Abstract
I dati di riflessione sismica multicanale registrati tra Itata () e Coyhaique offshore () sono stati elaborati per ottenere immagini sismiche. L’analisi dei profili sismici ha rivelato che i riflettori deboli e discontinui che simulano il fondo sono associati ai processi di accrescimento basale, mentre i riflettori forti e continui che simulano il fondo sono associati ai processi di accrescimento frontale. Questo può essere spiegato considerando che durante i processi di accrezione basale, i movimenti tettonici estensionali dovuti al sollevamento possono favorire la fuga dei fluidi dando origine a riflettori simulanti il fondo più deboli e discontinui. Durante i processi di accrezione frontale (folding e thrusting), l’alta circolazione dei fluidi e le condizioni tettoniche stabili possono invece essere responsabili di riflettori simulanti il fondo più forti e continui. Lungo le coste di Arauco-Valdivia, prismi di accrezione ripidi, faglie normali, bacini di pendenza e un letto di sedimenti più spesso sottoplaccato sono stati associati all’accrezione basale, mentre lungo le coste di Itata, Chiloe e Coyhaique, piccoli prismi di accrezione, ripiegamento e un letto di sedimenti più sottile sottoplaccato sono stati associati all’accrezione frontale.
1. Introduzione
Nelle registrazioni sismiche marine, il Bottom Simulating Reflector (BSR) è un buon indicatore della presenza di idrati di gas. Il BSR ha permesso di definire la distribuzione dell’idrato di gas lungo diversi margini continentali. Il BSR è associato all’interfaccia acustica tra il sedimento sovrastante contenente gas idrato, che aumenta la velocità sismica di compressione, e il sedimento sottostante contenente gas libero, che diminuisce la velocità sismica di compressione. Il BSR è stato identificato in sezioni sismiche in complessi di accrezione lungo entrambe le impostazioni convergenti e margine passivo. Lungo il margine continentale cileno, la BSR è ben segnalata da diverse crociere geofisiche. In particolare, la BSR è riconosciuta lungo il prisma accrezionale.
Lungo il margine cileno, sono riconosciuti due processi tettonici principali. Il primo è associato all’accrezione frontale e il secondo all’accrezione basale.
Questo studio mira a identificare le principali morfo-strutture sul margine continentale, in particolare sulla fossa oceanica e sulla scarpata continentale. In questo modo, interpretando sei sezioni impilate e poststack time-migrated, possono essere identificate le relazioni tra le caratteristiche della BSR e i processi tettonici (Figura 1).
Mappa della zona di studio.
2. Impostazione tettonica e geologica
L’area di studio si trova lungo il Cile centrale, tra 35° e 45°S e comprende le coste Itata, Arauco, Toltén e Valdivia (da 36° a 40°S) e le coste Chiloé e Coyhaique (da 43° a 45°S) (Figura 1).
Il Cile centrale e meridionale (34°-46°S) è limitato a nord dalla cresta Juan Fernandez e a sud dal rilievo del Cile. La dorsale Juan Fernandez è caratterizzata dal segmento Pampean flat-slab, che presenta una mancanza di vulcanismo e di sollevamento del foreland (Sierras Pampeanas) le più alte montagne delle Ande, come il massiccio dell’Aconcagua (6989 m). A sud del segmento piatto pampeano, il margine andino è caratterizzato da una subduzione normale (immersione di 30°) che si estende da 34° a 46°S fino alla tripla giunzione del Cile. La convergenza tra la placca di Nazca e quella sudamericana avviene ad una velocità media di 6,4 cm/anno. In questa zona (da 34° a 45°S) l’intero margine è caratterizzato da un vettore obliquo di convergenza (N78°E) e raggiunge una direzione ortogonale nel segmento australe.
Il versante continentale è costituito da un versante inferiore e uno superiore. Il pendio inferiore è associato con il prisma di accrezione che è costruito da turbiditi che sono incorporate dal riempimento della trincea al pendio inferiore come sedimenti accretati, mentre il pendio superiore è associato con un importante volume di sedimenti terrigeni da rocce vulcaniche dell’arco andino, depositati su un basamento metamorfico continentale.
La fossa oceanica è riempita da sedimenti di spessore in parte superiore a 2 km che localmente appaiono più come una pianura piatta che come una depressione batimetrica. Il riempimento della fossa è composto da strati turbiditici ed emipelagici interposti, che mostrano una certa ciclicità nel loro modello di riflessione sismica che viene interpretato come l’influenza dei cicli climatici globali sulla sedimentazione. Il basamento oceanico rappresenta la placca di Nazca in subduzione sotto la placca sudamericana ed è costituito da sedimenti pelagici e basalti oceanici.
