Procesele de acreție bazală și frontală versus caracteristicile BSR de-a lungul marjei chiliene

Abstract

Datele de reflexie seismică multicanal înregistrate între Itata () și Coyhaique offshores () au fost procesate pentru a obține imagini seismice. Analiza profilelor seismice a arătat că reflectoarele slabe și discontinue care simulează fundul au fost asociate proceselor de acreție bazală, în timp ce reflectoarele puternice și continue care simulează fundul au fost asociate proceselor de acreție frontală. Acest lucru poate fi explicat având în vedere că, în timpul proceselor de acreție bazală, mișcările tectonice de extensie datorate ridicării pot favoriza scăpările de fluid, dând naștere la reflectoare de simulare a fundului mai slabe și mai discontinue. Cu toate acestea, în timpul proceselor de acreție frontală (pliere și împingere), circulația mare a fluidelor și condițiile tectonice stabile pot fi responsabile de reflectoare de simulare a fundului mai puternice și mai continue. De-a lungul țărmurilor Arauco-Valdivia, prismele abrupte de acreție, faliile normale, bazinele de pantă și patul sedimentar mai gros și subplacat au fost asociate cu acreția bazală, în timp ce de-a lungul țărmurilor Itata, Chiloe și Coyhaique, prismele mici de acreție, plierea și patul sedimentar subplacat mai subțire au fost asociate cu acreția frontală.

1. Introducere

În înregistrările seismice marine, Bottom Simulating Reflector (BSR) este un bun indicator al prezenței hidratului de gaz. BSR a permis definirea distribuției hidratului de gaz de-a lungul mai multor marje continentale. BSR este asociat cu interfața acustică dintre sedimentele suprapuse care conțin hidrat de gaz, ceea ce crește viteza seismică de compresie, și sedimentele subiacente care conțin gaz liber, ceea ce scade viteza seismică de compresie . BSR a fost identificată în secțiunile seismice din complexele de acumulare, atât de-a lungul marginilor convergente, cât și a celor pasive. De-a lungul marjei continentale chiliene, BSR este bine semnalată de mai multe croaziere geofizice. În special, BSR este recunoscută de-a lungul prismei de acumulare .

În lungul marginii chiliene, sunt recunoscute două procese tectonice principale. Primul este asociat cu acreția frontală și cel de-al doilea cu acreția bazală .

Acest studiu are ca scop identificarea principalelor morfo-structuri de pe marginea continentală, în special pe șanțul oceanic și pe taluzul continental. În acest fel, prin interpretarea a șase secțiuni stivuite și post-stacked cu migrare în timp, pot fi identificate relațiile dintre caracteristicile BSR și procesele tectonice (figura 1).

Figura 1

Harta zonei de studiu.

2. Cadrul tectonic și geologic

Zona de studiu este situată de-a lungul Chile Central, între 35° și 45°S, inclusiv în largul Itata, Arauco, Toltén și Valdivia (de la 36° la 40°S) și în largul Chiloé și Coyhaique (de la 43° la 45°S) (Figura 1).

Centrul și sudul Chile (34°-46°S) este limitat la nord de creasta Juan Fernandez și la sud de creasta Chile. Creasta Juan Fernandez se caracterizează prin segmentul de platou Pampean, care prezintă o lipsă de vulcanism și de ridicări de foreland (Sierras Pampeanas) cei mai înalți munți din Anzi, cum ar fi masivul Aconcagua (6989 m). La sud de segmentul Pampean flat-slab, marginea andină se caracterizează printr-o subducție normală (dip 30°) care se extinde de la 34° la 46°S până la tripla joncțiune din Chile. Convergența dintre plăcile Nazca și America de Sud are loc cu o rată medie de 6,4 cm/an . În această zonă (de la 34° la 45°S), întreaga margine este caracterizată de un vector oblic de convergență (N78°E) și atinge o direcție ortogonală în segmentul austral.

Panta continentală este formată dintr-un versant inferior și unul superior. Versantul inferior este asociat cu prisma de acreție care este construită de turbidite care sunt încorporate din umplutura șanțului la versantul inferior ca sedimente de acreție , în timp ce versantul superior este asociat cu un volum important de sedimente terigene provenite din rocile vulcanice ale arcului andin , depuse pe un fundament metamorfic continental .

