand gesteuert. Heezen et al.21 schlugen vor, dass in der Region östlich des Mittelkamms Schwerkraftströme kalkhaltiges Material von den Wänden ins Tal transportieren könnten. Trotz der Meerestiefe von über 5000 m und der allgemein hohen Fähigkeit von AABW, Kalziumkarbonat aufzulösen, bildet das kalkhaltige Material in der Vema FZ Schichten mit einer Dicke von mehreren zehn bis mehreren hundert Zentimetern21. Die Morphologie des Meeresbodens im Untersuchungsgebiet beeinflusst maßgeblich die Geschwindigkeit der Bodenströmungen, die wiederum die Sedimentation beeinflussen. Der Mittelkamm als markantes topografisches Hindernis führt durch die Verengung und Verflachung des Tals zu einer Erhöhung der Bodenströmungsgeschwindigkeit. Die beschleunigte Grundwasserströmung behält hohe Geschwindigkeiten bei, da die kinetische Energiedissipation und die relative Beschleunigung in den engen Passagen gering sind (Abb. 7). Der gleiche Effekt wurde in anderen Bruchzonen des Atlantiks beobachtet39,41.

Die Lage der Stollen und Wassergräben wird auf der Verteilungskarte der modellierten Bodenströmungsgeschwindigkeiten eingeblendet, mit zusammengefassten Merkmalen der seismischen Struktur der oberen Sedimentbedeckung. Das Bathymetrieschema des Untersuchungsgebiets basiert auf dem GEBCO_2022-Datensatz36 (https://www.gebco.net/data_and_products/gridded_bathymetry_data/gebco_2022/).

Die AABW-Strömung könnte bei der Verteilung des durch Schwerkraftströme bereitgestellten terrigenen Materials entlang des Transform-Tals helfen und das feine suspendierte Sedimentmaterial über den Mittelkamm zum Untersuchungsgebiet transportieren (Abb. 8). Die Schwankungen der Bodenströmungsgeschwindigkeit und der Zufuhr von terrigenem Material könnten zur Bildung von Ablagerungen mit kontrastierenden Variationen in Zusammensetzung, Dichte und akustischer Impedanz führen. Folglich weisen diese Ablagerungen in den Profilaufzeichnungen unterhalb des Bodens eine geschichtete Struktur auf. Es wird vermutet, dass die akustisch transparenten Sedimente eine homogenere, überwiegend kalkhaltige Zusammensetzung haben (aufgrund der begrenzten Versorgung des Untersuchungsgebiets mit terrigenem Material). Sowohl Schwerkraftströmungen von den Wänden als auch pelagische Ablagerungen brachten hauptsächlich biogenes Kalkmaterial mit sich, das (wie von Heezen et al.21 vorgeschlagen) durch Bodenströmungen umgearbeitet werden konnte. Die zyklische Interkalation akustisch geschichteter und transparenter Einheiten erfolgte höchstwahrscheinlich eher als Reaktion auf klimatische und ozeanografische Veränderungen (z. B. eustatische Meeresspiegeländerungen) als auf tektonische Prozesse. Der Abfall des Meeresspiegels während der Eiszeiten verursachte eine starke Erosion der südamerikanischen Schelfe42, leitete den Abfluss des Amazonas direkt in die Tiefwasserbereiche und verstärkte schwerkraftbedingte Prozesse, die Sedimentmaterial in Richtung Vema FZ transportierten43,44,45. Frühere Studien berichteten über die erhöhte AABW-Stromaktivität im Vema Channel und Discovery Gap während der Eiszeiten und insbesondere an deren Enden1,7. Diese Passagen liegen auf dem Weg der AABW vor und nach der Vema FZ und spielen auch eine entscheidende Rolle bei der AABW-Ausbreitung im Atlantik. Während der Zwischeneiszeit stiegen der Meeresspiegel und die biologische Produktivität, während der Eintrag des Amazonas-Sedimentmaterials in die Tiefsee und die Erosions- und Ablagerungsaktivität der AABW abnahmen. Dennoch erlauben all diese Annahmen über die glazial-interglaziale Entstehung akustisch geschichteter und transparenter Ablagerungen keine eindeutige Schätzung des Einheitsalters.

