Abstract
Multikanaal seismische reflectiegegevens opgenomen tussen Itata () en Coyhaique offshores () werden verwerkt om seismische beelden te verkrijgen. Analyse van de seismische profielen toonde aan dat zwakke en discontinue bodemreflectoren in verband werden gebracht met basale accretieprocessen, terwijl sterke en continue bodemreflectoren in verband werden gebracht met frontale accretieprocessen. Dit kan worden verklaard door aan te nemen dat tijdens basale accretieprocessen extensiegerichte tektonische bewegingen ten gevolge van opheffing vloeistofontsnappingen kunnen bevorderen waardoor zwakkere en meest discontinue bodemreflectoren ontstaan. Tijdens frontale accretieprocessen (plooiing en stuwing) kunnen een hoge vloeistofcirculatie en stabiele tektonische omstandigheden echter verantwoordelijk zijn voor sterkere en meest continue bodem simulerende reflectoren. Langs de uitlopers van de Arauco-Valdivia werden steile accretionaire prisma’s, normale breuken, hellingbekkens en dikkere ondergeploegde sedimentbodem geassocieerd met basale accretie, terwijl langs de uitlopers van Itata, Chiloe en Coyhaique kleine accretionaire prisma’s, plooiing en dunnere ondergeploegde sedimentbodem geassocieerd werden met frontale accretie.
1. Inleiding
In seismische registraties op zee is de Bottom Simulating Reflector (BSR) een goede indicator voor de aanwezigheid van gashydraten. De BSR heeft het mogelijk gemaakt de verspreiding van gashydraten langs verschillende continentale randen vast te stellen. De BSR wordt geassocieerd met het akoestische raakvlak tussen bovenliggende sedimenten die gashydraat bevatten, waardoor de seismische compressiesnelheid toeneemt, en onderliggende sedimenten die vrij gas bevatten, waardoor de seismische compressiesnelheid afneemt. De BSR is geïdentificeerd in seismische doorsneden van accretiecomplexen langs zowel convergente als passieve marge-omgevingen. Langs de Chileense continentale marge is het BSR goed gerapporteerd door verschillende geofysische cruises. In het bijzonder wordt het BSR herkend langs het accretionaire prisma.
Op de Chileense marge worden twee belangrijke tektonische processen herkend. Het eerste wordt geassocieerd met frontale accretie en het tweede met basale accretie.
Deze studie heeft tot doel de belangrijkste morfostructuren op de continentale marge te identificeren, in het bijzonder op de oceaangeul en de continentale helling. Op deze wijze kunnen, door interpretatie van zes gestapelde en poststack tijdgemigreerde doorsneden, relaties tussen BSR-kenmerken en tektonische processen worden geïdentificeerd (figuur 1).
Kaart van het studiegebied.
2. Tectonische en geologische setting
Het studiegebied ligt in Midden-Chili, tussen 35° en 45° zuiderbreedte, met inbegrip van de uitlopers Itata, Arauco, Toltén en Valdivia (van 36° tot 40° zuiderbreedte) en de uitlopers Chiloé en Coyhaique (van 43° tot 45° zuiderbreedte) (figuur 1).
Zuidelijk en centraal Chili (34°-46° zuiderbreedte) wordt noordwaarts begrensd door de Juan Fernandez-rug en zuidwaarts door de Chile rise. De Juan Fernandez bergrug wordt gekenmerkt door het Pampean flat-slab segment, dat een gebrek aan vulkanisme en voorlandopheffing (Sierras Pampeanas) vertoont van de hoogste bergen van de Andes, zoals het Aconcagua massief (6989 m). Ten zuiden van het Pampeaanse vlakke plaatsegment wordt de Andesrand gekenmerkt door normale subductie (dips 30°) die zich uitstrekt van 34° tot 46° zuiderbreedte tot aan de drievoudige splitsing van Chili. De convergentie tussen de Nazca-platen en de Zuid-Amerikaanse platen vindt plaats met een gemiddelde snelheid van 6,4 cm/jaar. In dit gebied (van 34° tot 45° zuiderbreedte) wordt de gehele marge gekenmerkt door een schuine convergentievector (N78° oosterlengte) en bereikt een orthogonale richting in het australe segment.
