Basale og frontale akkretionsprocesser versus BSR-karakteristika langs den chilenske rand

Abstract

Multichannel seismiske refleksionsdata optaget mellem Itata () og Coyhaique offshores () blev behandlet for at opnå seismiske billeder. Analysen af de seismiske profiler afslørede, at svage og diskontinuerlige bundsimulerende reflektorer var forbundet med basale akkretionsprocesser, mens stærke og kontinuerlige bundsimulerende reflektorer var forbundet med frontale akkretionsprocesser. Dette kan forklares ud fra den betragtning, at under basale akkretionsprocesser kan ekstensionstektoniske bevægelser som følge af opstuvning begunstige væskeudstrømning, hvilket giver anledning til svagere og mest diskontinuerlige reflektorer, der simulerer bunden. Under frontale akkretionsprocesser (foldning og stød) kan høj væskecirkulation og stabile tektoniske forhold derimod være årsag til stærkere og mere kontinuerlige reflektorer, der simulerer bunden. Langs Arauco-Valdivia-afkysten var stejle akkretionspræmier, normale forkastninger, skråningsbassiner og tykkere underplated sedimentbund forbundet med basal akkretion, mens der langs Itata-, Chiloe- og Coyhaique-afkysten var små akkretionspræmier, foldning og tyndere underplated sedimentbund forbundet med frontal akkretion.

1. Indledning

I marine seismiske optegnelser er Bottom Simulating Reflector (BSR) en god indikator for tilstedeværelsen af gashydrat. BSR’en har gjort det muligt at definere fordelingen af gashydrat langs flere kontinentalrande. BSR er forbundet med den akustiske grænseflade mellem det overliggende sediment, der indeholder gashydrat, hvilket øger den seismiske kompressionshastighed, og det underliggende sediment, der indeholder fri gas, hvilket mindsker den seismiske kompressionshastighed . BSR er blevet identificeret i seismiske sektioner i akkretionskomplekser langs både konvergerende og passive marginer . Langs den chilenske kontinentalrand er BSR’en blevet godt rapporteret af flere geofysiske krydstogter. BSR er især genkendt langs det akkretionære prisme .

Langs den chilenske margin er der to vigtige tektoniske processer. Den første er forbundet med frontal akkretion og den anden med basal akkretion .

Denne undersøgelse har til formål at identificere de vigtigste morpho-strukturer på kontinentalranden, især på oceaniske grøfter og kontinentalskråninger. På denne måde kan der ved at fortolke seks stablede og poststack tidsmigrerede sektioner identificeres relationer mellem BSR-karakteristika og tektoniske processer (figur 1).

Figur 1

Kort over undersøgelsesområdet.

2. Tektoniske og geologiske forhold

Undersøgelsesområdet ligger langs det centrale Chile mellem 35° og 45°S, herunder Itata-, Arauco-, Toltén- og Valdivia-udkanterne (fra 36° til 40°S) og Chiloé- og Coyhaique-udkanterne (fra 43° til 45°S) (figur 1).

Den centrale og sydlige del af Chile (34°-46°S) er begrænset mod nord af Juan Fernandez-ryggen og mod syd af Chile-stigningen. Juan Fernandez-ryggen er karakteriseret ved et Pampas-fladebælte-segment, hvor der mangler vulkanisme og forlandshævning (Sierras Pampeanas) de højeste bjerge i Andesbjergene, som f.eks. Aconcagua-massivet (6989 m). Syd for Pampas-segmentet er Andesranden karakteriseret ved normal subduktion (dykning 30°), der strækker sig fra 34° til 46° sydlig bredde og op til Chile-trekanten. Konvergensen mellem Nazca- og sydamerikanske plader sker med en gennemsnitlig hastighed på 6,4 cm/år . I dette område (fra 34° til 45° sydlig retning) er hele randzonen karakteriseret ved en skrå konvergensvektor (N78° øst) og når en ortogonal retning i det australe segment.

Den kontinentale skråning består af en nedre og en øvre skråning. Den nederste skråning er forbundet med det akkretionsprisme , der er opbygget af turbiditter , der er indarbejdet fra grøftefyldning til den nederste skråning som akkrediterede sedimenter , mens den øverste skråning er forbundet med en betydelig mængde terrigenske sedimenter fra Andesbuens vulkanske bjergarter , der er aflejret på et kontinentalt metamorft grundfjeld .

