Geodynamic evolution of the Scotia Sea (Antarctica), paleoceanographic implications and global change

Martos Martín, Yasmina Magdalena

2015-A
Mejor Tesis Doctoral en Geofísica Pura o Aplicada, realizada en Universidades Españolas o de Iberoamérica
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Resumen

La apertura del Paso del Drake, situado entre Sudamérica y la Antártida, constituyó la etapa final de la fragmentación del Supercontinente Gondwana, dando lugar al Arco de Scotia. Este arco bordea el Mar de Scotia, y está formado actualmente por las placas de Scotia y Sandwich. El límite oeste del Mar de Scotia lo forma la Zona de Fractura Shackleton que acomoda el movimiento entre la Placa Phoenix y la Placa de Scotia. La formación del Paso del Drake y el Mar de Scotia se considera de gran importancia para la circulación oceánica, permitiendo la instauración de la Corriente Circumpolar Antártica que aisló al continente antártico, con fuertes implicaciones en cambios climáticos y globales.

A lo largo de esta Tesis Doctoral se muestra que la apertura del Paso del Drake supuso un portal para el manto procedente del Pacífico debido a la ausencia de las raíces litosféricas profundas (Capítulo 5). Este material mantélico alimentó la Dorsal Occidental de Scotia hasta que la Zona de Fractura Shackleton comenzó a elevarse en el Mioceno medio (Capítulo 8). La formación de este relieve conllevó el desarrollo de una raíz litosférica en el Paso del Drake, impidiendo el paso de los flujos astenosféricos y por tanto la adecuada alimentación de la Dorsal Occidental de Scotia. Simultáneamente, el levantamiento de la Zona de Fractura Shackleton, junto con las incursiones iniciales del Agua Profunda del Mar de Weddell en el Mar de Scotia forzaron a la Corriente Circumpolar Antártica y al Frente Polar a desplazarse hacia el norte en la zona de estudio, alejándose de la Antártida. Esto tuvo grandes implicaciones climáticas, favoreciendo el aislamiento térmico de la Antártida y el crecimiento y estabilidad de las capas de hielo.

Al considerarse el Mar de Scotia como un océano de pequeñas dimensiones formado como un barck-arc y alimentado principalmente por el manto procedente del Pacífico, las pequeñas células mantélicas responsables de la expansión oceánica hacen que el comportamiento térmico de Mar de Scotia Occidental sea diferente al de los océanos de grandes dimensiones (Capítulo 6). La dinámica del manto controla también la distribución tectónica del Arco de Scotia y las regiones circundantes. La subducción de la Placa Phoenix en el margen oeste de la Península Antártica dio lugar al cuerpo batolítico conocido como Anomalía del Margen Pacífico. Dicha anomalía ha sido utilizada para proponer la distribución inicial de los bloques continentales en la Península Antártica y en el Arco de Scotia, así como un modelo de apertura del Mar de Scotia (Capítulo 7). Como consecuencia de la subducción de la Placa Phoenix, debido al roll-back del Bloque de las Islas Shetland del Sur, se desarrolló la cuenca de back-arc del Estrecho de Bransfield. Esta cuenca parece encontrarse en su etapa final de extensión continental en algunas áreas y en los comienzos de expansión oceánica en otras (Capítulo 9). El Estrecho de Bransfield se caracteriza por un eje neo-volcánico central, en el que se encuentra el volcán activo de Isla Decepción. Este volcán surge como consecuencia del régimen extensional que caracteriza la Cuenca Bransfield. La actividad volcánica de Isla Decepción ha sido analizada en un periodo de 20 años aplicando una nueva metodología que ha permitido detectar las crisis volcánicas ocurridas dentro de ese periodo (Capítulo 10).

En definitiva, en esta Tesis Doctoral se realiza un análisis multidisciplinar del Arco de Scotia y regiones circundantes con vistas a mejorar en el conocimiento y entendimiento de su evolución así como la comprensión de sus implicaciones a escala global.

Abstract

The opening of the Drake Passage marked the final break-up of Gondwana Supercontinent, with the creation of the Scotia Arc. The Scotia Sea, located between South America and Antarctica, is constituted at present by the Scotia and Sandwich plates. To the west of the Scotia Plate, the Shackleton Fracture Zone accommodates the Phoenix Plate and Scotia Plate movements. The development of the Scotia Sea is considered a key gateway for both asthenospheric and oceanic currents. The opening of the Drake Passage is evoked as the last Southern Ocean gateway, which led to the instauration of the Antarctic Circumpolar Current, isolating the Antarctic Continent and bearing a major influence on climatic and global changes.