De continentale helling bestaat uit een onderste en een bovenste helling. De onderste helling is geassocieerd met het accretionaire prisma dat is opgebouwd uit turbidieten die als aangeslibde sedimenten vanuit de geulopvulling op de onderste helling terecht zijn gekomen, terwijl de bovenste helling geassocieerd is met een belangrijk volume terrigene sedimenten afkomstig van vulkanische gesteenten uit de Andesboog, afgezet op een continentale metamorfe basis.
De oceaan geul is opgevuld met sedimenten van deels meer dan 2 km dikte en lijkt plaatselijk meer op een vlakte dan op een bathymetrische depressie . De opvulling van de geul bestaat uit in elkaar gevlochten turbiditische en hemipelagische lagen, die een zekere cycliciteit vertonen in hun seismisch reflectiepatroon dat wordt geïnterpreteerd als de invloed van wereldwijde klimaatcycli op de sedimentatie. De oceanische basis vertegenwoordigt de Nazca Plaat die onder de Zuid-Amerikaplaat subduceert en wordt gevormd door pelagische sedimenten en oceanische basalten.
3. Data en seismische verwerking
In deze studie zijn zes seismische lijnen geanalyseerd. Vier daarvan (SO161-44, SO161-35, SO161-29, en SO161-40; zie figuur 1) werden opgenomen door de RV SONNE-cruise (januari-februari 2001) als onderdeel van het project “Subduction Processes Off Chile (SPOC)”, en de andere twee (RC2901-728 en RC2901-734; zie figuur 1) zijn verkregen met een cruise van RV CONRAD (januari-februari 1988) in het kader van het project “Mid-Ocean Spreading Ridge (Chile Ridge)” van het Ocean Drilling Program (ODP). Prestack seismische gegevens van vier seismische lijnen (RC2901-728, SO161-44, SO161-29, en RC2901-734) werden gebruikt, terwijl alleen de gestapelde seismische gegevens beschikbaar zijn voor de andere twee lijnen (SO161-35 en SO161-40). De seismische gegevens werden verzameld tijdens de RV SONNE-cruise met behulp van een 3000 m lange digitale streamer met 132 kanalen, met 12,5 m tussen de eerste 24 kanalen en 25 m tussen de andere kanalen. De seismische bron was een afgestemde array van 20 luchtkanonnen, met een totaal volume van 54,1 l, met een schotafstand van 50 m. Voor de seismische gegevens die werden verkregen tijdens de RV CONRAD-cruise werd gebruik gemaakt van een 3000 m lange digitale streamer, met 240 kanalen en een intertrace van 12,5 m. De seismische bron werd verkregen tijdens de RV CONRAD-cruise, waarbij gebruik werd gemaakt van een 3000 m lange digitale streamer.De seismische bron was een afgestemde array van 10 luchtkanonnen met een totaal volume van 61,3 l, met een schotafstand van 50 m.
De seismische verwerking werd uitgevoerd met behulp van de open source Seismic Unix (SU) software. Om een nauwkeurig seismisch beeld te verkrijgen, werd een standaard verwerking uitgevoerd op de Prestack seismische gegevens, gevolgd door de poststack tijdmigratie (Phase Shift en Stolt methoden). Om de seismische eigenschappen van de gestapelde doorsnede te evalueren, werd een true-amplitude verwerking uitgevoerd. In feite werd bij elke verwerkingsstap het behoud van het amplitudespectrum gecontroleerd. In het geval van de seismische lijnen SO161-35 en SO161-40, waarvoor alleen gestapelde seismische gegevens beschikbaar waren, werd een faseverschuivingsmigratie uitgevoerd met behulp van de seismische snelheid van het water (1480 m/s).
