Estructura de la litosfera en el area de la Isla de Pascua, mediante la interpretación de datos batimétricos y potenciales

      Se construyó un mapa batimétrico que compiló la información más actual de batimetría monohaz, multihaz y de sonar de rebusca lateral. Este mapa fue interpretado cualitativamente a través de la identificación de lineamientos geomorfológicos, alineamientos y grupos de montes marinos.

      Se analizaron en forma paralela dos bases de datos de gravedad, la primera correspondió a la compilación más actual de mediciones de buques y la segunda, a datos derivados de altimetría satelital correspondientes al año de 1997. Estos datos se interpretaron cualitativamente a través del reconocimiento visual de formas y dimensiones de las anomalías gravimétricas de Bouguer, corregidas por topografía y filtradas. La interpretación cuantitativa consistió en la determinación de profundidades medias de las principales capas bajo el fondo del mar, por medio de técnicas estadísticas y de las profundidades del límite corteza — manto superior y del límite litosfera — astenosfera, por medio de técnicas de inversión 3D con base en el efecto gravimétrico de un agregado de cuerpos prismáticos.

      Los datos magnéticos analizados correspondieron a anomalías magnéticas de campo total derivadas de mediciones de buques. Estas fueron interpretadas cualitativamente a través de la identificación de dipolos magnéticos y de sus formas características a través de la comparación con anomalías magnéticas sintéticas y correlaciones entre ellas mismas, para poder establecer un patrón o secuencia de éstas. La interpretación cuantitativa en la determinación de profundidades medias de las fuentes magnéticas, por medio de técnicas estadísticas y la determinación de la distribución de magnetización, por medio de técnicas de inversión 3D que usan transformadas de Fourier.

      El fondo oceánico en el área de estudio se encuentra marcado por diversas estructuras geomorfológicas que siguen patrones o tendencias geométricas definidas, que se asocian a varios mecanismos tectónicos. La principal estructura superficial es la dorsal del Pacífico Oriental (DPO), la cual se encuentra dividida en segmentos, presenta un alto topográfico en . su eje y está a poca profundidad comparado a otras zonas de la DPO en el Pacífico. La base de la corteza y litosfera se encuentran muy adelgazadas bajo la DPO. Se desprende que estas características obedecen a velocidades de expansión rápidas y litosfera débil. El engrosamiento de la litosfera bajo el eje de la dorsal en su parte norte y la existencia de valores altos de magnetización, la identificación de pseudofallas con arreglo tipo «V», lineamientos que tienden a seguir la orientación de éstas y el corte de las anomalías magnéticas son mejor explicadas por un modelo de la dorsal propagante, la cual se propaga hacia el norte a partir de la latitud 27° y hacia el sur, bajo esa latitud.

      Otras características observadas son la deflexión de la corteza producto de cargas en su superficie, por ejemplo bajo la isla de Pascua, y adelgazamientos en zonas de fracturas y pseudofallas. La estructura de la base de la litosfera parece indicar que existe un único punto caliente en la zona de la isla de Pascua – campo volcánico Ahu, además de «goteo» magmático que se filtra por la zona de fractura de Pascua en las inmediaciones de la isla.

      Structure of the litosphere in easter island area, by means of interpretation of bathymetry and potential data.

      By means of the processing and interpretation of bathymetry, gravity and magnetic data, collected in Easter island area (27°07’S 109° 22W), the characteristics of oceanic litosphere structure settled down. The purpose is it to contribute to the geophysical and geological knowledge of this region and to define problems for future investigations. Easter island is located 3700 km to the west of the coast of Chile and the study area is between the latitudes 25° – 28.5°S and the longitudes 108° – 114°W.

      A bathymetry map was built, compiling the most current information of single beam, multibeam and side scan sonar. This map was cualitatively interpreted through the identification of geomorphologic lineations and seamount alignments and groups.

      Two gravity data bases were analyzed simultaneously, the first corresponding to the most current compilation of ship measurements and the second, to satellite derived altimetry data, corresponding to the year of 1997. These data were interpreted through the visual recognition of forms and dimensions of Bouguer gravity anomalies, topography corrected and filtered. The quantitative interpretation consisted first of mean depth determination of main layers under the sea bottom, by means of statistical techniques and second, the calculation of the crust – upper mantle and litosphere – astenosphere discontinuities, by means of 3D gravity inversion techniques on the base of prismatic bodies gravity effect.

