Amphibious magnetotellurics at the South-Central Chilean continental margin

Abstract

In the austral summer of 2004-2005, the South-Central Chilean continental margin became the subject of an amphibious magnetotelluric experiment to image the conductivity distribution of the subduction zone, performed within the multidisciplinary TIPTEQ project (from The Incoming Plate to mega-Thrust EarthQuake processes). The enhanced conductivity is diagnostic of the presence of fluids, i.e water or partial melts. Magnetotellurics enables to assess qualitatively and quantitatively fluid volumes in the Earth's interior, and thus applies as an appropriate approach for investigating subductions zones, in which fluids play a key role, as a trigger and a controlling factor of rupture evolution, and earthquake nucleation, as well as partial melting reactions and volcanic activity. The magnetotelluric data were collected at several on- and offshore sites predominantly aligned along a transect, running over 400km across the main geological and morphotectonic units. It extended from the backarc up to the Pacific coast on the land side, and beyond the trench on the sea side, and complemented previous measurements from 2000 in this area in South Chile. A complete image of the conductivity distribution associated with dehydration and melting processes can only be provided if the data are acquired on both the sea and land side of the trench. This is because the fluids in the continental plate are electrically coupled with the ocean through the subduction zone via connecting pathways which can only be resolved by measurements in the sea. Whilst the terrestrial magnetotelluric approach is well established for imaging electrical conductivity structures deep in the Earth's interior, electromagnetic investigation in marine environments does not permit a direct application of the terrestrial approach to offshore measurements with respect to acquisition, analysis, and interpretation of offshore data, due to the special conditions at the ocean bottom. The highly conductive sea water acts like a low pass filter, and causes, at short periods, strong attenuation of the electric, and even more, of the magnetic field. Towards long periods the decay of the electric and magnetic fields is significantly different. The electric field penetrates the ocean layer from surface to the seafloor nearly unchanged, while the magnetic field experiences a strong decay, and reaches the ocean bottom with just a fraction of its surface value. However, the field decay depends strongly on the resistivity contrast between the ocean and the seafloor, and both fields approximate the decay that would be observed in a homogeneous half space if the resistivity of the basement decreases. The induction process on the seabed is significantly affected by the seafloor relief. Even a gently changing bathymetry generates preferentially in the overlaying highly conductive ocean layer an enhanced concentration of electric currents flowing along the slope, and above instead of below the sensing points. At a continental margin, where the seafloor shallows towards land, the accumulated currents in TE mode induce an anomalous, and on the seafloor, oppositely directed magnetic field, that becomes predominant over the attenuated normal field. The effect of the secondary field on the impedances is manifested in TE mode by cusps in the apparent resistivities, accompanied by phases exceeding the "normal" quadrant. Unlike TM mode, the offshore apparent resistivities and phases are disturbed by strongly changing bathymetry, and the resulting concentration of electric currents, and cannot be linked together via Kramers-Kronig dispersion relations as can be the causal (analytical) responses at the surface. The dimensionality analysis of the onshore impedances revealed predominantly a regional skew value below 0.3, which suggests a two-dimensional conductivity distribution, and