De eerste stap van de standaardverwerking bestond uit het converteren van de gegevens van SEGY naar SU-formaat. Eenmaal geconverteerd in SU-formaat, werd een controle van de minimale offset uitgevoerd door gebruik te maken van de eerste aankomst (directe golf). In feite werd, uitgaande van een seismische watersnelheid van 1480 m/s (uit de analyse van de directe golven), een tijdverschuiving van 0,12 s vastgesteld in de seismische lijn SO161-44. Deze werd gecorrigeerd door alle seismische gegevens met 0,12 s te verschuiven.
De volgende stap was het bepalen van de geometrische rangschikking van de pre-pack gegevens. In deze studie werden de bron-ontvanger coördinaten willekeurig bepaald zonder rekening te houden met de geografische coördinaten, en de offset en het gemeenschappelijke middelpunt (CMP) werden berekend met behulp van de bron-ontvanger coördinaten die eerder waren berekend. In het geval van de seismische lijnen SO161-44 en SO161-29 werden twee verschillende streamers in aanmerking genomen: de eerste van 24 kanalen met een onderlinge afstand van 12,5 m en de tweede van 108 kanalen met een onderlinge afstand van 25 m. De zettingsgeometrie werd afzonderlijk toegekend en vervolgens geïntegreerd als één enkele streamer. CMP-afstanden van 6,25 m (voor RC2901-728 en RC2901-734 seismische lijnen) en 12,5 m (voor SO161-44 en SO161-29 seismische lijnen) werden gedefinieerd.
Om de ruis te verzwakken en de effecten op de amplitude als gevolg van de sferische divergentie van het golffront te corrigeren, werden respectievelijk een banddoorlaatfilter (15-70 Hz) en een versterking toegepast.
In de SO161-44 seismische lijn werden sterke ruisen in verband met out-of-plane reflecties (sideswipe), waarschijnlijk als gevolg van de onregelmatige morfologie, herkend. Om deze ruis te verzwakken werd een dipfilter (helling van 8-5,5 10-4) in het F-K domein toegepast.
Een stapelsnelheidsanalyse om de 100 CMP (d.w.z. om de 1250 m voor de SO161-44 en SO161-29 seismische lijnen en om de 625 m voor de RC2901-728 en RC2901-734 seismische lijnen) werd uitgevoerd. Dientengevolge werden stapel-snelheidsmodellen gebruikt om de stapeling uit te voeren. Om een nauwkeurig seismisch beeld te verkrijgen, werd een poststack tijdmigratie uitgevoerd; de stapelsnelheidsmodellen werden dus omgezet in intervalsnelheidsmodellen. Bovendien werden verschillende tests van poststack tijdmigratie (Stolt en faseverschuivingsmethoden) uitgevoerd. De beste resultaten werden verkregen met de faseverschuivingsmethode. Tenslotte werden, om de uiteindelijke poststack gemigreerde doorsneden te verkrijgen, een banddoorlaatfilter (15-70 Hz), mengsporen, AGC-versterking (venster van 800 ms), en muting toegepast.
4. Resultaten
4.1. RC2901-728
De tijdgemigreerde sectie van RC2901-728, gelegen voor de kust van Itata (36° zuiderbreedte), wordt gekenmerkt door een regelmatige top van de oceanische basis, met een klein aantal structuren in het meest westelijke deel, terwijl in de diepte structuren onder stuwkracht duidelijk aanwezig zijn.
Aan de basis van de lagere helling werd een anticlinale helling herkend. Op de helling definiëren verschillende stuwkrachten een geïmbriceerd complex (ongeveer 15 km breed). Bij ongeveer 8 s worden reflecties met een hoge amplitude geïnterpreteerd als een decollement oppervlak (figuur 2). Onder dit niveau kan een andere reflector met hoge amplitude in verband worden gebracht met de top van de oceanische basis. Een opgeheven hellingbekken achter een subverticaal wordt gekenmerkt door divergerende en continue reflectoren (figuur 2). Naar beneden en naar boven toe kunnen chaotische reflecties met een lage momentane amplitude (zie inzet in figuur 2) in verband worden gebracht met slumpafzettingen (CDPs 8000 en 9500, resp.). Van CDP 8000 tot 13000 werd een sterke en continue BSR geïdentificeerd, die in verband kan worden gebracht met de aanwezigheid van gashydraten. Van CDP’s 10500 tot 11500 werd een negatieve bloemstructuur herkend (Figuur 2). In de diepte werden reflecties met hoge amplitude geassocieerd met de continentale basement top.
