Bazális és frontális akkumulációs folyamatok versus BSR jellemzők a chilei perem mentén

Abstract

Az Itata () és a Coyhaique offshores () között rögzített többcsatornás szeizmikus reflexiós adatokat feldolgozták, hogy szeizmikus képeket kapjanak. A szeizmikus profilok elemzése kimutatta, hogy a gyenge és diszkontinuus fenékszimulációs reflexiók a bazális akkréciós folyamatokhoz, míg az erős és folyamatos fenékszimulációs reflexiók a frontális akkréciós folyamatokhoz kapcsolódtak. Ez azzal magyarázható, hogy a bazális akkréciós folyamatok során a kiemelkedés miatti extenziós tektonikai mozgások elősegíthetik a folyadékszivárgást, ami a gyengébb és leginkább diszkontinuus fenékszimulációs reflexiókat eredményezi. A frontális akkréciós folyamatok (hajtás és tolás) során azonban a nagy folyadékforgalom és a stabil tektonikai feltételek felelősek lehetnek az erősebb és folytonosabb fenékszimulációs reflexiókért. Az Arauco-Valdivia mellékágak mentén meredek akkréciós prizmák, normál törések, lejtőmedencék és vastagabb alábányászott üledékréteg társult a bazális akkrécióhoz, míg az Itata, Chiloe és Coyhaique mellékágak mentén kis akkréciós prizmák, redők és vékonyabb alábányászott üledékréteg társult a frontális akkrécióhoz.

1. Bevezetés

A tengeri szeizmikus felvételeken a fenékszimulációs reflektor (BSR) a gázhidrátok jelenlétének jó indikátora. A BSR lehetővé tette a gázhidrát eloszlásának meghatározását több kontinentális peremvidék mentén. A BSR a gázhidrátot tartalmazó fedőüledék – amely növeli a kompressziós szeizmikus sebességet – és a szabad gázt tartalmazó fedőüledék – amely csökkenti a kompressziós szeizmikus sebességet – közötti akusztikus határfelülethez kapcsolódik. A BSR-t az akkréciós komplexek szeizmikus szelvényeiben mind a konvergens, mind a passzív peremek mentén azonosították. A chilei kontinentális perem mentén a BSR-ről több geofizikai hajóút is beszámolt. A BSR-t különösen az akkréciós prizma mentén ismerik fel .

A chilei perem mentén két fő tektonikai folyamatot ismernek fel. Az első a frontális akkrécióhoz, a második pedig a bazális akkrécióhoz kapcsolódik .

Ez a tanulmány a kontinentális perem, különösen az óceáni árok és a kontinentális lejtő fő morfoszerkezeteinek azonosítására irányul. Ily módon, hat halmozott és halmozás utáni időmigrált szelvény értelmezésével a BSR jellemzői és a tektonikus folyamatok közötti összefüggések azonosíthatók (1. ábra).

1. ábra

A vizsgálati terület térképe.

2. ábra. Tektonikai és geológiai környezet

A vizsgált terület Közép-Chile mentén, a déli szélesség 35° és 45° között helyezkedik el, beleértve az Itata, Arauco, Toltén és Valdivia mellékszigeteket (a déli szélesség 36° és 40° között), valamint a Chiloé és Coyhaique mellékszigeteket (a déli szélesség 43° és 45° között) (1. ábra).

A középső és déli Chile (34°-46°) észak felé a Juan Fernandez gerinc és dél felé a Chile emelkedés határolja. A Juan Fernandez-hátat a pampeurópai lapos-lapos szegmens jellemzi, amely a vulkanizmus és az előhegység kiemelkedésének (Sierras Pampeanas) hiányát mutatja az Andok legmagasabb hegységei, mint például az Aconcagua masszívum (6989 m). A Pampean flat-slab szegmenstől délre az Andok peremét normál szubdukció jellemzi (30°-os dőlésszög), amely a déli szélesség 34°-tól 46°-ig, a chilei hármas csomópontig terjed. A Nazca- és a Dél-amerikai lemezek közötti konvergencia átlagosan 6,4 cm/év sebességgel történik. Ezen a területen (a déli szélesség 34°-tól 45°-ig) az egész peremet ferde konvergenciavektor (É78°K) jellemzi, és az ausztrális szegmensben ortogonális irányt vesz fel.

