Abstract
Des données de sismique réflexion multicanaux enregistrées entre les offshores d’Itata () et de Coyhaique () ont été traitées pour obtenir des images sismiques. L’analyse des profils sismiques a révélé que les réflecteurs faibles et discontinus simulant le fond étaient associés aux processus d’accrétion basale, tandis que les réflecteurs forts et continus simulant le fond étaient associés aux processus d’accrétion frontale. Ceci peut être expliqué en considérant que pendant les processus d’accrétion basale, les mouvements tectoniques d’extension dus au soulèvement peuvent favoriser les fuites de fluides, ce qui donne lieu à des réflecteurs simulant le fond plus faibles et plus discontinus. Pendant les processus d’accrétion frontale (plissement et poussée), une circulation importante de fluides et des conditions tectoniques stables peuvent cependant être responsables de réflecteurs simulant le fond plus forts et plus continus. Le long des offshores Arauco-Valdivia, des prismes d’accrétion abrupts, des failles normales, des bassins de pente et un lit sédimentaire sous-plaqué plus épais ont été associés à l’accrétion basale, tandis que le long des offshores Itata, Chiloe et Coyhaique, de petits prismes d’accrétion, des plissements et un lit sédimentaire sous-plaqué plus mince ont été associés à l’accrétion frontale.
1. Introduction
Dans les enregistrements sismiques marins, le réflecteur simulant le fond (BSR) est un bon indicateur de la présence d’hydrates de gaz. Le BSR a permis de définir la distribution des hydrates de gaz le long de plusieurs marges continentales. Le BSR est associé à l’interface acoustique entre les sédiments sus-jacents contenant des hydrates de gaz, qui augmentent la vitesse sismique de compression, et les sédiments sous-jacents contenant du gaz libre, qui diminuent la vitesse sismique de compression. Le BSR a été identifié dans des sections sismiques dans des complexes d’accrétion le long de marges convergentes et passives. Le long de la marge continentale chilienne, le BSR est bien signalé par plusieurs croisières géophysiques. En particulier, le BSR est reconnu le long du prisme d’accrétion .
Le long de la marge chilienne, deux processus tectoniques principaux sont reconnus. Le premier est associé à l’accrétion frontale et le second à l’accrétion basale .
Cette étude vise à identifier les principales morpho-structures sur la marge continentale, en particulier sur la fosse océanique et le talus continental. Ainsi, en interprétant six sections empilées et post empilées à migration temporelle, des relations entre les caractéristiques du BSR et les processus tectoniques peuvent être identifiées (figure 1).
Carte de la zone d’étude.
2. Cadre tectonique et géologique
La zone d’étude est située le long du Chili central, entre 35° et 45°S, y compris les offshores Itata, Arauco, Toltén et Valdivia (de 36° à 40°S) et les offshores Chiloé et Coyhaique (de 43° à 45°S) (figure 1).
Le centre et le sud du Chili (34°-46°S) sont limités vers le nord par la crête Juan Fernandez et vers le sud par la montée Chile. La crête Juan Fernandez est caractérisée par le segment Pampean flat-slab, qui présente un manque de volcanisme et de soulèvement de l’avant-pays (Sierras Pampeanas) les plus hautes montagnes des Andes, comme le massif de l’Aconcagua (6989 m). Au sud du segment Pampeanas, la marge andine est caractérisée par une subduction normale (pendage 30°) s’étendant de 34° à 46°S jusqu’à la triple jonction du Chili. La convergence entre la plaque de Nazca et la plaque sud-américaine se produit à une vitesse moyenne de 6,4 cm/an. Dans cette zone (de 34° à 45°S), toute la marge est caractérisée par un vecteur oblique de convergence (N78°E) et atteint une direction orthogonale dans le segment austral.
Le talus continental est constitué d’un talus inférieur et d’un talus supérieur. Le talus inférieur est associé au prisme d’accrétion qui est construit par les turbidites qui sont incorporées du remplissage de la tranchée au talus inférieur comme sédiments accrétés , tandis que le talus supérieur est associé à un volume important de sédiments terrigènes provenant des roches volcaniques de l’arc andin , déposés sur un socle métamorphique continental .