3. Dati ed elaborazione sismica
In questo studio vengono analizzate sei linee sismiche. Quattro di esse (SO161-44, SO161-35, SO161-29, e SO161-40; vedi Figura 1) sono state acquisite dalla crociera RV SONNE (gennaio-febbraio 2001) come parte del progetto “Subduction Processes Off Chile (SPOC)”, e le altre due (RC2901-728 e RC2901-734; vedi Figura 1) sono stati acquisiti dalla crociera RV CONRAD (gennaio-febbraio 1988), come parte del progetto “Mid-Ocean Spreading Ridge (Chile Ridge)” dell’Ocean Drilling Program (ODP). Sono stati utilizzati i dati sismici Prestack di quattro linee sismiche (RC2901-728, SO161-44, SO161-29, e RC2901-734), mentre per le altre due linee (SO161-35 e SO161-40) sono disponibili solo i dati sismici stacked. I dati sismici sono stati acquisiti durante la crociera RV SONNE utilizzando uno streamer digitale a 132 canali lungo 3000 m con 12,5 m tra i primi 24 canali e 25 m tra gli altri canali. La sorgente sismica era un array sintonizzato di 20 pistole ad aria, che fornivano un volume totale di 54,1 l, con una spaziatura di 50 m. I dati sismici acquisiti durante la crociera RV CONRAD hanno utilizzato uno streamer digitale lungo 3000 m, con 240 canali e intertraccia di 12. 5 m. La sorgente sismica è stata acquisita durante la crociera RV SONNE utilizzando uno streamer digitale lungo 3000 m, con 240 canali e intertraccia di 12 m.5 m. La sorgente sismica era un array sintonizzato di 10 pistole ad aria con un volume totale di 61,3 1, con una spaziatura di 50 m.
L’elaborazione sismica è stata eseguita utilizzando il software open source Seismic Unix (SU). Al fine di ottenere un’immagine sismica accurata, è stata eseguita un’elaborazione standard sui dati sismici Prestack seguita dalla migrazione temporale poststack (metodi Phase Shift e Stolt). Al fine di valutare gli attributi sismici della sezione impilata, è stata eseguita un’elaborazione true-amplitude. Infatti, in ogni fase di elaborazione, è stata controllata la conservazione dello spettro di ampiezza. Nel caso delle linee sismiche SO161-35 e SO161-40, per le quali erano disponibili solo dati sismici impilati, è stata eseguita una migrazione di spostamento di fase utilizzando la velocità sismica dell’acqua (1480 m/s).
Il primo passo dell’elaborazione standard è stato quello di convertire i dati dal formato SEGY al formato SU. Una volta convertiti in formato SU, è stato fatto un controllo dell’offset minimo utilizzando il primo arrivo (onda diretta). Infatti, assumendo la velocità sismica dell’acqua pari a 1480 m/s (dall’analisi dell’onda diretta), è stato individuato uno spostamento temporale di 0.12 s nella linea sismica SO161-44. È stato corretto spostando di 0,12 s tutti i dati sismici.
Il passo successivo è stato quello di definire la disposizione geometrica dei dati prestack. In questo studio, le coordinate sorgente-ricevente sono state definite arbitrariamente senza considerare le coordinate geografiche, e l’offset e il punto medio comune (CMP) sono stati calcolati utilizzando le coordinate sorgente-ricevente precedentemente calcolate. Nel caso delle linee sismiche SO161-44 e SO161-29, sono stati considerati due diversi streamer: il primo di 24 canali spaziati ogni 12,5 m e il secondo di 108 canali spaziati ogni 25 m. La geometria di impostazione è stata assegnata separatamente e, poi, integrata come un unico streamer. Sono state definite distanze CMP di 6,25 m (per le linee sismiche RC2901-728 e RC2901-734) e 12,5 m (per le linee sismiche SO161-44 e SO161-29).
Per attenuare il rumore e correggere gli effetti sull’ampiezza dovuti alla divergenza sferica del fronte d’onda, sono stati applicati rispettivamente un filtro passa-banda (15-70 Hz) e un guadagno.
Nella linea sismica SO161-44, sono stati riconosciuti forti rumori associati a riflessioni fuori piano (sideswipe), probabilmente dovuti alla morfologia irregolare. Al fine di attenuare questo rumore, è stato applicato un filtro dip (slope ranging 8-5.5 10-4) nel dominio F-K.