A kontinentális lejtő egy alsó és egy felső lejtőből áll. Az alsó lejtő az akkréciós prizmához kapcsolódik, amelyet az árok feltöltéséből az alsó lejtőre akkréciós üledékként beépülő turbiditok építenek , míg a felső lejtőhöz az Andok íves vulkáni kőzetekből származó terrinen üledékek jelentős mennyisége kapcsolódik , amelyek a kontinentális metamorf alapkőzetre rakódtak le.

Az óceáni árkot részben 2 km-nél vastagabb üledékek töltik ki, amelyek helyenként inkább lapos síkságnak, mint bathymetrikus mélyedésnek tűnnek . Az árok kitöltését egymásba ágyazott turbidit és hemipelágikus rétegek alkotják, amelyek szeizmikus visszaverődési mintázatukban bizonyos ciklikusságot mutatnak, amit a globális éghajlati ciklusok üledékképződésre gyakorolt hatásaként értelmeznek . Az óceáni alapkőzet a Dél-Amerika-lemez alá süllyedő Nazca-lemezt képviseli, és pelágikus üledékek és óceáni bazaltok alkotják.

3. Adatok és szeizmikus feldolgozás

Ez a tanulmány hat szeizmikus vonalat elemez. Ezek közül négyet (SO161-44, SO161-35, SO161-29 és SO161-40; lásd az 1. ábrát) az RV SONNE hajóúton (2001. január-február) a “Subduction Processes Off Chile (SPOC)” projekt részeként rögzítettek, a másik kettőt (RC2901-728 és RC2901-734; lásd az 1. ábrát) az RV CONRAD hajóút során (1988. január-február), az Ocean Drilling Program (ODP) “Mid-Ocean Spreading Ridge (Chile Ridge)” projektjének részeként készült. Négy szeizmikus vonal (RC2901-728, SO161-44, SO161-29 és RC2901-734) Prestack szeizmikus adatait használták fel, míg a másik két vonalról (SO161-35 és SO161-40) csak a halmozott szeizmikus adatok állnak rendelkezésre. A szeizmikus adatokat az RV SONNE hajóút során egy 3000 m hosszú, 132 csatornás digitális streamerrel szerezték be, amelynek első 24 csatornája között 12,5 m, a többi csatorna között pedig 25 m van. A szeizmikus forrás egy 20 légágyúból álló hangolt tömb volt, amely összesen 54,1 l térfogatot biztosított, 50 m-es lövésközzel. Az RV CONRAD hajóút során gyűjtött szeizmikus adatokat egy 3000 m hosszú, 240 csatornás digitális streamerrel, 12 csatornás lépésközzel gyűjtötték.A szeizmikus forrás egy 10 légágyúból álló hangolt tömb volt, amelynek teljes térfogata 61,3 1 volt, 50 m-es lövésközzel.

A szeizmikus feldolgozást a nyílt forráskódú Seismic Unix (SU) szoftverrel végezték. A pontos szeizmikus kép elérése érdekében a Prestack szeizmikus adatokon standard feldolgozást végeztek, amelyet a poststack időmigráció követett (Phase Shift és Stolt módszerek). A halmozott szelvény szeizmikus jellemzőinek kiértékelése érdekében true-amplitude feldolgozást végeztek. Valójában minden egyes feldolgozási lépésnél ellenőrizték az amplitúdóspektrum megőrzését. Az SO161-35 és SO161-40 szeizmikus vonalak esetében, amelyekre csak halmozott szeizmikus adatok álltak rendelkezésre, a víz szeizmikus sebességének (1480 m/s) felhasználásával fáziseltolásos migrációt végeztek.

A szabványos feldolgozás első lépése az adatok SEGY formátumból SU formátumba történő konvertálása volt. Miután SU formátumba konvertálták, a minimális eltolás ellenőrzését az első érkezés (közvetlen hullám) felhasználásával végezték el. Tény, hogy a szeizmikus vízsebességet 1480 m/s-nak feltételezve (a közvetlen hullámelemzésből), az SO161-44 szeizmikus vonalban 0,12 s időeltolódást azonosítottak. Az összes szeizmikus adat 0,12 s-os eltolódását korrigálták.

A következő lépés a prestack adatok geometriai elrendezésének meghatározása volt. Ebben a tanulmányban a forrás-vevő koordinátákat önkényesen, a földrajzi koordináták figyelembevétele nélkül határoztuk meg, az eltolást és a közös középpontot (CMP) pedig a korábban kiszámított forrás-vevő koordináták felhasználásával számoltuk ki. Az SO161-44 és SO161-29 szeizmikus vonalak esetében két különböző streamert vettünk figyelembe: az első 12,5 méterenként 24 csatornából, a második pedig 25 méterenként 108 csatornából áll, a beállítási geometriát külön-külön rendeltük hozzá, majd egyetlen streamerként integráltuk. A CMP-távolságokat 6,25 m (az RC2901-728 és RC2901-734 szeizmikus vonalak esetében) és 12,5 m (az SO161-44 és SO161-29 szeizmikus vonalak esetében) határoztuk meg.

A zaj csillapítására és a hullámfront gömbi divergenciájából eredő amplitúdóhatások korrekciójára sávszűrőt (15-70 Hz), illetve erősítést alkalmaztunk.

A SO161-44 szeizmikus vonalon erős zajokat ismertünk fel, amelyek a síkon kívüli visszaverődésekhez (sideswipe) kapcsolódnak, valószínűleg a szabálytalan morfológia miatt. E zajok csillapítása érdekében az F-K tartományban egy meredekségi szűrőt alkalmaztunk (meredekség 8-5,5 10-4).

100 CMP-enként (azaz 1250 m-enként az SO161-44 és SO161-29 szeizmikus vonalak esetében és 625 m-enként az RC2901-728 és RC2901-734 szeizmikus vonalak esetében) halmozódási sebességelemzést végeztünk. Következésképpen a halmozódási sebességmodelleket használták a halmozódás elvégzéséhez . A pontos szeizmikus kép elérése érdekében a halmozódás utáni időmigrációt végeztek; így a halmozódási sebességmodelleket intervallumsebesség-modellekké alakították át. Ezenkívül a poststack időmigráció különböző tesztjeit végezték el (Stolt- és fáziseltolódási módszerek). A legjobb eredményeket a fáziseltolásos módszerrel kaptuk. Végül a végső poststack-migrált szelvények előállításához sávszűrőt (15-70 Hz), keverési nyomvonalakat, AGC-erősítést (800 ms ablak) és némítást alkalmaztunk.

4. Eredmények

4.1. Eredmények

4.1. Eredmények

RC2901-728

Az Itata partjainál (36°S) található RC2901-728 időmigrált szelvényt szabályos óceáni alapfelszín jellemzi, a legnyugatibb részen kis számú struktúrával, míg a mélyben alábányászott struktúrák figyelhetők meg.

Az alsó lejtő alján egy antiklinális rámpát ismertünk fel. A lejtőn felfelé több tolótörzs egy imbrikált komplexumot határoz meg (kb. 15 km szélességben). Körülbelül 8 s-nál nagy amplitúdójú visszaverődések dekollektív felszínként értelmezhetők (2. ábra). E szint alatt egy másik nagy amplitúdójú visszaverődés az óceáni alapkőzet tetejéhez kapcsolható. Egy felemelkedett lejtőmedencét egy szubvertikális mögött divergens és folyamatos reflexiók jellemeznek (2. ábra). A lejtőmedencétől lefelé és felfelé alacsony pillanatnyi amplitúdójú kaotikus reflexiók (lásd a 2. ábra betétjét) a lejtőmedencéhez (CDP 8000 és 9500, illetve,) kapcsolódhatnak. A 8000 és 13000 közötti CDP-k között erős és folyamatos BSR-t azonosítottak, amely gázhidrátok jelenlétével hozható összefüggésbe. A 10500 és 11500 közötti CDP-ken negatív virágszerkezetet ismertek fel (2. ábra). A mélységben a nagy amplitúdójú reflexiók a kontinentális alapkőzet tetejéhez kapcsolódtak.

(a)

(b)

(a)
(b)

2. ábra

RC2901-

RC2901-728 szeizmikus profil. Poststack időmigrált (a) és poststack időmigrált (b) szelvények, egymásra helyezett vonalrajzos szelvénnyel. A doboz a betétben közölt pillanatnyi szelvény helyét jelzi.