La fosse océanique est remplie de sédiments d’une épaisseur partiellement supérieure à 2 km apparaissant localement plutôt comme une plaine plate que comme une dépression bathymétrique . Le remplissage de la tranchée est composé de strates turbiditiques et hémipélagiques interstratifiées, qui présentent une certaine cyclicité dans leur schéma de réflexion sismique qui est interprétée comme l’influence des cycles climatiques mondiaux sur la sédimentation . Le socle océanique représente la plaque Nazca en subduction sous la plaque sud-américaine et est constitué de sédiments pélagiques et de basaltes océaniques.
3. Données et traitement sismique
Dans cette étude, six lignes sismiques sont analysées. Quatre d’entre elles (SO161-44, SO161-35, SO161-29, et SO161-40 ; voir figure 1) ont été acquises par la croisière RV SONNE (janvier-février 2001) dans le cadre du projet » Subduction Processes Off Chile (SPOC) « , et les deux autres (RC2901-728 et RC2901-734 ; voir Figure 1) ont été acquises par la croisière RV CONRAD (janvier-février 1988), dans le cadre du projet « Mid-Ocean Spreading Ridge (Chile Ridge) » de l’Ocean Drilling Program (ODP). Les données sismiques préemplies de quatre lignes sismiques (RC2901-728, SO161-44, SO161-29, et RC2901-734) ont été utilisées, alors que seules les données sismiques empilées sont disponibles pour les deux autres lignes (SO161-35 et SO161-40). Les données sismiques ont été acquises pendant la croisière RV SONNE en utilisant un streamer numérique de 132 canaux de 3000 m de long avec 12,5 m entre les 24 premiers canaux et 25 m entre les autres canaux. La source sismique était un réseau accordé de 20 canons à air, fournissant un volume total de 54,1 l, avec un espacement des tirs de 50 m. Les données sismiques acquises pendant la croisière RV CONRAD ont utilisé un streamer numérique de 3000 m de long, avec 240 canaux et un intertrace de 12.5 m. La source sismique était un réseau accordé de 10 canons à air d’un volume total de 61,3 1, avec un espacement des tirs de 50 m.
Le traitement sismique a été effectué en utilisant le logiciel open source Seismic Unix (SU) . Afin d’obtenir une image sismique précise, un traitement standard a été effectué sur les données sismiques Prestack, suivi de la migration temporelle post-stack (méthodes Phase Shift et Stolt). Afin d’évaluer les attributs sismiques de la section empilée, un traitement en amplitude réelle a été effectué. En effet, à chaque étape du traitement, la préservation du spectre d’amplitude a été vérifiée. Dans le cas des lignes sismiques SO161-35 et SO161-40, pour lesquelles seules les données sismiques empilées étaient disponibles, une migration par déphasage en utilisant la vitesse sismique de l’eau (1480 m/s) a été réalisée.
La première étape du traitement standard a consisté à convertir les données du format SEGY au format SU. Une fois converties au format SU, une vérification du décalage minimal a été effectuée en utilisant la première arrivée (onde directe). En fait, en supposant que la vitesse sismique de l’eau est égale à 1480 m/s (à partir de l’analyse de l’onde directe), un décalage temporel de 0,12 s a été identifié sur la ligne sismique SO161-44. Il a été corrigé en décalant de 0,12 s toutes les données sismiques.
L’étape suivante a consisté à définir la disposition géométrique des données préemballées. Dans cette étude, les coordonnées source-récepteur ont été définies arbitrairement sans tenir compte des coordonnées géographiques, et le décalage et le point médian commun (PMC) ont été calculés en utilisant les coordonnées source-récepteur précédemment calculées. Dans le cas des lignes sismiques SO161-44 et SO161-29, deux flûtes différentes ont été considérées : la première de 24 canaux espacés tous les 12,5 m et la seconde de 108 canaux espacés tous les 25 m. La géométrie de réglage a été assignée séparément et, ensuite, intégrée comme une seule flûte. Des distances CMP de 6,25 m (pour les lignes sismiques RC2901-728 et RC2901-734) et de 12,5 m (pour les lignes sismiques SO161-44 et SO161-29) ont été définies.
Pour atténuer le bruit et corriger les effets sur l’amplitude dus à la divergence sphérique du front d’onde, un filtre passe-bande (15-70 Hz) et un gain ont été appliqués, respectivement.
Dans la ligne sismique SO161-44, de forts bruits associés aux réflexions hors plan (sideswipe), probablement dus à la morphologie irrégulière, ont été reconnus. Afin d’atténuer ce bruit, un filtre de pendage (pente variant de 8-5,5 10-4) dans le domaine F-K a été appliqué.