      The magnetic data analyzed corresponded to total field magnetic anomalies derived from ship measurements. This data was interpreted through the identification of magnetic dipoles and their characteristic features through the comparison with magnetic synthetic anomalies and correlations between themselves, in order to establish a pattern or a sequence of patterns. The quantitative interpretation consisted of mean depth determination to the magnetic sources, by means of statistical techniques and the determination of magnetization distribution by means of 3D inversion techniques, based on Fourier transform.

      The sea bottom in study area is characterized by diverse geomorphologic structures that correlate with patterns or geometry defined trends, which are associated with several tectonic mechanisms. The main surface structure is the East Pacific Rise (EPR), which is separated in segments. The EPR presents a topographic high in their axis and it is shallow compared to other zones of the EPR in the Pacific. Also, the bases of both the crust and the. litosphere are very thinned under the EPR. It come off that these characteristics obey to zones of quick expansion velocity and weak litosphere. The litosphere thickenning under the ridge axis in their north part, the existence of high values of magnetization, the identification of pseudofaults with «V» type arrangement, lineations that appear to continue the orientation of the pseudofaults and the cut of the magnetic anomalies are better explained by the propagating ridge model, which propagate to the north of latitude 27°S and to the south, under that latitude.

      Other observed features are the crust deflection, produced by loads in their surface, for example under the Easter island, and thinning in zones of fractures and pseudofaults. The litosphere base structure seems to indicate that only one hotspot in Easter island – Ahu volcanic field exists, besides magmatic «leak» that intrudes in the Easter fracture zone near the island.

      Key words: marine geophysics, bathymetry, gravity and magnetism.

II. MARCO GEOLÓGICO 6
II.1. Rasgos morfológicos principales 6
II.2. Tectónica 8
II.3. Petrología 10
II.4. Hipótesis de formación de la cadena de los montes submarinos de Pascua 14

III. MATERIALES Y MÉTODOS 16
III.1. Métodos y equipos de medición 16
III.1.1. Batimetría 16
III.1.1.1. Sistemas batimétricos 16
III.1.1.1.1. Ecosondas 16
III.1.1.1.2. Altimetría satelital 19
III.1.1.2. Equipos de batimetría multihaz 21
III.1.1.2.1. Sea Beam 21
III.1.1.2.2. Sea Beam 2000 23
III.1.2. Gravimetría 23
III.1.2.1. Introducción 23
III.1.2.2. Técnicas de medición gravimétrica marina 24
III.1.2.3. Gravímetros marinos 25
III.1.2.4. Mediciones satelitales 27
III.1.3. Magnetometría 27
III.1.3.1. Introducción 27
III.1.3.2. Técnicas de medición magnética 29
III.1.3.3. Magnetómetros marinos 29
III.2. Bases de datos 33
III.2.1. Datos batimétricos 33
III.2.1.1. De haz estrecho 33
III.2.1.2. De multihaz y de sonar de rebusca latefal GLORI-B 34
III.2.1.3. Datos batimétricos de satélite 37
III.2.2. Datos gravimétricos y magnéticos 39
III.3. Técnicas de procesamiento de los datos 43
III.3.1. Batimetría 43
III.3.1.1. Pre-procesamiento a bordo de la batimetría multihaz 45
III.3.1.2. Post-procesamiento de la batimetría multihaz 46
III.3.2. Gravimetría 47
III.3.2.1. Pre-procesamiento a bordo 47
III.3.2.2. Correcciones de los valores de gravedad medidos por buques 49
III.3.2.3. Análisis del error en las mediciones (buques) 51
III.3.2.4. Cálculo de la anomalía de Bouguer completa 51
III.3.2.5. Estimación de la densidad superficial 54
III.3.3. Magnetometría 55
III.3.3.1. Pre-procesamiento a bordo 55
III.3.3.2. Correcciones 56
III.3.3.3. Análisis del error en las mediciones 56
III.4. Criterios de interpretación cualitativa 58
III.4.1. Batimetría 58
III.4.2. Gravimetría 59
III.4.3. Magnetometría 61
III.5. Técnicas de interpretación cuantitativa 64
III.5.1. El problema inverso 64
III.5.2. Gravimetría 65
III.5.2.1. Método estadístico 65
III.5.2.2. Inversión gravimétrica 66
III.5.2.2.1. Introducción 66
III.5.2.2.2. Planteamiento de la inversión 67
III.5.2.2.3. Expresiones de gravedad y derivadas parciales 69
III.5.2.2.4. Parámetros de estabilidad y suavidad 69
III.5.3. Magnetometría 73
III.5.3.I. Estimación de profundidades 73
III.5.3.2. Inversión magnética 73
III.5.3.2.1. Introducción 73
III.5.3.2.2. Técnica de inversión 74

