Multiple-scale temporal variations and fluxes near a hydrothermal vent over the Southwest Indian Ridge

Abstract

A deep-ocean mooring system was deployed 100 m away from an active hydrothermal vent over the Southwest Indian Ridge (SWIR), where the water depth is about 2,800 m. One year of data on ocean temperature 50 m away from the ocean floor and on velocities at four levels (44 m, 40 m, 36 m, and 32 m away from the ocean floor) were collected by the mooring system. Multiple-scale variations were extracted from these data: seasonal, tidal, super-tidal, and eddy scales. The semidiurnal tide was the strongest tidal signal among all the tidal constituents in both currents and temperature. With the multiple-scale variation presented in the data, a new method was developed to decompose the data into five parts in terms of temporal scales: time-mean, seasonal, tidal, super-tidal, and eddy. It was shown that both eddy and tidal heat (momentum) fluxes were characterized by variation in the bottom topography: the tidal fluxes of heat and momentum in the along-isobath direction were much stronger than those in the cross-isobath direction. For the heat flux, eddy heat flux was stronger than tidal heat flux in the cross-isobath direction, while eddy heat flux was weaker in the along-isobath direction. For the momentum flux, the eddy momentum flux was weaker than tidal momentum flux in both directions. The eddy momentum fluxes at the four levels had a good relationship with the magnitude of mean currents: it increased with the mean current in an exponential relationship.

Keywords

multiple-scale analysis / tidal flux / eddy flux

References

[1] Cao H, Cao Z (2011). Review of submarine hydrothermal activities in Southwest Indian Ridge. Marine Geology and Quaternary Geology, 31(1): 67–75(in Chinese)

[2] Crone T J, Wilcock W S (2005). Modeling the effects of tidal loading on mid-ocean ridge hydrothermal systems. Geochem Geophys Geosyst, 6(7): n/a

[3] Dong C, Idica E Y, McWilliams J C (2009). Circulation and multiple-scale variability in the Southern California Bight. Prog Oceanogr, 82(3): 168–190

[4] Edmonds H N, Michael P J, Baker E T, Connelly D P, Snow J E, Langmuir C H, Dick J B, Mühe R, German C R, Graham D W (2003). Discovery of abundant hydrothermal venting on the ultraslow-spreading Gakkel ridge in the Arctic Ocean. Nature, 421(6920): 252–256

[5] Emery W J, Meincke J (1986). Global water masses-summary and review. Oceanol Acta, 9(4): 383–391

[6] Faria A F, Thornton E B, Stanton T P, Soares C V, Lippmann T C (1998). Vertical profiles of longshore currents and related bed shear stress and bottom roughness. Journal of Geophysical Research: Oceans (1978−2012), 103(C2): 3217–3232

[7] Feddersen F, Guza R T, Elgar S, Herbers T H C (2000). Velocity moments in alongshore bottom stress parameterizations. Journal of Geophysical Research: Oceans (1978−2012), 105(C4): 8673–8686

[8] Huang W, Tao C, Deng X, Zhou J, Sun Y, Dou B, Liu W (2009). Discussion and the scientific significance of IODP drilling to study in the 49°39′E vent field in Southwest Indian Ridge. Journal of Marine Sciences, 27(02): 97–103 (in Chinese)

[9] Kolla V, Henderson L, Biscaye P E (1976a). Clay mineralogy and sedimentation in the western Indian Ocean. Deep-Sea Res, 23(10): 949–961

[10] Kolla V, Sullivan L, Streeter S S, Langseth M G (1976b). Spreading of Antarctic Bottom Water and its effects on the floor of the Indian Ocean inferred from bottom-water potential temperature, turbidity, and sea-floor photography. Mar Geol, 21(3): 171–189

[11] LeBlond P H (1976). Temperature-salinity analysis of world ocean waters. Journal of the Fisheries Board of Canada, 33(6): 1471

[12] Li X, Chu F, Lei J, Zhao J (2008). Advances in slow-ultraslow-spreading Southwest Indian Ridge. Advances in Earth Science, 23(6): 595–603 (in Chinese)

[13] Middleton J M, Thomson R E (1986). Modelling the rise of hydrothermal plumes. Canadian Technical Report of Hydrography and Ocean Science, 69: 1–18

[14] Minshull T A, Muller M R, White R S (2006). Crustal structure of the Southwest Indian Ridge at 66 E: seismic constraints. Geophys J Int, 166(1): 135–147

[15] Morton B R, Taylor G, Turner J S (1956). Turbulent gravitational convection from maintained and instantaneous sources. Proc R Soc Lond A Math Phys Sci, 234(1196): 1–23

[16] Muller M R, Minshull T A, White R S (2000). Crustal structure of the Southwest Indian Ridge at the Atlantis II fracture zone. Journal of Geophysical Research: Solid Earth (1978−2012), 105(B11): 25809–25828

[17] Pawlowicz R, Beardsley B, Lentz S (2002). Classical tidal harmonic analysis including error estimates in MATLAB using T_TIDE. Comput Geosci, 28(8): 929–937

[18] Reid J L (2003). On the total geostrophic circulation of the Indian Ocean: flow patterns, tracers, and transports. Prog Oceanogr, 56(1): 137–186

[19] Rooth C (1972). A linearized bottom friction law for large-scale oceanic motions. J Phys Oceanogr, 2(4): 509–510

[20] Santoso A, England M H, Hirst A C (2006). Circumpolar deep water circulation and variability in a coupled climate model. J Phys Oceanogr, 36(8): 1523–1552

[21] Speer K G, Rona P A (1989). A model of an Atlantic and Pacific hydrothermal plume. Journal of Geophysical Research: Oceans (1978−2012), 94(C5): 6213–6220

[22] Tao C, Li H, Huang W, Han X, Wu G, Su X, Zhou N, Lin J, He Y H, Zhou J P (2011). Mineralogical and geochemical features of sulfide chimneys from the 49 39′E hydrothermal field on the Southwest Indian Ridge and their geological inferences. Chin Sci Bull, 56(26): 2828–2838

[23] Tao C, Lin J, Guo S, Chen Y, Wu G, Han X, German C R, Yoerger D R, Zhou N, Li H, Su X, Zhu J (2012). First active hydrothermal vents on an ultraslow-spreading center: Southwest Indian Ridge. Geology, 40(1): 47–50

[24] Warren B A (1974). Deep flow in the Madagascar and Mascarene basins. Deep-Sea Res, 21(1): 1–21

[25] Warren B A (1978). Bottom water transport through the Southwest Indian Ridge. Deep-Sea Res, 25(3): 315–321

[26] Wichers S (2005). Verification of numerical models for hydrothermal plume water through field measurements at TAG. Dissertation for PhD Degree. Massachusetts Institute of Technology

[27] Zhang T, Gao J (2011). Characters of magmatic activity and tectonics on the ultraslow spreading ridge in Southwest Indian ocean. Advances in Marine Science, 29(03): 314–322 (in Chinese)

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg