Una mappa da 1,4 miliardi di pixel del fondale del Golfo del Messico

La geologia del Golfo del Messico (GOM) è dinamica, guidata non dalla tettonica a placche ma dal movimento dei corpi di sale sotto la superficie. I depositi di sale, un residuo di un oceano che esisteva circa 200 milioni di anni fa, si comportano in un certo modo quando sono sovrapposti a sedimenti pesanti. Si compattano, si deformano, si infilano nelle fessure e si gonfiano nel materiale sovrastante.

Questa tettonica salina continua a scolpire gli strati geologici e il fondo del mare nel GOM come pochi altri posti sulla Terra. A causa di questo tettonismo salino e di una fornitura costante di sedimenti consegnati al bacino dai fiumi, il fondale marino del GOM è un terreno continuamente in movimento. La batimetria è piena di faglie attive e scarpate, blocchi e scivoli, canyon e canali, onde di sedimenti, pockmark e vulcani di fango, e altre infiltrazioni naturali di petrolio e gas.

Ora un nuovo set di dati regionali del fondale marino creato dal Bureau of Ocean Energy Management (BOEM) del Dipartimento degli Interni degli Stati Uniti rivela questo ambiente dinamico con una nuova chiarezza sorprendente. I dati includono dettagliate indagini sismiche originariamente riprese da 15 diverse aziende coinvolte nell’industria del petrolio e del gas. BOEM ha ottenuto il permesso di rilasciare pubblicamente i dati di proprietà in una mappa aggregata liberamente scaricabile del fondo marino.

Fig. 1. Griglia di batimetria delle acque profonde del Golfo del Messico settentrionale creata dai rilievi sismici 3-D. La griglia definisce la profondità dell’acqua con 1,4 miliardi di celle di 12 × 12 metri ed è disponibile in piedi e metri. La copertura della griglia BOEM è limitata all’area definita dai colori dell’arcobaleno. Il rilievo ombreggiato è esagerato verticalmente di un fattore 5. Le posizioni delle figure 2-9 sono annotate. Credit: BOEM

Con una risoluzione di 149 metri quadrati per pixel, circa uguale all’impronta areale di una casa monofamiliare americana, la mappa batimetrica di BOEM ha una risoluzione almeno 16 volte superiore alla mappa storicamente usata per il GOM settentrionale. La maggior parte di quei pixel delle dimensioni di una casa nella nuova mappa sono a 1, 2 e 3 chilometri di profondità sotto l’acqua, e il prodotto ne contiene 1,4 miliardi, rendendo questa mappa un gigapixel.

Come è arrivato il sale?
Out with the Old? Non così in fretta
BOEM’s Seismic Database
Deepwater Horizon e la prima mappa integrata
Creazione di una griglia gigapixel
Facendo una mappa aggregata
Riconoscimenti

Come è arrivato il sale?

Si ipotizza che il sale sia precipitato dall’acqua marina ipersalina quando l’Africa e il Sud America si staccarono dal Nord America durante il Triassico e Giurassico, circa 200 milioni di anni fa. Il GOM era inizialmente un bacino chiuso e ristretto in cui l’acqua marina si infiltrava e poi evaporava in un clima arido, causando l’ipersalinità (simile a quello che è successo nel Grande Lago Salato nello Utah e nel Mar Morto tra Israele e la Giordania).

Il sale ha riempito il bacino a profondità di migliaia di metri fino a quando è stato aperto all’Oceano Atlantico ancestrale e di conseguenza ha riguadagnato una circolazione marina aperta e salinità normali. Con il progredire del tempo geologico, i delta dei fiumi e i microfossili marini depositarono altre migliaia di metri di sedimenti nel bacino, sopra lo spesso strato di sale.

Il sale, sottoposto all’immensa pressione e al calore di essere sepolto a chilometri di profondità, si deformò come stucco nel tempo, trasudando verso il fondo del mare. Il sale in movimento ha fratturato e incrinato i sedimenti fragili sovrastanti, creando a sua volta percorsi naturali per il petrolio e il gas in profondità per filtrare verso l’alto attraverso le fessure e formare serbatoi all’interno di strati geologici meno profondi.