IV. PROCESAMIENTO DE LOS DATOS BATIMÉTRICOS Y POTENCIALES 80
IV.1. Batimetría 80
IV.1.1. Correcciones y filtrado 80
IV.1.2. Construcción del modelo topográfico 85
IV.2. Gravimetría 90
IV.2.1. Correcciones y filtrado 90
IV.2.2. Análisis de errores en las mediciones (buques) 93
IV.2.3. Cálculo de la anomalía de Bouguer completa 101
IV.2.4. Estimación de la densidad superficial 102
IV.2.5. Efecto de la gravedad de la isla de Pascua 104
IV.2.6. Construcción de los mapas gravimétricos 104
IV.2.7. Selección de parámetros de inversión 106
IV.3. Magnetometría 113
IV.3.1. Análisis de errores en las mediciones 113
IV.3.2. Construcción de los mapas magnéticos 115
IV.3.3. Selección de parámetros de inversión 115

V. RESULTADOS 119
V.1. Topografía submarina 119
V.1.1. Mapa de contornos batimétricos 119
V.1.2. Mapas del relieve submarino 124
V.2. Modelado gravimétrico 132
V.2.1. Mapas de las anomalías de gravedad de aire libre 132
V.2.2. Mapas de las anomalías de gravedad de Bouguer Completa 135
V.2.3. Mapas de las anomalías de gravedad de Bouguer completa filtradas 138
V.2.4. Mapas de la segunda derivada vertical de las anomalías de gravedad de Bouguer completa 139
V.2.5. Espectro de potencia 150
V.2.6. Modelo de las profundidades del límite corteza-manto superior 152
V.2.7. Modelo de las profundidades del límite litosfera-astenosfera 156
V.2.8. Análisis de residuales de inversión 157
V.3. Modelado magnético 165
V.3.1. Mapa de las anomalías magnéticas de campo total 165
V.3.2. Mapa de la segunda derivada vertical de las anomalías magnéticas 167
V.3.3. Mapa de la derivada direccional de las anomalías magnéticas 167
V.3.4. Identificación de dipolos y secuencias de las anomalías Magnéticas 167
V.3.4. Espectro de potencia 170
V.3.5. Modelo de la distribución de magnetización 175
V.3.6. Análisis de residuales de inversión 176

VI. DISCUSIÓN 182
VI.1. Interpretación de la información batimétrica 182
VI.2. Interpretación de la información gravimétrica 185
VI.3. Interpretación de la información magnética 191
VI.4. Interpretación conjunta 196

VII. CONCLUSIONES 199

LITERATURA CITADA 203

APÉNDICE A. Derivadas parciales para la inversión gravimétrica 3D 211

      2) De los análisis de errores para las mediciones a bordo de buques, se encontró que los datos de gravedad poseen un mayor grado de incertidumbre que los datos de magnetismo, el cual depende de los problemas instrumentales u operación de los equipos. En cambio, los errores de magnetismo parecieran estar más asociados a problemas naturales.

      3) La densidad superficial estimada para los basaltos superficiales del área de estudio fue de 2.90 g/cm3. Este valor concuerda con valores medios de densidades de muestras de rocas del basamento y estudios de inversión gravimétrica realizados próximos al área de estudio.

      4) El efecto de gravedad debido a la topografía de la isla de Pascua sólo es importante hasta unos pocos kilómetros de la costa, para mediciones marinas.

      5) A pesar de utilizar distintos criterios para filtrar el mapa de anomalías de Bouguer. completa, los resultados fueron similares, denotando que la elección exacta de los parámetros de filtrado no es crítica.