Șanțul oceanic este umplut de sedimente cu o grosime parțial mai mare de 2 km, apărând local mai degrabă ca o câmpie plată decât ca o depresiune batimetrică . Umplutura șanțului este compusă din strate turbiditice și hemipelagice interstratificate, care prezintă o anumită ciclicitate în modelul lor de reflexie seismică care este interpretată ca fiind influența ciclurilor climatice globale asupra sedimentării . Fundamentul oceanic reprezintă placa Nazca în subducție sub placa sud-americană și este constituit din sedimente pelagice și bazalte oceanice.

3. Date și prelucrare seismică

În acest studiu sunt analizate șase linii seismice. Patru dintre ele (SO161-44, SO161-35, SO161-29 și SO161-40; a se vedea figura 1) au fost achiziționate de croaziera RV SONNE (ianuarie-februarie 2001) ca parte a proiectului „Subduction Processes Off Chile (SPOC)”, iar celelalte două (RC2901-728 și RC2901-734; a se vedea figura 1) au fost achiziționate de croaziera RV CONRAD (ianuarie-februarie 1988), ca parte a proiectului „Mid-Ocean Spreading Ridge (Chile Ridge)” din cadrul Ocean Drilling Program (ODP). Au fost utilizate datele seismice prestack de pe patru linii seismice (RC2901-728, SO161-44, SO161-29 și RC2901-734), în timp ce pentru celelalte două linii (SO161-35 și SO161-40) sunt disponibile doar datele seismice stivuite. Datele seismice au fost achiziționate în timpul croazierei RV SONNE folosind un streamer digital cu 132 de canale, cu o lungime de 3000 m, cu 12,5 m între primele 24 de canale și 25 m între celelalte canale. Sursa seismică a fost o matrice reglată de 20 de tunuri cu aer comprimat, asigurând un volum total de 54,1 l, cu o distanță de tragere de 50 m. Datele seismice achiziționate în timpul croazierei RV CONRAD au folosit un streamer digital cu o lungime de 3000 m, cu 240 de canale și un intertrace de 12.5 m. Sursa seismică a fost o matrice reglată de 10 tunuri cu aer comprimat, cu un volum total de 61,3 1, cu o spațiere a împușcăturilor de 50 m.

Procesarea seismică a fost realizată cu ajutorul software-ului open source Seismic Unix (SU) . Pentru a obține o imagine seismică precisă, s-a efectuat o procesare standard a datelor seismice Prestack, urmată de migrarea în timp poststack (metodele Phase Shift și Stolt). Pentru a evalua atributele seismice ale secțiunii stivuite, s-a efectuat o procesare a amplitudinii reale. De fapt, în fiecare etapă de procesare, s-a verificat păstrarea spectrului de amplitudine. În cazul liniilor seismice SO161-35 și SO161-40, pentru care au fost disponibile doar date seismice stivuite, s-a efectuat o migrare cu deplasare de fază utilizând viteza seismică a apei (1480 m/s).

Prima etapă a prelucrării standard a fost convertirea datelor din formatul SEGY în formatul SU. Odată convertite în format SU, s-a efectuat o verificare a decalajului minim utilizând prima sosire (undă directă). De fapt, presupunând că viteza seismică a apei este egală cu 1480 m/s (din analiza undelor directe), a fost identificat un decalaj temporal de 0,12 s în linia seismică SO161-44. Aceasta a fost corectată prin decalarea în 0,12 s a tuturor datelor seismice.

Postul următor a fost acela de a defini aranjamentul geometric al datelor prestack. În acest studiu, coordonatele sursă-receptor au fost definite în mod arbitrar, fără a lua în considerare coordonatele geografice, iar decalajul și punctul median comun (CMP) au fost calculate folosind coordonatele sursă-receptor calculate anterior. În cazul liniilor seismice SO161-44 și SO161-29, au fost luate în considerare două fluxuri diferite: primul de 24 de canale distanțate la fiecare 12,5 m și al doilea de 108 canale distanțate la fiecare 25 m. Geometria de setare a fost atribuită separat și, apoi, integrată ca un singur flux. Au fost definite distanțe CMP de 6,25 m (pentru liniile seismice RC2901-728 și RC2901-734) și de 12,5 m (pentru liniile seismice SO161-44 și SO161-29).

Pentru a atenua zgomotul și a corecta efectele asupra amplitudinii datorate divergenței sferice a frontului de undă, au fost aplicate un filtru trece-banda (15-70 Hz) și, respectiv, un câștig.

