Distortion Analysis and 3-D Modeling of Magnetotelluric Data in the Southern Central Andes

Abstract

This thesis describes a distortion analysis and modeling of magnetotelluric (MT) and deep geomagnetic sounding (GDS) data of the Southern Central Andes. The data was collected during several field campaigns between 1995 and 1999, within the framework of the German Collaborative Research Programme SFB267 ''Deformation Processes in the Andes''. The measurements were carried out in the forearc and magmatic arc regions of the subduction zone, covering an area about 200 km long (W-E) and 60 km wide (N-S).

Three dimensional (3-D) electrical conductivity models of the crust are required to explain the data measured, which are found to be strongly affected by current channeling and magnetic distortion effects, manifested in impedance phases above 90°. Understanding the source of the distortion has been possible by applying to the MT data a method of current channelling analysis developed in this thesis, based on the boundary conditions that the electric field fulfils at a conductivity contrast. This analysis allows a qualitative recognition of the main 3-D high conductivity anomalies, thus serving as a priori information for the construction of the 3-D forward models.

The method developed here for recognizing current channeling and hence the existence of elongated conductors in the crust has been seen useful to apply in shear zones, especially when the strike of the faults is different from that of a regional conductivity structure.

Two mega-fault systems oriented sub-parallel to the coast line (~N-S), composed of strike slip faults associated with the oblique subduction of the Nazca plate underneath the South American plate, are identified as highly conductive zones. Salinary and/or ore fluids circulating in the fractures of a brittle crust is a plausible explanation for the conductivity enhancement detected in the Atacama and Precordillera fault system, given also the low geotherms (<300°C), the low seismic attenuations and the evidence of crustal seismicity.

The clearly higher conductivity values to the north of latitude 21°S than to the south at depths of 10-30 km beneath the Precordillera fault system are suggested as being due to a distinct concentration of fluids which are produced by metamorphic reactions that may have evolved under different P-T conditions from north to south, considering the different age of volcanic activity known at these latitudes (21°S). An additional explanation is that in the north, where magmatism is older (>25 Ma) than in the south (<10 Ma), the crust might be more fractured due to a cooler and more brittle regime than in the south, allowing the fluids to be better interconnected and hence the electrical conductivity to be enhanced.

In the Altiplano high-plateau a high conductivity zone (HCZ; <2 Wm) is encountered below 20 km depth extending to the west to the beginning of the Western Cordillera (the Recent magmatic arc), and is interpreted as partial melting. The HCZ strikes NNW-SSE, similar to the bending of the volcanic arc.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Verzerrungsanalyse und Modellierung magnetotellurischer (MT) und geomagnetischer Tiefensondierungsdaten (GDS) aus den Südlichen Zentralen Anden. Die Messkampagnen zur Erhebung der Daten wurden in den Jahren 1995 bis 1999 im Rahmen des Sonderforschungsbereiches SFB 267 "Deformationsprozesse in den Anden" durchgeführt. Das Messgebiet erstreckt sich über den Forearc-Bereich und den magmatischen Bogen der Andinen Subduktionszone und bedeckt dabei eine Fläche von ca. 200 km Länge (W-E) und 60 km Breite (N-S).

Aufgrund von Impedanzphasen über 90°, die auf das Kanalisieren von Strömen ("current channeling") und magnetische Verzerrungseffekte schließen lassen, sind dreidimensionale (3-D) elektrische Leitfähigkeitsmodelle notwendig, um die gemessenen Daten erklären zu können. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode der "current-channeling-Analyse" basiert auf den Eigenschaften (Randbedingungen) des elektrischen Feldes an Leitfähigkeitskontrasten. Durch ihre Anwendung auf die MT-Daten trägt sie zum Verständnis der Ursachen (Quellen) der Verzerrung bei. Sie ermöglicht die qualitative Erkennung von 3-D Leitfähigkeitsanomalien und liefert somit a priori Informationen zur Erstellung des 3-D Models.

Die hier entwickelte Methode zur Erkennung von current channeling und der damit verbundenen Existenz von langen Leitern in der Kruste erweist sich als geeignet für Bereiche mit Scherzonen, insbesondere bei unterschiedlicher Streichrichtung von Störung und regionaler Leitfähigkeitsstruktur.

Zwei große Störungssysteme werden als hochleitfähige Zonen identifiziert. Sie verlaufen nahezu parallel (~N-S) zur Küstenlinie und setzen sich aus Blattverschiebungen zusammen, die in Verbindung mit der schrägen Subduktion der Nazca-Platte unter die Südamerikanische Platte stehen. Salz- bzw. mineralhaltige Fluide, die in den Störungsflächen der spröden Kruste zirkulieren, sind eine mögliche Erklärung für die erhöhte Leitfähigkeit in den Atacama- und Präkordilleren-Störungssystemen. Sie wird desweiteren belegt durch niedrige Temperaturen (<300°C), eine geringe seismische Dämpfung und die Existenz krustaler Seismizität in diesem Gebiet.

Die deutlich höheren Leitfähigkeitswerte nördlich von 21 südlicher Breite, in 10 bis 30 km Tiefe unterhalb des Präkordilleren-Störungssystems lassen auf eine Veränderung der Fluidkonzentration von Süd nach Nord schließen. Da das Alter des Vulkanismus von Süd (< 10 Ma) nach Nord (> 20 Ma) zunimmt, könnten die P-T Bedingungen unterschiedlich gewesen sein, unter denen Fluide durch metamorphe Reaktionen freigesetzt worden sein könnten. Eine weitere Erklärung des krustalen NS-Leitfähigkeitsgradienten wäre die Annahme, dass die Kruste nördlich von 21°S aufgrund des älteren Vulkanismus kühler und damit spröder und stärker zerklüftet ist, so dass Fluidbahnen besser verbunden sind und somit die elektrisch Leitfähigkeit erhöht wird.

Eine Zone erhöhter Leitfähigkeit (HCZ; < 2 Wm) unterhalb der Altiplano- Hochebene in einer Tiefe von 20 km, die sich bis zur Westkordillere (rezenter magmatischer Bogen) erstreckt, deutet wahrscheinlich auf partielle Schmelzen hin. Sie verläuft ähnlich zum magmatischen Bogen in NNW-SSE Richtung.