Den oceaniske grøft er fyldt af sedimenter af en tykkelse på delvist mere end 2 km og fremstår lokalt snarere som en flad slette end som en bathymetrisk lavning . Den oceaniske grøfts udfyldning består af turbiditiske og hemipelagiske lag, som viser en vis cyklicitet i deres seismiske refleksionsmønster, der fortolkes som en påvirkning af de globale klimacyklusser på sedimentationen . Det oceaniske grundfjeld repræsenterer Nazca-pladen, der subducerer under den sydamerikanske plade og består af pelagiske sedimenter og oceaniske basalter.

3. Data og seismisk behandling

I denne undersøgelse er seks seismiske linjer analyseret. Fire af dem (SO161-44, SO161-35, SO161-29 og SO161-40; se figur 1) blev optaget af RV SONNE-krydstogtet (januar-februar 2001) som en del af projektet “Subduction Processes Off Chile (SPOC)”, og de to andre (RC2901-728 og RC2901-734; se figur 1) blev optaget af RV CONRAD-krydstogt (januar-februar 1988) som en del af projektet “Mid-Ocean Spreading Ridge (Chile Ridge)” under Ocean Drilling Program (ODP). Der blev anvendt prestack-seismiske data for fire seismiske linjer (RC2901-728, SO161-44, SO161-29 og RC2901-734), mens der kun foreligger stablede seismiske data for de to andre linjer (SO161-35 og SO161-40). Seismiske data blev indsamlet under RV SONNE-togtet ved hjælp af en 3000 m lang 132-kanals digital streamer med 12,5 m mellem de første 24 kanaler og 25 m mellem de øvrige kanaler. Den seismiske kilde var et tunet array af 20 luftkanoner med et samlet volumen på 54,1 l og en skudafstand på 50 m. De seismiske data, der blev opsamlet under RV CONRAD-togtet, blev opsamlet ved hjælp af en 3000 m lang digital streamer med 240 kanaler og et interval på 12 mellem kanalerne.5 m. Den seismiske kilde var et afstemt array af 10 luftkanoner med et samlet volumen på 61,3 1, med en skudafstand på 50 m.

Den seismiske behandling blev udført ved hjælp af open source Seismic Unix (SU) software . For at opnå et nøjagtigt seismisk billede blev der udført en standardbehandling af de seismiske Prestack-data efterfulgt af poststack-tidsmigration (faseforskydnings- og Stolt-metoder). For at evaluere de seismiske egenskaber ved det stablede afsnit blev der foretaget en sandamplitudebehandling. I hvert behandlingstrin blev det kontrolleret, at amplitude-spektret blev bevaret. For SO161-35 og SO161-40 seismiske linjer, for hvilke der kun forelå stablede seismiske data, blev der foretaget en faseforskydningsmigrering ved hjælp af den seismiske vandhastighed (1480 m/s).

Det første trin i standardbehandlingen var at konvertere dataene fra SEGY- til SU-format. Når de var konverteret til SU-format, blev der foretaget en kontrol af den mindste forskydning ved hjælp af den første ankomst (direkte bølge). Hvis man antager, at den seismiske vandhastighed er lig med 1480 m/s (fra analysen af direkte bølger), blev der faktisk identificeret en tidsforskydning på 0,12 s i den seismiske linje SO161-44. Det blev korrigeret ved at forskyde alle seismiske data med 0,12 s.

Det næste skridt var at definere den geometriske opstilling af de præstøckdata. I denne undersøgelse blev kilde-modtager-koordinaterne defineret arbitrært uden hensyntagen til de geografiske koordinater, og forskydningen og det fælles midtpunkt (CMP) blev beregnet ved hjælp af de tidligere beregnede kilde-modtager-koordinater. I tilfælde af de seismiske linjer SO161-44 og SO161-29 blev der taget hensyn til to forskellige streamers: den første med 24 kanaler med en afstand på 12,5 m og den anden med 108 kanaler med en afstand på 25 m. Indstillingsgeometrien blev tildelt separat og derefter integreret som en enkelt streamers. Der blev defineret CMP-afstande på 6,25 m (for RC2901-728 og RC2901-734 seismiske linjer) og 12,5 m (for SO161-44 og SO161-29 seismiske linjer).

For at dæmpe støj og korrigere virkningerne på amplituden som følge af bølgefrontens sfæriske divergens blev der anvendt henholdsvis et båndpasfilter (15-70 Hz) og en forstærkning.

