Signifikanz von Sidescan Sonar Daten für morphodynamische Untersuchungen in Schelf-Meeren : Fallstudien anhand von Unterwasser-Dünen Wanderung, Verfüllung von Entnahmegruben und Stabilität sortierter Bodenformen

A side-looking sonar was constructed for military purposes during World War II as a development of forward-search sonars used for detection of foe submarines hiding motionless on a seabed. An unexpected career of sidescan sonars began with their implementation in marine geology. A sonar ability to recognise sediment roughness and consequently grain size allowed significant opportunities for sediment mapping, which were spatially more precise than the ones performed by sediment sampling. In addition, an acoustic shadow caused by close-seabed scanning over troughs and ridges allowed easier interpretation of the bottom morphology. These revolutionary features opened new ways of underwater exploration. Some multi-disciplinary applications of sonographs on continental shelves are presented in the introduction of this work after a technical description of a sidescan sonar system, and sonograph processing issues. The main objective of this work is to discuss three case studies on sidescan sonar applications in seabed dynamics research. Each of the study was constructed as a separate research paper qualified for prestigious journals and thus, the introductory part of this work is a descriptive supplement of information enclosed in the presented manuscripts. A case study from the southern Vietnamese shelf is focused on sand dunes mapping on the basis of not mosaicked sonographs. It was the first investigation on bedforms from this area; however it contains data only from the end of the winter monsoon. The shelf area was divided into five zones grouping dunes of similar size, shape and orientation. All located sand dunes higher than 1.5 m were described, summarized in a scatter plot of height/length ratio and thus compared to dunes observed on other shelves. The dunes orientation corresponded to the overall South China Sea circulation pattern during the winter monsoon. Therefore, the possibility of dunes mobilisation was investigated with the help of empirical equations predicting sediment transport. Depth-integrated velocities necessary to put sediment forming dunes in motion were calculated for distinguished zones. The results were discussed with hydrodynamic in-situ measurements of other authors and it was concluded that most of the investigated dunes were likely to migrate actively following the monsoon circulation. A case study from the Baltic Sea is a rare example of an investigation focused on changes in the morphology of pits created by anchor hopper dredging of marine sand and gravel aggregates. By means of sidescan sonar and multi-beam echosounder data, a six-year evolution of four pits was presented. In the case of three pits dredged in a sandy seabed faster smoothing of edges and infilling rates larger than in the case of a pit dredged in gravel were clearly observed. The edges of the gravel pit were expanding due to collapsing of the side-walls. The infilling of the pit was investigated based on approximations of pit depth by single- and multi-beam echosoundings, as well as acoustic shade length in the sonographs. Earlier studies of other authors on this pit allowed plotting a curve of infilling rate over six years of pit evolution. The filling clearly slowed down over time and the reasons for that are discussed in this paper. The sand screened in the dredging process surrounded the investigated pit and its backscatter values in sonographs clearly separate it from the gravel seabed. The area covered by the screened sand fraction was monitored and appeared to be decreasing in time. Hydrological data showed the possibility of frequent mobilisation of this fraction and therefore indicated it as the main source for pit infilling. A case study from the North Sea presents a unique approach of conversion analogue sidescan sonar data into digital, geo-referenced form in order to present morphological stability and birth of sorted bedforms. The analogue mosaic was geo-coded in a DECCA navigation system in 1977. DECCA system technology was described thoroughly and a study of the spatial errors was presented for accurate geo-referencing of the mosaic. Image warping by rubber-sheeting method was performed to compare old sonographs of a sorted bedform with sonographs from 2002. A continuation study of Dr. Markus Diesing et al. additionally contains a multi-beam backscatter mosaic from 2003 as a comparison data-set. The morphological stability of the bedforms over time was discussed in the paper and compared to worldwide examples. Hydrodynamic conditions influencing the bedforms were presented and a significant role of the tidal currents in shaping the sorted bedforms was demonstrated. An asymmetry of a newly appeared sorted bedform, however, was probably related rather to high energy storm events. Even though the sidescan sonar data were collected from three different seas for three different case studies in three different scales, sonographs proved to be a valuable tool in each of the cases. Minor limitations of sidescan sonar systems and options for applying other devices for the same types of investigations are discussed in the end of this work.Während des Zweiten Weltkrieges wurde für militärische Zwecke zum Aufspüren feindlicher Unterseeboote, die die sich bewegungslos auf dem Meeresgrund versteckten, ein seitwärts schauendes Sonar als Fortentwicklung des vorwärts schauenden Sonars