È stata eseguita un’analisi delle velocità di impilamento ogni 100 CMP (cioè, ogni 1250 m per le linee sismiche SO161-44 e SO161-29 e ogni 625 m per le linee sismiche RC2901-728 e RC2901-734). Di conseguenza, i modelli di velocità di accatastamento sono stati utilizzati per eseguire l’accatastamento. Al fine di ottenere un’immagine sismica accurata, è stata eseguita una migrazione temporale poststack; quindi, i modelli di velocità di stacking sono stati convertiti in modelli di velocità di intervallo. Inoltre, sono stati eseguiti diversi test di migrazione temporale poststack (metodi di Stolt e di spostamento di fase). I migliori risultati sono stati ottenuti utilizzando il metodo dello spostamento di fase. Infine, per ottenere le sezioni finali post-stack-migrate, sono stati applicati un filtro passa-banda (15-70 Hz), tracce di miscelazione, guadagno AGC (finestra di 800 ms) e muting.
4. Risultati
4.1. RC2901-728
La sezione time-migrated RC2901-728, situata al largo di Itata (36°S), è caratterizzata da un basamento oceanico regolare, con un piccolo numero di strutture nella parte più occidentale, mentre in profondità sono evidenti strutture di sottospinta.
Alla base del pendio inferiore, è stata riconosciuta una rampa anticlinale. A monte, diversi spinti definiscono un complesso imbricato (circa 15 km di larghezza). A circa 8 s, riflessioni ad alta ampiezza sono interpretate come una superficie di decollazione (Figura 2). Al di sotto di questo livello, un altro riflettore ad alta ampiezza può essere associato alla sommità del basamento oceanico. Un bacino di pendenza sollevato dietro un subverticale è caratterizzato da riflettori divergenti e continui (Figura 2). Verso il basso e verso l’alto del bacino di scarpata riflessi caotici con bassa ampiezza istantanea (vedi inserto nella Figura 2) possono essere collegati a depositi di slump (CDPs 8000 e 9500, rispettivamente). Da CDP 8000 a 13000, è stato identificato un BSR forte e continuo che può essere associato alla presenza di idrati di gas. Da CDP 10500 a 11500, è stata riconosciuta una struttura a fiore negativo (Figura 2). In profondità, riflessioni con ampiezza elevata sono state associate al top del basamento continentale.
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RC2901-728 profilo sismico. Sezioni post-stack time-migrated (a) e post-stack time-migrated (b) con sezione di disegno a linee sovrapposte. Il riquadro indica la posizione della sezione istantanea riportata nell’inserto.
4.2. SO161-44
La sezione time-migrated SO161-44 (Figura 3) situata al largo di Arauco (vicino a 38°S) mostra caratteristiche diverse rispetto alla sezione precedente. Sono state riconosciute diverse faglie in cima al basamento oceanico.
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SO161-44 profilo sismico. Sezioni post-stack time-migrated (a) e post-stack time-migrated (b) con sezione sovrapposta del disegno delle linee.
Alla base del pendio, riflettori leggermente deformati, spinte e sottospinte interessano il riempimento della trincea. La cima di un livello acusticamente semitrasparente (circa 7 s) può essere associata ad una superficie di decollazione.
Il pendio inferiore è largo circa 15 km ed è più ripido della sezione SO161-44. Alla base del pendio inferiore, si riconoscono sedimenti leggermente deformati, che coinvolgono solo il letto più superficiale del riempimento della fossa sedimentaria (circa 0,8 s di spessore; Figura 3). La superficie di decollazione e la sommità del basamento oceanico (circa 6 s e 7,5 s) mostrano caratteristiche di pull-up (Figura 3). Da CDP 5700 a 6600, una sequenza di spinta forma un ripido pendio inferiore. Verso est, è stata riconosciuta una scarpata di faglia normale con offset di circa 1 s (vicino a CDP 7000). Qui, sono state osservate riflessioni caotiche. Si noti che la scarpata di faglia segna il confine tra il pendio inferiore e quello superiore.
Il pendio superiore mostra una topografia irregolare interrotta da due spinte principali (ai CDP 7000 e 8000). I riflessi caotici, osservati nella parte bassa e profonda, sono evidenti (Figura 3). Dai CDPs 7200 a 7600 (5 km di larghezza) è stata ripresa una zona depressa caratterizzata da alti morfologici e da una struttura a graben. Sono stati riconosciuti alcuni bacini di pendenza sulla sommità dei thrusts che si trovano verso il mare. A circa 3,2 s, è stata identificata una BSR discontinua e forte. Riflessioni con alta ampiezza a circa 4 s possono essere interpretate come la cima del basamento continentale.
