Onset and evolution of the Scotia Sea Basins, Antarctica: Tectonic, Sedimentary and Palaeoceanographic Implications

Pérez Miguel, Lara F.

2015-A
Descargar PDF

Resumen

El Mar de Scotia se sitúa en el Océano Austral, al este del Estrecho del Drake en un área geológica muy compleja (British Antarctic Survey, 1985). Está formado por dos placas tectónicas de dimensiones pequeñas con una corteza de naturaleza principalmente oceánica (Fig. 1). En su parte meridional y limitando las llanuras abisales se encuentran altos estructurales de corteza de naturaleza continental procedentes de la anterior conexión entre América del Sur y la Península Antártica (e.g. Eagles y Jokat, 2014). El objetivo principal de este estudio ha sido clarificar el inicio y la evolución estratigráfica de las cuencas sedimentarias existentes en la parte meridional del Mar de Scotia. Se aborda un estudio que engloba aspectos tectónicos, procesos sedimentarios, oceanografía y clima, y se propone un nuevo modelo de evolución regional que incluye el intercambio de masas de agua entre el Mar de Weddell y los océanos Pacífico y Atlántico. Se presenta un estudio regional de la arquitectura estratigráfica de las cuencas a través de análisis sismo-estratigráfico y morfo-estructural de los perfiles de sísmica multicanal disponibles en el área (Fig. 2). Además, se consideran modelos de gravedad y anomalías magnéticas en orden de constreñir la naturaleza y edad de las cuencas.

Figura 1.- Marco tectónico del Mar de Scotia (Modificado de Maldonado et al., 2006). Legenda: 1, falla transformante; 2, falla transcurrente activa; 3, zona de subducción inactiva; 4, zona de subducción activa; 5, zona de extensión activa; 6, centro de expansión activo; 7, centro de expansión inactivo; 8, limite corteza continental-oceánica. BCFS, Sistema de fallas del Canal Beagle; FTB, Faja Plegada y Corrida; MFFS, Sistema de fallas Magallanes-Fagnano; M/F T, Fosa Malvinas/Falkland; SST, Fosa South Sandwich; ST, Fosa (S) Shetland. Cuencas: DB, Cuenca Dove; JB, Cuenca Jane; OB, Cuenca Ona; PB, Cuenca Powell; PrB, Cuenca Protector; SB, Cuenca Scan.

La Cuenca Scan es la más oriental de las cuencas ubicadas en el sur del Mar de Scotia (Fig. 1). Se han descrito las principales características morfo-estructurales de esta cuenca y la reconstrucción sismo-estratigráfica revela sus patrones de crecimiento sedimentario. Aunque esta cuenca está formada principalmente por corteza oceánica los resultados obtenidos aquí revelan dos procesos de formación diferentes en los sectores sur y norte. La calibración estratigráfica con las regiones adyacentes y la distribución de las unidades en el registro sedimentario indican que esta cuenca se formó a través de procesos de fragmentación continental seguidos de la formación de corteza oceánica desde el Oligoceno al Mioceno (Pérez et al., 2014a). Esta edad sitúa a la Cuenca Scan entre las más antiguas del sur del Mar de Scotia, posiblemente coetánea a la apertura del Estrecho del Drake durante el Eoceno-Oligoceno (e.g. Maldonado et al., 2014). Las fases iniciales de su evolución están marcadas por la influencia de procesos de transporte en masa y turbiditas. Sin embargo, desde el Mioceno medio a la actualidad el desplazamiento hacia el este de la cuenca y la conexión con el Mar de Weddell facilitan la circulación de las masas de agua profundas y los procesos sedimentarios along-slope relacionados con las corrientes profundas (bottom-currents) adquieren mayor importancia. Al sur de esta cuenca se localiza el Paso de Bruce, un portal oceánico de 3000 m de profundidad que conecta la Cuenca Scan con la Cuenca Jane y el Mar de Weddell. Este paso representa uno de los pocos ejemplos conocidos de overflow oceánicos profundos y a través de él tuvieron lugar las primeras inclusiones del Agua Profunda de Weddell hacia el Mar de Scotia y la interacción de la misma con la masa de agua principal del Océano Austral, el Agua Profunda Circumpolar (Pérez et al., 2014a).