In this Ph.D. Thesis it is shown that the opening of the passage meant a gateway for Pacific mantle outflow because of the absence of deep lithospheric roots in the passage (Chapter 5). The mantle material fed the West Scotia Ridge until the uplift of the Shackleton Fracture Zone in the middle Miocene (Chapter 8). The Shackleton Fracture Zone relief formed a lithospheric root in the Drake Passage, serving as a barrier for the asthenospheric flows, avoiding the mantle material fed the West Scotia Ridge properly. Simultaneous to this asthenospheric setting, the uplift of the Shackleton Fracture Zone together with the initial incursions of the Weddell Sea Deep Water in the Scotia Sea forced the Circumpolar Deep Water and the Polar Front to move even farther from Antarctica. This had profound climatic implications, favoring the thermal isolation of Antarctica and the growing and permanent ice-sheets.

As the Scotia Sea is considered a small ocean formed as a back-arc, and fed mostly by the Pacific mantle, the small convection cells responsible for oceanic spreading lend the West Scotia Sea a very different thermal behavior than large oceans (Chapter 6). The mantle dynamics also control the tectonic distribution of the Scotia Arc and surrounding areas. The subduction of the Phoenix Plate in the western margin of the Antarctic Peninsula formed the batholithic body known as the Pacific Margin Anomaly, which is used to propose an initial distribution of the continental blocks in the Antarctic Peninsula and in the Scotia Arc, and an opening model of the Scotia Sea (Chapter 7). As a consequence of the Phoenix Plate subduction, due to the roll-back of the South Shetland Islands Block, the Bransfield Strait developed as a back-arc basin. This basin is found to be in its final stages of continental extension in some areas, and in the early stages of oceanic spreading in others (Chapter 9). The Bransfield Strait is characterized by a central neovolcanic axis, the Deception Island active volcano being located in its southern part. The volcano is a consequence of the active extensional setting of the Bransfield Strait, analyzed here using a new methodology (Chapter 10) in order to assess its volcanic activity over a 20-year period.

In summary, an interdisciplinary analysis of the Scotia Arc and surrounding areas is accomplished in this Ph.D. Thesis in order to improve in knowledge and understanding of the study area evolution and the implications in global scale.

Índice

Abstract1

Resumen3

Extended Abstract5

Resumen extendido9

Chapter 1. Introduction13

Chapter 2. Objectives and Thesis structure25

Chapter 3. Regional setting and background29

3.1. The Scotia Sea31

3.1.1. Tectonic setting and evolution33

3.1.2. Regional stratigraphy39

3.1.3. Oceanographic setting41

3.2. The Bransfield Strait region43

Chapter 4. Data and Methodology47

4.1. Data sources49

4.2. Methodologies52

Chapter 5. Asthenospheric Pacific-Atlantic flow barriers and the West Scotia Ridge extinction57

1. Introduction60

2. Methodology62

3. Complete Bouguer anomaly maps63

4. Gravity modeling63

5. Discussion71

6. Conclusions73

Supporting Information75

Chapter 6. Thermal behaviour and subsidence of small oceans: the West Scotia Sea83

1. Introduction86

2. Regional setting87

3. Methodology90

4. Thermal behaviour of small oceans: The West Scotia Sea thermal subsidence and

heat flow92

5. Discussion94

6. Conclusions97

Chapter 7. Insights about the structure and evolution of the Scotia Arc from a new magnetic data compilation99

1. Introduction103

2. Regional setting104

3. Material and methods106

4. Magnetic maps108

4.1. New Magnetic Anomaly map108

4.2. Analytic signal magnetic anomaly map108

5. Magnetic anomaly profiles and modeling111

6. Discussion115

7. Conclusions118

Chapter 8. Tectonics and palaeoceanographic evolution recorded by contourite features in southern Drake Passage (Antarctica)121

1. Introduction124

2. Regional setting126

2.1. Tectonic evolution126

2.2. Regional stratigraphy128

2.3. Oceanographic setting129

3. Data and methodology130

4. Seismic stratigraphy131

4.1. Older units132

4.2. Younger units133

5. Geometry of drifts and erosional features140

5.1. Scotia Plate140

5.2. Phoenix Plate140

6. Temporal evolution of channels and moats141

7. Discussion144

7.1. Drifts and erosional features144

7.2. Tectonic evolution147

7.3. Palaeoceanographic implications148

7.4. Evolutionary stages149

8. Conclusions152

Chapter 9. Initial stages of oceanic spreading in the Bransfield Rift from magnetic and gravity data analysis155