Eine Skizze, die das Zusammenspiel der wichtigsten Sedimentationsprozesse im Untersuchungsgebiet zeigt.

Die Einheiten VE1 und VE2 weisen keine eindeutigen Anzeichen von Konturiten auf und dienten als Substrat für die Entwicklung des Konturitenablagerungssystems, das in Einheit VE-3 passt. Innerhalb dieser Einheit wurden kanalartige Strukturen erkannt, die leicht in Richtung der Südwand wandern (eine Struktur in jeder Vertiefung) (Abb. 2a, b, 4b, d). Eine seitliche Verfolgung dieser Merkmale ergab zwei kleine „Kanäle“, die sich entlang des Fußes der Südwand erstreckten (Abb. 7). Ihre Lage entspricht dem Bereich der erhöhten Werte der modellierten Bodenströmungsgeschwindigkeiten (Abb. 7). Das Hoch Strömungsgeschwindigkeiten in der Nähe der Südwand hängen mit der Verschiebung der AABW-Strömung nach rechts von der Strömungsrichtung zusammen, was durch numerische Modellierung deutlich gezeigt wird (Abb. 1c, 7). Dieser wichtige Aspekt der abyssalen Wasserdynamik kommt in der Studie vor Gebiet trotz des niedrigen Breitengrads und des entsprechend niedrigen Coriolis-Parameters. Die Bedeutung der Coriolis-Kraft für die Struktur des Grundwassers in der Vema FZ wurde auch von Frey et al. gezeigt.46. Die aufgedeckten kanalartigen Strukturen haben größere relative Tiefen und Breiten in der Nähe der westlichen Teile der Senken, wo der beschleunigte Wasserfluss die engen Passagen NP3 bzw. NP4 verlässt. Weiter östlich nimmt die Strömungsgeschwindigkeit ab, diese Merkmale kommen in der Topographie des Meeresbodens weniger zum Ausdruck und verschwinden im mittleren Teil die Depressionen. Dem oben Gesagten zufolge wurden diese Merkmale als Wassergräben interpretiert, die unter dem Einfluss der AABW-Strömung entstanden sind. Wie aus ihrer Definition hervorgeht, sollten Wassergräben mit Konturitverwehungen in Zusammenhang stehen11. Die nach oben konvexen, linsenartigen Ablagerungskörper, die innerhalb der Einheit VE3 und neben den Wassergräben zu erkennen sind, gelten als begrenzte Konturitverwehungen (Abb. 2, 4, 5, 7). Diese Interpretation wird durch die Lage der Ablagerungskörper, das Vorhandensein von Wassergräben, die Hügelgeometrie (mit asymmetrischem Hügel und Wassergraben), eine allgemeine Abwärtsströmungsdehnung, Erosionsdiskontinuitäten an der Basis und innerhalb der Stollen, weitgehend linsenförmig und nach oben konvex gestützt seismische Einheiten, niedrige bis mittlere Amplitude, subparallele kontinuierliche und intermittierende Reflektoren47,48,49,50,51. Die transparenten und geschichteten Untereinheiten innerhalb der Stollenstruktur entsprechen verschiedenen Stadien der Stollenbildung. Die intensivste AABW-Strömungsaktivität während der glazialen-interglazialen Übergänge könnte für die Bildung der markanten internen Diskordanzen zwischen den geschichteten und transparenten Einheiten und Untereinheiten VE3a/VE3b, VE3c/VE3d, VE3e/VE4 verantwortlich sein (Abb. 2a, 4b). ,D). Die höhere Bodenströmungsgeschwindigkeit in der westlichen Senke, wie aus der numerischen Modellierung und den direkten Messungen abgeleitet (Abb. 1c, d), verursachte eine aktivere Erosion im Vergleich zur östlichen Senke (Abb. 2a, b). Dies erklärt den zweifachen Unterschied in der Mächtigkeit der untersuchten Stollen und weniger eindeutige Hinweise auf eine Interkalation zwischen geschichteten und transparenten Untereinheiten in der westlichen Senke. Die Erosion durch Bodenströmungen könnte auch die Spuren der Driftwanderung durch die Erweiterung der Gräben zerstören (Abb. 2a,b, 4).