4.3. SO161-35
La sezione poststack time-migrated SO161-35, situata a sud di Mocha Island vicino a 38.5°S, mostra un basamento oceanico irregolare.
Il pendio inferiore è caratterizzato da una topografia irregolare, che è interrotta da un alto morfologico (circa CDP 9000). A valle è stata riconosciuta una sezione di thrust strettamente distanziata, mentre a monte due thrust principali ampiamente distanziati formano il prisma di accrezione (Figura 4). A circa 7 s e 8 s, riflessioni ad alta ampiezza e caratteristiche di pull-up sono state associate alla cima del letto di sedimenti sottoplaccato e alla cima del basamento oceanico. Dai CDP 9200 ai 10000 è stata riconosciuta una BSR debole e discontinua (Figura 4). Il fondo marino è caratterizzato da alti morfologici anomali, che possono essere associati a possibili vulcani di fango. Da CDP 10200 a 11500, sono stati riconosciuti due bacini di pendenza principali. Si noti che questi bacini sono interessati principalmente dallo spostamento delle faglie normali e inverse (vedi Figura 4). Sul lato destro dei bacini, sono state riconosciute faglie normali che configurano strutture “half-graben” (Figura 4). A circa 5 s, sono state riconosciute riflessioni ad alta ampiezza associate alla sommità del basamento continentale.
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SO161-35 profilo sismico. Sezioni post-stack time-migrated (a) e post-stack time-migrated (b) con sezione sovrapposta del disegno delle linee.
4.4. SO161-40
La sezione poststack time-migrated SO161-40 (Figura 5), situata a sud dell’isola di Chiloe (43.5°S), è caratterizzata da un basamento oceanico regolare. I sedimenti della trincea sono interessati da spinte e faglie normali.
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SO161-40 profilo sismico. Sezioni post-stack time-migrated (a) e post-stack time-migrated (b) con sezione sovrapposta del disegno delle linee.
Alla base del pendio inferiore, una struttura thrust forma una rampa anticlinale. In profondità, riflessioni caotiche e faglie inattive influenzano la sequenza sedimentaria; qui, il letto sottoplaccato e i vertici del basamento oceanico sono meno chiari, ma alcune riflessioni ad alta ampiezza possono essere riconosciute a 6 s e 7 s, rispettivamente (Figura 5). Dai CDP 7800 ai 10000, le scarpate sono evidenti e possono essere associate a faglie normali. In profondità, da CDP 8000 a 9000, è stata riconosciuta una forte e continua BSR. Si noti che a monte la BSR è interrotta da faglie attive che configurano una possibile struttura a fiore (Figura 5). A circa 3 s, le riflessioni ad alta ampiezza, interessate da faglie, sono state associate alla sommità del basamento continentale. A monte dei CDP da 9000 a 10000, è stato riconosciuto un alto morfologico e un canale sottomarino (3 km di larghezza), controllato da faglie normali (Figura 5).
5. Discussioni e conclusioni
Due principali processi di accrezione possono essere riconosciuti lungo il margine cileno: il primo è legato all’accrezione frontale e il secondo a quella basale. Entrambi i processi, accrezione frontale e basale, sono stati riconosciuti in tutte le sezioni sismiche. In particolare, le aree caratterizzate da un basamento oceanico regolare, alti morfologici e spinte attraverso la scarpata continentale (RC2901-728, SO161-40 e RC2901-734; Figura 6) possono essere associate all’accrezione frontale, mentre le aree caratterizzate da un basamento oceanico irregolare, assenza di alti morfologici e scarpate continentali ampie e ripide possono essere associate all’accrezione basale. Inoltre, possono essere descritte le relazioni tra lo spessore del letto di sedimenti sottoplaccato e la morfologia del pendio inferiore. Così, un letto di sedimenti sottoplaccato più spesso contribuisce alla formazione di pendii più ripidi, mentre un letto di sedimenti sottoplaccato più sottile contribuisce alla formazione di pendii più scoscesi. Nelle sezioni RC2901-728 e SO161-40, un letto di sedimenti sottoplaccato sottile (0,5 s) è in accordo con un pendio più ripido, mentre nelle sezioni SO161-44 e SO161-35 (Figura 6(b)) un letto di sedimenti sottoplaccato più spesso (1,2 s) evidenzia un pendio più ripido e più regolare. In questo modo, una maggiore quantità di sedimenti sottoplaccati può determinare la formazione di duplex al di sotto del prisma accrezionale che influenzano i sedimenti accrezionati e il sollevamento del prisma interno, come evidenziato nelle sezioni SO161-44, SO161-35 e SO161-29. Sembra che il materiale fuoriuscito fornisca alloggi per il movimento lungo le spinte durante il sollevamento, generando spinte suborizzontali. La crescita laterale e verticale dei prismi di accrezione associati all’accrezione basale è stata riportata da diversi autori su diversi margini continentali (cioè 8, 22, 23, 24 e 25). Al contrario, nelle zone in cui si riconosce un letto di sedimenti sottoplaccato più sottile, il prisma di accrezione mostra spinte con alto offset, che sono legate a un’accrezione frontale episodica. In questo caso, il materiale sottoplaccato gioca un’influenza minore. In questo modo, l’evoluzione di questi prismi sarà simile a quella dei prismi mostrati nelle sezioni analizzate in precedenza.