(a)
(b)
(a)
(b)
RC2901-728 seismisch profiel. Poststack tijdgemigreerde (a) en poststack tijdgemigreerde (b) doorsneden met gesuperponeerde lijntekening doorsnede. Het kader geeft de locatie aan van de momentane doorsnede die in de inzet is vermeld.
4.2. SO161-44
SO161-44 tijdgemigreerde doorsnede (figuur 3) die zich voor de kust van Arauco (dicht bij 38° zuiderbreedte) bevindt, vertoont andere kenmerken dan de vorige doorsnede. Verscheidene breuken aan de top van de oceanische basis werden herkend.
(a)
(b)
(a)
(b)
SO161-44 seismisch profiel. Poststack time-migrated (a) en poststack time-migrated (b) doorsneden met gesuperponeerde lijntekening doorsnede.
Aan de voet van de helling beïnvloeden licht vervormde reflectoren, thrusts, en underthrusts de geulopvulling. De top van een akoestisch semitransparant niveau (ongeveer 7 s) kan worden geassocieerd met een decollement oppervlak.
De lagere helling is breed ongeveer 15 km en is steiler dan de sectie SO161-44. Aan de basis van de onderste helling worden licht vervormde sedimenten herkend, die alleen de ondiepste bedding van de sedimentaire geulopvulling betreffen (ongeveer 0,8 s dikte; figuur 3). Het decollementoppervlak en de top van de oceanische basis (ongeveer 6 s en 7,5 s) vertonen pull-up kenmerken (Figuur 3). Van CDP 5700 tot 6600 vormt een stuwkrachtsequentie een steil aflopende lagere helling. In oostelijke richting werd een normale breuklijn met een offset van ongeveer 1 s (dicht bij CDP 7000) herkend. Hier werden chaotische reflecties waargenomen. Merk op dat de breuklijn de grens markeert tussen de lagere helling en de hogere helling.
De hogere helling vertoont een onregelmatige topografie, onderbroken door twee hoofdstuwingen (bij CDP 7000 en 8000). Er zijn duidelijk chaotische reflecties, waargenomen in het ondiepe en diepe gedeelte (Figuur 3). Van CDP’s 7200 tot 7600 (5 km breedte) werd een depressieve zone afgebeeld, gekenmerkt door morfologische hoogten en een grabenstructuur. Sommige hellingsbekkens op de top van zeewaarts afbuigende stuwwallen werden herkend. Bij ongeveer 3,2 s werd een discontinue en sterke BSR geïdentificeerd. Reflecties met een hoge amplitude bij ongeveer 4 s kunnen worden geïnterpreteerd als de continentale basement top.
4.3. SO161-35
SO161-35 poststack time-migrated section, gelegen ten zuiden van Mocha Island nabij 38,5°S toont een onregelmatige oceanische basement top.
De onderste helling wordt gekenmerkt door een onregelmatige topografie, die wordt verstoord door een morfologisch hoog (ongeveer CDP 9000). Downslope werd een dicht bij elkaar liggende stuwkrachtsectie herkend, terwijl upslope twee belangrijke wijd uit elkaar liggende stuwkrachten het accretionaire prisma vormen (Figuur 4). Bij ongeveer 7 s en 8 s werden hoge-amplitude reflecties en pull-up kenmerken geassocieerd met de top van het ondergeploegde sedimentbed en met de top van de oceanische basis. Van CDP’s 9200 tot 10000 werd een zwak en discontinu BSR herkend (Figuur 4). De zeebodem wordt gekenmerkt door afwijkende morfologische hoogten, die in verband kunnen worden gebracht met mogelijke moddervulkanen. Van CDP’s 10200 tot 11500 werden twee hoofdhellingbekkens herkend. Merk op dat deze bekkens voornamelijk worden beïnvloed door de verplaatsing van normale en inverse breuken (zie figuur 4). Aan de rechterkant van de bekkens werden normale breuken herkend die “half-graben” structuren vormen (Figuur 4). Bij ongeveer 5 s werden reflecties met een hoge amplitude herkend die in verband worden gebracht met de continentale top van de basement.