La Cuenca Dove está situada más al oeste y orientada NE-SW (Fig. 1). Esta cuenca se formó durante la migración hacia el este del Arco de Scotia. Su corteza es principalmente de naturaleza oceánica con un alto central orientado aproximadamente N-S que ha sido interpretado como el antiguo centro de expansión de la misma (e.g. Eagles et al., 2006). Sobre este alto se han obtenido muestras dragadas, los basaltos obtenidos derivan del manto astenosférico superior en un contexto tectónico de extensión generada por el back-arc y evolucionan en el tiempo a basaltos de cuenca de back-arc pasando por basaltos de dorsal medio-oceánica. Las dataciones realizadas en estos últimos unidas a los modelos basados en anomalías magnética revelan una edad de formación de esta cuenca en torno a los 22.8-20.4 Ma (Galindo-Zaldívar et al., 2014). Aunque el registro sedimentario de la cuenca revela una fuerte influencia de procesos sedimentarios por transporte gravitatorio desde los altos adyacentes, esto sedimentos se encuentran posteriormente influenciados por la circulación de corrientes oceánicas profundas. En esta cuenca se registra la interacción entre el Agua Profunda Circumpolar, el Agua Profunda del Mar de Weddell y el Agua Profunda del Sureste Pacífico.

Figura 2.- Base de datos de sísmica multicanal recopilada durante la presente tesis.

Al oeste está ubicada la Cuenca Protector (Fig. 1) desarrollada a partir de un centro de expansión progradante de sur a norte (Galindo-Zaldívar et al., 2006). Los eventos tectónicos relacionados con la evolución inicial de esta cuenca controlan la disposición estratigrafía de la parte inferior del registro sedimentario dominado por procesos down-slope. Sin embargo, la inclusión del Agua Profunda del Mar de Weddell durante el Mioceno medio inicia la interacción de la misma con el Agua Profunda Circumpolar que se ve desplazada a una posición más septentrional (Pérez et al., 2014b). La circulación de estas masas de agua profundas y la interacción entre ellas han controlado los procesos sedimentarios desde el Mioceno medio a la actualidad.

El extremo suroeste del Mar de Scotia está ocupado por la Cuenca Ona (Fig. 1), la cual se divide en dos subcuencas (Oeste y Este) por el Alto estructural de Ona. La cuenca Este ha sido reconocida como el sector de corteza oceánica más antiguo del Mar de Scotia y tiene por tanto una gran importancia en la reconstrucción de las primeras fases de apertura del Estrecho del Drake (Maldonado et al., 2014). El desarrollo de portales oceánicos someros permitió la conexión inicial entre los océanos Pacifico y Atlántico e inicio el aislamiento térmico de la Antártida durante el Eoceno medio-superior. El aislamiento completo llego con la profundización de esos portales durante el Eoceno/Oligoceno.

El registro sedimentario de todas estas cuencas presenta evidencias de depósitos de transporte en masa que se relacionan con eventos tectónicos y sedimentarios (Ruano et al., 2014). También se han identificado diferentes tipos de estructuras y facies sísmicas relacionadas con la existencia de migración de fluidos e hidratos de gas (Somoza et al., 2014).

Las cuencas sedimentarias del sur del Mar de Scotia se formaron en un contexto de back-arc, aunque su formación comenzó a partir de los dos tipos de fragmentación diferentes que tienen lugar en los márgenes pasivos. Las cuencas más antiguas, Ona y Scan, presentan procesos de fragmentación típicos de márgenes pasivos volcánicos mientras que la fragmentación en las cuencas más jóvenes, Dove y Protector, responden al modelo seguido en los márgenes pasivos no volcánicos (Tabla 1).

Tabla 1.- Resumen de las principales características de las cuencas meridionales del Mar de Scotia. TWTT, Tiempo doble.

