Abstract
Multichannel seismiska reflektionsdata som spelats in mellan Itata () och Coyhaique offshores () har bearbetats för att få seismiska bilder. Analysen av de seismiska profilerna visade att svaga och diskontinuerliga bottensimulerande reflektorer var förknippade med basala ackretionsprocesser, medan starka och kontinuerliga bottensimulerande reflektorer var förknippade med frontala ackretionsprocesser. Detta kan förklaras med att under basala ackretionsprocesser kan extensionella tektoniska rörelser på grund av upphöjning gynna vätskeflykt som ger upphov till svagare och mest diskontinuerliga bottensimulerande reflektorer. Under frontala ackretionsprocesser (veckning och stötning) kan hög vätskecirkulation och stabila tektoniska förhållanden däremot ge upphov till starkare och mer kontinuerliga reflektorer som simulerar bottnar. Längs Arauco-Valdivia-avlagringarna var branta ackretionsprismor, normalförkastningar, sluttningsbassänger och tjockare underplattade sedimentbottnar förknippade med basal ackretion, medan små ackretionsprismor, veckning och tunnare underplattade sedimentbottnar var förknippade med frontal ackretion längs Itata-, Chiloe- och Coyhaique-avlagringarna.
1. Introduktion
I marina seismiska register är den bottensimulerande reflektorn (Bottom Simulating Reflector, BSR) en bra indikator på förekomst av gashydrater. BSR har gjort det möjligt att definiera fördelningen av gashydrat längs flera kontinentala marginaler. BSR är förknippad med det akustiska gränssnittet mellan överliggande sediment som innehåller gashydrat, vilket ökar den seismiska kompressionshastigheten, och underliggande sediment som innehåller fri gas, vilket minskar den seismiska kompressionshastigheten . BSR har identifierats i seismiska sektioner i ackretionskomplex längs både konvergerande och passiva marginaler . Längs den chilenska kontinentalmarginalen har BSR rapporterats väl av flera geofysiska kryssningar. Framför allt har BSR identifierats längs det ackretionära prismat.
Längs den chilenska marginalen har två huvudsakliga tektoniska processer identifierats. Den första är förknippad med frontal ackretion och den andra med basal ackretion .
Denna studie syftar till att identifiera de viktigaste morfostrukturerna på kontinentalmarginalen, i synnerhet på oceaniska diken och kontinentalsluttningar. På detta sätt kan man genom att tolka sex staplade och poststackade tidsmigrerade sektioner identifiera relationer mellan BSR-egenskaper och tektoniska processer (figur 1).
Karta över studieområdet.
2. Tektoniska och geologiska förhållanden
Studieområdet ligger längs centrala Chile, mellan 35° och 45°S inklusive Itata, Arauco, Toltén och Valdivia-utlöpare (från 36° till 40°S) samt Chiloé- och Coyhaique-utlöpare (från 43° till 45°S) (figur 1).
Central- och Sydchile (34°-46°S) avgränsas norrut av Juan Fernandez-ryggen och söderut av Chile-höjningen. Juan Fernandez-ryggen kännetecknas av ett pampiskt platt skivsegment, som uppvisar en avsaknad av vulkanism och förlandshöjning (Sierras Pampeanas) Andarnas högsta berg, t.ex. Aconcagua-massivet (6989 m). Söder om Pampas plattskivasegmentet kännetecknas Andesmarginalen av normal subduktion (30° lutning) som sträcker sig från 34° till 46° S fram till den tredubbla korsningen i Chile. Konvergensen mellan Nazca-plattan och den sydamerikanska plattan sker med en genomsnittlig hastighet av 6,4 cm/år. I detta område (från 34° till 45° S) kännetecknas hela marginalen av en sned konvergensvektor (N78° E) och når en ortogonal riktning i det australiska segmentet.
Den kontinentala sluttningen består av en nedre och en övre sluttning. Den nedre sluttningen är förknippad med ackretionsprismat som byggs upp av turbiditer som införlivas från dikesfyllning till den nedre sluttningen som ackreterade sediment , medan den övre sluttningen är förknippad med en stor mängd terrigena sediment från vulkaniska bergarter från Andinska bågar , som avlagrats på en kontinental metamorfisk basement .
