Magnetotelluric study of the Mérida Andes and surrounding basins, Venezuela

Abstract

The Caribbean and South American tectonic plates bound the north-eastwards expulsion of the North Andean Block in western Venezuela. This complicated geodynamic setting resulted in the formation of major strike-slip fault systems and sizeable mountain chains. The 100 km wide Mérida Andes extend from the Colombian/Venezuelan border to the Coastal Cordillera. To the north and south, the Mérida Andes are bound by hydrocarbon-rich sedimentary basins. Knowledge of lithospheric structures, related to the formation of the Mérida Andes, is limited though, due to a lack of deep geophysical data.

This thesis presents the results of the first broadband magnetotelluric profile crossing the Mérida Andes and the Maracaibo and Barinas-Apure foreland basins spanning a distance of 240 km. The MT dataset consists of 72 stations installed during March and April 2015 with a minimum recording period of 3 days per station. Geoelectrical strike and dimensionality analyses are consistent with one- or two- dimensional subsurface structures for the sedimentary basins yet also indicate a strong three- dimensional setting for the Mérida Andes. Even more significantly, these analyses showed the presence of off-profile features that influenced the data considerably, particularly at long periods. Therefore, a combination of 2D and 3D modelling was necessary for analysing the geoelectrical structures associated with this dataset.

Off-profile structures can significantly affect the outcome of a 2D inversion. Thus, the systematic examination of the influence of 3D structures on 2D inversions was necessary to support the obtained result. Synthetic data sets derived from 3D modelling allowed identification and quantification of spurious off-profile features as well as smoothing artefacts due to limited areal station coverage of data collected along a profile. In general, structures in the 2D inversion are affected by the projection and rotation of the data resulting in sub-horizontal anomalies to reproduce the oblique extent of the fault systems and sedimentary basins.

Moreover, a profile distributed dataset can limit the lateral resolution of a 3D inversion considerably. Hence, the effect of data distribution on a 3D inversion was carefully studied to determine the areas of the models that can be confidently explained by the data. To this end, several synthetic datasets were derived from 3D models with varying levels of complexity. The analysis of the synthetic datasets allows determination of the lateral resolution of the 3D models and identification of spurious shallow and deep features considered artefacts related to off-profile features.

Furthermore, the inversion of synthetic models provided support to the geological interpretation of the recovered anomalies for the 2D and 3D modelling.

The 2D and 3D inversion models were similar above the sedimentary basins and showed marked differences above the Mérida Andes, due to the 3D nature of this section. The inversion models show electrically conductive basins with depths of 2 to 5 km for the Barinas-Apure and 2 to 9 km for the Maracaibo basins. Many resistive bodies within the Maracaibo basin could be related to active deformation causing juxtaposition of older geological formations and younger basin sediments. A conductive zone under the Maracaibo Basin correlates spatially with the location of a Bouguer anomaly low and seem to describe the SE tilt of the Maracaibo Triangular Block under the Mérida Andes. This conductive zone is limited towards the mountain by the north-western thrust system, whose fault plane may function as a detachment surface reaching depth larger than 30 km in the 3D inversion models.

The most prominent fault systems of the area, the Boconó and Valera Faults, cross-cut the Mérida Andes in NE-SW direction along its strike with a length 400 km and N-S direction at its centre with a length 60 km, respectively. Both faults are associated with sub-vertical zones of high electrical conductivity and sensitivity tests suggest that the Valera fault reach depths of up to 12 km. The Boconó fault can be considered a crustal structure with a depth up to 35 km. The observed anomalies seem to show a deep connection of the fault planes, possibly related to the formation of the fault systems in a transpressive regime. Conductive anomalies to the south of the Boconó Fault seem to represent a considerable back thrust structure well constrained between 3 and 10 km depth. The high conductivity of these structures is possibly related to weathering water from the surface and the accumulation of clay minerals in the fault gauges. However, fluids related to the flat and shallow subduction of the Caribbean Plate in north-western Venezuela could better explain the low resistivity of the deep structures (> 15 km).

A sizeable conductor at 50 km depth, which appears consistently in the 2D sections, could be identified as an inversion artefact caused by a conductor east of the profile. The 3D inversion places this structure 10 km to the east at 15 km deep. This model also shows depth connection (12 km depth) of the anomalies related to the Valera and Boconó faults with the off-profile conductor. The observed anomalies in the 2D and 3D inversion related to these conductors were tested and reproduced employing synthetic datasets, leading to the speculation that the high conductivity associated with the off-profile conductor may be related to the detachment of the Trujillo Block.