justifies a 2-D approach and interpretation of the data. The estimated conductivity strike direction matches the roughly N-S striking land- sea boundary and is nearly perpendicular to the MT profile. The isotropic 2-D modeling along the new, northern (TIPTEQ) profile, and renewed modeling along the central and southern profiles reveals a consistent conductivity image, with several zones of enhanced conductivity above the subducted Nazca Plate in the region of the volcanic arc, as well as in the forearc and backarc. Although the resolved structures appear geologically plausible, and the model responses fit the magnetotelluric impedances quite well, inspection of the geomagnetic transfer function indicates that the 2-D approach does not exploit the whole information content inherent in the data. Neither 2-D nor 3-D isotropic approaches could explain the behavior of the real induction vectors, which point, at long periods (>1000 s), at all sites throughout the study area systematically NE, irrespective of the nearly N-S direction of the conductivity strike as determined by the impedances. It is thus obvious that the isotropic images do not express the "complete" conductivity distribution at the South-Central Chilean subduction zone. On the other hand, such a pattern of uniformly deflected induction arrows coupled with the fact that conductors can also arise in a model when if attempting to model anisotropic data by an isotropic approach, may be diagnostic of anisotropic properties of subsurface. Indeed, geologically realistic models, which satisfactorily reproduce this behavior, are provided by the anisotropic approach, and are compatible with the conductivity distribution derived from the isotropic approach. They consist mainly of two crucial structures: the Pacific Ocean, and a structural anisotropy in the lower continental crust. This structural anisotropy might be associated with a deeply fractured crust, caused by subduction-related stress. The NE-SW anisotropic strike direction coincides with the distribution of the minor volcanic centers in the volcanic arc, and with the alignment of the feeder dikes underneath. While in the volcanic arc, partial melts, ascending through a pattern of fractures, might account for the preferred conductivity along the anisotropic strike, as well as for zones of enhanced conductivity revealed by the isotropic approach, in the forearc, water, released from the subducted plate and migrating upward through the fractured upper plate, might better explain the modeled isotropic and anisotropic features. Alternatively, solidified magma intrusions in pre- existing structures, enriched with metallic phases, can also explain, at least partly, the modeled enhanced conductivities. Further zones of high conductivity are suggested by the behavior of induction vectors derived from a supplementary 3-D study around the active Villarrica volcano. The model derived from 3-D forward consists of the Pacific Ocean, a conductive anomaly directly beneath Villarrica, a conductive structure below the volcanoes Quetrupillan and Lanin, and a regional feature running NE-SW in accordance with conductive lineaments, which provide the strike direction in the anisotropic models. The modeling fits the geomagnetic transfer functions quite well at periods >10 s, but might be too simple to satisfactorily explain the apparent resistivities and phases. A more complex conductivity distribution can be provided by a denser network of sites measuring at short periods (in the AMT range) and by a 3-D inversion approach.