Det oceaniska diket är fyllt av sediment med en tjocklek på delvis mer än 2 km och framstår lokalt snarare som en platt slätt än som en batymetrisk sänka . Fyllningen av diket består av turbiditiska och hemipelagiska lager, som uppvisar en viss cyklicitet i sina seismiska reflektionsmönster, vilket tolkas som att de globala klimatcyklerna påverkar sedimenteringen. Den oceaniska basen representerar Nazca-plattan som subducerar under den sydamerikanska plattan och består av pelagiska sediment och oceanisk basalt.
3. Data och seismisk bearbetning
I denna studie analyseras sex seismiska linjer. Fyra av dem (SO161-44, SO161-35, SO161-29 och SO161-40; se figur 1) förvärvades av RV SONNE-kryssningen (januari-februari 2001) som en del av projektet ”Subduction Processes Off Chile (SPOC)”, och de andra två (RC2901-728 och RC2901-734; se figur 1) togs med RV CONRAD-kryssningen (januari-februari 1988) som en del av projektet ”Mid-Ocean Spreading Ridge (Chile Ridge)” inom ramen för Ocean Drilling Program (ODP). För fyra seismiska linjer (RC2901-728, SO161-44, SO161-29 och RC2901-734) användes prestack-seismiska data, medan endast staplade seismiska data finns tillgängliga för de andra två linjerna (SO161-35 och SO161-40). Seismiska data förvärvades under RV SONNE-kryssningen med hjälp av en 3000 m lång 132-kanals digital streamer med 12,5 m mellan de första 24 kanalerna och 25 m mellan de övriga kanalerna. Den seismiska källan var en avstämd grupp av 20 luftkanoner med en total volym på 54,1 l och ett skottintervall på 50 m. Seismiska data som förvärvades under RV CONRAD-kryssningen användes en 3 000 m lång digital streamer, med 240 kanaler och ett intervall på 12 mellan spåren.5 m. Den seismiska källan var en avstämd grupp av 10 luftkanoner med en total volym på 61,3 1, med ett skottintervall på 50 m.
Den seismiska bearbetningen utfördes med hjälp av den öppna källkodsmjukvaran Seismic Unix (SU) . För att få en korrekt seismisk bild utfördes en standardbehandling av de seismiska Prestack-data som följdes av poststack-tidsmigrering (fasförskjutning och Stolt-metoder). För att utvärdera de seismiska egenskaperna hos de staplade sektionerna utfördes en bearbetning med sann amplitud. I varje bearbetningssteg kontrollerades bevarandet av amplitudspektrumet. När det gäller de seismiska linjerna SO161-35 och SO161-40, för vilka endast staplade seismiska data fanns tillgängliga, utfördes en fasförskjutningsmigrering med hjälp av den seismiska vattenhastigheten (1480 m/s).
Det första steget i standardbehandlingen var att konvertera data från SEGY till SU-format. När de konverterats till SU-formatet gjordes en kontroll av den minsta förskjutningen med hjälp av den första ankomsten (direktvåg). Om man antar att den seismiska vattenhastigheten är lika med 1480 m/s (från analysen av den direkta vågen) identifierades en tidsförskjutning på 0,12 s i den seismiska linjen SO161-44. Den korrigerades genom att alla seismiska data försköts med 0,12 s.
Nästa steg var att definiera det geometriska arrangemanget av prestack-data. I den här studien definierades källa-mottagare-koordinaterna godtyckligt utan hänsyn till de geografiska koordinaterna, och förskjutningen och den gemensamma mittpunkten (CMP) beräknades med hjälp av de källa-mottagare-koordinater som tidigare beräknats. När det gäller de seismiska linjerna SO161-44 och SO161-29 beaktades två olika streamers: den första med 24 kanaler med ett avstånd på 12,5 m och den andra med 108 kanaler med ett avstånd på 25 m. Inställningsgeometrin tilldelades separat och integrerades sedan som en enda streamer. CMP-avstånd på 6,25 m (för RC2901-728 och RC2901-734 seismiska linjer) och 12,5 m (för SO161-44 och SO161-29 seismiska linjer) definierades.
För att dämpa brus och korrigera effekterna på amplituden på grund av vågfrontens sfäriska divergens applicerades ett bandpassfilter (15-70 Hz) respektive en förstärkning.
I den seismiska linjen SO161-44 upptäcktes kraftiga störningar som var förknippade med reflektioner utanför plan (sideswipe), troligen på grund av den oregelbundna morfologin. För att dämpa detta brus tillämpades ett dip-filter (lutning på 8-5,5 10-4) i F-K-domänen.
