Imaging the Chilean continental margin using seismic wide-angle data

Abstract

Wide-angle experiments represent one of the most common methods to study deep structures of the lithosphere in different tectonic settings. The principal benefit of these methods is the recording of strong amplitude signals reflected at larger incidence angles, originating not only from first order discontinuities, but also from higher discontinuities located in zones with small velocity contrast. Since 1993, in the frame of the Collaborative Research Center (SFB 267) “Deformation Processes in the Andes”, several active and passive seismic projects have been conducted along the Chilean continental margin with the aim to understand the subduction orogeny of the Andes and related surface processes. Between 19°S and 26°S the CINCA-95 project combined off-onshore seismic measurements including wide-angle and near- verticalreflection (NVR) data to investigate the evolution and structure of the erosive convergent margin. In southern Chile, between 36°S and 40°S, active seismic experiments during the SPOC-2001 project were carried out to compile data of the seismogenic plate interface and to study the geometry of the accretive convergent margin. In both projects the wide-angle experiments were performed using marine, amphibious as well as onshore layouts, covering a total area that extends from west of the trench to the recent volcanic arcs. The Kirchhoff prestack depth migration (KPSDM) is a robust algorithm that has provided successful results in the imaging of the Chilean convergent margin. Until now, only KPSDM has been applied to near-vertical-reflection (NVR) data on the region. We present the application of KPSDM to the CINCA and SPOC wide- angle datasets, with the aim to obtain new images of the seismogenic coupling zone in northern and southern Chile. In order to reduce the generation of artifacts during the migration process, the seismic data were pre-processed using a flow designed to attenuate the background noise originated by heterogeneities in the subsurface and the reverberations generated by the air- gun source. The velocity models used for migration were derived from interpretation and inversion of the most prominent arrivals interpreted on the record sections. The KPSDM of the CINCA wide-angle data imaged major features below the forearc region of the erosive continental margin in northern Chile. The migration results show the oceanic Moho as a strong dipping reflector at 25-32 km depth. The crystalline upper crust is imaged by a series of horizontal reflectors visualized in the amphibious and onshore data between 10-20 km depth, which reveals layering in a region composed mainly by remnants of the Paleozoic continental crust and the volcanic and granitoid rocks of the ancient Jurassic magmatic arc. Additionally, an east dipping reflector occurring above of the low velocity zone has been interpreted as the top of the subduction channel. A possible location of the continental Moho or downward continuation of the subduction channel below the Coastal Cordillera is indicated by a sharp east dipping reflector observed at 47-55 km depth in the migrated section of the onshore data. Fresnel Volume Migration (FVM), a novel extension of KPSDM, was applied to the data in northern Chile providing successful results with an improved resolution and signal to noise ratio. Reflection Image Spectroscopy (RIS) was applied by imaging the data in three narrow frequency bands in order to characterize the medium in terms of scattering concentration. Additional structural details were revealed and the occurrence of those imaged in the full frequency section was confirmed. Also, the prestack depth migration of narrower offset ranges provided results that support the structures imaged in the full offset section. In southern Chile the oceanic Moho has been imaged from the trench area at 13-14 km depth down to 42-49 km depth under the Coastal Cordillera. The migration of the amphibious data images structures in the upper continental crust beneath the offshore forearc. The reflectors observed on the migrated section may be associated to changes in the acoustic impedance caused by the intercalation of the basally accreted rocks of the Western Series, characterizing the upper continental plate as strongly segmented. The KPSDM results are compared with results of other geophysical methods applied in the region including gravimetry, magnetotellurics, hypocentre locations, heat-flow density and temperature distribution, seismic tomography, Vp/Vs ratios in order to describe the observed structures from a tectonic and geological point of view. Further, two geological models are proposed for the off-onshore forearc area of the erosive and accretive convergent margins, based on the results of previous investigations and those obtained in this study. In summary, the prestack depth migrated sections derived in the present study provide a first insight into the structural architecture of the Chilean seismogenic coupling zone which has not been imaged before.