      6) Las profundidades seleccionadas como referencia para el método de inversión gravimétrica fueron acertadas, dada la coincidencia con los resultados derivados del cálculo del espectro de potencia. Con la técnica del espectro de potencia se encontró que la profundidad media de la base de la primera capa está a 7.4 ± 0.6 km y la profundidad media de la base de la segunda, a 26.3 km.

      7) A pesar que el método de inversión gravimétrica utiliza técnicas conocidas para la discretización de los cuerpos bajo el subsuelo en prismas y también para los procesos de linealización y minimización, resulta ser una técnica innovadora, tanto por su metodología, ya que ésta considera la inversión de dos superficies en forma simultánea determinando sus profundidades con contrastes de densidad conocidos, como por su campo de aplicación a estructura cortical y litosférica oceánica. Esta manera de realizar la inversión no ha sido utilizada antes en estudios gravimétricos marinos y es, probablemente, la primera vez que se puede determinar la estructura de la litosfera oceánica de esta manera y con resultados que concuerdan con los obtenidos por otras técnicas (sísmica y modelos térmicos).

      8) La suposición de considerar la capa magnética principal con un espesor de 1 km en el área de estudio, es concordante con los resultados derivados del cálculo del espectro de potencia, ya que se encontró que el espesor medio de la capa magnética principal es de un poco más de 1 km.

      9) La DPO en el área de estudio se presenta separada en segmentos, sugiriendo que su actividad magmática no es continua en espacio y tiempo.

      10) En el área de estudio se presentan varias estructuras topográficas (pseudofallas, lineamientos y algunos alineamientos de montes marinos y elevaciones) que son . consistentes con el modelo de dorsal propagante.

      11) El análisis de los mapas filtrados de anomalías de gravedad de Bouguer completa para evidenciar los efectos someros indica que la corteza es homogénea. Los mapas filtrados para evidenciar los efectos profundos, indican que existe una deficiencia de masa, principalmente bajo la isla de Pascua – campo volcánico Ahu y bajo la DPO, estableciéndose una correlación entre las estructuras superficiales y las características gravimétricas.

      
12) La carga de las elevaciones mayores (isla de Pascua y campo volcánico Ahu) produce que la corteza se flexione hacia abajo.

      13) El levantamiento de la base de la corteza en zonas donde en superficie existen montes marinos o está el eje de la DPO se interpreta como producido como respuesta a la acreción magmática. Las zonas más elevadas del eje de la dorsal se interpretan como causadas por la presencia de cámaras magmáticas someras.

      14) La base de la corteza en zonas de fractura se presenta adelgazada, respondiendo’ quizás a la extensión a que puede estar sometido el piso marino. Otros sectores con adelgazamientos de la corteza se correlacionan a las posiciones de pseudofallas.

      15) De manera cualitativa, la forma de la base de la litosfera en el área de estudio es consistente con los modelos litosféricos térmicos. Sin embargo, se observan adelgazamientos anómalos con sentido E-W cortando a la DPO y bajo la isla de Pascua y campo volcánico Ahu, además de un engrosamiento de la litosfera en el sector norte del eje de la DPO. El adelgazamiento anómalo de la litosfera se puede atribuir a .un punto caliente y el engrosamiento, a la propagación de la dorsal hacia el norte.

      16) La existencia de cuerpos menores magnetizados sólo con características de polaridad normal, indica que la actividad volcánica en el área de estudio es reciente o que tal actividad se produjo solamente en períodos de polaridad normal.

      17) Se encuentran altos valores de magnetización en algunos sectores de la DPO, los cuales se relacionan a la posición de la punta de una dorsal propagante o a influencias de puntos calientes. Otras áreas de altas magnetizaciones se relacionan a zonas de actividad volcánica reciente (campo volcánico Ahu e isla de Pascua).

      18) Los resultados geofísicos obtenidos no rechazan la existencia de un punto caliente fuera del área de estudio (isla de Salas y Gómez) que influya sobre los montes marinos y DPO en la región.

      19) La estructura de la base de la litosfera pareciera indicar que existe un único punto caliente en la zona de la isla de Pascua — campo volcánico Ahu, además de «goteo» magmático que se filtra por la ZFP, en las inmediaciones de la isla.