1. Introduction158

2. Geological setting159

3. Data compilation162

3.1. Magnetic data162

3.2. Gravity data165

4. Magnetic and Gravity anomaly maps165

4.1. Magnetic map165

4.2. Bouguer gravity map167

5. Characterization of the central linear magnetic anomaly168

6. Forward gravity and magnetic modeling171

7. Discussion174

8. Conclusions180

Chapter 10. Monitoring the evolution of Deception Island volcano from magnetic anomaly data (South Shetland Islands, Antarctica)183

1. Introduction186

2. Regional setting188

3. Material and methods189

3.1. Error budget study190

3.1.1. External contributions192

3.1.2. Ship’s position193

3.1.3. Instrument errors194

3.1.4. UAV flight194

4. Comparison of anomaly maps and secular variation scenario194

4.1. Regional magnetic anomaly map195

4.2. Inner Bay magnetic study196

4.2.1. Austral summer 1987/1988 vs. December 1999197

4.2.2. December 1999 vs. December 2008197

4.2.3. Secular Variation and Magnetic study outside of DI197

4.3. Modeling and interpretation201

4.3.1. Regional model201

4.3.2. DI inner Bay area205

4.3.3. DI outer area207

5. Discussion208

5.1. DI inner bay area208

5.2. DI outer area211

6. Conclusions216

Chapter 11. General discussion219

Chapter 12. Conclusions/Conclusiones227

Conclusions229

Conclusiones235

Chapter 13. References241

Appendix. Other SCI published articles of the study area as a coauthor263

Deep-sea pre-glacial to glacial sedimentation in the Weddell Sea and southern Scotia

Sea from a cross-basin seismic transect265

Initial Phase of the West Scotia Mid-Oceanic Ridge Opening289

Furrows in the southern Scan Basin, Antarctica: interplay between tectonic and

oceanographic influences295

Conclusiones

Diferentes tipos de datos y metodologías han sido integradas en esta Tesis Doctoral con la finalidad de conseguir un mejor entendimiento de la evolución y dinámica del Arco de Scotia y las áreas circundantes, desde la astenosfera hasta sus implicaciones sobre el fondo oceánico. La Tesis consiste en seis artículos que o bien están publicados o en revisión en revistas de alto impacto internacional. Las discusiones detalladas se han presentado en cada artículo, así como una discusión general en el Capítulo 11. Por tanto, las conclusiones principales de esta Tesis Doctoral pueden resumirse en los siguientes puntos:

1. Se ha calculado el mapa de la anomalía de Bouguer Completa del Mar de Scotia y las áreas circundantes mediante datos de gravedad de satélite. El mapa revela los contrastes de densidad principales de la litosfera por primera vez en esta zona.

• Los datos de gravedad apoyan la presencia de un manto litosférico delgado y de baja densidad en el Mar de Scotia Occidental, sugiriendo así variabilidad en el espesor de la litosfera.

• Los datos sugieren que la Zona de Fractura Shackleton comenzó a comportarse como una barrera para los flujos astenosféricos procedentes del Pacífico en el Mioceno medio, al mismo tiempo que se convirtió en barrera para las corrientes oceánicas.

• El descenso en la salida del manto del Pacífico hacia la Dorsal de Scotia Occidental, en el Mar de Scotia, podría ser el principal responsable de la extinción de la dorsal oceánica del Mar de Scotia Occidental.

• La salida del manto del Pacífico a través del Paso del Drake podría existir aún en la actualidad, en los bordes litosféricos del norte y del sur, donde se localizan los altos astenosféricos y los altos valores de flujo de calor, lo que apoya la hipótesis de Alvarez (1982).

2. El comportamiento térmico de la litosfera del Mar de Scotia ha sido estudiado por primera vez, a través de datos de gravedad y sísmica multicanal, así como de edades y del modelo de enfriamiento de placa.

• Océanos pequeños y jóvenes tienen un espesor litosférico más delgado y valores de flujo de calor bajos debido al pequeño tamaño y menor energía de las células mantélicas.

• Estos factores determinan una mayor velocidad a la hora de alcanzar el equilibrio térmico y las profundidades finales por la subsidencia. Debido a esta evolución térmica más rápida de los océanos pequeños, se propone la siguiente relación profundidad-edad

d(t)=4480-19380exp(-t⁄4).