În linia seismică SO161-44, au fost recunoscute zgomote puternice asociate cu reflexii în afara planului (sideswipe), probabil din cauza morfologiei neregulate. Pentru a atenua aceste zgomote, a fost aplicat un filtru de dip (panta variind 8-5,5 10-4) în domeniul F-K.

A fost efectuată o analiză a vitezei de stivuire la fiecare 100 CMP (adică la fiecare 1250 m pentru liniile seismice SO161-44 și SO161-29 și la fiecare 625 m pentru liniile seismice RC2901-728 și RC2901-734). În consecință, au fost utilizate modele de viteză de stivuire pentru a realiza stivuirea . Pentru a obține o imagine seismică precisă, s-a efectuat o migrare temporală post-stack; astfel, modelele de viteză de stivuire au fost convertite în modele de viteză de interval. În plus, au fost efectuate diferite teste de migrare temporală post-stack (metodele Stolt și de schimbare de fază). Cele mai bune rezultate au fost obținute prin utilizarea metodei de deplasare a fazei. În cele din urmă, pentru a obține secțiunile finale migrate post-stack, au fost aplicate un filtru trece-banda (15-70 Hz), urme de amestecare, câștig AGC (fereastră de 800 ms) și muting.

4. Rezultate

4.1. RC2901-728

Secțiunea migrată în timp RC2901-728, situată în largul Itata (36°S), este caracterizată de un vârf regulat al bazei oceanice, cu un număr mic de structuri în partea cea mai vestică, în timp ce în adâncime sunt evidente structurile de underthrust.

La baza versantului inferior, a fost recunoscută o rampă anticlinală. În susul versantului, mai multe thrusturi definesc un complex imbricat (aproximativ 15 km lățime). La aproximativ 8 s, reflexiile de mare amplitudine sunt interpretate ca o suprafață decolată (figura 2). Sub acest nivel, un alt reflector cu amplitudine mare poate fi asociat cu partea superioară a subsolului oceanic. Un bazin de taluz ridicat în spatele unui subvertical este caracterizat de reflectoare divergente și continue (figura 2). În josul și în susul bazinului de pantă, reflecții haotice cu amplitudine instantanee scăzută (a se vedea inserția din figura 2) pot fi legate de depozitele de alunecare (CDP 8000 și 9500, respectiv,). De la CDP 8000 până la 13000, a fost identificat un BSR puternic și continuu, care poate fi asociat cu prezența hidratului de gaz. De la CDP 10500 la 11500, a fost recunoscută o structură florală negativă (figura 2). În adâncime, reflexiile cu amplitudine mare au fost asociate cu partea superioară a subsolului continental.

(a)

(b)

.

(a)
(b)

Figura 2

RC2901-728 profil seismic. Secțiuni post-stack cu migrare în timp (a) și post-stack cu migrare în timp (b) cu secțiune suprapusă de desen liniar. Caseta indică locația secțiunii instantanee raportate în inserție.

4.2. SO161-44

Secțiunea cu migrare în timp SO161-44 (figura 3) situată în largul coastei Arauco (aproape de 38°S) prezintă caracteristici diferite în comparație cu secțiunea anterioară. Au fost recunoscute mai multe falii la partea superioară a subsolului oceanic.

(a)

(b)

.

(a)
(b)

La baza versantului, reflectoare ușor deformate, împingeri și subputere afectează umplutura șanțului. Vârful unui nivel semitransparent din punct de vedere acustic (aproximativ 7 s) poate fi asociat cu o suprafață decolmatată.

Panta inferioară are o lățime de aproximativ 15 km și este mai abruptă decât secțiunea SO161-44. La baza versantului inferior se recunosc sedimente ușor deformate, care implică doar cel mai puțin adânc pat al umpluturii sedimentare a șanțului (aproximativ 0,8 s de grosime; figura 3). Suprafața decolmatată și partea superioară a subsolului oceanic (aproximativ 6 s și 7,5 s) prezintă caracteristici de tragere (Figura 3). De la CDP 5700 la 6600, o secvență de împingere modelează o pantă inferioară cu pantă abruptă. Spre est, a fost recunoscută o eșarfă de falie normală cu un decalaj de aproximativ 1 s (în apropiere de CDP 7000). Aici, au fost observate reflexii haotice. Rețineți că eșarfa de falie marchează granița dintre versantul inferior și versantul superior.