El modelo evolutivo para el Mar de Scotia resultante incluye dos fases principales: 1) el Paleógeno cuando se inició la formación del Mar de Scotia y 2) la progresión del Arco de Scotia hacia el este durante el Neógeno y Cuaternario. Dentro de esta última fase, el primer cambio en el campo de esfuerzos tectónicos del Mar de Scotia desde el inicio de la formación del Estrecho del Drake, ocurrió entre la formación de los dos tipos de cuencas anteriormente mencionados (Tabla 1). Este cambio está relacionado con el final de la subducción del Mar de Weddell, el cual se ha datado en Mioceno inferior (alrededor de 22 Ma) y se considera el primer cambio importante en la arquitectura sedimentaria (Reflector-e; Fig. 3).

Figura 3.- Esquema de la columna estratigráfica a lo largo de las cuencas meridionales del Mar de Scotia.

El siguiente gran cambio en el patrón estratigráfico ocurrió en el Mioceno medio y está relacionado con un cambio en el modelo oceanográfico generado por la apertura de los principales portales oceánicos entorno al Mar de Scotia de forma coetánea al reajuste tectónico y una fase de subsidencia (Reflector-c; Fig. 3). Esta apertura permitió la intrusión del Agua Profunda del Mar de Weddell en el Mar de Scotia desplazando el Agua Profunda Circumpolar a una posición más septentrional e instaurándose como el flujo de fondo de la parte sur del Mar de Scotia hasta el presente. Este cambio tectónico ha sido registrado en la parte noroeste del Mar de Scotia (Pérez et al., 2015), así como de manera global. Los sucesivos cambios ocurridos durante el Mioceno superior y Plioceno superior intensificaron la circulación del Agua Profunda del Mar de Weddell coetáneamente con episodios tectónicos y climáticos (Fig. 4).

Figura 4.- Integración de los eventos tectónicos y sedimentarios en el área de estudio (* introducidos por este trabajo) en una compilación de los eventos tectónicos (en rojo) a escala regional y del Hemisferio Sur. Las barras verdes marcan periodos de compresión activa en la Cordillera de los Andes. El contexto de las glaciaciones globales y la curva de isotopos de oxigeno está basada en Zachos et al. (2008). Las curvas estáticas son de Miller et al. (2005) (lila) y Kominz et al. (2008) (morado). La conexión de las cuencas oceánicas del Hemisferio Sur mediante el Agua Profunda Antártica (AABW) se muestra en azul. EECO, Optimo climático del Eoceno inferior; LMW, Calentamiento del Mioceno superior; LPTM, Máximo térmico del Paleoceno superior; MECO, Optimo climático del Eoceno medio; MMCO, Optimo climático del Mioceno medio; MMCT, Transición climática del Mioceno medio; MPCT, Transición climática del Plioceno medio.

La arquitectura sedimentaria en el Mar de Scotia ha estado marcada por la tectónica regional y los eventos oceanográficos que a su vez forman parte de episodios globales de intensa actividad tectónica y oscilaciones climáticas mayores (Fig. 4). La coincidencia temporal de eventos tectónicos, sedimentarios, climáticos y oceanográficos sugiere una estrecha relación entre estos factores. Mientras que la relación entre eventos climáticos y paleocenaográficos ha sido reconocida, la tectónica puede actuar como factor de control de estos cambios a diferentes escalas.

Referencias:

British Antarctic Survey, 1985. Tectonic map of the Scotia Arc, British Antarctic Survey, Cambridge (Ed.), Sheet (Misc) 3, p. Scale 1:3.000.000.

Eagles, G., Livermore, R., Morris, P., 2006. Small basins in the Scotia Sea: The Eocene Drake Passage gateway. Earth and Planetary Science Letters 242(3-4), 343-353.

Eagles, G., Jokat, W., 2014. Tectonic reconstructions for paleobathymetry in Drake Passage. Tectonophysics 611, 28-50. doi.org/10.1016/j.tecto.2013.11.021.

