Die Geologie des Golfs von Mexiko (GOM) ist dynamisch und wird nicht durch Plattentektonik, sondern durch die Bewegung von unterirdischen Salzkörpern bestimmt. Salzablagerungen, ein Überbleibsel eines Ozeans, der vor etwa 200 Millionen Jahren existierte, verhalten sich auf eine bestimmte Weise, wenn sie von schweren Sedimenten überlagert werden. Sie verdichten sich, verformen sich, drücken sich in Risse und blähen sich in das darüber liegende Material auf.
Diese Salztektonik formt die geologischen Schichten und den Meeresboden in den GOM wie nur wenige andere Orte auf der Erde. Aufgrund dieser Salztektonik und der ständigen Zufuhr von Sedimenten durch die Flüsse ist der Meeresboden des GOM ein sich ständig veränderndes Terrain. Die Bathymetrie ist reich an aktiven Verwerfungen und Steilwänden, Slump-Blöcken und Rutschungen, Canyons und Kanälen, Sedimentwellen, Pockmarks und Schlammvulkanen sowie anderen natürlichen Öl- und Gasquellen.
Ein neuer regionaler Meeresboden-Datensatz, der vom Bureau of Ocean Energy Management (BOEM) des US-Innenministeriums erstellt wurde, zeigt diese dynamische Umgebung mit erstaunlicher Klarheit. Die Daten umfassen detaillierte seismische Untersuchungen, die ursprünglich von 15 verschiedenen Unternehmen der Öl- und Gasindustrie durchgeführt wurden. BOEM erhielt die Erlaubnis, die entsprechenden geschützten Daten in einer frei herunterladbaren Gesamtkarte des Meeresbodens zu veröffentlichen.
Mit einer Auflösung von 149 Quadratmetern pro Pixel, was etwa der Grundfläche eines amerikanischen Einfamilienhauses entspricht, ist die Bathymetriekarte von BOEM mindestens 16-mal höher aufgelöst als die Karte, die bisher für den nördlichen GOM verwendet wurde. Die meisten dieser hausgroßen Pixel in der neuen Karte liegen 1, 2 und 3 Kilometer tief unter Wasser, und das Produkt enthält 1,4 Milliarden davon, was es zu einer Gigapixel-Karte macht.
Wie kam das Salz dorthin?
Es wird angenommen, dass das Salz aus hypersalinem Meerwasser ausgefällt wurde, als sich Afrika und Südamerika während der Trias und des Jura vor etwa 200 Millionen Jahren von Nordamerika entfernten. Das GOM war ursprünglich ein geschlossenes, begrenztes Becken, in das Meerwasser eindrang und dann in einem trockenen Klima verdunstete, was den hohen Salzgehalt verursachte (ähnlich wie im Großen Salzsee in Utah und im Toten Meer zwischen Israel und Jordanien).
Das Salz füllte das Becken bis zu einer Tiefe von Tausenden von Metern, bis es sich zum ursprünglichen Atlantik hin öffnete und folglich wieder eine offene Meereszirkulation und normale Salzgehalte erreichte. Im Laufe der geologischen Zeit lagerten Flussdeltas und marine Mikrofossilien weitere Tausende von Metern an Sedimenten in dem Becken ab, die über der dicken Salzschicht lagen.
Das Salz, das dem immensen Druck und der Hitze einer kilometerlangen Tiefe ausgesetzt war, verformte sich im Laufe der Zeit wie Knetmasse und sickerte nach oben zum Meeresboden. Das sich bewegende Salz zerbrach und zerklüftete die darüber liegenden brüchigen Sedimente und schuf so natürliche Wege für tiefes Öl und Gas, die durch die Risse nach oben sickerten und Reservoirs in flacheren geologischen Schichten bildeten.
Aus mit dem Alten? Nicht so schnell
Die bekannteste Bathymetriekarte des nördlichen Golfs von Mexiko wurde in den 1990er Jahren von der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), dem National Geophysical Data Center (NGDC) und dem Gulf of Mexico Coastal Ocean Observing System (GCOOS) von Texas A&M erstellt. Die Organisationen erstellten die Karte anhand von Daten aus verschiedenen Fächerecholotuntersuchungen und seismischen 2D-Linien, die im Abstand von mehreren Kilometern angeordnet sind und eine Auflösung von bis zu 2500 Quadratmetern pro Pixel bieten. Dies ist aus geophysikalischer Sicht eine hervorragende Auflösung, und seit zwei Jahrzehnten ist die Karte ein angesehener und beliebter regionaler Datensatz in der Wissenschaft und in der Öl- und Gasindustrie.