Out with the Old? Non così in fretta

La mappa batimetrica più popolare del Golfo del Messico settentrionale è stata la versione generata negli anni ’90 dalla National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), dal National Geophysical Data Center (NGDC), e dal Gulf of Mexico Coastal Ocean Observing System (GCOOS) del Texas A&M. Le organizzazioni l’hanno compilato usando i dati di varie indagini sonar multibeam e linee sismiche 2-D distanziate di chilometri, fornendo una risoluzione fino a 2500 metri quadrati per pixel. Questa è una risoluzione eccellente, dal punto di vista geofisico, e negli ultimi due decenni la mappa è stata un set di dati regionali rispettato e popolare all’interno della scienza, del mondo accademico e dell’industria del petrolio e del gas.

Figura 2. Il bacino a ferro di cavallo nel Golfo del Messico occidentale, confrontato utilizzando (a sinistra) la storica mappa batimetrica NOAA e (a destra) la nuova mappa del BOEM. Il bacino contiene una cupola di sale al suo centro ed è fiancheggiato da fogli di sale. Il movimento del sale è evidente dalla rete di faglie e spaccature espresse sul fondale marino intorno al bacino, così come dai flussi di detriti di sedimenti che si vedono cadere lungo i pendii del bacino e sul suo pavimento. Credit: BOEM

La nuova mappa del BOEM, derivata esclusivamente da dati sismici 3-D, non copre un’area vasta come la mappa NOAA/NGDC/GCOOS, ma la sua maggiore risoluzione e la dimensione consistente dei pixel rivelano caratteristiche geologiche non scoperte e precedentemente poco risolte sul versante continentale, sulla provincia dei minibasini salini, sulla pianura abissale, sul ventaglio del Mississippi e sulla piattaforma e scarpata della Florida. Tuttavia, a causa della minore copertura della nuova mappa, la mappa storica continuerà ad essere molto utile.

Figura 3. La nuova mappa di BOEM estende di centinaia di chilometri la visualizzazione di Joshua Channel sulla pianura abissale orientale del Golfo del Messico rispetto ai dati più vecchi. È visibile sul fondo del mare per 280 chilometri, ben oltre i limiti di questa immagine, e altri 240 chilometri sono sepolti sotto sistemi di sedimenti più giovani e drappi fangosi. La ricerca BOEM ha stabilito il collegamento updip con l’ancestrale Pearl River in Louisiana, e complessi di canali-leve su scala simile sono stati osservati nel Amazon Fan. Credit: BOEM

BOEM’s Seismic Database

I ricercatori del BOEM hanno costruito la mappa utilizzando il database riservato del BOEM di indagini sismiche 3-D, ogni indagine è stata originariamente girata dall’industria del petrolio e del gas nella loro ricerca di idrocarburi. Come ufficio responsabile del rilascio dei permessi per i rilievi geofisici nelle acque federali offshore, il codice dei regolamenti federali degli Stati Uniti riserva il diritto del BOEM di richiedere una copia di ogni rilievo dopo che è stato elaborato e ripulito per soddisfare specifici standard di qualità.

Dopo aver ricevuto un rilievo da un appaltatore geofisico o da una compagnia petrolifera, gli scienziati del BOEM utilizzano i dati per assistere con altri importanti compiti normativi, come la valutazione della geologia per potenziali e scoperti giacimenti di petrolio e gas. A partire dal 2017, questo database sismico 3-D di dati riservati copre 350.000 chilometri quadrati del Golfo del Messico, un’area più grande dello stato del New Mexico. I rilevamenti più vecchi in questo database risalgono agli anni ’80.

Deepwater Horizon e la prima mappa integrata

In uno sforzo continuo dal 1998, BOEM ha usato quel database per mappare il fondale marino attraverso centinaia di rilevamenti con l’obiettivo di identificare potenziali substrati hard-ground presso le sorgenti naturali di petrolio e gas adatti alle comunità bentoniche di coralli e organismi chemosintetici (ad esempio, cozze, vongole e tube). Questi organismi consumano gli idrocarburi e l’idrogeno solforato rilasciati da queste infiltrazioni.

Quando la tragica fuoriuscita di petrolio della Deepwater Horizon si è verificata nel 2010, i biologi marini della divisione Natural Resource Damage Assessment del NOAA avevano bisogno di una mappa dettagliata del fondale marino circostante l’incidente per modellare quante di queste comunità bentoniche possono essere state interessate. I biologi del NOAA, consapevoli dell’ampio database dei fondali marini del BOEM, hanno chiesto ai suoi geologi di creare una mappa semiregionale che il NOAA potesse usare per modellare l’area colpita dal pennacchio di petrolio.