4.2. SO161-44

Az Arauco partjainál (a déli szélesség 38°S közelében) található SO161-44 időmigrált szelvény (3. ábra) az előző szelvényhez képest eltérő vonásokat mutat. Az óceáni alapkőzet tetején több törést is felismertek.

(a)

(b)

(a)
(b)

3. ábra

SO161-.44 szeizmikus profil. Poststack időmigrált (a) és poststack időmigrált (b) metszetek, egymásra helyezett vonalas rajzos metszettel.

A lejtő alján enyhén deformált reflektorok, nyomások és alulnyomások befolyásolják az árokkitöltést. Egy akusztikailag félig áttetsző szint (kb. 7 s) teteje egy dekollektív felszínhez társítható.

Az alsó lejtő kb. 15 km széles és meredekebb, mint az SO161-44 szelvény. Az alsó lejtő alján enyhén deformált üledékek ismerhetők fel, amelyek az üledékes árokkitöltésnek csak a legmélyebb rétegét érintik (kb. 0,8 s vastagság; 3. ábra). A dekollekció felszíne és az óceáni alapkőzet teteje (kb. 6 s és 7,5 s) felhúzódási vonásokat mutat (3. ábra). Az 5700 és 6600 közötti CDP-k között egy tolósorozat alakítja ki a meredeken lejtő alsó lejtőt. Keletre egy kb. 1 s-os eltolódással rendelkező normál törésvonulatot ismertek fel (a 7000-es CDP közelében). Itt kaotikus visszaverődéseket figyeltek meg. Figyeljük meg, hogy a törésvonulat az alsó lejtő és a felső lejtő közötti határt jelöli.

A felső lejtő szabálytalan domborzatot mutat, amelyet két fő tolóerő szakít meg (a 7000-es és 8000-es CDP-nél). A sekély és mély részen megfigyelhető kaotikus visszaverődések nyilvánvalóak (3. ábra). A 7200 és 7600 CDP-k között (5 km szélességben) egy depressziós zónát képeztek le, amelyet morfológiai magaslatok és egy grabenszerkezet jellemez. Néhány lejtőmedencét is felismertek a tenger felé nyúló nyomvonalak tetején. Körülbelül 3,2 s-nál egy megszakított és erős BSR-t azonosítottak. A 4 s körüli nagy amplitúdójú visszaverődések a kontinentális alapkőzet tetejeként értelmezhetők.

4.3. A nagy amplitúdójú visszaverődések a kontinentális alapkőzet tetejeként értelmezhetők. SO161-35

A Mocha-szigettől délre, a déli szélesség 38,5°S közelében található SO161-35 posztstack időmigrált szelvény egy szabálytalan óceáni alapkőzet tetejét mutatja.

Az alsó lejtőt szabálytalan domborzat jellemzi, amelyet egy morfológiai magaslat (kb. CDP 9000) szakít meg. A lejtőn lefelé egy szorosan egymás mellett elhelyezkedő nyomószakaszt ismertek fel, míg a lejtőn felfelé két fő, egymástól nagy távolságra elhelyezkedő nyomószakasz alakítja az akkréciós prizmát (4. ábra). Körülbelül 7 s-nál és 8 s-nál nagy amplitúdójú visszaverődések és felhúzódások kapcsolódtak az alulplattírozott üledékréteg tetejéhez és az óceáni alapkőzet tetejéhez. A 9200 és 10000 közötti CDP-k között gyenge és diszkontinuus BSR-t ismertünk fel (4. ábra). A tengerfeneket anomális morfológiai magaslatok jellemzik, amelyek lehetséges iszapvulkánokkal hozhatók összefüggésbe. A 10200 és 11500 közötti CDP-k között két fő lejtőmedencét ismertünk fel. Megjegyzendő, hogy ezeket a medencéket elsősorban a normál és inverz törések elmozdulása érinti (lásd a 4. ábrát). A medencék jobb oldalán “fél-graben” struktúrákat kialakító normál töréseket ismertek fel (4. ábra). Körülbelül 5 s-nál a kontinentális alapkőzet tetejéhez kapcsolódó nagy amplitúdójú visszaverődéseket ismertünk fel.