Une analyse des vitesses d’empilement tous les 100 CMP (c’est-à-dire tous les 1250 m pour les lignes sismiques SO161-44 et SO161-29 et tous les 625 m pour les lignes sismiques RC2901-728 et RC2901-734) a été réalisée. Par conséquent, des modèles de vitesse d’empilement ont été utilisés pour effectuer l’empilement. Afin d’obtenir une image sismique précise, une migration temporelle post empilement a été effectuée ; ainsi, les modèles de vitesse d’empilement ont été convertis en modèles de vitesse d’intervalle. De plus, différents tests de migration temporelle post-pile (méthodes de Stolt et de déphasage) ont été réalisés. Les meilleurs résultats ont été obtenus en utilisant la méthode de décalage de phase. Enfin, pour obtenir les sections finales migrées poststack, un filtre passe-bande (15-70 Hz), des traces de mélange, un gain AGC (fenêtre de 800 ms) et un muting ont été appliqués.
4. Résultats
4.1. RC2901-728
La section à migration temporelle RC2901-728, située au large d’Itata (36°S), est caractérisée par un sommet de socle océanique régulier, avec un petit nombre de structures dans la partie la plus à l’ouest, tandis qu’en profondeur des structures de sous-poussée sont évidentes.
À la base de la pente inférieure, une rampe anticlinale a été reconnue. En amont, plusieurs poussées définissent un complexe imbriqué (environ 15 km de largeur). A environ 8 s, des réflexions de forte amplitude sont interprétées comme une surface de décollement (figure 2). En dessous de ce niveau, un autre réflecteur de forte amplitude peut être associé au sommet du socle océanique. Un bassin de pente soulevé derrière un subvertical est caractérisé par des réflecteurs divergents et continus (Figure 2). Vers le bas et vers le haut du bassin de pente, des réflexions chaotiques de faible amplitude instantanée (voir l’insertion dans la Figure 2) peuvent être associées à des dépôts d’effondrement (CDP 8000 et 9500, respectivement). De CDP 8000 à 13000, un BSR fort et continu a été identifié et peut être associé à la présence d’hydrates de gaz. De CDP 10500 à 11500, une structure de fleur négative a été reconnue (Figure 2). En profondeur, des réflexions de forte amplitude ont été associées au sommet du socle continental.
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RC2901-728 profil sismique. Coupes (a) et (b) poststack à migration temporelle avec section superposée de dessin au trait. La boîte indique l’emplacement de la section instantanée rapportée dans l’encart.
4.2. SO161-44
La section à migration temporelle SO161-44 (figure 3) située au large d’Arauco (près de 38°S) présente des caractéristiques différentes par rapport à la section précédente. Plusieurs failles au sommet du socle océanique ont été reconnues.
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SO161-44 profil sismique. Coupes poststack migrée dans le temps (a) et poststack migrée dans le temps (b) avec section superposée de dessin au trait.
A la base de la pente, des réflecteurs légèrement déformés, des poussées et des sous-poussées affectent le remplissage de la tranchée. Le sommet d’un niveau acoustiquement semi-transparent (environ 7 s) peut être associé à une surface de décollement.
Le talus inférieur est large d’environ 15 km et est plus raide que la section SO161-44. A la base du talus inférieur, on reconnaît des sédiments légèrement déformés, qui n’impliquent que le lit le moins profond du remplissage sédimentaire de la tranchée (environ 0,8 s d’épaisseur ; figure 3). La surface du décollement et le sommet du socle océanique (environ 6 s et 7,5 s) présentent des caractéristiques de pull-up (Figure 3). Entre les CDP 5700 et 6600, une séquence de chevauchement forme une pente inférieure à fort pendage. Vers l’est, un escarpement de faille normale avec un décalage d’environ 1 s (près du CDP 7000) a été reconnu. Ici, des réflexions chaotiques ont été observées. Notez que l’escarpement de faille marque la limite entre la pente inférieure et la pente supérieure.
La pente supérieure montre une topographie irrégulière perturbée par deux poussées principales (aux CDP 7000 et 8000). Des réflexions chaotiques, observées dans la partie superficielle et profonde, sont évidentes (figure 3). Des CDP 7200 à 7600 (5 km de largeur), une zone déprimée caractérisée par des crêtes morphologiques et une structure de graben a été imagée. Certains bassins de pente au sommet de chevauchements se rapprochant de la mer ont été reconnus. A environ 3.2 s, un BSR discontinu et fort a été identifié. Des réflexions de grande amplitude à environ 4 s peuvent être interprétées comme le sommet du socle continental.
