Imaging the Cape Verde hotspot structure
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Rosado Moscoso, Belén
2021-A
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O arquipélago de Cabo Verde faz parte da região da Macaronésia, que agrupa as ilhas dos Açores, Madeira, ilhas Selvagens e as ilhas das Canárias. O arquipélago é constituido por 10 ilhas e alguns ilhéus, situadas no Oceânico Atlântico, a aproximadamente 500 km da costa do Senegal [14°–18° N and 22°–26° W].
As ilhas de Cabo Verde assentam numa das maiores anomalias batimétricas, intra-placa, existente em bacias oceânicas, denominada Cape Verde Rise, que se terá formado com o movimento extrema-
mente lento da placa tectónica Africana, sobre um «hotspot» fixo no manto, devido à persistente ac- tividade vulcânica. A actividade vulcânica tem vindo a decorrer desde o Oligocénico até aos dias ac-tuais. Actualmente, o único vulcão activo do arquipélago situa-se na lha do Fogo. Contudo, têm vin-do a ser registados eventos vulcânico-tectónicos também junto à ilha da Brava e à ilha de Santo Antão.
A distribuição das ilhas em forma em ferradura origina a formação de duas cadeias divergentes. A Este encontram-se as ilhas mais antigas e a Noroeste e Sudoeste as mais recentes. São habitualmente classificadas em dois grupos de ilhas, de acordo com o regime de ventos dominante, o grupo de sotavento e o grupo de barlavento. As ilhas mais a norte, Santo Antão, São Vicente, São Nicolau,
Santa Luzia, Sal e Boavista fazem parte do grupo de barlavento. Por outro lado, as ilhas de Maio,
Santiago, Fogo e Brava integram o grupo do sotavento. Contudo, com base na coalescência do pe-
destal submarino dos edifícios das ilhas, a batimetria da região sugere uma outra divisão: uma ca-
deia a Norte composta pelas ilhas de Santo Antão, São Vicente, São Nicolau e Santa Luzia e, uma
cadeia de Este para Sul que inclui as ilhas do Sal, Boavista, Maio, Santiago, Fogo e Brava. A bati-
metria sugere ainda a existência de vários edifícios vulcânicos que nunca atingiram a superfície.
Se por um lado Cabo Verde é um local extremamente interessante para estudar as interações placa –
hotspot, dado a sua posição quase estacionária em relação à fonte mantélica, por outro lado a sua
particular batimetria e distribuição das ilhas tem um importante papel na geração do ruído sísmico
ambiente.
O ruído sísmico ambiente constitui cerca de 95% do sinal que é registado diariamente nas estações
sísmicas em todo o mundo. Há algumas décadas atrás, este sinal era descartado, em grande parte
porque não era possível armazenar grandes volumes de dados. Actualmente, desperta o interesse de
muitos investigadores das diferentes áreas da sismologia. Em 2004, Shapiro e Campillo mostraram
que se as fontes de ruído estiverem distribuídas em torno de um par de estações, de forma (quase)
homogénea, a função de correlação do ruído representa a função «Green» da propagação sísmica.
Esta descoberta levou ao aparecimento, desde então, de vários trabalhos com diferentes fins: Estudos
de tomografia sísmica com ruído sísmico ambiente; detecção de sinais anómalos nos registos
sísmicos; monitorização de vulcões, entre outros.
Nesta tese, usaram-se registos contínuos de dados sísmicos registados em duas redes sísmicas tem-
porárias, instaladas nas várias ilhas de Cabo Verde. A rede sísmica com o código YW, composta por
7 estações sísmicas de banda larga, esteve em funcionamento desde 2002 até 2004. Por sua vez, a
rede 9A é composta por 38 estações sísmicas, igualmente de banda larga, foi instalada em 2009 e re-
gistou por um período de 10 meses, até 2010. Ambas as redes foram instaladas no âmbito de proje-
tos cujo objectivo era estudar a estrutura da crusta e do manto sob as ilhas.
Apesar de serem cada vez mais comuns os trabalhos com base no ruído sísmico ambiente, é impor-
tante compreender a sua distribuição de fontes, sendo que estas têm efeito na estimativa das funções
de Green e, consequentemente, nos modelos tomográficos de velocidade e atenuação daí resultan-
tes.
Apresentamos aqui o resultado da análise do ruído microssísmico (0.03 – 0.3 Hz) registado, bem
como o número de sinais polarizados como ondas de Rayleigh e o respectivo «back-azimuth», em
função do tempo e da frequência. A batimetria local amplifica fortemente os microssismos secondá-
rios gerados na banda de frequências entre 0.1 e 0.3 Hz. Observamos ainda que as fontes registados
são maioritariamente locais e não fontes associadas às grandes tempestades do Atlântico Norte.
