Modelación geofísica de estructuras complejas


Tesis para Optar al Grado de Doctor en Ciencias – Universidad Nacional Autónoma de México – Dirección General de Estudios de Posgrado – Instituto de Geofísica 
Director: Dr. Jaime Urrutia Fucugauchi
José Carlos Ortiz Alemán
Opción A
2000

RESUMEN		  
      En este trabajo se aplican técnicas de modelación geofísica al estudio de la estructura de impacto denominada Chicxulub. Se reconoce actualmente que un gran impacto ocurrió en la Tierra al final del período Cretácico y que la estructura sepultada de Chicxulub (en la parte norte de la Península de Yucatán, México) fue probablemente la causa de la devastación de la biosfera cretácea. Un conocimiento apropiado del tamaño y la estructura interna del cráter de Chicxulub es necesario para cuantificar los efectos ambientales asociados con el impacto. Aunque se dispone de mucha información relacionada con la estructura del cráter, las estimaciones acerca de su diámetro varían desde los 170 hasta los 300 km, correspondiendo a una variación de un orden de magnitud en la energía del impacto. La modelación geofísica de los campos potenciales sobre cráteres de impacto proporciona restricciones muy útiles sobre su tamaño y estructura. Las espectaculares anomalías geofísicas, específicamente los datos de campo gravitacional y magnético, que inicialmente atrajeron la atención hacia la estructura de Chicxulub, se utilizan en este trabajo para inferir los rasgos sobresalientes de su estructura interna. El buen grado de preservación del cráter, la disponibilidad de información geofísica detallada y un ambiente geológico simple de dos componentes, una secuencia de calizas/evaporitas no magnéticas sobre un basamento cristalino magnético, permiten la aplicación de los métodos geofísicos para explorar el cráter en circunstancias favorables. En este estudio, se emplean los métodos de algoritmos genéticos y cristalización simulada a la inversión de los datos de campo magnético. Se utiliza el método de la señal analítica en tres dimensiones para delimitar la ubicación de las fuentes magnéticas principales. Finalmente, se presentan algunos avances relacionados con la aplicación del método indirecto de elementos de frontera a la simulación de la respuesta sísmica del cráter de Chicxulub.

ABSTRACT		  
      In this work, geophysical methods are applied to constrain the size and structure of the Chicxulub impact crater. It is now widely believed that a large impact ocurred on the Earth at the end of the Cretaceous, and that the buried geological structure of Chicxulub (northern Yucatan, Mexico) was probably the cause of devastation of the cretaceous biosphere. Knowledge of the size and internal structure of the Chicxulub crater is necessary for quantitying the effects of the impact on the Cretaceous environment. Although much information bearing on the crater’s structure is available, diameter estimates range from 170 to 300 km, corresponding to an order of magnitude variation in impact energy. Geophysical modeling of potential fields over impact craters can provide many constraints on their size and structure. The spectacular geophysical anomalies, specifically in gravity and magnetic field data, that initially drew attention to the Chicxulub crater are studied in this work in order to constrain its main structural features. The relatively good preservation of the crater, the availability of detailed geophysical data sets, and the two-component target of nonmagnetic carbonates/evaporites overlying magnetic silicate basement allowed application of geophysical techniques to explore the crater under favorable circumstances. In this study, genetic algorithms and simulated annealing methods were applied to the inversion of the magnetic field data. The analytic signal method in three dimensions was employed to determine the locations of the main magnetic sources. Finally, some recent advances on. the application of the indirect boundary element method to simulate the seismic response of the Chicxulub crater are introduced.

ÍNDICE		  
Resumen i

Abstract ii

Introducción 1

Capítulo 1
Los cráteres de impacto terrestres y sus anomalías geofísicas 6
1.1 Características básicas de los cráteres de impacto 9
1.2 Anomalía gravimétrica 14
1.3 Anomalía magnética 17
1.4 Anomalías electromagnéticas 19
1.5 Anomalía sísmica 20

Capítulo 2
El cráter de Chicxulub: exploración inicial 22
2.1 Anomalía gravimétrica 26
2.2 Anomalía magnética 31
2.3 Modelación gravimétrica 33
2.4 Modelación magnética 37

Capítulo 3
Inversión de la estructura del cráter de Chicxulub empleando métodos de optimización global 46
3.1 Método de algoritmos genéticos 48
3.2 Método de cristalización simulada 55
3.3 Modelación tridimensional del campo magnético 59