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(a) A sinistra: Profilo del disegno lineare RC2901-728. A destra: diagramma di accrescimento frontale. (b) A sinistra: profili a linee di SO161-44, SO161-35 e SO161-29. A destra: diagramma di accrescimento basale. (c) A sinistra: profili lineari di SO161-40 e RC2901-734. A destra: diagramma di accrescimento frontale.
Le SSR osservate sulle sezioni sismiche sono spesso considerate come indicatori dell’esistenza di gas libero, delineando la base della zona di stabilità degli idrati di gas. A sud della cresta Juan Fernandez, la BSR è stata riconosciuta sul prisma interno in tutte le sezioni. Nella parte più settentrionale (RC2901-728, SO161-40) e più meridionale (SO161-40 e RC2901-734), la BSR è forte e continua (Figure 6(a) e 6(b)), mentre nella parte centrale (SO161-44, SO161-35, e SO161-29) è stata riconosciuta una BSR debole e discontinua (Figura 6(b)). Si possono quindi osservare relazioni tra le caratteristiche della BSR e i processi di accrezione; in particolare, la BSR è forte e continua in corrispondenza dei processi di accrezione frontale, mentre è debole e discontinua in presenza dei processi di accrezione basale. Durante l’accrezione frontale, i movimenti tettonici sembrano influenzare il prisma frontale, ma non il prisma interno favorendo condizioni di accumulo di fluidi e di conseguenza la formazione di BSR forti e continue (vedi a destra sulle figure 6(a) e 6(c)). Nel frattempo, il sollevamento per accrescimento basale genera movimenti tettonici estensionali sul prisma interno, che possono favorire le fughe di fluido (vedi a destra nella figura 6(b)) e, di conseguenza, il cambiamento di temperatura. Così la profondità della zona di stabilità degli idrati di gas è fortemente variabile lungo la linea sismica e, di conseguenza, la BSR scompare o diventa più debole. Inoltre, un gradiente geotermico più basso (30°C/km) nel settore nord (sezione SO161-44) è in accordo con una crosta oceanica più vecchia (35 Ma), dove ci si può aspettare una ridotta circolazione dei fluidi. Invece, nel settore meridionale (sezione RC2901-734), un gradiente geotermico più alto e variabile (50-95°C/km) è in accordo con una crosta oceanica più giovane (15 Ma), dove ci si può aspettare una maggiore circolazione dei fluidi. Si noti che le caratteristiche della BSR potrebbero essere spiegate considerando diversi fattori. Così, è possibile associare una BSR debole e discontinua principalmente a una circolazione ridotta e a una tettonica attiva. Tuttavia, nella parte più settentrionale (Itata offshore), una BSR forte e continua è in disaccordo con una crosta oceanica più vecchia. Anche se ci si aspetta una circolazione ridotta dalla crosta oceanica, condizioni tettoniche stabili e fonti biogeniche di metano possono spiegare una BSR più forte e continua in quest’area. Infatti, in Itata offshore dai dati batimetrici, si può riconoscere una pendenza continentale più liscia, che può essere correlata a un regime tettonico stabile, mentre verso sud (Arauco e Valdivia offshore) una pendenza continentale irregolare caratterizzata da canyon sottomarini, aree erosive e lineamenti strutturali può essere correlata a un regime tettonico instabile.