Die neue Karte des BOEM, die ausschließlich aus seismischen 3D-Daten abgeleitet wurde, deckt zwar kein so großes Gebiet ab wie die Karte von NOAA/NGDC/GCOOS, aber ihre verbesserte Auflösung und einheitliche Pixelgröße offenbaren unentdeckte und zuvor schlecht aufgelöste geologische Merkmale am Kontinentalhang, in der Salzminibasin-Provinz, in der Abyssal-Ebene, im Mississippi-Fächer und im Florida-Shelf und Escarpment. Aufgrund der geringeren Abdeckung der neuen Karte wird die historische Karte jedoch weiterhin sehr nützlich sein.
BOEM’s Seismic Database
BOEM-Forscher erstellten die Karte unter Verwendung der vertraulichen BOEM-Datenbank mit seismischen 3-D-Vermessungen, die ursprünglich von der Öl- und Gasindustrie auf der Suche nach Kohlenwasserstoffen durchgeführt wurden. Als Behörde, die für die Erteilung von Genehmigungen für geophysikalische Vermessungen in Bundesgewässern zuständig ist, behält sich der U.S. Code of Federal Regulations das Recht von BOEM vor, eine Kopie jeder Vermessung anzufordern, nachdem sie verarbeitet und bereinigt wurde, um bestimmte Qualitätsstandards zu erfüllen.
Nach Erhalt einer Vermessung von einem geophysikalischen Auftragnehmer oder einer Ölgesellschaft verwenden die Wissenschaftler von BOEM die Daten, um andere wichtige regulatorische Aufgaben zu erfüllen, wie die Bewertung der Geologie für potenzielle und entdeckte Öl- und Gasvorkommen. Im Jahr 2017 umfasst diese Datenbank mit vertraulichen 3-D-seismischen Daten 350.000 Quadratkilometer im Golf von Mexiko, ein Gebiet, das größer ist als der Bundesstaat New Mexico. Die ältesten Erhebungen in dieser Datenbank stammen aus den 1980er Jahren.
Deepwater Horizon und die erste integrierte Karte
Seit 1998 nutzt BOEM diese Datenbank, um den Meeresboden in Hunderten von Erhebungen zu kartieren, mit dem Ziel, potenzielle Hartbodensubstrate an natürlich vorkommenden Öl- und Gasquellen zu identifizieren, die für benthische Gemeinschaften von Korallen und chemosynthetischen Organismen (z. B. Muscheln und Röhrenwürmer) geeignet sind. Diese Organismen verzehren die Kohlenwasserstoffe und den Schwefelwasserstoff, die aus diesen Quellen freigesetzt werden.
Als sich 2010 die tragische Ölkatastrophe der Deepwater Horizon ereignete, benötigten Meeresbiologen der NOAA-Abteilung für die Bewertung von Schäden an natürlichen Ressourcen eine detaillierte Karte des Meeresbodens in der Umgebung des Vorfalls, um zu modellieren, wie viele dieser benthischen Gemeinschaften möglicherweise betroffen waren. Die Biologen der NOAA, die die umfangreiche Meeresboden-Datenbank der BOEM kannten, baten die Geowissenschaftler der NOAA, eine halbregionale Karte zu erstellen, mit der die NOAA das von der Ölfahne betroffene Gebiet modellieren konnte.
Die Forscher mussten eine Methode entwickeln, mit der sie ihre zahlreichen sich überschneidenden Meeresbodenkarten der Unfallregion, die mit verschiedenen seismischen 3D-Vermessungen erstellt worden waren, zu einer einzigen gerasterten Fläche zusammenfassen konnten. Damit war die Idee für eine noch umfassendere Gigapixel-Karte geboren.
Erstellung eines Gigapixel-Gitters
Nachdem die Methode entwickelt und die Karte an die Biologen geliefert worden war, erkannten die Geowissenschaftler das Potenzial, das ihnen zur Verfügung stand: Sie konnten den Rest ihrer Meeresbodenkarten kombinieren, um den größten Teil des nördlichen GOM unter tiefem Wasser abzudecken.