En staplingshastighetsanalys var 100:e CMP (dvs. var 1250:e meter för de seismiska linjerna SO161-44 och SO161-29 och var 625:e meter för de seismiska linjerna RC2901-728 och RC2901-734) utfördes. Följaktligen användes modeller för staplingshastighet för att utföra staplingen . För att få en korrekt seismisk bild utfördes en tidsmigrering efter stapling, vilket innebar att de staplade hastighetsmodellerna omvandlades till intervallhastighetsmodeller. Dessutom utfördes olika tester av poststack tidsmigration (Stolt- och fasförskjutningsmetoder). De bästa resultaten uppnåddes med hjälp av fasförskjutningsmetoden. Slutligen, för att erhålla de slutliga poststack-migrerade sektionerna tillämpades ett bandpassfilter (15-70 Hz), mixningsspår, AGC-förstärkning (800 ms fönster) och muting.
4. Resultat
4.1. RC2901-728
RC2901-728 tidsmigrerade sektion, belägen utanför Itata (36°S), kännetecknas av en regelbunden oceanisk grundtopp, med ett litet antal strukturer i den västligaste delen, medan det på djupet är uppenbart att det finns underhyststrukturer.
Vid basen av den nedre sluttningen kunde man känna igen en antiklinal ramp. Uppåt i sluttningen definierar flera stötningar ett överlappande komplex (ca 15 km brett). Vid cirka 8 s tolkas reflektioner med hög amplitud som en dekolletationsyta (figur 2). Under denna nivå kan en annan reflektor med hög amplitud förknippas med den oceaniska grundytan. En upphöjd sluttningsbassäng bakom en subvertikal karaktäriseras av divergerande och kontinuerliga reflektorer (figur 2). Nedåt och uppåt från sluttningsbäckenet kan kaotiska reflektioner med låg momentan amplitud (se inslaget i figur 2) relateras till slumpavlagringar (CDP 8000 respektive 9500). Från CDP 8000 till 13000 identifierades en stark och kontinuerlig BSR som kan förknippas med förekomst av gashydrater. Från CDP 10500 till 11500 upptäcktes en negativ blomstruktur (figur 2). På djupet förknippades reflektioner med hög amplitud med kontinentalsockeln.
(a)
(b)
(a)
(b)
RC2901-728 seismisk profil. Sektioner med tidsmigrerad tidsmigrerad tid (a) och sektioner med tidsmigrerad tidsmigrerad tid (b) med överlagrad linjedragning. Rutan anger platsen för det momentana snittet som rapporteras i inslaget.
4.2. SO161-44
SO161-44 tidsmigrerade sektion (figur 3) belägen utanför Arauco (nära 38°S) visar olika drag jämfört med föregående sektion. Flera störningar på toppen av den oceaniska basen har upptäckts.
(a)
(b)
(a)
(b)
SO161-44 seismisk profil. Poststack tidsmigrerade (a) och poststack tidsmigrerade (b) sektioner med överlagrade linjedragningssektioner.
I basen av sluttningen påverkar svagt deformerade reflektorer, tryck- och undertryckningar dikesfyllningen. Toppen av en akustiskt halvtransparent nivå (ca 7 s) kan förknippas med en decollementyta.
Den nedre sluttningen är bred ca 15 km och är brantare än sektionen SO161-44. Vid basen av den nedre sluttningen känns lätt deformerade sediment igen, som endast involverar den grundaste bädden av den sedimentära dikesfyllningen (ca 0,8 s tjocklek; figur 3). Dekollementytan och toppen av den oceaniska basen (ca 6 s och 7,5 s) uppvisar pull-up-funktioner (figur 3). Från CDP 5700 till 6600 formar en trycksekvens en brant nedåtgående nedre sluttning. Österut har en normalförskjutning med en förskjutning på cirka 1 s (nära CDP 7000) upptäckts. Här observerades kaotiska reflektioner. Observera att förskjutningen markerar gränsen mellan den nedre sluttningen och den övre sluttningen.
Den övre sluttningen uppvisar en oregelbunden topografi som störs av två huvudförskjutningar (vid CDP 7000 och 8000). Chaotiska reflektioner, som observerats i den grunda och djupa delen, är uppenbara (figur 3). Från CDP 7200 till 7600 (5 km bred) avbildades en nedtryckt zon som kännetecknas av morfologiska höjdpunkter och en grabenstruktur. Några sluttningsbassänger på toppen av sjövänliga tryckkrafter som sträcker sig mot havet kunde urskiljas. Vid cirka 3,2 s identifierades en diskontinuerlig och stark BSR. Reflektioner med hög amplitud vid cirka 4 s kan tolkas som den kontinentala basementtoppen.