Lo sforzo ha richiesto ai ricercatori di ideare un metodo per combinare le loro molteplici mappe sovrapposte dei fondali marini della regione della fuoriuscita, fatte usando diverse indagini sismiche 3-D, in una singola superficie a griglia. Grazie a ciò, è nata l’idea di una mappa gigapixel ancora più ampia.

Creazione di una griglia gigapixel

Avendo sviluppato il metodo e consegnato la mappa ai biologi, i geologi si sono resi conto del potenziale che avevano a disposizione: Potevano combinare il resto delle loro mappe del fondale marino per coprire la maggior parte del GOM settentrionale in acque profonde.

I geoscienziati delBOEM hanno usato indagini 3-D time-migrated (in cui la profondità è presentata in millisecondi percorsi da sismica indotta o passiva, non in piedi o metri) per creare la griglia originale. I ricercatori hanno poi assegnato le celle della griglia alle profondità utilizzando un algoritmo sviluppato da Advocate e Hood. Hanno poi confrontato la griglia di profondità risultante con più di 300 penetrazioni di pozzi in tutto il GOM per determinare l’errore di conversione tempo-profondità, che era in media l’1,3% della profondità dell’acqua.

L’errore medio più alto, il 5%, si verifica in acque meno profonde di 150 metri a causa della natura dell’acquisizione sismica convenzionale in acque poco profonde e l’alta variabilità di temperatura e salinità in acque poco profonde, che influenzano la velocità del suono in acqua. Gli scienziati del BOEM hanno deciso che i dati sismici acquisiti sulla piattaforma bassa del GOM spesso contengono troppo rumore per l’interprete del fondo marino per determinare con precisione dove finisce l’acqua e inizia il sedimento. Questo significava che la mappa di BOEM non poteva includere alcune aree della piattaforma, rendendola più piccola della storica mappa NOAA, che copre la piattaforma.

Nell’intervallo di profondità da 500 a 3300 metri (dove esiste la maggior parte della griglia), è stato calcolato un errore medio inferiore allo 0,5% della profondità dell’acqua. Questo basso errore significava che i dati di queste profondità avrebbero rivelato la batimetria regionale di acque profonde con la migliore risoluzione mai creata.

Figura 4. Megafori scavati nella scarpata di Sigsbee e nella pianura abissale intorno a Green Knoll, Golfo del Messico centrale. I campi di solchi (vedi immagine a destra), non visibili nella precedente griglia batimetrica (immagine a sinistra), si estendono per più di 200 chilometri lungo e davanti alla scarpata. Si formano quando le correnti, misurate fino a 2 nodi, scavano il fondo del mare. I megafori, scoperti per la prima volta nel 1999 dai dati del Texas A&M deep-tow, possono essere profondi 1-10 metri e larghi 5-50 metri. Credit: BOEM

Facendo una mappa aggregata

I geoscienziati hanno iniziato con più di 200 mappe individuali del fondo marino create da indagini 3-D che risalgono alla fine degli anni ’80 fino al 2010. Nella porzione statunitense del Golfo del Messico, poche aree sono coperte da una sola indagine (alcune sono coperte da quattro o più), e gli interpreti avevano bisogno di confrontare una con l’altra per determinare quale fosse stata fatta utilizzando i dati migliori. Hanno creato un mosaico di più di 100 mappe batimetriche di altissima qualità, che abbracciano profondità d’acqua da 40 a 3379 metri e interpretate su rilievi sismici originariamente realizzati da 15 diverse compagnie geofisiche.

Anche se il BOEM conserva copie di tutti i dati sismici, le compagnie originali mantengono la proprietà legale per un periodo di 25 anni. Fusioni e acquisizioni nel corso degli anni hanno fatto sì che invece di dover chiedere a 15 compagnie il permesso di pubblicazione, BOEM doveva richiederlo solo a 7: CGG Services (U.S.), Inc.; ExxonMobil Corporation; Petroleum Geo-Services (PGS); Seitel, Inc.Spectrum USA; TGS-NOPEC Geophysical Company; e WesternGeco, LLC.

Ottenere il permesso da queste sette compagnie ha richiesto mesi, molto più del previsto, ma alla fine, BOEM ha ricevuto tutti i permessi necessari e ha iniziato il processo di pubblicazione. La nuova griglia ad alta risoluzione è scaricabile dal sito web BOEM. Il sito offre anche degli strati GIS che classificano oltre 34.000 caratteristiche del fondale marino come pockmark, canali, terreni duri, vulcani di fango, sorgenti naturali e altro.

