The interplay between deformation, erosion and sedimentation in the deep-water Mexican Ridges foldbelt, western Gulf of Mexico basin
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Yarbuh Lugo, Usama Ismael
2016-A
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Abstract.
The Interplay Between Deformation, Erosion And Sedimentation In The Deep-Water Mexican
Ridges Foldbelt, Western Gulf Of Mexico Basin.
This study deals with a geometric and kinematic analysis that allowed us to derive the
progression of the deformation of the Mexican Ridges fold belt (MRFB), western Gulf of
Mexico. The database we used in this study was a high-resolution 2D seismic line of the
MRFB, collected and processed by Petróleos Mexicanos, Exploración y Producción
(PEMEX-PEP). Unlike previous studies that relied in stratigraphic relations to unravel
fold kinematics, we use excess-area methods instead. From the excess-area plots for each
of the folds comprising the MRFB, we estimate the shortening and the erosional degradation
path of the seafloor deformed by folding. Previous authors analyzed stacking patterns of
growth strata concluding deformation occurred in two stages that continue up to present
times. While it is true that this contractional deformation system is still active, we
conclude deformation started synchronously during the Late Miocene throughout the MRFB
and not in two episodes as stated above. The reason for the seeming discrepancy is due to
the copious sedimentation in the eastern section of the fold belt with respect to
tectonic uplift. This hindered the development of onlap and thinning upward patterns
that commonly signal the beginning of fold growth. During early fold growth, nearly
constant thickness strata are deposited before a progressive unconformity develops. The
delay, in turn, introduces a bias toward younger ages in the identification of the
pregrowth/growth strata limit. Therefore, stacking geometries yield different values for
the beginning of deformation depending on whether sedimentation rate is higher than
uplift rate. We are also able to document changes of fundamental structural and
kinematic parameters across this contractional system such as shortening and strain,
tectonic uplift rate, sedimentation rate, and mass diffusion coefficient. Results
indicate that in general these parameters decrease with distance from the continental
slope to the distal part of the fold belt. In this study we also derive, from simple
harmonic analysis, mathematical functions describing the folding process in the MRFB.
From this analysis we obtain fold scaling laws and document the process of wavelength
selection during fold development using Fourier transform. Fold growth is governed by
two phenomena. One is the degree of amplification, and another is the selectivity of
the amplification. Our results show that the MRFB involves two dominant wavelengths.
One is the Biot’s wavelength of ~ 9.4 km, and another one is a closely related
secondary wavelength of ~ 8.0 km. Moreover, from Fourier analysis we observed that the
amplitude of the fold train decreases with depth to the detachment surface, yet the
maxima peaks in the spectra remain invariant with depth. The further spectral analysis
carried out at a structure scale, allowed us not only to derive the dominant wavelength
of the folds independently, but also to establish, on one hand, the relationship
between the amplitude and the depth to the detachment surface and, on the other hand,
how amplitude relates to linear strain across the MRFB. Here, we were able to
reconstruct the folding functions based on the values of the harmonic coefficients b1,
b2 and b3. From this analysis we derived two different fold shapes and deformation
mechanisms involved in the formation of the MRFB. One is limb rotation by flexural
slip folding, leading to pinched crest structures, namely cuspate-lobate anticlines,
and another one is hinge migration leading to relatively low-strain sine-wave anticlines.
Keywords: Contractional deformation system, kinematics of deformation, fault-related
folds, excess-area method, fold scaling laws, Fourier transform.
Resumen.
Interacción entre deformación, erosión y sedimentación en el cinturón plegado de las
Crestas Mexicanas, en el occidente del Golfo de México.