(a)

(b)

(a)
(b)

4. ábra

SO161-.35 szeizmikus profil. Poststack időmigrált (a) és poststack időmigrált (b) metszetek, egymásra helyezett vonalas rajzos metszettel.

4.4. SO161-40

A Chiloe-sziget déli részén (43,5° S) található SO161-40 poststack idő-migrált szelvényt (5. ábra) szabályos óceáni alapkőzet-felső réteg jellemzi. Az árok üledékeit toló- és normál törések befolyásolják.

(a)

(b)

(a)
(b)

5. ábra

SO161-.40 szeizmikus profil. Poststack időmigrált (a) és poststack időmigrált (b) szelvények, egymásra helyezett vonalrajzos szelvénnyel.

Az alsó lejtő alján egy nyomószerkezet antiklinális rámpát alkot. A mélyben kaotikus reflexiók és inaktív törések befolyásolják az üledéksorozatot; itt az alábányászott meder és az óceáni alapkőzet teteje kevésbé egyértelmű, de néhány nagy amplitúdójú reflexió felismerhető 6 s-nál, illetve 7 s-nál (5. ábra). A 7800-tól 10000-ig terjedő CDP-k között hegesedések nyilvánvalóak, amelyek normális törésekkel hozhatók összefüggésbe. A mélyben, a 8000 és 9000 közötti CDP-k között erős és folyamatos BSR-t ismertek fel. Megjegyzendő, hogy a lejtőn felfelé a BSR-t aktív törések szakítják meg, amelyek egy lehetséges virágszerkezetet alakítanak ki (5. ábra). Körülbelül 3 s-nál nagy amplitúdójú, törések által befolyásolt visszaverődéseket társítottak a kontinentális alapkőzet tetejéhez. A 9000 és 10000 közötti CDP-ktől felfelé egy morfológiai magaslatot és egy normál törések által irányított tenger alatti csatornát (3 km szélességű) ismertünk fel (5. ábra).

5. ábra. Megbeszélések és következtetések

Két fő akkréciós folyamat ismerhető fel a chilei perem mentén: az első a frontális akkrécióhoz, a második a bazális akkrécióhoz kapcsolódik . Mindkét folyamat, a frontális és a bazális akkréció, valamennyi szeizmikus szelvényben felismerhető volt. Különösen a szabályos óceáni alapkőzet tetejével, morfológiai magaslatokkal és a kontinentális lejtőn átívelő tolással jellemezhető területek (RC2901-728, SO161-40 és RC2901-734; 6. ábra) hozhatók kapcsolatba a frontális akkrécióval, míg a szabálytalan óceáni alapkőzet tetejével, a morfológiai magaslatok hiányával, valamint szélesedő és meredek kontinentális lejtőkkel jellemezhető területek a bazális akkrécióval hozhatók kapcsolatba. Ezen túlmenően az alábányászott üledékréteg vastagsága és az alsó lejtő morfológiája közötti összefüggések is leírhatók. Így a vastagabb alápalaztatott üledékréteg hozzájárul a meredekebb lejtők kialakulásához, míg a vékonyabb alápalaztatott üledékréteg hozzájárul a durvább lejtők kialakulásához. Az RC2901-728 és az SO161-40 szelvényekben a vékony aláborított üledékréteg (0,5 s) összhangban van a durvább lejtővel, míg az SO161-44 és SO161-35 szelvényekben (6. ábra b) a vastagabb aláborított üledékréteg (1,2 s) meredekebb és simább lejtő kialakulására utal. Ily módon a nagyobb mennyiségű alulplattázott üledék meghatározhatja az akkréciós prizma alatti, az akkréciós üledékeket befolyásoló és a belső prizmát felemelő duplexek kialakulását, amint azt a SO161-44, SO161-35 és SO161-29 szelvények bizonyítják. Úgy tűnik, hogy a kiemelkedő anyag a tolótörzsek mentén a felemelkedés során a vízszintes alatti tolótörzseket létrehozó mozgási helyeket biztosítja. Az akkréciós prizmák oldalirányú és függőleges növekedéséről, amely a bazális akkrécióhoz kapcsolódik, több szerző is beszámolt különböző kontinentális peremeken (pl. 8, 22, 23, 24 és 25). Ezzel szemben azokon a területeken, ahol vékonyabb alábányászott üledékréteget ismerünk fel, az akkréciós prizma nagy eltolódású tolóereket mutat, amelyek epizodikus frontális akkrécióhoz kapcsolódnak. Ebben az esetben az alábányászott anyag kisebb szerepet játszik. Ily módon ezeknek a prizmáknak a fejlődése hasonló lesz az előző elemzett szakaszokban bemutatott prizmákhoz.