Weitwinkel-Experimente stellen eine der häufigsten Methoden dar, um Tiefenstrukturen der Lithosphäre in verschiedenen tektonischen Umgebungen zu studieren. Der Hauptvorteil dieser Methode ist die Erfassung starker Amplituden, die unter großen Einfallswinkeln reflektiert wurden, resultierend nicht nur aus den Diskontinuitäten erster Ordnung, sondern auch aus wichtigen Diskontinuitäten in Regionen mit geringem Geschwindigkeitskontrast. Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB 267) "Deformation in den Anden" wurden seit 1993 mehrere aktive und passive seismische Projekte entlang des chilenischen Kontinentalrandes durchgeführt mit dem Ziel, die Gebirgsbildung der Anden und ihre Oberflächen-Prozesse zu verstehen. Zwischen 19°S und 26°S kombiniert das CINCA-95-Projekt Off- bzw. Onshoreseismische Messungen inklusive Weitwinkel- und Steilwinkelreflexions-Daten (NVR), um die Entwicklung und Struktur des erosiven konvergenten Kontinentalrandes zu untersuchen. Im südlichen Chile wurden zwischen 36 °S und 40 °S aktive seismische Experimente während des SPOC-2001-Projektes durchgeführt, um Daten aus der Schnittstelle seismogener Platten zusammenzustellen und um die Geometrie des akretionären konvergenten Kontinentalrandes zu untersuchen. In beiden Projekten wurden marine, amphibische und Land Meßanordnungen verwendet, welche eine Fläche abdecken, die sich vom Westen des Trenches bis zu den modernen vulkanischen Bögen erstreckt. Kirchhoff-Pre-Stack-Tiefen-Migration (KPSDM) ist ein robuster Algorithmus, mit dem erfolgreiche Ergebnisse bei der Abbildung des chilenischen konvergenten Kontinentalrandes erzielt wurden. Bis jetzt ist die Methode nur auf die Steilwinkelreflexionsdaten (NVR) in der Region angewandt worden. Wir wenden die KPSDM auf die Cinca- und SPOC-Weitwinkel-Datensätze an mit dem Ziel, neue Bilder von den seismogenen Kopplungszonen im nördlichen und südlichen Chile zu erhalten. Um die Erzeugung von Artefakten während der Migration zu verringern, wurden die seismischen Daten preprozessiert, um Stürsignale aufgrund von Heterogenitäten im Untergrund sowie die Reverberation der airgunsschüsse abzuschwächen. Die für die Migration verwendeten Geschwindigkeis-Modelle, wurden aus der Inversion der Ankunftszeiten der markantesten Ereignisse abgeleitet. Die KPSDM der CINCA-Weitwinkel-Daten bildete die wichtigsten Strukturen unterhalb der Forearc Region des erosiven Kontinentalrandes im Norden Chiles ab. Die Migrations-Ergebnisse zeigen die ozeanische Moho als starken und geneigten Reflektor in 25-32 km Tiefe. Die kristalline Oberkruste ist durch eine Reihe von horizontalen Reflektoren in den amphibischen und Onshore-Daten zwischen 10-20 km Tiefe abgebildet. Die Interpretation dieses Ergebnisses ist, daß die Obere Kruste aus einer Schichtung der paläozoischen Gesteine und vulkanischer Gesteine und Granitoide des alten jurassischen magmatischen Bogens besteht. Ein zusätzlich auftretender, nach Osten geneigter Reflektor oberhalb der Zone niedriger Geschwindigkeiten (LVZ) kann als die Oberkante des Subduktionskanals interpretiert werden. Ein stark nach Osten geneigter Reflektor bei 47-55 km Tiefe in der Migrationssektion der Onshore Daten bildet möglicherweise die Lage der kontinentalen Moho oder die Fortsetzung des Subduktionskanals unter die Küsten-Kordillere ab. Die Anwendung der Fresnel Volume Migration (FVM), eine Erweiterung der KPSDM, auf die Daten aus dem südlichen Chile produziert erfolgreiche Ergebnisse, die eine bessere Auflösung and ein höheres Signal- Rausch-Verhältnis zeigen. Bei der so genannten Reflection Image Spectroscopy (RIS) wurde die Daten in drei schmale Frequenzbänder unterteilt. Diese wurden dann separat tiefenmigriert, um das Medium hinsichtlich der Konzentration der Streuer zu charakterisieren. Es wurden zusätzliche strukturelle Details ermittelt und die Reflexionen, die schon im gesamten Freuquenzbereich auftraten, wurden bestätigt. Außerdem bestätigte die Pre-Stack Tiefen- Migration schmaler Offset Bereiche die Abbildung der Strukturen in der gesamten Offset-Sektion. In Süd-Chile wurde die ozeanische Moho vom Tiefseegraben bei 13-14 km Tiefe bis hin zu 42-49 km Tiefe unter die Küsten- Kordillere abgebildet. Die Migration der amphibischen Daten bildete Strukturen in der oberen Kontinentalkruste unterhalb des Offshore Forearcs ab. Die bei der migrierten Sektion beobachteten Reflektoren können mit den Änderungen der akustischen Impedanz associert werden, die durch die Schichtung der Gesteine der Western Series verursacht sind, die die obere Kontinentalplatte als stark segmentiert charakterisieren. Die KPSDM Ergebnisse werden mit Ergebnissen anderer in der Region angewandter geophysikalischer Methoden wie Gravimetrie, Magnetoltellurik, Erdbebenlokalisierung, Wärmeflußdichte und Temperaturverteilung, seismische Tomographie und Vp / Vs Verhältnis verglichen, um die beobachteten Strukturen aus dem tektonischen oder geologischen Blickwinkel zu beschreiben. Desweiteren werden zwei geologische Modelle für das Off- und Onshore Forearc-Gebiet des erosiven und akretionären Kontinentalrandes vorgeschlagen. Diese Modelle basieren auf Ergebnissen früherer Untersuchungen und Ergebnissen dieser Arbeit. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die Pre-Stack tiefenmigriertesektionen, die in der gegenwärtigen Arbeit abgeleitet wurden, eine erste Einsicht in die strukturelle Architektur der chilenischen seismogenen Kopplungszone liefern, die bisher noch nicht abgebildet wurde.