Integrating structural and sedimentological observations with numerical lithospheric models to assess the 3D evolution of the South African continental passive margin

Abstract

Although the development of passive margins has been extensively studied over decades, significant questions remain on how mantle and crustal dynamics interact to generate the observed margin geometries. Here, the Orange Basin, located on the south-west African continental margin is investigated. The basin fill is considered to comprise a classic rift-drift passive margin sequence recording the break-up of Gondwana and subsequent opening of the South Atlantic Ocean. Based on interpreted seismic reflection data, a 3D geological model was first constructed. Subsequently, an isostatic calculation was applied to this geological model to determine the position of the Moho. Isostatic sensitivity tests were applied to the model, and their gravity response was validated. The best-fit model requires dense material in the lower crust and an abrupt change to less dense material near the coast to reproduce the observed gravity field. The Springbok profile offshore western South Africa is a combined transect of reflection and refraction seismic data. This thesis addresses the analysis of the seismic velocity structure in combination with gravity modelling and isostatic modelling to unravel the crustal structure of the passive continental margin. The velocity modelling revealed a segmentation of the margin into three distinct parts of continental, transitional and oceanic crust. As observed at many volcanic margins, the lower crust is characterised by a zone of high velocities with up to 7.4 km/s. The conjunction with gravity modelling affirms the existence of this body and at the same time substantiated its high densities, found to be 3100 kg/m³. Yet, the gravity modelling predicted the transition between the high-density body towards less dense material farther west than initially anticipated from velocity modelling and confirmed this density gradient to be a prerequisite to reproduce the observed gravity signal. Finally, isostatic modelling was applied to predict average crustal densities if the margin was isostatically balanced. The results imply isostatic equilibrium over large parts of the profile. The calculated load distribution along the profile implies that all pressures are hydrostatic beneath a depth of 45 km. Furthermore, results of a combined approach using subsidence analysis and basin history inversion models are presented. The outcome shows that a classical uniform stretching model does not account for the observed tectonic subsidence. It is found that the thermal and subsidence implications of underplating need to be considered. Departures from the uniform stretching model are necessary to reproduce the observed phases of erosion and the present-day depth of the basin. The dimension of these events has been examined and quantified in terms of tectonic uplift and sub-crustal stretching. Based on these forward models the heat flow evolution is predicted not only for the available real wells but also for virtual wells over the entire study area. Finally, the hydrocarbon potential and the temperature evolution is presented and shown in combination with inferred maturation of the sediments for depth intervals which comprise potential source rocks.

Die Entwicklung passiver Kontinentalränder stand in den letzten Jahrzehnten im Focus zahlreicher wissenschaftlicher Untersuchungen. Jedoch liegen über die Wechselwirkung zwischen Kruste und Mantel, welche die Struktur der Kontinentalränder kontrolliert und wie wir sie heute vorfinden, keine ausreichenden Kenntnisse vor. Die vorliegende Arbeit untersucht das Orange Becken vor Südafrika. Es wird angenommen, dass das Becken eine klassische Rift-Drift Sequenzabfolge eines passiven Kontinentalrandes enthält. Basierend auf der Interpretation seismischer Daten wurde ein geologisches 3D-Modell konstruiert. Dieses Modell wurde für isostatische Berechnungen genutzt, um die Tiefenlage der Moho zu berechnen. Sensitivitätstests wurden durchgeführt, welche wiederum die Grundlage für gravimetrische Berechnungen der unterschiedlichen Krustenkonfigurationen lieferten. Das Modell, welches das gemessene Schwerefeld am besten reproduziert, enthält dichtes, vermutlich mafisches Material in der unteren Kruste. Das Profil Springbok ist ein kombiniertes Profil aus reflektionsseismischen und refraktionsseismischen Messungen. Die vorliegende Arbeit untersucht die seismische Geschwindigkeitsstruktur in Kombination mit gravimetrischen und isostatischen Modellierungen, um die tiefere Krustenstruktur des Kontinentalrandes aus unterschiedlichen Blickwinkeln zu beleuchten. Das berechnete Geschwindigkeitsmodell erlaubt eine Segmentierung des Kontinentalrandes in kontinentale, Übergangs- und ozeanische Kruste. Durch die Verbindung der Ergebnisse mit einem gravimetrischen Modell kann die Existenz und die hohe Dichte des Körpers von 3100 kg/m³ bestätigt werden. Jedoch wurde durch das gravimetrische Modell vorhergesagt, dass sich der Übergangsbereich zwischen dichtem Unterkrustenkörper und leichterem Material weiter westlich befindet, als durch das Geschwindigkeitsmodell vorhergesagt. Weiterhin sagt das gravimetrische Modell aus, dass ohne die Anwesenheit dieses dichten Körpers in der unteren Kruste das gemessene Schwerefeld nicht reproduziert werden kann. Mit Hilfe eines isostatischen Modells wurde die mittlere Krustendichte für den Fall des isostatischen Gleichgewichts berechnet, welches auf isostatisches Gleichgewicht schließen lässt. Des Weiteren werden die Ergebnisse eines kombinierten Ansatzes präsentiert, der aus Subsidenzanalysen und Modellen, welche die Beckengeschichte invertieren, besteht. Die Ergebnisse zeigen, dass ein klassisches uniformes Rift-Modell nicht in der Lage ist, die heute beobachtete tektonische Subsidenz zu reproduzieren. Darüber hinaus kann festgestellt werden, dass die Implikationen einer dichten Unterkruste auf die Subsidenz und die thermische Entwicklung des Beckens nicht vernachlässigt werden kann. Eine weitere Abweichung von dem klassischen uniformen Rift-Modell stellt eine nochmalige Dehnung der subkrustalen Bereiche und damit verbunden eine Hebung des Kontinentalrandes im Känozoikum dar. Diese Abweichung ist notwendig, um beobachtete Erosionsereignisse und die heutige Beckentiefe zu reproduzieren. Die Intensität dieser Ereignisse ist bezüglich reiner tektonischer Hebung und subkrustaler Dehnung untersucht und quantifiziert worden. Basierend auf diesen Vorwärtsmodellen wird die Entwicklung des Wärmeflusses, nicht nur für die verfügbaren Bohrungen, sondern auch für synthetische Bohrungen, welche das gesamte Arbeitsgebiet abdecken, vorhergesagt.