Im südlichen Sommer 2004/2005 wurde im Rahmen des multidiziplinären Projekts TIPTEQ (abgeleitet von The Incoming Plate to mega-Thrust EarthQuake processes) der zentrale Teil des südchilenischen Kontinentalrandes mit einem amphibischen magnetotellurischen Experiment untersucht, um die Leitfähigkeitsverteilung dieser Subduktionszone abzubilden. Die erhöhte Leitfähigkeit ist kennzeichnend für das Vorhandensein von Fluiden, wie Wasser oder partiellen Schmelzen. Magnetotellurik ermöglicht eine qualitative und quantitative Abschätzung von Fluidvorkommen im Erdinnern. Sie ist somit eine geeignete Methode, Subduktionszonen zu untersuchen, in welchen Fluide eine Schlüsselrolle spielen als Auslöser und kontrollierender Faktor von Bruchentwicklungen und Erdbeben, aber auch bei der Produktion von partiellen Schmelzen und damit vulkanischer Aktivität. Die magnetotellurischen Daten wurden sowohl on- wie offshore an mehreren Punkten aufgezeichnet, vorwiegend entlang eines Profils, das über 400 km quer zu den geologischen und morphotektonischen Haupteinheiten verläuft. Es erstreckt sich landseitig vom Backarc bis zur Pazifikküste und auf der Seeseite über den Trench hinaus und vervollständigt bisherige Messungen entlang zwei Profile in diesem Teil Südchiles aus dem Jahr 2000. Für eine komplette Abbildung der Leitfähigkeitsverteilung, die eng mit Dehydration und Schmelzprozessen zusammenhängt, ist eine Datenerhebung sowohl auf der Land- wie auf der Seeseite des Trench notwendig, da insbesondere Messungen im Ozean sensitiv auf elektrisch wirksame, verbindende Strukturen zwischen den Fluiden in der Kontinentalplatte und dem Ozean und vorwiegend längs der abtauchenden Platte, sind. Magnetotellurik an Land ist eine erprobte Methode zur Erkundung elektrischer Leitfähigkeitsstrukturen im Erdinnern; eine direkte Übertragbarkeit des terrestrischen Ansatzes bei elektromagnetischen Untersuchungen in mariner Umgebung ist jedoch hinsichtlich der Erhebung, Analyse und Interpretation der Offshoredaten aufgrund der besonderen Bedingungen am Meeresboden eingeschränkt. Das hochleitfähige Seewasser wirkt wie ein Tiefpassfilter und verursacht bei kurzen Perioden eine starke Abschwächung des elektrischen und vor allem des magnetischen Feldes. Hin zu langen Perioden wird jedoch der Abfall für beide Felder deutlich unterschiedlich. Das elektrische Feld dringt durch den Ozean nahezu unverändert hindurch, während das magnetische Feld einen starken Abfall erfährt und den Meeresboden lediglich mit einem Bruchteil seines Oberflächenwertes erreicht. Die Feldabschwächung hängt stark von dem Widerstandskontrast zwischen Ozean und Meeresboden ab. Mit abnehmendem Widerstand des Untergrundes, d.h. abnehmendem Widerstandskontrast zwischen Ozean und Untergrund, ähnelt der Abfall der Feldabschwächung dem in einem homogenen Halbraum. Der Induktionsprozess am Meeresboden wird erheblich durch dessen Relief beeinflusst. Bereits eine leicht veränderte Bathymetrie generiert vorzugsweise in der hoch leitfähigen Ozeanschicht eine erhöhte Konzentration von elektrischen Strömen, die entlang des kontinentalen Hangs und oberhalb anstatt unterhalb der Messpunkte fließen. Am Kontinentalrand, wo der Meeresboden zum Land hin abflacht, induzieren die akkumulierten Ströme in der TE-Mode ein anomales, sekundäres und am Meeresgrund ein dem primären Feld entgegengerichtetes magnetisches Feld, das über das abgeschwächte normale Feld dominiert. Der Effekt dieses sekundären Feldes auf die Impedanzen zeigt sich in der TE-Mode durch Auftreten von Spitzen in den scheinbaren spezifischen Widerständen, begleitet von Phasen die den normalen Quadranten verlassen. Anders als in der TM-Mode werden die Widerstände und Phasen am Ozeanboden von stark wechselnder Bathymetrie und einer daraus resultierenden Konzentration elektrischer Ströme gestört und können nicht via Kramers-Kronig Dispersionsrelation miteinander in Beziehung gebracht werden, wie das bei kausalen (analytischen) Antwortfunktionen an der Landoberfläche der Fall ist. Die Dimensionalitätsanalyse der Onshoreimpedanzen zeigt vorwiegend einen regionalen Wert der Skewness unter 0.3, was eine zweidimensionale Leitfähigkeitsverteilung nahelegt und somit einen 2D-Ansatz und eine entsprechende Interpretation der Daten rechtfertigt. Die Streichrichtung der Leitfähigkeit stimmt mit der