Gravity data analysis and interdisciplinary 3D modelling of a convergent plate margin (Chile, 36-42°S)

Abstract

This thesis was conducted as part of the research program Sonderforschungsbereich 267 (SFB 267) "Deformation Processes in the Andes". Over the last 12 years, the SFB 267 has focused on understanding of subduction-related processes. The Andean mountain belt is an orogen related to the subduction of the oceanic Nazca Plate below the western margin of the continental South American Plate. The Andes are characterized by significant variations in topography, crustal structure and deformation along the convergent margin. The southern working area of the SFB 267 (36-42°S) differers significantly from the previously studied, broad and high Central Andes at 20-25°S. The gravity data used for the modelling were measured during the past 30 years by several South American institutions. Part of the data used were measured and compiled by the gravity group of the SFB 267 (MIGRA 2000-2002 campaigns, subprojects C6 and F4). The analysis of the database, done in the framework of this thesis, revealed some serious problems among the compiled data. Due to these problems and a lack of information about the data, a resurvey of selected profiles was performed in 2002. After remeasurements, 500 erroneous stations were identified and excluded from the dataset and a reprocessed database for the study area was introduced. This database was then used to construct a 3D density model using the forward modelling technique. Within the gravity field, three forearc-arc segments have been identified. These segments are also evident in geology and are characterized by variations of the Bouguer gravity anomaly, especially along the coast. The northern segment at 36-39°S is characterized by a pronounced gravity high of 60-80×10-5m/s2. The middle segment at 39-40°S is characterized by a low gravity in the forearc (0×10-5m/s2 ) and the southernmost segment at 40-42°S is characterized by a forearc gravity high of 60×10-5m/s2 with a longitudinal offset compared to the northern segment. The density model is constrained by the seismic data in the northern segment at 36-39°S, whereas the results from the remaining segments are based only on geology and gravity data interpretation. The values of P-wave velocity from the four seismic profiles available in the study were converted into densities, which were then used during modelling. Also, two other approaches were used that allow calculating of P-wave velocity and density values of given rocks, based on their composition. The density determination was supplemented by direct density measurements of chosen samples representing the forearc region of the study area. Based on the results of the forward modelling, the variation within the gravity field along the margin is dominantly caused by regional features, such as the position of the subducting Nazca plate, as well as structures of the overlying continental plate. The structure of the oceanic plate (its position and density) appears to be crucial for the gravity field and hence, various tests were performed in order to show its influence and thus significance for the density modelling.

Die vorliegende Dissertation wurde im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 267 (SFB 267) "Deformationsprozesse in den Anden" durchgeführt. Seit 12 Jahren werden in diesem Schwerpunktprogramm subduktionsbezogene Prozesse und die Gebirgsbildung am aktiven Kontinentalrand Südamerikas in interdisziplinärer Weise untersucht und modelliert. Die Anden zeichnen sich durch starke laterale Variationen und strukturell-dynamische Segmentierung entlang des Kontinentalrandes aus. Es ist das Ziel dieser Arbeit, ein 3-dimensionales Dichtemodell für das südliche SFB-Untersuchungsgebiet zu erstellen und an Hand der übrigen Informationen und Daten zu interpretieren. Die Schweredaten, die hierbei verwendet wurden, sind über die letzten 30 Jahre von verschiedenen südamerikanischen Institutionen und der Arbeitsgruppe Gravimetrie im Rahmen des SFB 267 gemessen und kompiliert worden (MIGRA-Kampagnen 2000 und 2002 der SFB-Teilprojekte C6 und F4). Während der für diese Arbeit durchgeführten Analyse der gravimetrischen Datenbasis traten bei der Zusammenführung der Datensätze erhebliche Schwierigkeiten in Form von inkompatiblen Schwerewerten und offensichtlichen Mess- und Auswertefehlern auf. Hinzu kommt, dass keinerlei Metadaten für ein Re-Prozessing zur Verfügung standen. Aus diesen Gründen erfolgte 2002 entlang ausgewählter Profile eine Neuaufnahme von Schweredaten. Anhand dieser Messungen konnten 500 fehlerhafte Stationen identifiziert und der Datensatz homogenisiert werden. Dieser verbesserte Datensatz wurde als Grundlage für die Berechnungen des 3D-Dichtemodells mit Hilfe der Vorwärtsmodellierung verwendet. Bereits bei der numerischen Analyse der Schwereanomalien (Filtern, Feldfortsetzung, Felderseparation, Curvature, etc.) wurden drei Segmente identifiziert. Diese Segmente zeichnen sich besonders in Bereich der Küstenregion auch in den geologischen Strukturen und in Variationen der Bouguerschwere ab. Der nördliche Teil des Untersuchungsgebiets 36-39°S ist durch ein ausgeprägtes Schwerehoch von 60-80×10-5m/s2 im Forearc charakterisiert. Im Unterschied zum Rest des Arbeitsgebietes zeichnet sich das mittlere Segment zwischen 39-40°S durch ein verhältnismässig ausgeprägtes Schweretief im Forearc-Bereich (0×10-5m/s2) und der südlichste Teil des Untersuchungsgebiets 40-42°S ist durch ein Schwerehoch von 60×10-5m/s2 im Forearc-Bereich gekennzeichnet, das im Vergleich mit dem nördlichen Abschnitt eine Verschiebung nach Osten aufweist. Das 3D- Dichtemodell wird im nördlichen Segment durch Messungen anderer geophysikalischer Methoden gut gestützt, die beiden übrigen Segmente basieren allein auf der Interpretation von geologischen Befunden und Schweredaten. Die Werte der abgeleiteten P-Wellengeschwindigkeiten wurden in Dichten ürberführt und im Modell verarbeitet. Eigene Dichtemessungen an diversen Gesteinsproben vervollständigen die Dichteinformationen für die Modellierungen. Auf Grund der durchgeführten Dichtemodellrechnungen konnten die Variationen im Schwerefeld am Kontinentalrand erklärt werden. Dies trifft insbesondere auf regionale bzw. lokale Besonderheiten des Modellgebietes zu, wie z.B. die Tiefenlage und der Abtauchwinkel der subduzierten Nazca-Platte bzw. die Struktur und Dichte der darüber liegenden Kontinentalplatte. Der geometrische und kompositionelle Aufbau der ozeanischen Platte haben einen signifikanten Einfluss auf das gemessene Schwerefeld und aus diesem Grunde wurden verschiedene Tests zu alternativen Modellvarianten durchgeführt, um den dominierenden Einfluss der ozeanische Platte auf das Schwerefeld zu demonstrieren und diskutieren.