Le figure 5-9 mostrano il dettaglio della mappa in gigapixel del GOM di BOEM, il risultato di 19 anni di sforzi di mappatura.

Figura 5. Dune subacquee e pockmarks sulla pista continentale superiore nel nord-ovest del Golfo del Messico. Le megadune longitudinali misurano 0,5-1 km da cresta a cresta, 1-10 km di lunghezza e 3-10 metri di altezza. I pockmarks si verificano in cima a Nueces Dome (in alto al centro) e, in tutto il Golfo, i pockmarks si verificano all’interno di una gamma generale di profondità dell’acqua di 300-600 metri. I pockmarks in questa regione sono stati attribuiti alla dissociazione esplosiva dell’idrato di metano naturale in seguito alla migrazione verso il bacino della zona di stabilità dell’idrato durante l’abbassamento del livello del mare del Wisconsin Glacial. BOEM ha identificato più di 4000 pockmark nelle acque federali del Golfo del Messico settentrionale. Credito: BOEM

Figura 6. Cumuli di espulsione di gas con adiacente ripiegamento e fagliazione di spinta causati dalla migrazione laterale del sale nel Terrebonne Basin meridionale nel Golfo del Messico centrale. L’immagine illustra alcune delle caratteristiche formate dai processi dinamici che modellano il Golfo, in particolare la tettonica salina e l’infiltrazione naturale di idrocarburi. Le faglie di spinta e le pieghe sono dovute al movimento laterale sud-est del sale. Il movimento del sale è ciò che dà al fondo marino del Golfo del Messico la sua natura rugosa, creando anche faglie e reti di fratture che forniscono percorsi per le infiltrazioni di petrolio e gas. Questi particolari cumuli di espulsione si sono formati come risultato della compattazione e compressione del bacino, con conseguente migrazione del gas verso l’alto. Credito: BOEM

Figura 7. Nuovo spettacolare dettaglio dei canyon di Alaminos e Perdido e dei loro fan associati, Golfo del Messico occidentale. I canyon incanalano i sedimenti per creare un sistema di ventagli che si mescolano sul fondo del bacino per centinaia di metri di spessore. Il campionamento delle carote ha determinato che il drenaggio del fiume Rio Grande fornisce sedimenti sabbiosi e grossolani al sistema Perdido, mentre le carote e i log dei pozzi nell’Alaminos Canyon rivelano principalmente sedimenti di acqua profonda a grana fine. Credito: BOEM

Figura 8. Una cupola salina ha sollevato sedimenti poco profondi nella pianura abissale del Golfo del Messico orientale. Le caratteristiche di espulsione e depressione suggeriscono un’infiltrazione naturale di fluidi e/o gas in corso. Quando le cupole saline si spostano più in basso rispetto ai bacini di sedimenti che si abbassano intorno a loro, i sedimenti in cima alle cupole si sollevano e formano cumuli sul fondo del mare. Sopra questa cupola, il movimento ha creato una rete di faglie estensionali che dividono il tumulo in tre cunei. Le faglie possono anche fornire percorsi per la migrazione di fluidi e/o gas, come indicato qui dalla depressione circolare, o pockmark, sulla faccia sud-est del tumulo, e una caratteristica di espulsione con un cratere sul lato nord-ovest. Credito: BOEM

Figura 9. Un confronto di una regione della scarpata continentale superiore nel nord-ovest del Golfo del Messico, utilizzando (a sinistra) la storica mappa batimetrica NOAA e (a destra) la nuova mappa batimetrica BOEM. La griglia NOAA combinava aree di batimetria multibeam sonar ampiamente distanziate con altri dati più grossolani provenienti da linee sismiche 2-D, fornendo una risoluzione non più fine di 50 metri. La griglia BOEM usa sismica 3-D in tutto, offrendo una risoluzione dettagliata di 12 metri. Credito: BOEM

Riconoscimenti

Ringraziamo CGG Services (U.S.), Inc; ExxonMobil Corporation; PGS; Seitel, Inc.; Spectrum USA; TGS-NOPEC Geophysical Company; e WesternGeco, LLC per averci concesso il permesso di pubblicare i loro dati.

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