The models obtained confirm the shape and distribution of the known geological structures related to the complicated geodynamic settings responsible for the formation of the Mérida Andes. These results partially support the "floating orogen hypothesis" developed to explain the geodynamic evolution of western Venezuela, and they highlight the relevance of the Trujillo Block in this process. However, they also show that features of known structures such as the Boconó fault system maximum depth, the back-thrusting in the Mérida Andes, and the relevance of the escape of the Trujillo Block in the tectonic processes need to be adjusted to the current knowledge.

Die Karibische und Südamerikanische tektonischen Platten begrenzten die nordöstliche Abschiebung des Nord-Anden-Blocks im Westen Venezuelas. Diese komplizierte geodynamische Umgebung führte zur Bildung großer Blattverschiebungen-Verwerfungssysteme und beträchtlicher Gebirgsketten. Die 100 km breiten Mérida-Andes erstrecken sich von der Grenze zwischen Kolumbien und Venezuela bis zum Coastal Cordillera. Im Norden und Süden sind die Mérida-Anden von kohlenwasserstoffreichen Sedimentbecken umgeben. Das Wissen über lithosphärische Strukturen im Zusammenhang mit der Bildung der Mérida-Anden ist jedoch aufgrund des Mangels an tiefen geophysikalischen Daten begrenzt.

Diese Arbeit präsentiert die Ergebnisse des ersten breitbandigen magnetotellurischen Profils, das die Mérida-Anden und die Vorlandbecken Maracaibo und Barinas-Apure über eine Entfernung von 240 km quert. Der MT-Datensatz besteht aus 72 Stationen, die im März und April 2015 mit einer Mindestaufzeichnungsdauer von 3 Tagen pro Station installiert wurden. Geoelektrische Streich- und Dimensionalitätsanalysen stimmen mit ein- oder zweidimensionalen Untergrundstrukturen für die Sedimentbecken überein, weisen jedoch auch auf eine starke dreidimensionale Strukturen in der Umgebung der Mérida-Andes hin.. Noch wichtiger ist, dass diese Analysen das Vorhandensein von Merkmalen außerhalb des Profils zeigten, die die Daten insbesondere für lange Perioden erheblich beeinflussen. Daher war eine Kombination aus 2D- und 3D-Modellierung erforderlich, um Störungssysteme und Sedimentbecken quer zum Profil zu reproduzieren.

Off-Profile-Strukturen können das Ergebnis einer 2D-Inversion erheblich beeinflussen. Daher war die systematische Untersuchung des Einflusses von 3D-Strukturen auf 2D-Inversionen erforderlich, um das erhaltene Ergebnis zu verifizieren. Synthetische Datensätze, die aus der 3D-Modellierung abgeleitet wurden, ermöglichten die Identifizierung und Quantifizierung von störenden Strukturen außerhalb des Profils sowie die Glättung von Artefakten aufgrund der begrenzten Stationsüberdeckung der entlang eines Profils gesammelten Daten. Im Allgemeinen werden Strukturen in der 2D-Inversion durch die Projektion und Rotation der Daten beeinflusst, was zu flach stehenden Anomalien führt, um die schräge Ausdehnung der Verwerfungssysteme und Sedimentbecken zu reproduzieren.

Darüber hinaus kann ein Datensatz entlang eines Profils die laterale Auflösung einer 3D-Inversion erheblich einschränken. Daher wurde die Auswirkung der Datenverteilung auf eine 3D-Inversion sorgfältig untersucht, um die Bereiche der Modelle zu bestimmen, die durch die Daten sicher erklärt werden können. Zu diesem Zweck wurden mehrere synthetische Datensätze aus 3D-Modellen mit unterschiedlicher Komplexität abgeleitet. Die Analyse der synthetischen Datensätze ermöglicht die Bestimmung der lateralen Auflösung der 3D-Modelle und die Identifizierung von störenden oberflächennahen und tiefen Merkmalen, die als Artefakte im Zusammenhang mit Strukturen außerhalb des Profils betrachtet werden.

Darüber hinaus unterstützte die Inversion synthetischer Modelle die geologische Interpretation der reproduzierten Anomalien für die 2D- und 3D-Modellierung.