gebaut. Eine unerwartete Karriere dieses Seitensicht-Sonars begann mit seiner Einführung in der Marinen Geologie. Die Fähigkeit des Sonars, die Sedimentrauhigkeit und infolgedessen die Korngröße zu erkennen, eröffnete bedeutende Möglichkeiten in der Sedimentkartierung mit einer räumlich besseren Auflösung als sie durch Probennahmen zu erreichen ist. Zusätzlich erlaubt ein akustischer Schatten, der durch bodennahes Überfahren von Vertiefungen und Erhebungen verursacht wird, eine einfachere Interpretation der Morphologie des Meeresgrundes. Diese revolutionären Eigenschaften öffneten neue Wege der Unterwassererforschung. Einige multidisziplinäre Anwendungen von Sonographen auf Kontinentalsockeln werden in der Einleitung zu dieser Arbeit neben technischen Besonderheiten des Seitensicht-Sonar-Systems und Implikationen bei der Verarbeitung von Sonographie-Daten beschrieben. Die Hauptzielsetzung dieser Arbeit ist es, drei Fallstudien der Anwendung eines Seitensicht-Sonars in Meeresgrunddynamikstudien darzustellen. Jede der Studien wurde für anerkannte Journale verfasst oder angenommen, der einleitende Teil dieser Arbeit ist eine beschreibende Ergänzung der Informationen in den vorgestellten Veröffentlichungen. Eine Fallstudie am Südvietnamesischen Kontinentalsockel ist auf die Kartierung der Sanddünen auf der Basis nicht zusammengesetzter Sonographie-Daten ausgerichtet. Es ist die erste Untersuchung von Bodenformen in diesem Gebiet, enthält jedoch nur Daten vom Ende des Wintermonsuns. Der Schelfbereich wurde in fünf Zonen eingeteilt, um Dünen ähnlicher Größe, Form und Orientierung zu gruppieren. Alle lokalisierten Sanddünen mit einer Höhe größer als 1.5 m wurden beschrieben und in ihrem höhen/längen Verhältnis in einem Scatterplot dargestellt, und auf diese Weise mit Dünen auf anderen Schelfen verglichen. Die Düneorientierung entspricht dem allgemeinen Zirkulationsschema der Südchinesischen See während des Wintermonsuns. Die Möglichkeit der Dünenmobilisierung wurde mit Hilfe empirischer Sedimenttransportgleichungen untersucht. Tiefengemittelte Strömungs­geschwindigkeiten, notwendig um Sedimente zur Bildung von Dünen in Bewegung zu setzen wurden berechnet. Die errechneten Ergebnisse wurden mit hydrodynamischen In-Situ Messungen anderer Autoren verglichen und es wurde gefolgert, dass die meisten untersuchten Dünen aktiv entsprechend der Monsunzirkulation wandern. Eine Fallstudie in der Ostsee ist ein seltenes Beispiel einer Untersuchung von Änderungen in der Morphologie von Gruben, die durch Nassbaggern von Marinen Sanden und Kiesen entstandenen sind. Mittels Seitensicht-Sonar und Fächerecholot-Daten wurde die Entwicklung von vier Gruben über sechs Jahre dargestellt. Im Falle dreier Gruben in sandigem Untergrund konnte eine deutlich höhere Abrundungsrate der Kanten und Sedimentation in den Gruben beobachtet werden als dies bei der Grube im Kiesbett der Fall war. Die Ränder der Grube im Kies änderten sich durch Abrutschen der Seitenwände. Sedimentation in den Gruben wurde basierend auf Näherungswerten der Grubetiefe durch Single-Beam-Echolot und Fächerecholot-Messungen, sowie akustische Schattenlänge in den Sonographie-Daten untersucht. Frühere Studien anderer Autoren an diesen Gruben ermöglichten es, die Sedimentationsrate über sechs Jahre darzustellen. Die Sedimentationsrate verlangsamte sich mit der Zeit deutlich, die Gründe hierfür werden in diesem Paper dargestellt. Der Sand, der während des Nassbaggerns ausgesiebt wurde, konnte im Umkreis der untersuchten Grube nachgewiesen werden, das Echo in den Sonographie-Daten war deutlich von dem des kiesigen Meeresgrundes zu unterscheiden. Der Bereich, der durch die ausgesiebte Sandfraktion bedeckt wurde, wurde beobachtet und verringerte sich mit der Zeit. Hydrologische Daten zeigen die Möglichkeit einer häufigen Mobilisierung dieser Sandfraktion, wodurch diese als hauptsächliche verantwortliche Quelle für die Sedimentation in den Gruben ausgemacht werden kann. Eine Fallstudie in der Nordsee stellt einen einmaligen Ansatz der Umwandlung von analogen Seitensicht-Sonar-Daten in digitale, georeferenzierte Form dar, um die morphologische Stabilität und die Entstehung von sortierten Bodenformen darzustellen. Das analoge Mosaik wurde 1977 im DECCA Navigationssystem geo-kodiert. Die DECCA System Technologie wurde gänzlich beschrieben und für die genaue Georeferenzierung des Mosaiks wurde eine Studie der räumlichen Fehler präsentiert. Eine Anpassung des Bildes wurde per “rubber – sheeting“ Methode durchgeführt um historische Sonographie-Daten sortierter Bodenformen mit neuen Sonographie-Daten von 2002 zu vergleichen. Eine nachfolgende Studie von Dr. Markus Diesing et al. enthält zusätzlich ein “multi-beam backscattering“ Mosaik von 2003 als vergleichendes Material. Die morphologische Stabilität der Bodenformen über die Zeit wird in dem Paper besprochen und mit weltweiten Beispielen verglichen. Die hydrodynamischen Umgebungsbedingungen der Bodenformen wurden dargestellt und eine bedeutende Rolle der Gezeiten-Strömungen auf diese festgestellt. Eine Asymmetrie neu entstandener sortierter Bodenformen hing vermutlich mit Sturmereignissen hoher Energie zusammen. Obwohl die Seitensicht-Sonar-Daten in drei unterschiedlichen Meeren für drei unterschiedliche Untersuchungen und in drei unterschiedlichen Maßstäben gesammelt wurden, waren die Sonographie-Daten in jedem der Fälle ein wertvolles Hilfsmittel. Die kleineren Beschränkungen von Seitensicht-Sonar-Systemen und die Möglichkeit der Anwendung anderer Systemen für die gleichen Studien werden im Ende dieser Arbeit diskutiert