(a)

(b)

(c)

(a)
(b)
(c)

6. ábra

(a) Balra: RC2901-728 vonalrajz profil. Jobbra: frontális akkréciós diagram. (b) Balra: SO161-44, SO161-35 és SO161-29 vonalrajzprofilok. Jobbra: bazális akkréciós diagram. (c) Balra: SO161-40 és RC2901-734 vonalrajzprofilok. Jobbra: frontális akkréciós diagram.

A szeizmikus szelvényeken megfigyeltBSR-eket gyakran tekintik a szabad gáz meglétének jelzőinek, amelyek a gázhidrát stabilitási zóna alapját határolják. A Juan Fernandez gerinctől délre a BSR-t a belső prizmán minden szelvényben felismerték. A legészakibb (RC2901-728, SO161-40) és a legdélebbi (SO161-40 és RC2901-734) szelvényekben a BSR erős és folyamatos (6(a) és 6(b) ábra), míg a középső részen (SO161-44, SO161-35 és SO161-29) gyenge és diszkontinuus BSR-t ismertek fel (6(b) ábra). A BSR jellemzői és az akkréciós folyamatok között tehát összefüggések figyelhetők meg; különösen a frontális akkréciós folyamatoknak megfelelően a BSR erős és folyamatos, míg a bazális akkréciós folyamatok jelenlétében gyenge és diszkontinuus. Úgy tűnik, hogy a frontális akkréció során a tektonikus mozgások hatással vannak a frontális prizmára, de nem befolyásolják a belső prizmát, ami kedvez a folyadékfelhalmozódás feltételeinek és következésképpen az erős és folyamatos BSR kialakulásának (lásd jobbra a 6(a) és 6(c) ábrán). Eközben a bazális akkréció általi kiemelkedés extenziós tektonikai mozgásokat generál a belső prizmán, ami kedvezhet a folyadékszökéseknek (lásd jobbra a 6(b) ábrán), és következésképpen a hőmérséklet változásának. Így a gázhidrát-stabilitási zóna mélysége a szeizmikus vonal mentén erősen változó, és ennek következtében a BSR eltűnik vagy gyengül. Ezenkívül az északi szektorban (SO161-44 szelvény) az alacsonyabb geotermikus gradiens (30°C/km) összhangban van az idősebb óceáni kéreggel (35 Ma) , ahol csökkent folyadékcirkulációra lehet számítani. Míg a déli szektorban (RC2901-734 szelvény) a magasabb és változó geotermikus gradiens (50-95°C/km) összhangban van a fiatalabb óceáni kéreggel (15 Ma) , ahol fokozott folyadékkeringés várható. Megjegyzendő, hogy a BSR jellemzői több tényezőt figyelembe véve magyarázhatók. Így a gyenge és diszkontinuus BSR-t elsősorban a csökkent cirkulációval és az aktív tektonikával lehet összefüggésbe hozni. A legészakibb részen (Itata offshore) azonban az erős és folyamatos BSR ellentmond az idősebb óceáni kéregnek. Még ha az óceáni kéreg csökkent cirkulációja várható is, a stabil tektonikai feltételek és a metán biogén forrásai megmagyarázhatják a legerősebb és folyamatos BSR-t ezen a területen. Valójában az Itata tengeri részén a bathymetriás adatok alapján egy simább kontinentális lejtő ismerhető fel, amely stabil tektonikai rendszerrel hozható összefüggésbe, míg délre (Arauco és Valdivia tengeri része) egy szabálytalan kontinentális lejtő, amelyet tenger alatti kanyonok, eróziós területek és szerkezeti lineamentumok jellemeznek, instabil tektonikai rendszerrel hozható összefüggésbe.

A köszönetnyilvánítás