4.3. SO161-35
SO161-35 poststack tidsmigrerat snitt, beläget söder om Mocha Island nära 38,5°S visar en oregelbunden oceanisk basementtopp.
Den nedre sluttningen kännetecknas av en oregelbunden topografi, som bryts av en morfologisk hög (ca CDP 9000). Nedanför sluttningen har ett tätt intilliggande tryckparti identifierats, medan uppåt sluttningen två huvudsakliga, vitt utspridda tryckpartier formar ackretionsprismat (figur 4). Vid cirka 7 s och 8 s var reflektioner med hög amplitud och pull-up-funktioner förknippade med toppen av den underplattade sedimentbädden och med den oceaniska grundbädden. Från CDP 9200 till 10 000 upptäcktes en svag och diskontinuerlig BSR (Figur 4). Havsbotten kännetecknas av anomala morfologiska höjder, som kan förknippas med möjliga lervulkaner. Från CDPs 10200 till 11500 kunde två huvudsakliga sluttningsbassänger urskiljas. Observera att dessa bassänger huvudsakligen påverkas av förskjutningen av normala och inversa förkastningar (se figur 4). På den högra sidan av bassängerna har man upptäckt normalförkastningar som bildar ”halvgraben”-strukturer (figur 4). Vid ungefär 5 s kunde reflektioner med hög amplitud förknippade med kontinentalsockelns översta del upptäckas.
(a)
(b)
(a)
(b)
SO161-35 seismisk profil. SO161-40
SO161-40 poststack tidsmigrerade sektion (figur 5), belägen söder om ön Chiloe (43,5°S), kännetecknas av en regelbunden oceanisk grundtopp. Gravsedimenten är påverkade av dragningar och normalförkastningar.
(a)
(b)
(a)
(b)
SO161-40 seismisk profil. Sektioner med tidsmigrerad tidsmigrering (a) och sektioner med tidsmigrerad tidsmigrering (b) med överlagrad linjedragningssektion.
Vid basen av den nedre sluttningen bildar en tryckstruktur en antiklinal ramp. På djupet påverkar kaotiska reflektioner och inaktiva förkastningar den sedimentära sekvensen; här är den underplattade bädden och de oceaniska basementtopparna mindre tydliga, men några reflektioner med hög amplitud kan urskiljas vid 6 s respektive 7 s (figur 5). Från CDP 7800 till 10000 är scarps tydliga och kan associeras med normala förkastningar. På djupet, från CDP 8000 till 9000, kunde man se en stark och kontinuerlig BSR. Observera att BSR uppåt i sluttningen avbryts av aktiva störningar som kan ge upphov till en möjlig blomstruktur (figur 5). Vid cirka 3 s associerades reflektioner med hög amplitud, som påverkats av störningar, till den kontinentala basementtoppen. Uppåt från CDP 9000 till 10000 upptäcktes en morfologisk höjdpunkt och en undervattenskanal (3 km bred) som styrs av normala störningar (figur 5).