Die Stollen haben seitliche Abmessungen von etwa 20 × 7 km bzw. 36 × 6 km in der westlichen bzw. östlichen Senke. Die östlichen Grenzen der Stollen und Gräben entsprechen der Abnahme der modellierten Strömungsgeschwindigkeit unter ~ 10 cm/s und den Regionen, in denen ein Teil des AABW durch die Nordwand abfließt. Es ist zu beachten, dass das simulierte Geschwindigkeitsfeld die modernen mittleren Klimawerte der aktuellen Geschwindigkeiten darstellt. Wie oben erwähnt, könnten die Bodenströmungsgeschwindigkeiten in der geologischen Vergangenheit im Vergleich zu modernen Strömungen stärker sein. Da wir die Prozesse, die durch Geschwindigkeitsschwankungen auf der synoptischen und saisonalen Skala ausgelöst werden können, nicht berücksichtigt haben, können die modellierten Geschwindigkeiten erheblich von den mit LADCPs erhaltenen gleichzeitigen Geschwindigkeiten abweichen. Dieses Merkmal der Bodenstromsimulationen wurde ausführlich in Frey et al.52 diskutiert. Wie auch immer, gemäß der Gebirgsform-Geschwindigkeitsmatrix53 ist 10 cm/s die niedrigste aktuelle Geschwindigkeitsgrenze für die Bildung von Konturit-Ablagerungsmerkmalen in einer abgrundtiefen Umgebung. Die Gabelung des AABW-Stroms und die Bewegung seines Teils durch die Nordwand könnten schließlich das Strömungsmuster in den Senken in einer Weise verändern, die die Bildung von Konturitmerkmalen behindern würde. Die relative Zunahme der Dicke der transparenten Einheiten am Fuß der Nordwand im Bereich des AABW-Ausflusses bei 39,0° W (Abb. 5) wurde möglicherweise durch die Aktivität von schwerkraftgetriebenen Prozessen verursacht, die durch die Bodenströmungen induziert wurden. Der intensiv pulsierende Wasserstrom, der sich durch die Gänge in der steilen Nordwand bewegt, könnte die Instabilität lockerer Kalksedimente erhöhen und Trübungsströme auslösen (Abb. 8). In den anderen Unterbodenprofilen in der Nähe der AABW-Ausflüsse bei 39° 33′ W und 38,7° W gibt es jedoch keine eindeutigen Hinweise auf die Aktivität schwerkraftbedingter Sedimentationsprozesse (Abb. 3c, 6b). Der relativ schnelle Wasserfluss, der durch die Corioliskraft zur Südwand gedrückt wird, könnte auf die gleiche Weise funktionieren. Das von der Südwand stammende und durch Trübungsströme transportierte Sedimentmaterial könnte durch die AABW-Strömung umgearbeitet und an der Driftbildung beteiligt werden (Abb. 8). Dies könnte die Verbreitung akustisch transparenter Ablagerungen entlang der Wassergräben am Fuße der Südmauer erklären.

Aufgrund der geografischen Nähe, der Ähnlichkeit der Entstehungsprozesse und der seismischen Struktur können die entdeckten Stollen und Gräben als Konturit-Ablagerungssystem betrachtet werden. Vertikale Setzungen und Schwerkraftströmungen von der Nord- und Südwand spielten bei der Systembildung eine untergeordnete Rolle, weshalb das System nicht als gemischt einzustufen ist.

Die einheitliche Einheit VE4 entspricht dem relativ ruhigen modernen Stadium der Bildung der oberen Sedimentdecke im Untersuchungsgebiet. Dies bedeutet, dass das Konturit-Ablagerungssystem derzeit inaktiv ist. Die Art der Ablagerungen in den Senken außerhalb der Stollen und Gräben bleibt fraglich.