Pantalul superior prezintă o topografie neregulată, perturbată de două fortificații principale (la CDP 7000 și 8000). Reflecțiile haotice, observate în partea superficială și în cea profundă, sunt evidente (figura 3). De la CDP 7200 la 7600 (5 km de lățime) a fost imaginată o zonă depresionară caracterizată de înălțimi morfologice și o structură de graben. Au fost recunoscute unele bazine de pantă în partea superioară a unor thrusts care se înclină spre mare. La aproximativ 3,2 s, a fost identificată o BSR discontinuă și puternică. Reflecțiile cu amplitudine mare la aproximativ 4 s pot fi interpretate ca fiind partea superioară a subsolului continental.

4.3. SO161-35

Secțiunea post-migrare în timp SO161-35, situată la sud de Insula Mocha, în apropiere de 38,5°S, arată un vârf neregulat al subsolului oceanic.

Panta inferioară este caracterizată de o topografie neregulată, care este întreruptă de un înalt morfologic (aproximativ CDP 9000). În partea de jos a versantului a fost recunoscută o secțiune de trunchiuri de împingere strâns distanțate, în timp ce în partea de sus a versantului două principale trunchiuri de împingere larg distanțate formează prisma de acreție (Figura 4). La aproximativ 7 s și 8 s, reflecții de mare amplitudine și caracteristici de tragere în sus au fost asociate cu partea superioară a patului sedimentar subacoperit și cu partea superioară a subsolului oceanic. De la CDP 9200 la 10000 a fost recunoscută o BSR slabă și discontinuă (Figura 4). Fundul mării este caracterizat de înălțimi morfologice anormale, care pot fi asociate cu posibili vulcani noroioși. De la CDP 10200 la 11500, au fost recunoscute două bazine principale de pantă. Rețineți că aceste bazine sunt afectate în principal de deplasarea faliilor normale și inverse (a se vedea figura 4). În partea dreaptă a bazinelor, au fost recunoscute falii normale care configurează structuri de „semigrăbiu” (Figura 4). La aproximativ 5 s, au fost recunoscute reflexii cu amplitudine mare asociate cu partea superioară a subsolului continental.

(a)

(b)

.

(a)
(b)

4.4. SO161-40

Secțiunea post-stack time-migrated SO161-40 (Figura 5), situată la sud de insula Chiloe (43,5°S), este caracterizată de un vârf de subsol oceanic regulat. Sedimentele din șanț sunt afectate de trunchiuri și falii normale.

(a)

(b)

.

(a)
(b)

Figura 5

SO161-40 profil seismic. Secțiuni post-stack cu migrare în timp (a) și secțiuni post-stack cu migrare în timp (b) cu secțiune suprapusă de desen liniar.

La baza versantului inferior, o structură de împingere formează o rampă anticlinală. În adâncime, reflexiile haotice și faliile inactive afectează secvența sedimentară; aici, fundamentul subplacat și vârfurile bazei oceanice sunt mai puțin clare, dar pot fi recunoscute unele reflexii de mare amplitudine la 6 s și, respectiv, 7 s (figura 5). De la CDP 7800 la 10000, scarpurile sunt evidente și pot fi asociate cu falii normale. În adâncime, de la CDP 8000 la 9000, a fost recunoscută o BSR puternică și continuă. Se remarcă faptul că în amonte BSR este întreruptă de falii active care configurează o posibilă structură de floare (Figura 5). La aproximativ 3 s, reflecții de mare amplitudine, afectate de falii, au fost asociate cu partea superioară a subsolului continental. În amonte, de la CDP 9000 la 10000, a fost recunoscut un înalt morfologic și un canal submarin (3 km lățime), controlat de falii normale (Figura 5).

