Estrategias del procesado y análisis espectral de datos sísmicos para el estudio de procesos dinámicos en oceanografía física

Abstract

La circulación oceánica de gran escala se encuentra relacionada con la pequeña escala a través de los procesos turbulentos, los cuales hacen posible el intercambio de energía cinética. Alrededor de la frecuencia de Coriolis, el efecto cinemático dominante es el campo de los giros geostróficos, mientras que a mayores frecuencias y especialmente cerca de la frecuencia inercial, los movimientos están dominados por la dinámica de las ondas internas, cuya propagación en el océano transfiere la energía a menores escalas a través de procesos de dispersión y de interacción onda-onda. Dependiendo de las condiciones oceanográficas, cuando las ondas internas rompen, generando como consecuencia, la transferencia de parte de su energía a las escalas más pequeñas mediante procesos de mezcla irreversible.

Actualmente los mecanismos de transferencia de energía entre los distintos sub-rangos, se comprenden solo parcialmente. Esto es debido principalmente al vacío observacional existente en el rango espacial intermedio (-101 — 103 m). Esta falta de observaciones directas ha motivado que se hayan planteado diferentes modelos teóricos para explicar los mecanismos y rutas de transferencia, como por ejemplo los modelos de interacción onda-onda a nivel meso-escalar hasta escalas disipativas, las inestabilidades, y la interacción con la topografía.

En este trabajo se presenta evidencia observacional indicando que la cascada energética en la termoclina del Mar de Alborán sigue la ruta de las inestabilidades. Esta se caracteriza por el intercambio de aguas Atlánticas y aguas Mediterráneas destacando su interfaz entre los 35 m y 110 m según datos hidrográficos registrados. En particular, se muestra que el rompimiento de las ondas internas está causado por el desarrollo de inestabilidades de cizalla como las de Kelvin-Helmholtz (K-H) siendo consistentes con los valores de variables oceanográficas determinadas a partir de medidas directas (número de Richardson < —0.25). Estos resultados innovadores se basan en el análisis espectral del desplazamiento vertical de reflectores acústicos registrados por primera vez con un sistema de sísmica multicanal de alta resolución (HR-MCS), que proporciona una cobertura espectral completa entre escalas de 103 m y 10 m en dirección horizontal y una resolución de unos 2 m en dirección vertical. Para el análisis se han utilizado datos de HR-MCS adquiridos durante la campaña de prospección geológica IMPULS-2006.

El espectro energético del desplazamiento vertical de los reflectores (El), se ha calculado de forma análoga a otros estudios previos obtenidos con equipos sísmicos de menor resolución. Un punto clave para comparar las pendientes espectrales con estimaciones teóricas de la energía es que las ondulaciones de los reflectores acústicos reproduzcan el desplazamiento vertical de las isopicnas. Se asume que esta condición es válida para la zona de estudio, ya que ésta no se encuentra afectada por intrusiones salinas o de temperatura.

A nivel mesoescalar, el espectro energético de las ondulaciones de los reflectores sigue el modelo de Garrett-Munk (1979) para ondas internas, que predice una pendiente espectral con valor -2. De acuerdo a la teoría y a simulaciones numéricas de alta resolución, el sub-rango transicional es asociado a las inestabilidades de cizalla en general, y a las de K-H en particular, debe presentar pendientes espectrales entre los -2.5 y -3.0. Este rango de pendientes es consistente con la pendiente espectral calculada en el rango de escalas intermedio (100 – 35 m), donde se obtiene un valor promedio de -2.8. Finalmente el modelo de Batchelor, que describe el sub-rango inercial a menores escalas predice que la pendiente espectral en este rango debe ser - 5/3. El análisis espectral muestra pendientes próximas a este valor (-1.64), a partir de los ~35 m, lo que sugiere que a estas escalas los vórtices laminares ya han colapsado y la dinámica empieza a ser dominada por procesos turbulentos. A partir de los valores obtenidos en la caracterización espectral, se ha determinado el nivel de mezcla generado para cada uno de los rangos espaciales. Los valores obtenidos se ajustan a los niveles de mezcla medidos directamente en la cuenca de Alborán con equipos hidrográficos convencionales, confirmando la validez del sistema HR-MCS para la identificación y caracterización de estructuras y procesos oceanográficos a escalas intermedias. Los parámetros de mezcla obtenidos con el sistema de sísmica HR-MCS, pueden contribuir en la mejora de los modelos predictivos de procesos relacionados con la dinámica oceánica, debido a su alto nivel de sinopticidad, alta resolución lateral y amplio rango de escalas, abarcando desde la mesoescala hasta la estructura fina

This work presents observational evidence clearly indicating that the energy cascade in the Alboran Sea thermocline follows the instability route. In particular we show that the internal wave breaking is due to the development of shear instabilities, and in particular Kelvin-Helmholtz (K-H) like ones. These innovative results are based on the spectral analysis of the acoustic reflectors vertical displacement recorded for the first time with a high resolution multichannel seismic system (HR-MCS), which provides a full spectral coverage between 103 m and 10 m in horizontal direction, and 2 m in vertical direction. Our analysis is based on HR-MCS data recorded in the IMPULS-2006 geological survey.

The vertical displacement energy spectra of reflectors were calculated following a similar approach to that of previous studies using lower resolution seismic data. A key point to compare the spectral slopes with theoretical energy estimations is that the acoustic reflectors undulations reproduce the isopycnals vertical displacement. This is a reasonable assumption in our study area, since the Alboran Sea not subject to salinity-temperature compensating intrusions.

At mesoscale level, the energy spectra of the reflectors undulation follows the Garret-Munk (1979) model, which predicts a power law spectral density with value -2. The calculated spectra show this slope value at scales larger than circa 100 m, near to the buoyancy scale calculated from oceanographic measurements (l(nh) aprox. Equal to 93m). Thus, we deduce that this spectral range corresponds to the internal waves regime in the mesoscale range. According to theory and high resolution numerical simulations, the transitional sub-range is associated in general to shear instabilities, and particularly to K-H instabilities that should display steeper spectral slopes between -2.5 and -3.0. This spectral slope range agrees with the slope calculated at the intermediate scale range (100 - 35 m), where the mean value is -2.8. A feature of the K-H structures is the laminar vortex shape, with a horizontal scale an order higher than vertical (used to be a ratio of 7/1) which also agrees with the seismic observations. Finally the Batchelor model, which is the most accepted model to describe the inertial sub-range at the smallest scales, predicts a spectral slope of -5/3. Our spectral analysis show slopes at this value (-1.64), from wavelengths smaller than circa 35 m, which suggest that the laminar vortex have collapsed and the dynamics starts to be dominated by turbulent processes.

The mixing parameters obtained from HR-MCS data, can contribute to the improvement of the oceanic dynamic modelling, thanks to their high level of sinopticity, high lateral resolution and wide range of scales, covering from mesoscale to finestructure.