• El flujo de calor ha sido modelizado para océanos pequeños e indica edades aparentes mayores que para océanos grandes. No es posible discriminar edades de la corteza superiores a 15 Ma en océanos pequeños. Sin embargo, el método del flujo de calor es la mejor medida para obtener el máximo espesor litosférico.

• En la zona noreste de la Dorsal de Scotia Occidental, la actividad de las células del manto, principalmente alimentadas por el manto del Pacífico, disminuye determinando el progresivo enfriamiento del manto y el hundimiento de los pasillos oceánicos.

• Todos estos procesos ayudaron a la extinción de los centros de expansión y a una más rápida conexión profunda entre los océanos Pacífico y Atlántico a través del Paso del Drake, el cuál es un área clave relacionada con el comienzo de la Corriente Circumpolar Antártica, con efectos climáticos globales e intercambios de flora y fauna marinos y terrestres.

3. Se ha presentado en esta Tesis Doctoral la compilación más completa de anomalías magnéticas del Arco de Scotia realizada a partir de datos marinos, aeromagnéticos y de satélite. Estos datos proporcionan una nueva visión sobre la reconstrucción del puente continental entre Sudamérica y la Antártida, anterior al desarrollo del Arco de Scotia.

• Se identifican anomalías de alta intensidad en las zonas oceánicas de la antigua Placa Phoenix y las zonas del oeste del Mar de Scotia Occidental, el Mar de Scotia Oriental y el área al noreste de la Isla Georgia del Sur. En cambio, anomalías de baja intensidad se observan en el Mar de Scotia Central y la parte este del Mar de Scotia Occidental.

• Las anomalías lineales identificadas al norte de la Dorsal Norte de Scotia coinciden con la Cuenca Falkland, lo que probablemente aporta evidencias de la intrusión un dique alargado en dirección E-O en un episodio de adelgazamiento continental.

• El límite continente-océano está caracterizado por un máximo lineal alargado, el cual se observa a lo largo del margen meridional de la Dorsal Norte de Scotia.

• La Anomalía del Margen Pacífico se reconoce con claridad en la Península Antártica y las Islas Shetlands del Sur, extendiéndose a lo largo de los bloques continentales de la Dorsal Sur de Scotia: Microcontinente de las Orcadas del Sur y el Banco Discovery, y podría identificarse en la parte norte del Banco Herdman.

• La variabilidad en la intensidad de la Anomalía del Margen del Pacífico podría ser consecuencia de la tendencia asimétrica de la subducción de la Placa Phoenix, la cual es ortogonal al Margen Pacífico de la Península Antártica y oblicua a Sudamérica.

• La principal señal magnética identificada en la Dorsal Norte de Scotia (Banco de la Georgia del Sur y otras anomalías menores) podría estar asociada a rocas básicas emplazadas en cuencas de pull-apart formadas a lo largo de la zona transcurrente que separa Sudamérica y la Antártida desde el Cretácico debida a la expansión oceánica del Atlántico Sur.

4. Procesos tectónicos, de evolución sedimentaria, paleoceanográficos y de cambio climático han sido relacionados en esta Tesis Doctoral haciendo uso de datos de sísmica multicanal de la región del punto triple al sur del Paso del Drake.

• Se han observado evidencias de actividad de corrientes profundas a lo largo de toda la secuencia sedimentaria. Las características identificadas en las unidades más antiguas parecen estar relacionadas con la influencia de los flujos del Agua Profunda Circumpolar inicial, cuya trayectoria fue controlada por depresiones tectónicas. Por otra parte, las unidades más jóvenes se han interpretado como depósitos de drifts desarrollados bajo el efecto combinado de los flujos de las Aguas Profunda Circumpolar y la Profunda del Mar de Weddell.

• La Zona de Fractura Shackleton podría haber comenzado a formarse como relieve oceánico antes del Mioceno medio. Este relieve, junto con las incursiones iniciales del Agua Profunda del Mar de Weddell, forzaron a la Corriente Circumpolar Antártica y al Frente Polar a desplazarse hacia el norte, lejos de la Antártida, favoreciendo el aislamiento térmico de la región antártica, coetáneo al comienzo de la de la Capa de Hielo permanente de la Antártida Oriental y con el paisaje de tundra que persistió en la Península Antártica hasta hace al menos 12.8 Ma.