4.3. La section SO161-35
SO161-35 poststack time-migrated section, située au sud de l’île Mocha près de 38,5°S montre un sommet de socle océanique irrégulier.
La pente inférieure est caractérisée par une topographie irrégulière, qui est perturbée par un haut morphologique (environ CDP 9000). En aval, une section de chevauchement très rapprochée a été reconnue, tandis qu’en amont, deux chevauchements principaux très espacés façonnent le prisme d’accrétion (figure 4). À environ 7 s et 8 s, des réflexions de haute amplitude et des caractéristiques de pull-up ont été associées au sommet du lit sédimentaire sous-placé et au sommet du socle océanique. Entre les CDP 9200 et 10000, un BSR faible et discontinu a été reconnu (Figure 4). Le fond marin est caractérisé par des sommets morphologiques anormaux, qui peuvent être associés à de possibles volcans de boue. Des CDP 10200 à 11500, deux bassins de pente principaux ont été reconnus. Il faut noter que ces bassins sont principalement affectés par le déplacement des failles normales et inverses (voir Figure 4). Sur le côté droit des bassins, des failles normales configurant des structures de type « half-graben » ont été reconnues (Figure 4). A environ 5 s, des réflexions de forte amplitude associées au sommet du socle continental ont été reconnues.
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SO161-35 profil sismique. Sections migrées dans le temps après la pile (a) et sections migrées dans le temps après la pile (b) avec section superposée de dessin au trait.
4.4. SO161-40
La section post-migratoire SO161-40 (figure 5), située au sud de l’île de Chiloe (43,5°S), est caractérisée par un sommet de socle océanique régulier. Les sédiments de la tranchée sont affectés par des chevauchements et des failles normales.
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SO161-40 profil sismique. Coupes post-stack migrée dans le temps (a) et post-stack migrée dans le temps (b) avec section superposée de dessin au trait.
À la base de la pente inférieure, une structure de chevauchement forme une rampe anticlinale. En profondeur, des réflexions chaotiques et des failles inactives affectent la séquence sédimentaire ; ici, le lit sous-placé et les sommets du socle océanique sont moins clairs, mais quelques réflexions de forte amplitude peuvent être reconnues à 6 s et 7 s, respectivement (figure 5). Des CDP 7800 à 10000, des cicatrices sont évidentes et peuvent être associées à des failles normales. En profondeur, des CDP 8000 à 9000, une RBS forte et continue a été reconnue. Notez qu’en amont, la BSR est interrompue par des failles actives qui configurent une possible structure florale (Figure 5). A environ 3 s, des réflexions de haute amplitude, affectées par des failles, ont été associées au sommet du socle continental. En amont des CDP 9000 à 10000, un haut morphologique et un canal sous-marin (3 km de largeur), contrôlé par des failles normales a été reconnu (Figure 5).
5. Discussions et conclusions
Deux principaux processus d’accrétion peuvent être reconnus le long de la marge chilienne : le premier est lié à l’accrétion frontale et le second à l’accrétion basale . Les deux processus, accrétions frontale et basale, ont été reconnus dans toutes les sections sismiques. En particulier, les zones caractérisées par un sommet du socle océanique régulier, des sommets morphologiques et une poussée à travers la pente continentale (RC2901-728, SO161-40 et RC2901-734 ; Figure 6) peuvent être associées à une accrétion frontale, tandis que les zones caractérisées par un sommet du socle océanique irrégulier, l’absence de sommets morphologiques, des pentes continentales élargies et abruptes peuvent être associées à une accrétion basale. De plus, des relations entre l’épaisseur du lit sédimentaire sous-placé et la morphologie de la pente inférieure peuvent être décrites. Ainsi, un lit sédimentaire sous-plaqué plus épais contribue à la formation de pentes plus raides, tandis qu’un lit sédimentaire sous-plaqué plus mince contribue à la formation de pentes plus rugueuses. Dans les sections RC2901-728 et SO161-40, un lit sédimentaire sous-plaqué mince (0,5 s) est en accord avec une pente plus rugueuse, tandis que dans les sections SO161-44 et SO161-35 (Figure 6(b)) un lit sédimentaire sous-plaqué plus épais (1,2 s) met en évidence une pente plus raide et plus lisse. Ainsi, une plus grande quantité de sédiments sous-plaqués peut déterminer la formation de duplex sous le prisme d’accrétion affectant les sédiments accrétés et soulevant le prisme interne, comme le montrent les sections SO161-44, SO161-35 et SO161-29. Il semble que les matériaux détachés fournissent des accommodations de mouvement le long des poussées pendant le soulèvement, générant des poussées subhorizontales. La croissance latérale et verticale des prismes d’accrétion associés à l’accrétion basale a été signalée par plusieurs auteurs sur différentes marges continentales (c’est-à-dire 8, 22, 23, 24 et 25). Au contraire, dans les zones où un lit sédimentaire sous-plaqué plus mince est reconnu, le prisme d’accrétion montre des poussées avec un décalage élevé, qui sont liées à une accrétion frontale épisodique. Dans ce cas, le matériel sous-plaqué joue un rôle mineur. De cette façon, l’évolution pour ces prismes sera similaire à celle des prismes montrés dans les sections analysées précédentes.