Die Analyse der Profilierungsdaten unterhalb des Bodens in Kombination mit den Ergebnissen direkter Messungen und numerischer Modellierung der Bodenströmungsgeschwindigkeiten ergab, dass die AABW-Strömung eine sehr wichtige Rolle bei der Bildung des oberen Sedimentbedeckungssektors der Vema FZ östlich davon spielte östliches RTI. Die Topographie des Meeresbodens beeinflusst maßgeblich die Struktur und Geschwindigkeit der Bodenströmungen im Untersuchungsgebiet. Zu den vielfältigen Auswirkungen des AABW-Flusses auf die Sedimentation gehören (1) die Bildung von Hügelverwehungen und Gräben; (2) die Auslösung der Schwerkraftströme aus den steilen Wänden rund um die untersuchten Senken und die anschließende Umarbeitung des von diesen Strömen transportierten Materials; (3) der mögliche Transport des suspendierten feinen terrigenen Materials vom Transformtal zum Untersuchungsgebiet. Es wird vermutet, dass die strömungsbedingten Prozesse während der Eiszeit und insbesondere während der Übergänge zur Warmzeit dominant sind. LADCP-Messungen in Kombination mit numerischer Modellierung der Bodenströmungsgeschwindigkeiten zeigten die Bereiche der AABW-Ausflüsse durch die Nordwand.

Die entdeckten Stollen und Gräben gelten als erstes Beispiel eines Konturit-Ablagerungssystems in der Vema-Bruchzone. Diese Studie entdeckt die Vema-Bruchzone als vielversprechendes Ziel für die Konturitenforschung wieder und bietet eine Grundlage für die Neubewertung des Beitrags von Bodenströmungen zur Sedimentation in anderen Teilen der Bruchzone, wo sich das Tal verengt.

Für Untersuchungen der Bodenzirkulation wurden zwei Ansätze kombiniert: numerische Modellierung (Abb. 1c) und direkte In-situ-Messungen (Abb. 1d). Die numerischen Simulationen liefern ein dreidimensionales Geschwindigkeitsfeld mit hoher horizontaler und vertikaler Auflösung, während die direkten Messungen mit einem Lowered Acoustic Doppler Current Profiler (LADCP) die Validierung des Modells ermöglichen und genaue Stromgeschwindigkeitsdaten an mehreren Schlüsselpunkten entlang des Flusses liefern Bodenströmung.

Das Institute of Numerical Mathematics Ocean Model (INMOM) wurde für Simulationen von Strömungen in der unteren Schicht der Vema FZ verwendet. Das INMOM ist ein σ-koordiniertes Ozeanzirkulationsmodell, das auf den primitiven Gleichungen der Ozeanhydrothermodynamik mit Boussinesq- und hydrostatischen Näherungen54 basiert. Das Modell wurde für die Region des Zentralatlantiks einschließlich der gesamten Vema FZ angepasst (Abb. 1c). Der zur Simulation der Bodenströmungen verwendete Ansatz wird ausführlich in Frey et al.55,56 beschrieben. Gemäß ihrem Modell wurde das dreidimensionale Geschwindigkeitsfeld auf einen Satz von 31 konstanten Tiefenwerten interpoliert (von 4000 bis 5500 m in Schritten von 50 m). Die Analyse aller Ergebnisse der numerischen Modellierung, einschließlich derjenigen in Meeresbodennähe, führt zu dem Schluss, dass Strömungsgeschwindigkeiten in einer Tiefe von 4800 m die Strömungen in den schmalen, relativ flachen Schwellen sowie in den Strömungen am besten abbilden die breiteren und tieferen Teile der Mulde (Abb. 1c).

Die direkten Geschwindigkeitsmessungen wurden auf einer Kreuzfahrt der RV Akademik Boris Petrov (2022)57 mit einem abgesenkten akustischen Doppler-Stromprofiler TRDI WorkHorse Monitor 300 kHz, montiert auf einem GO1018-Wasserprobenehmer, zusammen mit einer CTD-Sonde Idronaut Ocean Seven 320p durchgeführt (Abb. 1d). ). Die LADCP-Messungen wurden von der Meeresoberfläche bis zu einer Tiefe von 5 m über dem Meeresboden durchgeführt. Die LADCP-Datenverarbeitung wurde mit der von Visbeck58 beschriebenen Standard-LADCP-LDEO-Software Version IX.10 durchgeführt. Die Ergebnisse der Verarbeitung wurden durch Subtraktion der Gezeitengeschwindigkeiten basierend auf dem TPXO9-Modell59 angepasst.