Galindo-Zaldívar, J., Bohoyo, F., Maldonado, A., Schreider, A., Suriñach, E., Vázquez, J.T., 2006. Propagating rift during the opening of a small oceanic basin: the Protector Basin (Scotia Arc, Antarctica). Earth and Planetary Science Letters 241(3-4), 398-412.

Galindo‐Zaldívar, J., Puga, E., Bohoyo, F., González, F.J., Maldonado, A., Martos, Y.M., Pérez, L.F., Ruano, P., Schreider, A.A., Somoza, L., Suriñach, E., Díaz de Federico A., 2014. Magmatism, Structure and Age of Dove Basin (Antarctica): A Key to Understanding South Scotia Arc Development. Global and Planetary Change 122, 50-69.

Kominz, M.A., Browning, J.V., Miller, K.G., Sugarman, P.J., Mizintseva, S., Scotese, C.R., 2008. Late Cretaceous to Miocene sea-level estimates from the New Jersey and Delaware coastal plain coreholes: an error analysis. Basin Research 20(2), 211-226.

Maldonado, A., Bohoyo, F., Galindo-Zaldívar, J., Hernández-Molina, F.J., Jabaloy, A., Lobo, F.J., Rodríguez-Fernández, J., Suriñach, E., Vázquez, J.T., 2006. Ocean basins near the Scotia – Antarctic plate boundary: Influence of tectonics and paleoceanography on the Cenozoic deposits. Marine Geophysics Research 27(2), 83-107.

Maldonado, A., Bohoyo, F., Galindo-Zaldívar, J., Hernández-Molina, F.J., Lobo, F.J., Lodolo, E., Martos, Y.M., Pérez, L.F., Schreider, A.A., Somoza, L., 2014. A Model of Oceanic Development by Ridge Jumping: Opening of the Scotia Sea. Global and Planetary Change, 123, 152-173. doi: 10.1016/j.gloplacha.2014.06.010.

Miller, K.G., Wright, J.D., Browning, J.V., 2005. Visions of ice sheets in a greenhouse world. Marine Geology 217 (3-4), 215-231.

Pérez, L.F., Lodolo, E., Maldonado, A., Hernández-Molina, F.J., Bohoyo, F.; Galindo-Zaldivar, J., Lobo, F., 2014a. Tectonic development, sedimentation and paleoceanography of the Scan Basin (southern Scotia Sea, Antarctica). Global and Planetary Change, 123, 344-358. doi: 10.1016/j.gloplacha.2014.06.007.

Pérez, L.F., Maldonado, A., Bohoyo, F., Hernández-Molina, F.J., Vázquez, J.T., Lobo, F.J., Martos, Y.M., 2014b. Depositional processes and growth patterns of isolated oceanic basins: the Protector and Pirie basins of the Southern Scotia Sea (Antarctica). Marine Geology 357, 163-181.

Pérez, L.F., Hernández-Molina, F.J., Esteban, F.D., Tassone, A., Piola, A.R., Preu, B., Violante, R.A., Lodolo, E., 2015. Erosional and depositional contourite features at the western Scotia Sea-southern Atlantic Ocean transition: links with regional water mass circulation from middle Miocene to Present. Geo-Marine Letters, in press. doi: 10.1007/s00367-015-0406-6

Ruano, P., Bohoyo, F., Galindo-Zaldívar, J., Pérez, L.F., Hernández-Molina, F.J., Maldonado, A., Medialdea, T., García, M., 2014. Mass-transport processes in the southern Scotia Sea: Evidence of paleoearthquakes. Global and Planetary Change, 123, 374-391. doi: 10.1016/j.gloplacha.2014.06.009.

Somoza, L., León, R., Medialdea, T., Pérez, L.F., Gonzalez, F.J., Maldonado, A., 2014. Seismic evidences of the occurrence of fluid flow and gas hydrates in the Scotia Sea. Global and Planetary Change, 123, 359-373. doi: 10.1016/j.gloplacha.2014.08.004.

Zachos, J.C., Dickens, G.R., Zeebe, R.E., 2008. An early Cenozoic perspective on greenhouse warming and carbon-cycle dynamics. Nature 451(7176), 279-283.