Para estudar as propriedades da crusta e do manto superior realizámos estudos tomográficos utili-
zando duas metodologias diferentes que utilizam diferentes tipos de dados: o ruído ambiente e os te-
lesismos.
Os dados telesísmicos e uma recente implementação do método das duas estações permitiu estender
o estudo da estrutura de Cabo Verde a uma zona mais profunda, o manto superior (até ~240 km).
Seleccionaram-se os eventos telesísmicos e procedeu-se ao cálculo das correlações cruzadas entre
cada par de estações para todos os eventos seleccionados. A partir destes sinais, determinámos uma
curva de velocidade de fase média para a região de Cabo Verde, que foi posteriormente invertida no
sentido de obter um perfil de velocidade das ondas S em função da profundidade. Os resultados ob-
tidos mostram um velocidade significativamente baixa, de aproximadamente 4.2 km/s, na astenosfe-
ra, indicativa da presença de temperaturas anormalmente elevadas e, possivelmente, fusão parcial. A
anomalia de temperatura é possivelmente responsável pelo rejuvenescimento da litosfera para uma
idade aparente de 30 Ma. De referir que a litosfera em Cabo Verde tem uma idade compreendida en-
tre os 110 e os 140 Ma.
Na tomografia de ondas de superfície do ruído ambiente cálculamos as correlações cruzadas de fase
entre todos pares de estações possíveis, exceptuando aqueles entre estações situadas na mesma ilha,
para obter as funções empíricas de Green. Seguidamente, determinamos os mapas de velocidade de
grupo, para uma banda de períodos entre 10 e 24 s, e a correspondente variacção da velocidade das
ondas S em função da profundidade. O modelo tomográfico final apresenta as principais anomalias
de velocidade que estão associadas à actividade tectónica e vulĉanica em Cabo Verde. Observámos
um anomalia de baixa velocidade sob a zona volcanicamente activa das ilhas do Fogo e da Brava,
visível em todas as profundidades analisadas. Consideramos que esta anomalia se deve ao volcanis-
mo activo ou a processos de fusão. As ilhas do grupo Noroeste apresentam anomalias de alta veloci-
dade, persistente em todas as profundidades consideradas. As ilhas de Santiago e Maio, aos 14 km,
apresentam uma inversão nas anomalias, passando de baixa para alta velocidade. O mesmo se re-
flecte no Sal aos 20 km.
A crusta espessa e pouco alterada pode justificar as anomalias de alta velocidade, as estas profundi-
dades, nas ilhas do grupo Noroeste. Para profundidades ao nível da Moho, a anomalia de alta velo-
cidade pode representar corpos intrusivos densos e/ou câmaras magmáticas remanescentes que ali-
mentavam, no passado, o volcanismo. Nas restantes ilhas a Sul, o nosso modelo apresenta anomali-
as de baixa velocidade. Uma vez que não existe volcanismo activo nestas ilhas, as anomalias de bai-
xa velocidade podem refletir fusão parcial ou magma enriquecido em CO 2 .
As principais anomalias evidenciadas pelo nosso modelo estão em concordância com resultados
previamente obtidos. Nomeadamente, os resultados obtidos na caracterização da anisotropia do
manto a partir da análise da birrefringência das SKS de Lodge e Helffrich (2006). As semelhanças
encontradas nos resultados, para diferentes profundidades, podem indicar que as anomalias encon-
tradas com a tomografia de ruído podem ter expressão ao nível do manto.
The Cape Verde archipelago is an interesting region to study plate-hotspot interactions, considering
hotspots as enigmatic surface features that are not easily explained in the plate tectonics theory.
The horseshoe geometry and the surrounding seafloor morphology and bathymetry of the Cape Ver-
de archipelago play a significant role in the generation of ambient seismic noise in this region. In
order to improve ambient noise based studies, it is important to understand the distribution of the
sources of ambient noise, as they affect the estimates of empirical Green’s function, and consequen-
tly the resulting isotropic and anisotropic tomographic models of velocity and attenuation. We
analyzed microseisms recorded in Cape Verde and determined the number of signals polarized as
Rayleigh waves, as well as their back azimuth as a function of time and frequency. We determined
that the local bathymetry around the Cape Verde Islands strongly amplifies local secondary micro-
seismic sources. Furthermore, we confirmed that Cape Verde stations mostly record local sources.
In order to study the properties of the crust and upper mantle below Cape Verde, we performed sur-
face wave studies using two different types of data: ambient noise and teleseismic data.