Die hochauflösenden Unterbodenprofile (seismoakustische Profile) wurden während der RV Akademik Ioffe-Kreuzfahrt 60 (2022)60 gesammelt. Die Vermessung wurde mit dem parametrischen Tiefbodenprofilgerät SES 2000 mit schmalem Strahl und einer Mittenfrequenz von 4 kHz durchgeführt. Mithilfe der Software „Interactive Sediment Layer Editor“ wurden Stapelung, Medianfilterung und Hebungskorrektur auf die Daten angewendet. Die Position der Profile ist in Abb. 1a, b und der ergänzenden Abb. S1 dargestellt. Der SES 2000 Deep Profiler lieferte eine hohe vertikale Auflösung der erfassten Aufzeichnungen (~ 0,4 m) und eine akustische Durchdringung des Untersuchungsgebiets von bis zu 80 ms Zwei-Wege-Laufzeit – TWTT (~ 60 m). Darüber hinaus wurde die hochauflösende seismische Linie VEMA-07M, die während der Kreuzfahrt VEMA-98 mit R/V Akademik Nikolay Strakhov über das aktive Vema-Transformationstal9 aufgenommen wurde, zur Demonstration der Auswirkung tektonischer Prozesse auf die Sedimentstruktur innerhalb des Transformtals verwendet (Ergänzende Abbildungen). . S1, S5).

Die Unterbodenprofile und Ergebnisse der numerischen Modellierung in dieser Studie werden dem globalen Reliefmodell GEBCO_202236 überlagert.

Alle Ergebnisse der numerischen Simulationen können über Pangea (https://doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.907919) abgerufen werden. Hochauflösende Aufzeichnungen zur Profilierung des Unterbodens sind über Mendeley verfügbar (https://data.mendeley.com/datasets/yxd2478rkm/1).

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Die Autoren danken Tatiana Glazkova (Royal Holloway University of London, UK), Ambroise Dufour und Valery Korolev (Shirshov Institute of Oceanology, Russische Akademie der Wissenschaften, Russland) für ihre Hilfe bei der Datensammlung für diese Forschung. Wir danken auch Prof. AA Peive (Geologisches Institut, Russische Akademie der Wissenschaften, Russland) für seine wertvollen Kommentare und Diskussionen. Besonderer Dank gilt den Herausgebern und den drei anonymen Gutachtern für ihre Kommentare und Vorschläge, die uns bei der Verbesserung des Manuskripts geholfen haben. Die Autoren danken Arsen Lazursky (Direktor des Life and Pro Skills Center an der Moskauer Staatlichen Linguistischen Universität, Moskau, Russland) für das Korrekturlesen dieses Artikels. Diese Arbeit wird vom Projekt 22-27-00421 der Russian Science Foundation unterstützt.

Shirshov-Institut für Ozeanologie, Russische Akademie der Wissenschaften, Moskau, Russland

Dmitrii G. Borisov, Dmitry I. Frey, Elena V. Ivanova, Nikolay N. Dmitrevskiy und Oleg V. Levchenko

Moskauer Institut für Physik und Technologie, Dolgoprudny, Russland

Dmitri I. Frey

Zubov State Oceanographic Institute, Moskau, Russland

Wladimir V. Fomin

Institut für Meereswissenschaften, Nationaler Forschungsrat, Bologna, Italien

Marco-Liga

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DB und DF haben den Haupttext des Manuskripts verfasst und Abbildungen vorbereitet. EI plante und organisierte die Unterbodenprofilierung. ND beteiligte sich an der Erstellung von Subbottom-Profilen und der Datenverarbeitung. OL beteiligte sich an der Interpretation der Sub-Bottom-Profiling-Daten. VF führte die numerische Modellierung durch. ML beteiligte sich an der Datenaufbereitung für die Planung der Unterbodenprofilierung und an der Interpretation der Unterbodenprofilierungsaufzeichnungen und bereitete die Zahlen vor. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Dmitrii G. Borisov.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Borisov, DG, Frey, DI, Ivanova, EV et al. Enthüllung des Konturit-Ablagerungssystems in der Vema-Bruchzone (Zentralatlantik). Sci Rep 13, 13834 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40401-4

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Eingegangen: 24. April 2023

Angenommen: 09. August 2023

Veröffentlicht: 24. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40401-4

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