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(a) Gauche : RC2901-728 profil de dessin au trait. Droite : diagramme d’accrétion frontal. (b) Gauche : SO161-44, SO161-35, et SO161-29 profils de dessin au trait. A droite : diagramme d’accrétion basale. (c) Gauche : profils de dessin linéaire SO161-40 et RC2901-734. A droite : diagramme d’accrétion frontal.
Les RBS observés sur les sections sismiques sont souvent considérés comme des indicateurs de l’existence de gaz libre, délimitant la base de la zone de stabilité des hydrates de gaz. Au sud de la crête Juan Fernandez, le BSR a été reconnu sur le prisme interne dans toutes les sections. Dans la partie la plus septentrionale (RC2901-728, SO161-40) et la plus méridionale (SO161-40 et RC2901-734), le BSR est fort et continu (Figures 6(a) et 6(b)), tandis que dans la partie centrale (SO161-44, SO161-35, et SO161-29), un BSR faible et discontinu a été reconnu (Figure 6(b)). Ainsi, des relations entre les caractéristiques du BSR et les processus d’accrétion peuvent être observées ; en particulier, le BSR est fort et continu en correspondance avec les processus d’accrétion frontale, alors qu’il est faible et discontinu en présence des processus d’accrétion basale. Pendant l’accrétion frontale, les mouvements tectoniques semblent affecter le prisme frontal, mais pas le prisme interne, ce qui favorise les conditions d’accumulation des fluides et par conséquent la formation de BSRs forts et continus (voir à droite sur les Figures 6(a) et 6(c)). Pendant ce temps, le soulèvement par accrétion basale génère des mouvements tectoniques d’extension sur le prisme interne, ce qui peut favoriser l’échappement des fluides (voir la droite sur la figure 6(b)) et, par conséquent, le changement de température. Ainsi, la profondeur de la zone de stabilité des hydrates de gaz est fortement variable le long de la ligne sismique et, par conséquent, le BSR disparaît ou devient plus faible. De plus, un gradient géothermique plus faible (30°C/km) dans le secteur nord (section SO161-44) est en accord avec une croûte océanique plus ancienne (35 Ma), où une circulation de fluide réduite peut être attendue. Par contre, dans le secteur sud (section RC2901-734), un gradient géothermique plus élevé et variable (50-95°C/km) est en accord avec une croûte océanique plus jeune (15 Ma), où l’on peut s’attendre à une circulation accrue des fluides. Il est à noter que les caractéristiques du BSR peuvent être expliquées par plusieurs facteurs. Ainsi, il est possible d’associer une RBS faible et discontinue principalement à une circulation réduite et à une tectonique active. Cependant, dans la partie la plus au nord (Itata offshore), un RSF fort et continu est en désaccord avec une croûte océanique plus ancienne. Même si une circulation réduite de la croûte océanique est attendue, des conditions tectoniques stables et des sources biogéniques de méthane peuvent expliquer un RSF fort et continu dans cette zone. En fait, au large d’Itata à partir des données bathymétriques, on peut reconnaître une pente continentale plus lisse, qui peut être liée à un régime tectonique stable, tandis que vers le sud (Arauco et Valdivia au large), une pente continentale irrégulière caractérisée par des canyons sous-marins, des zones érosives et des linéaments structuraux peut être liée à un régime tectonique instable .
Remerciements
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