I den seismiske linje SO161-44 blev der konstateret kraftig støj i forbindelse med refleksioner uden for planen (sideswipe), sandsynligvis på grund af den uregelmæssige morfologi. For at dæmpe denne støj blev der anvendt et dip-filter (hældning på 8-5,5 10-4) i F-K-domænet.

Der blev foretaget en analyse af stablingshastigheden for hver 100 CMP (dvs. hver 1250 m for de seismiske linjer SO161-44 og SO161-29 og hver 625 m for de seismiske linjer RC2901-728 og RC2901-734). Derfor blev der anvendt stablingshastighedsmodeller til at udføre stabling . For at opnå et nøjagtigt seismisk billede blev der foretaget en poststack tidsmigration; således blev de stablede hastighedsmodeller omdannet til intervalhastighedsmodeller. Desuden blev der udført forskellige test af poststack tidsmigration (Stolt- og faseforskydningsmetoder). De bedste resultater blev opnået ved at anvende faseforskydningsmetoden. Endelig blev der for at opnå de endelige poststack-migrerede sektioner anvendt et båndpasfilter (15-70 Hz), mixing traces, AGC gain (800 ms vindue) og muting.

4. Resultater

4.1. RC2901-728

Det tidsmigrerede afsnit RC2901-728, der er beliggende ud for Itata (36°S), er karakteriseret ved en regelmæssig oceanisk basaltop, med et lille antal strukturer i den vestligste del, mens der i dybden er tydelige underskubstrukturer.

I bunden af den nederste skråning blev en anticlinal rampe genkendt. Opadtil definerer flere thrusts et overlejret kompleks (ca. 15 km bredt). Ved ca. 8 s tolkes refleksioner med høj amplitude som en dekollementoverflade (figur 2). Under dette niveau kan en anden reflektor med høj amplitude forbindes med den oceaniske basaltop. Et opløftet skråningsbassin bag en subvertikal er karakteriseret ved divergerende og kontinuerlige reflektorer (Figur 2). Nedadtil og opadtil af skråningsbassinet kan kaotiske refleksioner med lav øjeblikkelig amplitude (se indsættelse i figur 2) relateres til skredaflejringer (CDP 8000 og 9500, henholdsvis). Fra CDP 8000 til 13000 blev der identificeret et stærkt og kontinuerligt BSR, som kan forbindes med tilstedeværelsen af gashydrat. Fra CDP 10500 til 11500 blev der konstateret en negativ blomsterstruktur (figur 2). I dybden blev refleksioner med høj amplitude forbundet med den kontinentale basaltop.

(a)

(b)

(a)
(b)

4.2. SO161-44

SO161-44 tidsmigreret snit (figur 3) beliggende ud for Arauco (tæt på 38°S) viser forskellige træk sammenlignet med det foregående snit. Der blev erkendt flere forkastninger på toppen af det oceaniske grundfjeld.

(a)

(b)

(a)
(b)

Figur 3

SO161-44 seismisk profil. Poststack tidsmigreret (a) og poststack tidsmigreret (b) snit med overlejret linjetegningssnit.

I bunden af skråningen påvirker svagt deformerede reflektorer, tryk- og undertryksdannelser grøftefyldningen. Toppen af et akustisk semitransparent niveau (ca. 7 s) kan forbindes med en dekollementoverflade.

Den nederste skråning er bred ca. 15 km og er stejlere end sektion SO161-44. Ved foden af den nederste skråning erkendes let deformerede sedimenter, som kun involverer den laveste bund af den sedimentære grøftefyldning (ca. 0,8 s tykkelse; Figur 3). Dekollementoverfladen og den øverste del af det oceaniske grundfjeld (ca. 6 s og 7,5 s) viser optrækkende træk (Figur 3). Fra CDP 5700 til 6600 danner en tryksekvens en stejlt nedadfaldende nedre skråning. Østpå blev der konstateret en normalforkastningsskrænt med en forskydning på ca. 1 s (tæt på CDP 7000). Her blev der observeret kaotiske refleksioner. Bemærk, at forkastningsskrænten markerer grænsen mellem den nedre skråning og den øvre skråning.

Den øvre skråning viser en uregelmæssig topografi, der er afbrudt af to hovedstødninger (ved CDP 7000 og 8000). Der er tydelige kaotiske refleksioner, der er observeret i den lavvandede og dybe del (figur 3). Fra CDP 7200 til 7600 (5 km bredde) blev der afbildet en nedtrykt zone, der er karakteriseret ved morfologiske højder og en grabenstruktur. Der blev erkendt nogle skråningsbassiner på toppen af de havvendte thrusts. Ved ca. 3,2 s blev der identificeret en diskontinuerlig og stærk BSR. Refleksioner med høj amplitude ved ca. 4 s kan fortolkes som den kontinentale basaltop.