• La influencia de las corrientes de fondo fueron el factor controlador por encima del Reflector c. Las características erosivas están más marcadas cerca de las crestas sugiriendo una intensificación de la actividad de las corrientes de fondo debida a la apertura de los portales oceánicos a lo largo de la Dorsal Sur de Scotia y de la desviación de los flujos. Desde la edad del Reflector c, el Agua Profunda del Mar de Weddell ha salido del Mar de Weddell a través de pequeños pasillos, y fluido hacia el oeste a lo largo de la Dorsal Sur de Scotia hasta intersectar la Zona de Fractura Shackleton. Como consecuencia, una parte de la corriente es desviada hacia el norte, mientras que el resto del flujo continúa hacia el suroeste en dirección al Océano Pacífico, ayudado por la fuerza de Coriolis.

5. En esta Tesis Doctoral se ha discutido la naturaleza del back-arc joven de la Cuenca del Bransfield, creado como consecuencia de la tectónica del Mar de Scotia y la Placa Phoenix. Para ello se ha usado una nueva compilación de datos de campo potencial.

• El estudio de las anomalías de Bouguer revelan la asimetría de la Cuenca del Bransfield, con un suave límite en la Península Antártica y un límite brusco con el bloque de las Islas Shetlands del Sur. Además, los modelos gravimétricos sugieren que el espesor cortical puede alcanzar los 8.5 km a lo largo del eje volcánico de la cuenca y que el manto superficial posee un valor de densidad bajo y anómalo en este área.

• Las anomalías magnéticas están caracterizadas por la Anomalía del Margen Pacífico. Ésta se divide en dos ramas en el Estrecho de Bransfield debido a su apertura. El máximo alargado en dirección NE-SW corresponde a edificios volcánicos rodeados por mínimos, que están localizados a lo largo de la parte noroeste de la parte Central de la Cuenca del Bransfield, apoyando la asimetría de la cuenca.

• La integración de los datos confirma la actividad volcánica del eje volcánico central de la cuenca. Los mínimos locales de anomalía de Bouguer corresponden con áreas de mínimos relativos de anomalías magnéticas y susceptibilidades, de este modo se apoya la presencia de cámaras magmáticas en la parte Central de la Cuenca Bransfield.

• Los datos de campo potencial y la modelización son compatibles con el carácter extensional de la cuenca, que probablemente presenta corteza oceánica sobre un manto anómalo en la parte central. Además, la presencia del eje volcánico activo y la corteza delgada apoyan, así como otros datos geofísicos (perfiles de sísmica multicanal), un proceso de extensión continental en sus etapas finales o la presencia de corteza oceánica incipiente formada por la extensión de la parte Central de la Cuenca Branfield.

6. Dentro del marco del back-arc activo del Estrecho de Bransfield, ha sido analizado el volcán Isla Decepción, desde el punto de vista magnético, durante un periodo de 20 años.

• Se ha realizado un análisis muy detallado de errores para confirmar la calidad de los resultados. Es importante señalar que el estudio magnético de la isla no se centra en valores numéricos concretos sino en variaciones de las anomalías.

• Se han detectado variaciones en tres mapas de anomalías magnéticas de la bahía interior de Isla Decepción: las campañas de 1987/1988, la de Diciembre de 1999 y la de Diciembre de 2008. Estos cambios parecen causados por un ascenso de magma (en algún momento entre 1987 y 1999 en el sureste de la isla) y por una expansión posterior de los efectos térmicos.

• Se han encontrado, mediante el estudio de la distribución espacial de ΔSV, evidencias del movimiento del magma que afecta a la zona exterior sureste de la isla. El análisis de la distribución temporal y espacial de ΔSV revela variaciones de estos valores desde 1989 hasta Diciembre de 1999, lo que es coherente con el ascenso de una inyección magmática profunda bajo la parte este de Puerto Foster. Esto podría estar relacionado con las crisis volcánicas de los años 1992 y/o 1999. Durante el periodo 1999-2002, se detectan alteraciones de pequeña longitud de onda, que a su vez son coherentes con un progresivo enfriamiento de pequeñas estructuras. Sin embargo, el periodo 2002-2008 no muestra alteraciones significativas (al menos por encima del umbral), lo que sugiere una continuación en el proceso de calentamiento pero de una manera gradual que afecta a estructuras de gran tamaño.

• Esta técnica simple y rápida, con medidas magnéticas adquiridas periódicamente, permite monitorizar la evolución de la actividad de un volcán, y puede complementar a otras técnicas. Este tipo de información es especialmente útil en lugares remotos y no requiere un despliegue continuo de equipos. Sin embargo, para llevar a cabo esta técnica de manera fiable es necesario hacer énfasis en: usar un sistema de posicionamiento preciso y eliminar la contribución de campos magnéticos externos mediante el uso de una estación de referencia instalada en la zona de muestreo.