En este trabajo se realizó un análisis geométrico y cinemático del cinturón plegado de las
Crestas Mexicanas de aguas profundas (CPCM), en el occidente del Golfo de México, y así
estimar la progresión de la deformación en este importante sistema de deformación
contraccional. La base de datos que se utilizó para llevar a cabo este estudio es una
línea sísmica de alta resolución en dos dimensiones del CPCM, adquirida y procesada por
Petróleos Mexicanos, Exploración y Producción (PEMEX-PEP). A diferencia de estudios
anteriores, que utilizaron patrones de apilamiento y otras relaciones estratigráficas,
aquí se usa el método de exceso de área para cada una de las estructuras que conforman el
CPCM. De los diagramas de exceso de área se logró estimar el acortamiento, el comienzo de
la deformación y la degradación del fondo marino plegado. Autores anteriores analizaron
los patrones de apilamiento de los estratos de crecimiento concluyendo que la deformación
ocurrió en dos etapas y que el crecimiento de los pliegues continúa hasta la actualidad.
Si bien se sabe que este sistema de deformación se encuentra aún activo, nuestros
resultados muestran que la deformación comenzó sincrónicamente durante el Mioceno tardío
en todo el CPCM y no en dos episodios. La razón de la discrepancia se debe a la copiosa
sedimentación en la sección oriental del cinturón plegado respecto a la tasa de
levantamiento tectónico. Esto impide el desarrollo de geometrías de adelgazamiento de
capas y/o superficies tipo “onlap» hacia las crestas de los pliegues, fenómeno que
comúnmente se utiliza como criterio para identificar el comienzo de la deformación.
Durante el inicio de la deformación y crecimiento de pliegues, estratos de espesor casi
constantes son depositados previo a la ocurrencia de una discordancia progresiva. Este
retraso, a su vez, puede introducir sesgos hacia edades más jóvenes en la identificación
del límite de los estratos de pre-crecimiento/crecimiento. Por lo tanto, las geometrías de
apilamiento pueden producir diferentes valores en la estimación del inicio de la
deformación. Nuestro análisis indica que la diferencia es función de la velocidad de
sedimentación y la tasa de levantamiento. También se pudieron documentar los cambios de
parámetros estructurales y cinemáticos fundamentales a través de este sistema compresivo,
tales como el acortamiento y la distorsión, la tasa de levantamiento tectónico, la
velocidad de sedimentación y el coeficiente de difusión de masa. Los resultados indican
que en general estos parámetros disminuyen con la distancia desde el talud continental a
la parte distal del cinturón plegado. En este estudio también se derivaron, a partir de
análisis armónico, funciones matemáticas que describen el proceso de plegamiento en el
CPCM. Este análisis permitió derivar leyes de escalamiento que describen el crecimiento de
los pliegues, y se documenta el proceso de selección de la longitud de onda durante el
desarrollo de pliegues utilizando la transformada de Fourier. En general, el crecimiento
del pliegue se rige por dos fenómenos: (1) el grado de amplificación, y (2) la
selectividad de la amplificación. Los resultados muestran que en el CPCM se encuentran
involucradas dos longitudes de onda dominantes. Una de ellas es la longitud de onda de
Biot de ~ 9,4 km, y otra es una longitud de onda secundaria de ~ 8.0 km. Adicionalmente,
a partir del análisis de Fourier se observó que la amplitud del tren disminuye con la
profundidad de la superficie de despegue. Sin embargo, los picos máximos en los espectros
se mantienen invariables con la profundidad. El análisis espectral llevado a cabo a escala
de estructura, permitió derivar la longitud de onda dominante de los pliegues de forma
independiente; además de establecer, por un lado, la relación entre la amplitud y la
profundidad de la superficie de despegue y, por otra parte, cómo se relaciona la amplitud
con la distorsión lineal a través del CPCM. De esta manera, se reconstruyeron las funciones
de plegamiento basados en los valores resultantes de los coeficientes armónicos b1, b2 y
b3. A partir de este análisis se derivaron dos formas diferentes de pliegues y mecanismos
de deformación involucrados en la formación del CPCM. Una de ellas es por rotación de los
flancos de los pliegues por deslizamiento flexural, lo que genera estructuras con crestas
apretadas, llamados pliegues cuspados-lobados, y otra es por migración de la charlena de
los pliegues, lo que genera anticlinales de onda sinusoidal de baja distorsión relativa.