5. Discuții și concluzii

Două procese principale de acreție pot fi recunoscute de-a lungul marginii chiliene: primul este legat de acreția frontală și al doilea de cea bazală . Ambele procese, acreția frontală și cea bazală, au fost recunoscute în toate secțiunile seismice. În special, zonele caracterizate de un vârf de subsol oceanic regulat, de înălțimi morfologice și de o împingere de-a lungul pantei continentale (RC2901-728, SO161-40 și RC2901-734; Figura 6) pot fi asociate cu acreția frontală, în timp ce zonele caracterizate de un vârf de subsol oceanic neregulat, de absența înălțimilor morfologice și de pante continentale lărgite și abrupte pot fi asociate cu acreția bazală. Mai mult decât atât, pot fi descrise relațiile dintre grosimea patului sedimentar subpunerea și morfologia versantului inferior. Astfel, un pat sedimentar mai gros de subplacare contribuie la formarea unor pante mai abrupte, în timp ce un pat sedimentar mai subțire de subplacare contribuie la formarea unor pante mai abrupte. În secțiunile RC2901-728 și SO161-40, un pat sedimentar subțiat subțire (0,5 s) este în concordanță cu o pantă mai aspră, în timp ce în secțiunile SO161-44 și SO161-35 (Figura 6(b)), un pat sedimentar subțiat mai gros (1,2 s) evidențiază o pantă mai abruptă și mai netedă. În acest fel, o cantitate mai mare de sedimente subplacate poate determina formarea de duplexuri sub prisma de acreție care afectează sedimentele acretate și ridică prisma internă, așa cum se evidențiază în secțiunile SO161-44, SO161-35 și SO161-29. Se pare că materialul desprins asigură acomodarea mișcării de-a lungul proeminențelor în timpul ridicării, generând proeminențe suborizontale. Creșterea laterală și verticală a prismelor de acumulare asociate cu acumularea bazală a fost raportată de mai mulți autori pe diferite margini continentale (adică 8, 22, 23, 24 și 25). Dimpotrivă, în zonele în care se recunoaște un pat sedimentar subplacat mai subțire, prismele de acreție prezintă trunchiuri cu offset mare, care sunt legate de o acreție frontală episodică . În acest caz, materialul subplacat joacă o influență de rol minor. În acest fel, evoluția pentru aceste prisme va fi similară cu cea a prismelor prezentate în secțiunile analizate anterior.

(a)

(b)

(c)

.

(a)
(b)
(c)

BSR-urile observate pe secțiunile seismice sunt adesea considerate ca indicatori ai existenței gazului liber, delimitând baza zonei de stabilitate a hidratului de gaz. La sud de creasta Juan Fernandez, BSR a fost recunoscută pe prisma internă în toate secțiunile. În partea cea mai nordică (RC2901-728, SO161-40) și în partea cea mai sudică (SO161-40 și RC2901-734), BSR este puternică și continuă [figurile 6(a) și 6(b)], în timp ce în partea centrală (SO161-44, SO161-35 și SO161-29) a fost recunoscută o BSR slabă și discontinuă [figura 6(b)]. Astfel, pot fi observate relații între caracteristicile BSR și procesele de acreție; în special, BSR este puternică și continuă în corespondență cu procesele de acreție frontale, în timp ce este slabă și discontinuă în prezența proceselor de acreție bazale. În timpul acreției frontale, mișcările tectonice par să afecteze prisma frontală, dar nu afectează prisma internă, favorizând condițiile de acumulare a fluidelor și, în consecință, formarea de BSR-uri puternice și continue [a se vedea dreapta pe figurile 6(a) și 6(c)]. În același timp, ridicarea prin acreție bazală generează mișcări tectonice extensionale asupra prismei interne, care pot favoriza scăpările de fluid [a se vedea dreapta pe figura 6(b)] și, în consecință, schimbarea temperaturii. Astfel, adâncimea zonei de stabilitate a hidratului de gaz este foarte variabilă de-a lungul liniei seismice și, în consecință, BSR dispare sau devine mai slabă. În plus, un gradient geotermic mai mic (30°C/km) în sectorul nordic (secțiunea SO161-44) este în concordanță cu o crustă oceanică mai veche (35 Ma) , unde se poate aștepta o circulație redusă a fluidelor. În timp ce, în sectorul sudic (secțiunea RC2901-734), un gradient geotermal mai ridicat și variabil (50-95°C/km) este în concordanță cu o crustă oceanică mai tânără (15 Ma) , unde se poate aștepta o circulație crescută a fluidelor. Rețineți că caracteristicile BSR ar putea fi explicate luând în considerare mai mulți factori. Astfel, este posibil să se asocieze o BSR slabă și discontinuă în principal cu o circulație redusă și o tectonică activă. Cu toate acestea, în partea cea mai nordică (largul insulei Itata), o BSR puternică și continuă este în dezacord cu o crustă oceanică mai veche. Chiar dacă se așteaptă o circulație redusă din crusta oceanică, condițiile tectonice stabile și sursele biogene de metan pot explica o BSR mai puternică și continuă în această zonă. De fapt, în largul insulei Itata, din datele batimetrice, se poate recunoaște un versant continental mai neted, care poate fi legat de un regim tectonic stabil, în timp ce spre sud (Arauco și Valdivia offshore) un versant continental neregulat caracterizat de canioane submarine, zone de eroziune și lineamente structurale poate fi legat de un regim tectonic instabil.

Recunoștințe

.