Onderzoek van de oceaanbekkens
Het in kaart brengen van de kenmerken van het oceaanbekken is om verschillende redenen moeilijk geweest. Ten eerste zijn de oceanen niet gemakkelijk te bereizen; ten tweede was de navigatie tot voor kort uiterst ruw, zodat individuele waarnemingen slechts losjes met elkaar in verband konden worden gebracht; en ten slotte zijn de oceanen ondoorzichtig voor licht – dat wil zeggen dat de diepe zeebodem vanaf het oceaanoppervlak niet kan worden gezien. Moderne technologie heeft geleid tot aangepaste onderzoeksschepen, satelliet- en elektronische navigatie en geavanceerde akoestische instrumenten die een aantal van deze problemen kunnen ondervangen.
D.T. Sandwell van het Scripps Institution of Oceanography, W.H.F. Smith van National Oceanic and Atmospheric Administration/National Ocean Service/Office of Ocean & Earth Science/Geoscience Lab
De Challenger Expeditie, opgezet door de Britten in 1872-76, gaf voor het eerst een systematisch beeld van een aantal van de belangrijkste kenmerken van de zeebodem. Wetenschappers aan boord van de HMS Challenger bepaalden de diepte van de oceaan door middel van kabelpeilingen en ontdekten de Mid-Atlantische Rug. Baggerschepen brachten monsters van rotsen en sedimenten van de zeebodem naar boven. De grootste vooruitgang bij het in kaart brengen van de zeebodem kwam er echter pas toen in het begin van de 20e eeuw sonar werd ontwikkeld. Dit systeem om de aanwezigheid van objecten onder water te detecteren door middel van akoestische echo’s verschafte zee-onderzoekers een zeer nuttig instrument, aangezien geluid over duizenden kilometers in de oceaan kan worden gedetecteerd (zichtbaar licht, ter vergelijking, dringt slechts door tot ongeveer 100 meter water).
Moderne sonarsystemen zijn onder meer de Seabeam multibeam echolood en de GLORIA scanning sonar. Zij werken volgens het principe dat de diepte (of afstand) van de zeebodem kan worden bepaald door de helft van de verstreken tijd tussen een neergaande akoestische puls en de echo daarvan te vermenigvuldigen met de geluidssnelheid in zeewater (ongeveer 1.500 meter per seconde). Dergelijke multifrequentie-sonarsystemen maken het mogelijk verschillende pulsfrequenties te gebruiken om verschillende wetenschappelijke doelstellingen te bereiken. Akoestische pulsen van 12 kilohertz (kHz), bijvoorbeeld, worden gewoonlijk gebruikt om de diepte van oceanen te meten, terwijl lagere frequenties – 3,5 kHz tot minder dan 100 hertz (Hz) – worden gebruikt om de dikte van sedimenten in de oceaanbekkens in kaart te brengen. Zeer hoge frequenties van 100 kHz of meer worden gebruikt in side-scanning sonar om de textuur van de zeebodem te meten. De akoestische pulsen worden gewoonlijk opgewekt door piëzo-elektrische transducers. Voor het bepalen van de subbodemstructuur worden akoestische pulsen met een lage frequentie geproduceerd door explosieven, perslucht of waterstraalimplosie. Nabij-de-bodem sonarsystemen, zoals de Deep Tow van het Scripps Institution of Oceanography (in La Jolla, Calif., V.S.), produceren nog meer gedetailleerde beelden van de zeebodem en de subbodemstructuur. Het Deep Tow-pakket bevat zowel echolood- als side-scanning sonars, samen met bijbehorende geofysische instrumenten, en wordt met lage snelheid 10 tot 100 meter (33 tot 330 voet) boven de zeebodem achter een schip aangesleept. Het levert zeer nauwkeurige metingen op van kenmerken die nog fijner zijn dan met Seabeam en andere vergelijkbare systemen mogelijk is.
Een ander opmerkelijk instrumentensysteem is ANGUS, een diepgetrokken camerasleepboot waarmee in één dag duizenden foto’s met een hoge resolutie van de zeebodem kunnen worden gemaakt. Het is met succes gebruikt voor de opsporing van hydrothermale openingen bij spreidingscentra. Overlappende fotografische beelden maken het mogelijk fotomozaïsche stroken van ongeveer 10 tot 20 meter breed te construeren die details van de orde van centimeters laten zien.
Drie belangrijke navigatiesystemen worden in de moderne mariene geologie gebruikt. Hiertoe behoren elektromagnetische systemen zoals loran en satellieten in een baan om de aarde. Akoestische transponder-arrays van twee of meer stations die op de zeebodem op een paar kilometer afstand van elkaar zijn geplaatst, worden gebruikt voor de navigatie van diepgetrokken instrumenten, onderwatervaartuigen en soms oppervlakte-onderzoeksschepen wanneer gedetailleerde kartering wordt uitgevoerd in kleine gebieden. Deze systemen meten de afstand tussen het instrumentenpakket en de transponderplaatsen en berekenen aan de hand van eenvoudige geometrische berekeningen fixes tot op enkele meters nauwkeurig. Hoewel de afzonderlijke transponders kunnen worden gebruikt om de positie ten opzichte van de array met grote nauwkeurigheid te bepalen, hangt de nauwkeurigheid van de positie van de array zelf af van het systeem dat wordt gebruikt om de array te lokaliseren.
Satellieten in een baan om de aarde, zoals Seasat en Geosat, hebben een aantal belangrijke topografische kenmerken van de oceaanbekkens aan het licht gebracht. Seasat, gelanceerd in 1978, bracht een radarhoogtemeter in een baan om de aarde. Dit apparaat werd gebruikt om de afstand tussen de satellietbaan en de oppervlakken van de oceaan en de continenten tot op 0,1 meter (0,3 voet) te meten. Uit de metingen bleek dat de vorm van het oceaanoppervlak wordt vervormd door kenmerken van de zeebodem: massieve onderzeese bergen veroorzaken een bolling van het oppervlak door de aantrekkingskracht van de zwaartekracht. Op dezelfde manier ontstaat er een kromming van het oceaanoppervlak boven diepzeegeulen. Met behulp van deze satellietmetingen van het oceaanoppervlak heeft William F. Haxby het zwaartekrachtsveld aldaar berekend. De resulterende zwaartekrachtkaart biedt een uitgebreide dekking van het oceaanoppervlak op een raster van 5′ bij 5′, dat vijf zeemijl aan elke kant van de evenaar afbeeldt). Zo’n volledige dekking is niet te verkrijgen met echolodingen vanaf schepen. Omdat het zwaartekrachtsveld aan het oceaanoppervlak een zeer gevoelige indicator is van de topografie van de zee, onthult deze kaart verschillende nog niet eerder in kaart gebrachte kenmerken, zoals onderzeese bergen, bergkammen en breukzones, terwijl andere bekende kenmerken gedetailleerder worden weergegeven. Bovendien toont de zwaartekrachtkaart een lineair patroon van zwaartekrachtanomalieën die schuin over de korrel van de topografie lopen. Deze anomalieën zijn het meest uitgesproken in het bekken van de Stille Oceaan; zij lijken een diameter te hebben van ongeveer 100 km en een lengte van ongeveer 1.000 km. Zij hebben een amplitude van ongeveer 10 milligalen (0,001 procent van de aantrekkingskracht van de zwaartekracht van de aarde) en zijn west-noordwest georiënteerd – zeer dicht bij de richting waarin de Pacifische Plaat over de onderliggende aardmantel beweegt.