Morphometry and scaling relationships of subaquatic channels and canyons : a framework for systematic analysis

Abstract

Subaquatische Kanäle und Canyons sind global bedeutende sedimentäre Systeme, die durch Trübeströme Sedimente, organischen Kohlenstoff, Nährstoffe und Schadstoffe in die Tiefsee transportieren und dabei einige der größten Sedimentablagerungen der Erde formen. Trotz ihrer Relevanz sind diese Systeme aufgrund ihrer schwer zugänglichen Lage und der begrenzten Verfügbarkeit hochauflösender, wiederholter bathymetrischer Daten bislang unzureichend erforscht. Ein umfassendes morphometrisches Verständnis dieser Systeme ist essenziell für die Weiterentwicklung geomorphologischer Theorien sowie für die Bewertung geogefährdungsrelevanter Risiken im Zusammenhang mit mariner Infrastruktur.Ziel dieser Dissertation ist die Entwicklung und Anwendung eines robusten und generalisierbaren Rahmens zur morphometrischen Analyse subaquatischer Kanäle. Der übergeordnete Fokus liegt auf der Identifikation von Skalierungsbeziehungen in unterschiedlichen subaquatischen Sedimenttransportsystemen sowie auf der Erkennung kanalmodifizierender Prozesse in Einzelsystemen. Hierzu wurde ein Matlab-basiertes Werkzeug zur effizienten und semi-automatisierten Extraktion morphometrischer Parameter aus digitalen Höhenmodellen entwickelt. Das Tool ist auf subaquatische, subaerische und extraterrestrische Kanäle anwendbar und berechnet sowohl planimetrische als auch querprofilbezogene Kenngrößen, darunter bordvolle Breite, Krümmung, Sinuosität, Wellenlänge, Tiefe, Querschnittsfläche, Sohlgefälle und Böschungsneigung.Das Werkzeug wurde auf einen harmonisierten Datensatz von 18 subaquatischen Systemen angewendet, die von Seen, Fjorden bis hin zu submarinen Canyons und Tiefsee-Kanälen reichen. Eine neuartige Datenharmonisierung wurde eingeführt, um größenbedingte Verzerrungen zu minimieren und eine ausgewogene Repräsentation sicherzustellen. Die Analyse zeigt, dass die bordvolle Breite der dominierende morphometrische Parameter ist, mit starken Skalierungsbeziehungen zu Tiefe, Wellenlänge und Amplitude. Das Aspektverhältnis (Breite-zu-Tiefe) weist systemübergreifend konsistente Trends auf, was auf eine notwendige Kompaktheit zur Aufrechterhaltung von Trübeströmen hinweist. Auch planimetrische Verhältnisse wie Wellenlänge-zu-Breite und Amplitude-zu-Breite zeigen bemerkenswerte Uniformität über Systemgruppen hinweg.In einer Fallstudie zum Congo Canyon-Channel wurden erstmals wiederholte bathymetrische Vermessungen dieses großräumigen submarinen Systems analysiert, um morphometrische Fingerabdrücke kanalmodifizierender Prozesse zu identifizieren. Dazu zählen blockierende Rutschungen, Knickpunkte, mäandrierende Läufe sowie Abzweigungen. Jeder dieser Prozesse ist mit charakteristischen Veränderungen morphometrischer Parameter verbunden, was deren systematische Erkennung auch in niedrigauflösenden Datensätzen ermöglicht. Auf Basis dieser Fingerabdrücke wurde das System in drei morphodynamische Abschnitte unterteilt, die jeweils durch unterschiedliche dominierende Prozesse geprägt sind: Rutschungen im Oberlauf, Mäanderentwicklung im mittleren Abschnitt und Knickpunkt-Wanderung im Unterlauf. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern eine robuste Methodik zur morphometrischen Analyse, die auf verschiedensten Systemen anwendbar ist. Sie verbessern das Verständnis der Entwicklung subaquatischer Kanäle und Canyons und bilden eine Grundlage für zukünftige hydrodynamische Modellierungen und Gefährdungsanalysen. Die identifizierten morphometrischen Fingerabdrücke bieten ein wertvolles Instrument zur Erkennung kanalmodifizierender Prozesse in Einzelvermessungen. Zukünftige Entwicklungen könnten eine automatisierte Böschungserkennung, die Integration in Python-basierte Workflows sowie Anwendungen auf extraterrestrische Systeme umfassen.

Subaquatic channels and canyons are globally significant sedimentary systems formed by turbidity currents. These currents transport sediment, organic carbon, nutrients and pollutants to the deep sea, creating some of the largest accumulations of sediment on Earth. Despite their importance, these systems remain poorly understood due to their inaccessibility and the limited availability of high-resolution and repeated bathymetric data. A comprehensive morphometric understanding of these environments is essential for advancing geomorphological theory and for assessing geohazards related to submarine infrastructure.This doctoral thesis aims to develop and apply a robust and generalisable framework for the morphometric analysis of subaquatic channels. The overarching objective is to gain insights into scaling relationships across diverse subaquatic channelised sediment conduits and to identify channel-modifying features in individual systems. To achieve this, a Matlab-based tool was developed for the efficient and semi-automated extraction of morphometric characteristics from digital elevation models. The tool is applicable to subaquatic, subaerial, and extraterrestrial channels and computes both planform and cross-sectional parameters, including bankfull width, curvature, sinuosity, wavelength, depth, cross-sectional area, thalweg gradient and levee slope.The tool was applied to a harmonised dataset of 18 subaquatic systems, ranging from lakes and fjords to submarine canyons and deep-sea channels. A novel data harmonisation procedure was introduced to mitigate size-related bias and ensure balanced representation across systems. The analysis revealed that bankfull width is the dominant morphometric characteristic, exhibiting strong scaling relationships with depth, cross-sectional area, wavelength, and amplitude. The aspect ratio (width-to-depth) showed consistent trends across systems, suggesting that a certain compactness is necessary to sustain turbidity currents. Planform ratios such as wavelength-to-width and amplitude-to-width were also found to be remarkably uniform, independent of environmental setting.In a detailed case study of the Congo Canyon-Channel, the first repeated bathymetric surveys of this large submarine system were analysed to identify morphometric fingerprints of channel-modifying features. These include damming landslides, knickpoints, sweep and swing meanders, and avulsions. Each feature was associated with distinct changes in morphometric characteristics, enabling their systematic detection even in lower-resolution datasets. Based on these fingerprints, the system was subdivided into three morphodynamic reaches, each characterised by different dominant processes: landslides in the upper canyon, meander evolution in the middle reach, and knickpoint migration in the lower reach.The findings of this thesis contribute a reproducible and scalable methodology for morphometric analysis, applicable across a wide range of environments. The results enhance our understanding of subaquatic channel evolution and provide a foundation for future hydrodynamic modelling and geohazard assessment. The morphometric fingerprints identified offer a valuable framework for detecting channel-modifying features in single-survey datasets, reducing reliance on repeated measurements. Future developments may include automated crest detection, integration into Python-based workflows, and application to extraterrestrial systems. Ultimately, this work advances the geomorphological understanding of sedimentary conduits and supports the development of resilient seabed infrastructure.