Capitulo 4
Método indirecto de elementos de frontera (IBEM): perspectivas para su aplicación al estudio de la estructura de Chicxulub 64
4.1 Método indirecto de elementos de frontera (IBEM) 65
4.2 Formulación IBEM/gradiente conjugado 73
Conclusiones 90

Referencias 93 Agradecimientos

Apéndice A 

Apéndice B 

Apéndice C

CONCLUSIONES		  
      En esta tesis se han aplicado un conjunto de métodos de modelación geofísica al estudio de la estructura de impacto denominada Chicxulub. El trabajo de investigación, cuyos resultados se reportan en este texto, se compone de una etapa de adquisición de información en la zona de estudio y otra etapa de procesamiento y análisis de datos.

      Como parte de la etapa de campo, se realizaron cuatro levantamientos geofísicos en la zona de estudio, en los que se obtuvieron los siguientes resultados:

      a) Se completó el mapa de anomalía gravimétrica, eliminado los huecos en la
cobertura original para la parte terrestre y se han realizado mediciones a lo
largo de la línea costera, para mejorar el empalme entre la información
terrestre y marina.

      b) Se midieron una serie de perfiles gravimétricos (y algunos magnéticos) sobre los rasgos estructurales más importantes del cráter.

      c) Se ha mejorado el control topográfico para las estaciones gravimétricas con el empleo de sistemas de posicionamiento global (GPS).

      En cuanto a las metodologías de análisis, se reportan algunas contribuciones originales, principalmente las siguientes:

      a) La aplicación del método de la señal analítica en tres dimensiones al estudio de la anomalía magnética de Chicxulub. Con esta técnica ha sido posible definir la ubicación de los contrastes magnéticos mayores y delimitar las profundidades de las fuentes magnéticas principales.

      b) El desarrollo de un esquema de inversión global, basado en los métodos de algoritmos genéticos y cristalización simulada, para la modelación tridimensional de anomalías magnéticas. Su aplicación al estudio de la estructura de Chicxulub ha permitido entender la naturaleza de las fuentes magnéticas que originan el complicado patrón de anomalías concéntricas, observado sobre esta. De esta forma, se han despejado algunas de las incógnitas asociadas con la zona central del cráter, mismas que no habían sido dilucidadas por los experimentos recientes de reflexión sísmica, debido a su escasa resolución para esta parte de la estructura.

      c) La optimización del método indirecto de elementos de frontera (IBEM) mediante el empleo de técnicas de truncamiento matricial, la tecnología de matrices porosas para el almacenamiento y el método del gradiente biconjugado para la solución de los sistemas porosos derivados. Como resultado de los avances conseguidos en la optimización del método IBEM, en el corto plazo se espera extender su aplicación al estudio de geometrías simplificadas que aproximan los modelos estructurales del cráter de Chicxulub propuestos por diversos autores.

      Otras contribuciones, que se incluyen en los trabajos que componen el anexo A, se han realizado como parte de un grupo de investigación orientado al estudio del cráter de Chicxulub y sus relaciones con la extinción masiva de especies en la frontera KIT. Entre ellas, se distinguen las siguientes:

      a) La construcción de modelos estructurales para el cráter, basados en el estudio de las anomalías de campo potencial con técnicas de modelación en dos dimensiones.

      b) La visualización de los rasgos estructurales mayores a través del gradiente horizontal gravimétrico y el análisis de sus relaciones con las características geomorfológicas de la península de Yucatán, especialmente con el anillo de cenotes.

      c) El estudio de la correlación existente entre cuatro perfiles de reflexión sísmica y los rasgos concéntricos principales que se aprecian en el gradiente horizontal de gravedad.

      d) Estimaciones de la energía liberada, la naturaleza del cuerpo impactante y los efectos ambientales provocados por el impacto.

      Por otra parte, el análisis de las muestras provenientes del programa de perforaciones realizado por la UNAM y del nuevo proyecto de perforación profunda de la estructura de Chicxulub, cuyo inicio formal se encuentra muy próximo, proporcionarán información adicional muy útil para restringir la geometría y propiedades de las principales litologías de impacto.
Finalmente, la parte noroeste de la Península de Yucatán, debido a la presencia del cráter de impacto sepultado denominado Chicxulub, se ha convertido en una de las regiones más exploradas con técnicas geofísicas en nuestro país. Las condiciones geológicas favorables y el enorme acervo de información disponible, hacen de esta región un medio ideal para ensayar y calibrar nuevos métodos de modelación geofísica.