4.3. SO161-35

SO161-35 poststack tidsmigreret snit, beliggende syd for Mocha Island tæt på 38,5°S viser en uregelmæssig oceanisk basaltop.

Den nederste skråning er karakteriseret ved en uregelmæssig topografi, som er afbrudt af et morfologisk højdedrag (ca. CDP 9000). Neden for skråningen blev der erkendt et tætliggende tryksektion, mens to store bredtliggende tryksektioner oven for skråningen former akkretionsprismen (figur 4). Omkring 7 s og 8 s blev refleksioner med høj amplitude og pull-up-funktioner forbundet med toppen af den underpløjede sedimentbund og med toppen af det oceaniske grundfjeld. Fra CDP 9200 til 10000 blev der erkendt en svag og diskontinuerlig BSR (Figur 4). Havbunden er karakteriseret ved anomale morfologiske højder, som kan forbindes med mulige muddervulkaner. Fra CDP’erne 10200 til 11500 blev der fundet to primære skråningsbassiner. Bemærk, at disse bassiner hovedsagelig er påvirket af forskydningen af normale og omvendte forkastninger (se figur 4). På højre side af bassinerne blev der konstateret normale forkastninger, der danner “halvgraven”-strukturer (figur 4). Omkring 5 s blev der registreret refleksioner med høj amplitude, der er forbundet med den kontinentale grundfjeldsoverflade.

(a)

(b)

(a)
(b)

Figur 4

SO161-35 seismisk profil. Poststack tidsmigreret (a) og poststack tidsmigreret (b) snit med overlejret linjetegningssnit.

4.4. SO161-40

SO161-40 poststack tidsmigreret snit (Figur 5), der er placeret syd for Chiloe-øen (43,5°S), er karakteriseret ved en regelmæssig oceanisk basaltop. Gravsedimenterne er påvirket af tryk- og normalforkastninger.

(a)

(b)

(a)
(b)

Figur 5

SO161-40 seismisk profil. Poststack tidsmigreret (a) og poststack tidsmigreret (b) snit med overlejret linjetegningssnit.

I bunden af den nederste skråning danner en trykstruktur en anticlinal rampe. I dybden påvirker kaotiske refleksioner og inaktive forkastninger den sedimentære sekvens; her er den underpløjede bund og de oceaniske basaltoppe mindre tydelige, men nogle refleksioner med høj amplitude kan erkendes ved henholdsvis 6 s og 7 s (Figur 5). Fra CDP 7800 til 10000 er der tydelige arvsbånd, som kan forbindes med normale forkastninger. I dybden, fra CDP 8000 til 9000, blev der fundet en stærk og kontinuerlig BSR. Bemærk, at BSR’en op ad skråningen afbrydes af aktive brud, der danner en mulig blomsterstruktur (figur 5). Omkring 3 s blev refleksioner med høj amplitude, der var påvirket af forkastninger, forbundet med den kontinentale grundfjeldstop. Opadtil fra CDP 9000 til 10000 blev der konstateret et morfologisk højdepunkt og en undersøisk kanal (3 km bred), der kontrolleres af normale forkastninger (figur 5).