Abstract

The Scotia Sea is a complex area located in the Southern Ocean, to the east of Drake Passage (British Antarctic Survey, 1985). Internally it is formed by two small tectonic plates of a mainly oceanic nature (Fig. 1). Structural highs of a continental nature, from the former continental bridge between South-America and the Antarctic Peninsula, surround the southern abyssal plains (e.g. Eagles and Jokat, 2014; Maldonado et al., 2014). The main aim of this study is to describe the onset and stratigraphic evolution of the south Scotia Sea sedimentary basins. The interplay between tectonics, sedimentary processes, oceanography and climate is explored to trace a regional evolution linked to water mass interchange between the Weddell Sea and the Pacific and Atlantic oceans. The basins´ stratigraphic architecture is studied in detail through a seismo-stratigraphic and morpho-structural analysis of available multichannel seismic profiles (Fig. 2). Gravity and magnetic anomaly models are additionally considered to constrain the nature and age of the basins.

Figure 1.- Tectonic setting of the Scotia Sea (modified from Maldonado et al., 2006). Legend: 1, transform fault; 2, active transcurrent fault; 3, inactive subduction zone; 4, active subduction zone; 5, active extensional zone; 6, active spreading centre; 7, inactive spreading centre; 8, continental-oceanic crust boundary. BCFS, Beagle Channel Fault System; DB, Dove Basin; FTB, Fold and Thrust Belt; JB, Jane Basin; MFFS, Magallanes-Fagnano Fault System; M/F T, Malvinas/Falkland Trough; OB, Ona Basin; PB, Powell Basin; PrB, Protector Basin; SB, Scan Basin; SST, South Sandwich Trench; ST, (South) Shetland Trench.

Scan Basin is the easternmost one within the southern Scotia Sea (Fig. 1). The results presented here point to two different formation processes in its southern and northern sectors. South of this basin lies Bruce Passage, a 3000 m deep gateway that connects Scan Basin with Jane Basin and the Weddell Sea. This passage represents one of the worldwide-identified examples of overflow, allowing the very first incursions of Weddell Sea Deep Water into the Scotia Sea and subsequent interaction with the main water masses of the Southern Ocean, including the Circumpolar Deep Water (Pérez et al., 2014a). The NE-SW oriented Dove Basin is located west of Scan Basin (Fig. 1), and its crust is primarily oceanic; a roughly N-S oriented ridge in the central part of the Dove Basin is interpreted as the remnant spreading centre (e.g. Eagles et al., 2006; Galindo-Zaldívar et al., 2014). This basin straddles the junction between the Circumpolar Deep Water, the Weddell Sea Deep Water and the South Pacific Deep Water. To the west, Protector Basin (Fig. 1) developed through a S-N propagating rift (Galindo-Zaldívar et al., 2006). The tectonic events involved in the initial evolution of this basin would control the basal stratigraphic architecture, whereas the Weddell Sea Deep Water and Circumpolar Deep Water interaction would drive the sedimentary processes from middle Miocene to Present-day (Pérez et al., 2014b). The southwestern corner of the Scotia Sea is occupied by the Ona Basin (Fig. 1). The so-called Ona High traces two discrete abyssal domains: the Western and Eastern

Ona basins. The Eastern Ona Basin is defined as the oldest sector of the Scotia Sea (Maldonado et al., 2014).

The sedimentary record of all these basins holds evidence of Mass Transport Deposits related to tectonic and sedimentary events (Ruano et al., 2014). Furthermore, diverse fluid leaks and Bottom Simulating Reflectors can be related to the presence of fluid migration in the southern Scotia Sea (Somoza et al., 2014).

Figure 2.- Seismic database generated for this work.

These small basins distributed over the southern Scotia Sea opened in a back-arc context, although they present different types of fragmentation associated with the processes undergone in the two end members of passive margins. The older Ona and Scan basins present fragmentation processes of volcanic passive rifting, whereas the fragmentation in the younger Dove and Protector basins responds to the model followed in magma-poor passive riftings (Table 1).