Palabras clave: Sistema de deformación contraccional, cinemática de la deformación,
pliegues relacionados con fallas, método de exceso de área, leyes de escalamiento en
pliegues, transformada de Fourier.
Table of content
The Interplay Between Deformation, Erosion And Sedimentation In The Deep-Water Mexican
Ridges Foldbelt, Western Gulf Of Mexico Basin
Page
Abstract…………………………………………………………………… ii
Abstract (Spanish)………………………………………………………….. iv
Dedication…………………………………………………………………. vi
Acknowledgements…………………………………………………………… vii
List of figures……………………………………………………………… x
List of tables……………………………………………………………… xv
Chapter 1. Synopsis (Spanish)
1.1. Introduction……………………………………………………… 1
1.2. Evolución tectónica y sedimentaria en el Golfo de México………………. 1
1.3. Origen y evolución del cinturón plegado de las Crestas Mexicanas, en el
occidente del Golfo de México…………………………………….. 3
1.4. Objetivos………………………………………………………… 6
1.4.1. Objetivos generales……………………………………….. 6
1.4.2. Objetivos específicos……………………………………… 7
1.5. Cinemática y dinámica de la sedimentación y erosión en el cinturón
plegado de las Crestas Mexicanas, en el occidente del Golfo de
México…………………………………………………………. 7
1.5.1. Interpretación sísmica…………………………………….. 9
1.5.2. Método de exceso de área………………………………….. 10
1.5.3. Estimación del inicio de la deformación, tasas de levantamiento
tectónico, tasas de sedimentación y degradación del fondo
marino……………………………………………….. 12
1.6. Leyes de escalamiento en pliegues y la selección de la longitud de onda
en inestabilidades por plegamiento usando series de Fourier…………. 12
1.7. Discusión y conclusiones generales…………………………………. 15
Chapter 2. Introduction
2.1. Architecture of contractional deformation systems……………………. 17
2.2. Objectives………………………………………………………. 21
2.2.1 General objectives………………………………………… 21
2.2.2. Specific objectives………………………………………. 22
Chapter 3. The interplay between deformation, erosion and sedimentation in the
deep-water Mexican Ridges foldbelt, western Gulf of Mexico basin
3.1. Introduction…………………………………………………….. 23
3.2. Geological background…………………………………………….. 26
3.3. Data and seismic interpretation……………………………………. 29
3.4. Style of folding…………………………………………………. 29
3.4.1. Detachment folds…………………………………………. 30
3.4.2. Fault-Propagation folds…………………………………… 30
3.5. Methods…………………………………………………………. 31
3.6. Results…………………………………………………………. 37
3.6.1. Structural analysis of pregrowth strata…………………….. 37
3.6.2. Structural analysis of growth strata……………………….. 41
3.7. Discussion………………………………………………………. 43
3.7.1 Kinematic model…………………………………………… 43
3.7.2. Dynamics of the deposition of growth strata and the delay of
the sedimentary response to folding………………………………. 46
3.7.3. Implications for mass transport processes and topographic
evolution……………………………………………….. 49
2.8. Conclusions……………………………………………………… 51
Chapter 4. Fold scaling laws and wavelength selection during folding instability
derived from Fourier series analysis
4.1. Introduction…………………………………………………….. 53
4.2. Fourier analysis of folded structures………………………………. 54
4.3. Methods…………………………………………………………. 57
4.4. Results…………………………………………………………. 59
4.5. Discussion………………………………………………………. 65
4.6. Conclusions……………………………………………………… 68
Chapter 5. General conclusions
5.1. Conclusions……………………………………………………… 70
List of bibliographic references……………………………………………… 72