5. Diskussioner og konklusioner

To hovedtilvækstprocesser kan genkendes langs den chilenske rand: den første er relateret til frontal tilvækst og den anden til basal tilvækst . Begge processer, frontal og basal akkretion, blev genkendt i alle seismiske sektioner. Især kan områder, der er karakteriseret ved regelmæssig oceanisk basaltop, morfologiske højder og tryk på tværs af kontinentalskråningen (RC2901-728, SO161-40 og RC2901-734; Figur 6), forbindes med frontal akkretion, mens områder, der er karakteriseret ved uregelmæssig oceanisk basaltop, fravær af morfologiske højder og bredere og stejle kontinentalskråninger, kan forbindes med basal akkretion. Desuden kan der beskrives sammenhænge mellem tykkelsen af den underpløjede sedimentbund og morfologien af den nederste skråning. Således bidrager en tykkere underplated sedimentbund til dannelsen af stejlere skråninger, mens en tyndere underplated sedimentbund bidrager til dannelsen af mere ujævne skråninger. I sektionerne RC2901-728 og SO161-40 stemmer et tyndt underplated sedimentlag (0,5 s) overens med en grovere skråning, mens et tykkere underplated sedimentlag (1,2 s) i sektionerne SO161-44 og SO161-35 (figur 6(b)) viser en stejlere og mere jævn skråning. På denne måde kan en større mængde underplated sedimenter være bestemmende for dannelsen af duplexer under det akkretionære prisme, der påvirker de akkrediterede sedimenter og hæver det interne prisme, som det fremgår af SO161-44, SO161-35 og SO161-29 sektionerne. Det ser ud til, at det afskrabede materiale giver plads til bevægelser langs trykfagene under opløftningen, der genererer subhorisontale trykfag. Lateral og vertikal vækst af akkretionsprismers prismer i forbindelse med basal akkretion er blevet rapporteret af flere forfattere på forskellige kontinentale rande (dvs. 8, 22, 23, 24 og 25). I områder, hvor der er konstateret en tyndere underpladeret sedimentbund, viser akkretionsprismen tværtimod fremstød med stor forskydning, som er forbundet med en episodisk frontal akkretion . I dette tilfælde spiller det underpladerede materiale en mindre rolle indflydelse. På denne måde vil udviklingen for disse prismer svare til de prismer, der er vist i de tidligere analyserede afsnit.

(a)

(b)

(c)

(a)
(b)
(c)

BSR’er observeret på seismiske snit betragtes ofte som indikatorer for eksistensen af fri gas, der afgrænser basen af stabilitetszonen for gashydrat. Syd for Juan Fernandez-ryggen blev BSR’en erkendt på den interne prisme i alle sektioner. I den nordligste del (RC2901-728, SO161-40) og den sydligste del (SO161-40 og RC2901-734) er BSR stærk og kontinuerlig (figur 6(a) og 6(b)), mens der i den centrale del (SO161-44, SO161-35 og SO161-29) blev konstateret en svag og ujævn BSR (figur 6(b)). Der kan således observeres relationer mellem BSR-karakteristika og akkretionsprocesserne; især er BSR’en stærk og kontinuerlig i overensstemmelse med de frontale akkretionsprocesser, mens den er svag og diskontinuerlig i forbindelse med de basale akkretionsprocesser. Under den frontale akkretion synes de tektoniske bevægelser at påvirke det frontale prisme, men ikke det interne prisme, hvilket fremmer væskeakkumulationen og dermed dannelsen af stærke og kontinuerlige BSR’er (se figur 6(a) og 6(c) til højre). I mellemtiden genererer opstigningen som følge af basal tilvækst ekstensionstektoniske bevægelser på det indre prisme, hvilket kan fremme væskeudsivning (se til højre på figur 6(b)) og dermed temperaturændringerne. Dybden af gashydratstabilitetszonen er således stærkt variabel langs den seismiske linje, og BSR forsvinder eller bliver derfor svagere. Desuden er en lavere geotermisk gradient (30 °C/km) i den nordlige sektor (SO161-44-sektionen) i overensstemmelse med en ældre oceanisk skorpe (35 Ma) , hvor der kan forventes en reduceret væskecirkulation. I den sydlige sektor (sektion RC2901-734) er der derimod en højere og variabel geotermisk gradient (50-95 °C/km), hvilket stemmer overens med en yngre oceanisk skorpe (15 Ma), hvor der kan forventes en øget væskecirkulation. Bemærk, at BSR-egenskaberne kan forklares ved at tage flere faktorer i betragtning. Det er således muligt at knytte en svag og diskontinuerlig BSR hovedsagelig til en reduceret cirkulation og en aktiv tektonik. I den nordligste del (Itata offshore) er en stærk og kontinuerlig BSR imidlertid i modstrid med en ældre oceanisk skorpe. Selv om der forventes en reduceret cirkulation fra den oceaniske skorpe, kan stabile tektoniske forhold og biogene metankilder forklare den stærkeste og kontinuerlige BSR i dette område. Faktisk kan man i Itata offshore ud fra bathymetriske data genkende en glattere kontinental skråning, som kan relateres til et stabilt tektonisk regime, mens der sydpå (Arauco og Valdivia offshore) er en uregelmæssig kontinental skråning karakteriseret ved undersøiske kløfter, erosive områder og strukturelle lineamenter, som kan relateres til et ustabilt tektonisk regime.

Akkommentarer