annähernd nord-süd verlaufenden Land-Ozean-Grenze überein und ist nahezu senkrecht zum MT-Profil. Das isotrope 2D-Modell entlang des neuen, nördlichen (TIPTEQ) Profils und erneute Modellierung entlang des zentralen und südlichen Profils zeigen ein konsistentes Leitfähigkeitsbild mit Zonen erhöhter Leitfähigkeit oberhalb der subduzierenden Nazca-Platte in der Region des vulkanischen Bogens, ebenso wie im Forearc und im Backarc. Obwohl die aufgelösten Strukturen geologisch plausibel erscheinen und die Anpassung der Impedanzen durch die Modellantworten gut ist, deuten die geomagnetischen Übertragungsfunktionen darauf hin, dass der 2D-Ansatz nicht den gesamten Informationsgehalt der Daten ausschöpft. Weder isotrope 2D- noch 3D-Ansätze können das Verhalten der realen Induktionsvektoren erklären, die bei langen Perioden (>1000 s) und an allen Messpunkten des gesamten Studiengebiets systematisch nord-östlich weisen, ungeachtet der nahezu nord-südlichen Ausrichtung der aus den Impedanzen abgeleiteten Leitfähigkeitsstrukturen. Es ist offensichtlich, dass das isotrope Modell nicht die vollständige Leitfähigkeitsverteilung des zentralen Teils der südchilenischen Subduktionszone offenbart. Solche einheitlich abgelenkten Induktionsvektoren sind jedoch charakteristisch für anisotrope Eigenschaften des Untergrundes. Unter Anisotropie wird hierbei strukturelle Anisotropie verstanden, d.h. eine Abfolge oder Serie von Leitern, die nicht individuell aufgelöst werden können, wie sie auch im isotropen 2D-Modell zum Ausdruck kommen. Geologisch plausible Modelle, die dieses Verhalten der Induktionsvektoren zufriedenstellend wiedergeben, können in der Tat aus einem anisotropen Ansatz gewonnen werden und ergänzen die Leitfähigkeitsverteilung, die durch einen isotropen Ansatz hergeleitet wird. Die Modelle bestehen hauptsächlich aus zwei grundlegenden Strukturen: dem Pazifik und einer strukturellen Ansiotropie in der unteren Kontinentalkruste. Die strukturelle Anisotropie entspricht der Idee einer zerklüfteten Kruste in Folge tektonischer Spannungen und Kräfte, die durch das Subduktionsprozess hervorgerufen werden. Die nordost-südwestlich verlaufende, bevorzugte Leitfähigkeitsrichtung der Anisotropie deckt sich mit der Verteilung von Flankenvulkanen, Nebenschloten und kleinen Eruptionszentren und ihren darunter liegenden Förderkanälen im vulkanischen Bogen. Partielle Schmelzen im vulkanischen Bogen, die durch ein System von Klüften aufsteigen, können sowohl die Ursache für die bevorzugte Leitfähigkeit entlang der anisotropen Streichrichtung als auch für die mit einem isotropen Ansatz aufgelösten Zonen erhöhter Leitfähigkeit sein. Im Forearc hingegen kann Wasser, freigesetzt von der subduzierten Platte und durch die zerklüftete obere Platte aufsteigend, die modellierten isotropen und anisoptropen leitfähigen Strukturen erklären. Auch mit metallischen Phasen angereicherte und erstarrte Magmaintrusionen in preexistierenden Strukturen bieten zumindest teilweise eine alternative Erklärung für die modellierte erhöhte Leitfähigkeit. Weitere Zonen erhöhter Leitfähigkeit können aus der Ausrichtung der Induktionsvektoren, ermittelt im Rahmen einer ergänzenden 3D-Studie am aktiven Vulkan Villarrica, gefolgert werden. Das durch 3D-Vorwärtsmodellierung erhaltene Modell besteht aus dem Pazifik, einer leitfähigen Anomalie direkt unter dem Villarrica, einer leitfähigen Struktur unter den Vulkanen Quetrupillan und Lanin und einer leitfähigen regionalen Struktur, deren nordöstlich-südwestlicher Verlauf mit der Streichrichtung der anisotropen Schicht übereinstimmt. Dieses einfaches Modell reproduziert zwar recht gut die geomagnetischen Übertragungsfunktionen bei Perioden >10s, ist aber unzureichend um die scheinbaren Widerstände und Phasen zufriedenstellend anzupassen. Eine komplexere Leitfähigkeitsverteilung könnte durch ein dichteres Netzwerk von kurzperiodischen Stationen (AMT) sowie durch einen 3D- Inversionsansatz erhalten werden.