Die 2D- und 3D-Inversionsmodelle stimmen über den Sedimentbecken überein. Aufgrund der 3D Strukturen über den MA ergaben sich jedoch deutliche unterschiede. Die Inversionsmodelle zeigen elektrisch leitende Becken mit Tiefen von 2 bis 5 km für das Barinas-Apure und 2 bis 9 km für das Maracaibo-Becken. Viele Gebiete höheren Widerstands im Maracaibo-Becken könnten mit einer aktiven Deformation zusammenhängen, die ein Nebeneinander älterer geologischer Formationen und jüngerer Beckensedimente verursacht. Eine besserleitende Zone unter dem Maracaibo-Becken korreliert räumlich mit der Lage einer Bouguer-Anomalie und scheint die SE-Neigung des Maracaibo-Dreiecksblocks unter den Mérida-Anden zu markieren. Diese leitende Zone ist in Richtung des Gebirges durch das nordwestliche Schubsystem begrenzt, dessen Störungsebene als Ablösefläche fungieren kann, die in den 3D-Inversionsmodellen eine Tiefe von mehr als 30 km erreicht.

Die bekanntesten Störungssysteme des Gebiets, die Verwerfungen Boconó und Valera, kreuzen die Mérida-Anden in Nordost-Südwest-Richtung entlang ihres Streichens mit einer Länge von 400 km und die N-S-Richtung in ihrer Mitte mit einer Länge von 60 km. Beide Störungen sind durch steil stehende Zonen hoher elektrischer Leitfähigkeit verbunden. Sensitivitätsstudien legen nahe, dass die Valera-Störung Tiefen von bis zu 12 km erreicht. Die Boconó-Verwerfung kann als Krustenstruktur mit einer Tiefe von bis zu 35 km angesehen werden. Die beobachteten Anomalien scheinen eine tiefe Verbindung der Verwerfungsebenen zu zeigen, möglicherweise im Zusammenhang mit der Bildung der Verwerfungssysteme in einem transpressiven Regime. Leitfähige Anomalien südlich der Boconó-Verwerfung scheinen eine beträchtliche Rückschubstruktur darzustellen, die zwischen 3 und 10 km Tiefe gut lokalisiert ist. Die hohe Leitfähigkeit dieser Strukturen hängt möglicherweise mitWasser aus Verwitterungsprozessen nahe der Erdoberfläche und der Ansammlung von Tonmineralien in den Störungszonen zusammen. Alte Fluide im Zusammenhang mit flach stehenden und oberflächenahen Subduktion der Karibikplatte im Nordwesten Venezuelas könnten jedoch den geringen spezifischen Widerstand der tiefen Strukturen (> 15 km) besser erklären.

Ein beträchtlicher Leiter in einer Tiefe von 50 km, der in den 2D-Schnitten konsistent erscheint, konnte als Inversionsartefakt identifiziert werden, der durch einen Leiter östlich des Profils verursacht wird. Durch die 3D-Inversion wird diese Struktur 10 km östlich in 15 km Tiefe platziert. Dieses Modell zeigt auch die Tiefenverbindung (12 km Tiefe) der Anomalien im Zusammenhang mit den Störungen von Valera und Boconó mit dem Leiter außerhalb des Profils. Die beobachteten Anomalien in der 2D- und 3D-Inversion in Bezug auf diese Leiter wurden unter Verwendung synthetischer Datensätze getestet und reproduziert. Daher kann man annehmen das die mit dem Leiter abseits des Profils verbundene Leitfähigkeit mit der Ablösung des Trujilo Blocks zusammenhängt.

Die erhaltenen Modelle bestätigen die Form und Verteilung der bekannten geologischen Strukturen im Zusammenhang mit dem komplizierten geodynamischen Millieu, welches für die Bildung der Mérida-Andes verantwortlich ist. Diese Ergebnisse stützen teilweise die "schwimmende Orogenhypothese", die entwickelt wurde, um die geodynamische Entwicklung West-Venezuelas zu erklären, und sie unterstreichen die Relevanz des Trujillo-Blocks in diesem Prozess. Sie zeigen jedoch auch, dass Merkmale bekannter Strukturen wie die maximale Tiefe des Boconó-Verwerfungssystems, das Zurückschieben in den Mérida-Anden und die Relevanz des Entweichens des Trujillo-Blocks in den tektonischen Prozessen an den aktuellen Kenntnisstand angepasst werden müssen.