5. Diskussioner och slutsatser
Två huvudsakliga ackretionsprocesser kan identifieras längs den chilenska marginalen: den första är relaterad till frontal ackretion och den andra till basal ackretion . Båda processerna, frontal och basal ackretion, kunde kännas igen i alla seismiska sektioner. Särskilt områden som kännetecknas av regelbunden oceanisk grundtopp, morfologiska höjder och tryck över kontinentalsluttningen (RC2901-728, SO161-40 och RC2901-734; figur 6) kan förknippas med frontal ackretion, medan områden som kännetecknas av oregelbunden oceanisk grundtopp, avsaknad av morfologiska höjder och bredare och branta kontinentalsluttningar kan förknippas med basal ackretion. Dessutom kan man beskriva sambanden mellan tjockleken på den underplattade sedimentbädden och morfologin hos den lägre sluttningen. Tjockare underplattade sedimentlager bidrar således till bildandet av brantare sluttningar, medan tunnare underplattade sedimentlager bidrar till bildandet av ojämnare sluttningar. I sektionerna RC2901-728 och SO161-40 stämmer en tunn underplated sedimentbädd (0,5 s) överens med en grövre sluttning, medan en tjockare underplated sedimentbädd (1,2 s) i sektionerna SO161-44 och SO161-35 (figur 6(b)) visar på en brantare och jämnare sluttning. På detta sätt kan en större mängd underplattade sediment avgöra bildandet av duplexer under det ackretionära prismat som påverkar ackreterade sediment och höjer det inre prismat, vilket framgår av sektionerna SO161-44, SO161-35 och SO161-29. Det verkar som om det avskalade materialet ger utrymme för rörelser längs dragningarna under upplyftningen som genererar subhorisontella dragningar. Lateral och vertikal tillväxt av ackretionsprismor i samband med basal ackretion har rapporterats av flera författare på olika kontinentala marginaler (dvs. 8, 22, 23, 24 och 25). I områden där det finns en tunnare underplated sedimentbädd visar ackretionsprismat däremot dragningar med stor förskjutning, som är relaterade till en episodisk frontal ackretion . I detta fall spelar det underplattade materialet en mindre roll inflytande. På så sätt kommer utvecklingen för dessa prismor att likna de prismor som visats i de tidigare analyserade avsnitten.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
(a) Vänster: RC2901-728 linjedragningsprofil. Till höger: frontal ackretionsdiagram. (b) Vänster: SO161-44, SO161-35 och SO161-29 linjedragningsprofiler. Höger: basalt ackretionsdiagram. (c) Vänster: SO161-40 och RC2901-734 linjedragningsprofiler. Höger: frontal ackretionsdiagram.
BSR som observeras på seismiska sektioner betraktas ofta som indikatorer på förekomsten av fri gas och avgränsar basen av stabilitetszonen för gashydrater. Söderut från Juan Fernandez-ryggen har BSR konstaterats på det inre prismat i alla sektioner. I den nordligaste delen (RC2901-728, SO161-40) och den sydligaste delen (SO161-40 och RC2901-734) är BSR stark och kontinuerlig (figur 6(a) och 6(b)), medan BSR i den centrala delen (SO161-44, SO161-35 och SO161-29) var svag och diskontinuerlig (figur 6(b)). Man kan alltså observera samband mellan BSR-egenskaperna och ackretionsprocesserna; i synnerhet är BSR stark och kontinuerlig i överensstämmelse med de frontala ackretionsprocesserna, medan den är svag och diskontinuerlig i närvaro av de basala ackretionsprocesserna. Under frontal ackretion verkar tektoniska rörelser påverka det frontala prismat, men inte det inre prismat, vilket gynnar vätskeackumulationen och följaktligen bildandet av starka och kontinuerliga BSR (se figurerna 6(a) och 6(c) till höger). Samtidigt genererar upphöjningen genom basal ackretion extensionella tektoniska rörelser på det inre prismat, vilket kan gynna vätskeflykt (se höger i figur 6(b)) och därmed temperaturförändringar. Djupet av stabilitetszonen för gashydrat varierar kraftigt längs den seismiska linjen och följaktligen försvinner eller försvagas BSR. En lägre geotermisk gradient (30 °C/km) i den norra sektorn (sektion SO161-44) stämmer dessutom överens med en äldre oceanisk skorpa (35 Ma), där man kan förvänta sig en minskad vätskecirkulation. I den södra sektorn (sektion RC2901-734) är den geotermiska gradienten högre och varierande (50-95 °C/km) och stämmer överens med en yngre oceanisk skorpa (15 Ma), där man kan förvänta sig en ökad vätskecirkulation. Observera att BSR-egenskaperna kan förklaras med hänsyn till flera faktorer. Det är således möjligt att associera en svag och diskontinuerlig BSR främst till en minskad cirkulation och en aktiv tektonik. I den nordligaste delen (Itata offshore) är en stark och kontinuerlig BSR dock inte förenlig med en äldre oceanisk skorpa. Även om man förväntar sig en minskad cirkulation från den oceaniska skorpan kan stabila tektoniska förhållanden och biogena metankällor förklara den starkaste och kontinuerliga BSR i detta område. I Itata utanför kusten kan man utifrån batymetriska data faktiskt känna igen en jämnare kontinentalsluttning som kan relateras till en stabil tektonisk regim, medan söderut (Arauco och Valdivia utanför kusten) en oregelbunden kontinentalsluttning som kännetecknas av undervattenscanyoner, erosionsområden och strukturella linjament kan relateras till en instabil tektonisk regim.