Table 1.- Summary of the main features of the southern Scotia Sea sedimentary basins. TWTT, Two Way Travel Time.

Onset and evolution of the Scotia Sea Basins, Antarctica: Tectonic, Sedimentary and Palaeoceanographic Implications

Lara F. Pérez

The resulting evolutionary model of the Scotia Sea entails two main phases: the Paleogene witnessed the onset of formation of the Scotia Sea, whereas eastward progress of the Scotia Arc took place during Neogene and Quaternary times. Within the latter phase, a primary change in the tectonic stress field of the Scotia Sea occurred between the two types of basins (Table 1). It is related to the end of the Weddell Sea subduction and can be seen as the first change in the sedimentary pattern, dating from early Miocene (Reflector-e; Fig. 3). The second major change in the stratigraphic pattern took place in the middle Miocene and is tied to alterations in the palaeoceanographic context due to the opening of main gateways around the Scotia Sea coeval with tectonic readjustments (Reflector-c; Fig. 3). This allowed the intrusion of Weddell Sea Deep Water into the Scotia Sea, shifting the former Circumpolar Deep Water to a northern position and establishing the former as the bottom flow of the southern Scotia Sea, up to the Present. This tectonic change has been globally documented and is reported here in the northwest part of the Scotia Sea (Pérez et al., 2015). Late Miocene and Late Pliocene paleoceanographic modifications enhanced the Weddell Sea Deep Water circulation in conjunction with climatic and tectonic episodes (Fig. 4).

Figure 3.- Synthetic sketch of the stratigraphic column along the southern Scotia Sea basins.

Regional changes are recorded in the sedimentary stacking pattern of the Scotia Sea, while regional tectonic and oceanographic events involved in phases of intense plate tectonic activity and ice-sheet oscillations in Antarctica can be related to major climatic events (Fig. 4). The coeval occurrence of sedimentary, tectonic, climatic and palaeoceanographic events points to close interplay between these factors. Although the relationship between climatic and palaeoceanographic changes is broadly recognized, this contribution signals tectonics as a probable long- and short-term driver of both palaeoceanographic and climatic alterations.

Figure 4.- Integration of the study area´s sedimentary and tectonic sequences (* marks the input of this work) within a compilation of the main tectonic events (in red) at regional and Southern Hemisphere scales (see text for references). The green bars mark periods of active compression in the Andean Cordillera. The context of the global glaciations and oxygen-isotope curve is based on Zachos et al. (2008). The eustatic curves are from Miller et al. (2005) (light purple) and Kominz et al. (2008) (dark purple). The connection of the main Southern Hemispheric basins through the AABW is also indicated. EECO, Early Eocene Climate Optimum; LMW, Late Miocene Warm; LPTM, Late Paleocene Thermal Maximum; MECO, Mid-Eocene Climate Optimum; MMCO, Mid-Miocene Climate Optimum; MMCT, Mid-Miocene Climate Transition; MPCT, Mid-Pliocene Climate Transition.

References:

British Antarctic Survey, 1985. Tectonic map of the Scotia Arc, British Antarctic Survey, Cambridge (Ed.), Sheet (Misc) 3, p. Scale 1:3.000.000.

Eagles, G., Livermore, R., Morris, P., 2006. Small basins in the Scotia Sea: The Eocene Drake Passage gateway. Earth and Planetary Science Letters 242(3-4), 343-353.

Eagles, G., Jokat, W., 2014. Tectonic reconstructions for paleobathymetry in Drake Passage. Tectonophysics 611, 28-50. doi.org/10.1016/j.tecto.2013.11.021.

Miller, K.G., Wright, J.D., Browning, J.V., 2005. Visions of ice sheets in a greenhouse world. Marine Geology 217 (3-4), 215-231.

Zachos, J.C., Dickens, G.R., Zeebe, R.E., 2008. An early Cenozoic perspective on greenhouse warming and carbon-cycle dynamics. Nature 451(7176), 279-283.

Índice

Conclusiones