(a)
(b)
(a)
(b)
SO161-35 seismisch profiel. Poststack tijdgemigreerde (a) en poststack tijdgemigreerde (b) doorsneden met gesuperponeerde lijntekening doorsnede.
4.4. SO161-40
SO161-40 poststack tijdgemigreerde doorsnede (figuur 5), gelegen ten zuiden van het eiland Chiloe (43,5°S), wordt gekenmerkt door een regelmatige oceanische basistop. De geulafzettingen zijn beïnvloed door stuw- en normaalfracturen.
(a)
(b)
(a)
(b)
SO161-40 seismisch profiel. Poststack tijdgemigreerde (a) en poststack tijdgemigreerde (b) doorsneden met gesuperponeerde lijntekening doorsnede.
Aan de basis van de lagere helling vormt een stuwkrachtstructuur een anticlinale helling. In de diepte beïnvloeden chaotische reflecties en inactieve breuken de sedimentaire opeenvolging; hier zijn de ondergeplooide bedding en de oceaanbasistoppen minder duidelijk, maar enkele reflecties met hoge amplitude kunnen worden herkend op 6 s en 7 s, respectievelijk (figuur 5). Van CDP 7800 tot 10000 zijn er duidelijke littekens die in verband kunnen worden gebracht met normale breuken. In de diepte, van CDPs 8000 tot 9000, werd een sterke en continue BSR herkend. Merk op dat het BSR opwaarts wordt onderbroken door actieve breuken die een mogelijke bloemstructuur configureren (Figuur 5). Bij ongeveer 3 s werden reflecties met hoge amplitude, aangetast door breuken, geassocieerd met de continentale basement top. Op de helling van CDPs 9000 tot 10000, werd een morfologisch hoogtepunt en een onderzees kanaal (3 km breed), gecontroleerd door normale breuken herkend (Figuur 5).
5. Discussies en Conclusies
Twee belangrijke accretieprocessen kunnen langs de Chileense marge worden herkend: het eerste is gerelateerd aan frontale accretie en het tweede aan basale accretie. Beide processen, frontale en basale accretie, werden in alle seismische secties herkend. Met name gebieden die gekenmerkt worden door een regelmatige top van de oceanische ondergrond, morfologische hoge punten, en stuwing over de continentale helling (RC2901-728, SO161-40, en RC2901-734; figuur 6) kunnen in verband worden gebracht met frontale accretie, terwijl gebieden die gekenmerkt worden door een onregelmatige top van de oceanische ondergrond, afwezigheid van morfologische hoge punten, en bredere en steile continentale hellingen in verband kunnen worden gebracht met basale accretie. Bovendien kunnen relaties worden beschreven tussen de dikte van de ondergeploegde sedimentbodem en de morfologie van de lagere helling. Zo draagt een dikker ondergeplooid sedimentbed bij tot de vorming van steilere hellingen, terwijl een dunner ondergeplooid sedimentbed bijdraagt tot de vorming van ruwere hellingen. In RC2901-728 en SO161-40 komt een dun ondergeplooid sedimentbed (0,5 s) overeen met een ruwere helling, terwijl in SO161-44 en SO161-35 (figuur 6(b)) een dikker ondergeplooid sedimentbed (1,2 s) wijst op een steilere en vlakkere helling. Op deze manier kan een grotere hoeveelheid ondergeploegde sedimenten bepalend zijn voor de vorming van duplexen onder het accretionaire prisma die de geaccreteerde sedimenten beïnvloeden en het interne prisma opheffen, zoals aangetoond in SO161-44, SO161-35, en SO161-29 secties. Het lijkt erop dat het weggeslingerde materiaal bewegingsaccommodatie biedt langs de stuwwanden tijdens de opheffing, waardoor subhorizontale stuwwanden ontstaan. Laterale en verticale groei van accretionaire prisma’s geassocieerd met basale accretie is gerapporteerd door verschillende auteurs op verschillende continentale randen (d.w.z. 8, 22, 23, 24, en 25). Daarentegen vertoont het accretionaire prisma in gebieden waar een dunner ondergeplooid sedimentbed wordt waargenomen, stuwwallen met een grote offset, die in verband worden gebracht met een episodische frontale accretie. In dit geval speelt het ondergeploegde materiaal een geringe rol van invloed. Op deze manier zal de evolutie voor deze prisma’s vergelijkbaar zijn met de prisma’s getoond in de voorgaande geanalyseerde secties.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
(a) Links: RC2901-728 lijntekening profiel. Rechts: frontaal accretiediagram. (b) Links: SO161-44, SO161-35, en SO161-29 lijntekeningprofielen. Rechts: basaal accretiediagram. (c) Links: SO161-40 en RC2901-734 lijntekeningprofielen. Rechts: frontaal accretiediagram.