Die Geowissenschaftler von BOEM verwendeten zeitmigrierte 3D-Vermessungen (bei denen die Tiefe in Millisekunden dargestellt wird, die durch induzierte oder passive Seismik zurückgelegt werden, und nicht in Fuß oder Metern), um das ursprüngliche Gitter zu erstellen. Anschließend ordneten die Forscher den Zellen des Gitters mithilfe eines von Advocate und Hood entwickelten Algorithmus Tiefen zu. Anschließend verglichen sie das resultierende Tiefenraster mit mehr als 300 Bohrlochbohrungen im gesamten GOM, um den Fehler bei der Zeit-Tiefen-Umrechnung zu ermitteln, der im Durchschnitt 1,3 % der Wassertiefe betrug.
Der höchste durchschnittliche Fehler, nämlich 5 %, tritt in Wassertiefen von weniger als 150 Metern auf, was auf die Art der konventionellen seismischen Erfassung in flachen Gewässern und die hohe Variabilität von Temperatur und Salzgehalt in flachen Gewässern zurückzuführen ist, die die Schallgeschwindigkeit im Wasser beeinflussen. Die BOEM-Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass die seismischen Daten, die auf dem flachen Schelf des GOM erfasst wurden, oft zu viel Rauschen enthalten, als dass der Interpret des Meeresbodens genau bestimmen könnte, wo das Wasser endet und das Sediment beginnt. Dies bedeutete, dass die BOEM-Karte bestimmte Bereiche des Schelfs nicht abdecken konnte, so dass sie kleiner war als die historische NOAA-Karte, die den Schelf abdeckt.
Im Tiefenbereich von 500 bis 3300 Metern (wo der größte Teil des Gitters existiert) wurde ein durchschnittlicher Fehler von weniger als 0,5 % der Wassertiefe berechnet. Dieser geringe Fehler bedeutete, dass die Daten aus diesen Tiefen die am besten aufgelöste regionale Tiefsee-Bathymetrie ergeben würden, die jemals erstellt wurde.
Making an Aggregate Map
Die Geowissenschaftler begannen mit mehr als 200 einzelnen Meeresbodenkarten, die aus 3-D-Vermessungen aus den späten 1980er bis zu den 2010er Jahren erstellt wurden. Im US-amerikanischen Teil des Golfs von Mexiko gibt es nur wenige Gebiete, die von nur einer einzigen Vermessung abgedeckt werden (einige werden von vier oder mehr Vermessungen abgedeckt), und die Forscher mussten die einzelnen Karten miteinander vergleichen, um festzustellen, welche die besten Daten enthielt. Sie erstellten ein Mosaik aus mehr als 100 ihrer hochwertigsten Bathymetriekarten, die Wassertiefen von 40 bis 3379 Metern abdeckten und auf seismischen Untersuchungen basierten, die ursprünglich von 15 verschiedenen geophysikalischen Unternehmen durchgeführt wurden.
Obwohl BOEM Kopien aller seismischen Daten aufbewahrt, bleiben die ursprünglichen Unternehmen für einen Zeitraum von 25 Jahren rechtmäßige Eigentümer. Fusionen und Übernahmen im Laufe der Jahre haben dazu geführt, dass BOEM nicht mehr 15 Unternehmen um die Erlaubnis zur Veröffentlichung bitten muss, sondern nur noch sieben: CGG Services (U.S.), Inc; ExxonMobil Corporation; Petroleum Geo-Services (PGS); Seitel, Inc.Spectrum USA; TGS-NOPEC Geophysical Company; und WesternGeco, LLC.
Die Erlaubnis dieser sieben Unternehmen zu erhalten, dauerte Monate, viel länger als erwartet, aber schließlich erhielt BOEM alle erforderlichen Genehmigungen und begann mit der Veröffentlichung. Das neue hochauflösende Raster kann von der BOEM-Website heruntergeladen werden. Die Website bietet auch GIS-Ebenen, die über 34.000 Merkmale des Meeresbodens wie Pockennarben, Kanäle, harte Böden, Schlammvulkane, natürliche Quellen und andere klassifizieren.
Die Abbildungen 5-9 zeigen die Details der Gigapixel-Karte von BOEM für den GOM, das Ergebnis von 19 Jahren Kartierungsarbeit.
Danksagungen
Wir danken CGG Services (U.S.), Inc; ExxonMobil Corporation; PGS; Seitel, Inc.; Spectrum USA; TGS-NOPEC Geophysical Company; und WesternGeco, LLC für die Erlaubnis, ihre Daten zu veröffentlichen.