BSR’s die op seismische doorsneden worden waargenomen, worden vaak beschouwd als indicatoren voor het bestaan van vrij gas, en geven de basis aan van de stabiliteitzone van het gashydraat. Ten zuiden van de Juan Fernandez richel werd het BSR op het interne prisma in alle secties herkend. In het meest noordelijke deel (RC2901-728, SO161-40) en het meest zuidelijke deel (SO161-40 en RC2901-734) is het BSR sterk en continu (Figuren 6(a) en 6(b)), terwijl in het centrale deel (SO161-44, SO161-35, en SO161-29) een zwak en discontinu BSR werd herkend (Figuur 6(b)). Er kunnen dus relaties worden waargenomen tussen de BSR-kenmerken en de accretieprocessen; in het bijzonder is de BSR sterk en continu in overeenstemming met de frontale accretieprocessen, terwijl hij zwak en discontinu is in aanwezigheid van de basale accretieprocessen. Tijdens frontale accretie lijken tektonische bewegingen het frontale prisma te beïnvloeden, maar niet het interne prisma, hetgeen vloeistofaccumulatie bevordert en dientengevolge de vorming van sterke en continue BSR’s (zie rechts op Figuren 6(a) en 6(c)). Intussen veroorzaakt de opwaartse beweging door basale accretie extensionele tektonische bewegingen op het interne prisma, die het ontsnappen van vloeistoffen kunnen bevorderen (zie rechts op figuur 6(b)) en, dientengevolge, de verandering van temperatuur. De diepte van de stabiliteitzone van het gashydraat varieert dus sterk langs de seismische lijn en bijgevolg verdwijnt het BSR of wordt het zwakker. Bovendien is een lagere geothermische gradiënt (30°C/km) in de noordelijke sector (SO161-44-sectie) in overeenstemming met een oudere oceanische korst (35 Ma), waar een verminderde vloeistofcirculatie kan worden verwacht. In de zuidelijke sector (sectie RC2901-734) daarentegen is een hogere en variabele geothermische gradiënt (50-95°C/km) in overeenstemming met een jongere oceanische korst (15 Ma), waar een verhoogde vloeistofcirculatie kan worden verwacht. Merk op dat de BSR-kenmerken door verschillende factoren kunnen worden verklaard. Zo is het mogelijk om een zwak en discontinu BSR hoofdzakelijk in verband te brengen met een verminderde circulatie en een actieve tektoniek. In het noordelijkste deel (Itata offshore) is een sterk en continu BSR echter niet in overeenstemming met een oudere oceanische korst. Zelfs als een verminderde circulatie vanuit oceanische korst wordt verwacht, kunnen stabiele tektonische omstandigheden en biogene bronnen van methaan een sterk en continu BSR in dit gebied verklaren. In feite kan in Itata offshore aan de hand van bathymetrische gegevens een gladdere continentale helling worden herkend, die in verband kan worden gebracht met een stabiel tektonisch regime, terwijl zuidwaarts (Arauco en Valdivia offshore) een onregelmatige continentale helling, gekenmerkt door onderzeese canyons, erosiegebieden en structurele lineamenten in verband kan worden gebracht met een onstabiel tektonisch regime.