By applying a recent implementation of the surface-wave two-station method we measured the pha-
se velocities of Rayleigh-wave fundamental modes in a broad period range (8–250 s). This method
is based on cross-correlating teleseismic earthquake seismograms between pairs of stations. From
these signals, we derived a robust, average, phase-velocity curve for the Cape Verde region, which
we inverted in order to obtain a shear-wave velocity profile. Our results show significantly low ve-
locities of ∼ 4.2 km/s in the asthenosphere, indicating the presence of anomalously high temperatu –
res and, eventually, partial melting. The temperature anomaly is probably responsible for the ther-
mal rejuvenation of the lithosphere to an effective age as young as about 30 Ma.
For ambient-noise tomography we computed phase cross-correlations between all station pairs, whi-
ch were then stacked, yielding empirical Green’s functions. Based on these, we derived group-velo-
city maps for the period band between 10 – 24 s and the corresponding 3D shear-wave velocity
structure. The final tomographic model shows the main velocity anomalies, which are associated
with tectonic and volcanic activity in Cape Verde. A clear low-velocity anomaly is observed beneath
the active volcanic area of the Fogo – Brava islands. This anomaly extends to the islands of Boavista
and Maio, even though with less expression. On the contrary, the islands of the Northwestern group
display velocities higher than the average at all depths.
hotspot geodynamics. The near stationarity of the African plate, relative to the hotspot reference frame implies that Cape Verde should be almost stationary with respect to its melting source. This
environment contributes to the isostatic aspects of the hotspot activity and allows the separation between the individual mechanisms responsible for the islands subsidence/uplift (Ramalho, 2011).
In this thesis we used broadband seismic data from two temporarily networks deployed in Cape Verde. The seven stations of network YW recording from 2002 to 2004, whereas the 38 stations of the 9A network were installed in 2009 and recorded for ten months, until 2010. Both networks were deployed with the main goal to study and characterize the structure of the crust and mantle beneath the Cape Verde islands.
Our major goal is to address the main tectonic and volcanic questions left open from previous studies of the region, namely by providing a 3D tomographic model of the crust and uppermost mantle beneath the Cape Verde archipelago. To this end, records of both networks were thoroughly
quality checked during pre-processing steps of the data. Unfortunately, we could not include data of network YW in our ambient noise tomography study due to problems, possibly related with the
clocks of the seismic stations. The data used was described in detail in chapter 2. In chapter 3, we used the data from both networks in order to analyze the microseisms recorded in Cape Verde. Through the polarization spectra of recorded microseisms we were able to identify
both PM and SM signals. We then determined the relative number of polarized signals, which vary from island to island. These polarized signals allowed us to identify a SM signal that is divided into
two sub-bands: one with lower frequency (0.1 – 0.2 Hz), corresponding to the commonly reported SM, visible in seismic records around the world, and a second signal with higher frequency (0.2 – 0.3 Hz). We called this latter signal a High Frequency Secondary Microseism (HFSM). The low-
frequency SM is consistent throughout the year and its BAZ does not show significant seasonal variations. On the contrary, the HFSM displays a clear seasonal variation, with a higher number of polarized signals coming from the northern hemisphere during the spring and summer.
For the first time, we investigated the impact of the Cape Verde archipelago geometry and nearby bathymetry in the generation of seismic ambient noise in that area. A comparison of the polarization
results with sources from the IOWAGA numerical ocean-wave model (Ardhuin et al. 2011) suggests that the recorded SM in the islands is not generated by the dominant North Atlantic storms.
Furthermore, we computed site effects for the archipelago, which revealed that local sources are amplified. This analysis, suggested that the horseshoe distribution of the islands plays a key role in the generation of microseismic noise in this region.
A better knowledge of the sources of ambient seismic noise is of a great importance for seismic
interferometry studies. The distribution of seismic sources can affect the empirical Green’s
functions estimates and consequently the isotropic and anisotropic tomographic inversions for velocity and attenuation (Harmon et al. 2010). In addition, understanding the sources of seismic ambient noise is by its own right an important area of research. This knowledge can contribute to the characterization of ocean activity (e.g. Neale et al. 2016) and provide a better understanding of climate change (e.g. Aster et al. 2010).
In chapter 4 we applied the two-station method to teleseismic data recorded by both networks in order to obtain Rayleigh-wave fundamental-mode phase velocity dispersion measurements in a
broad period band (8 – 250 s). Based on this data, we derived a robust average, phase-velocity curve for the Cape Verde archipelago. We then inverted the phase velocity dispersion curve, in order to obtain a shear-wave velocity profile, unavailable before. Our Cape Verde Vs profile reveals a low-velocity zone, with a velocity of ~4.2 km/s, located between 60 to 170 km depth. This low-velocity zone suggests a temperature anomaly, at these depths, in the asthenosphere. From the comparisons
between our Cape Verde Vs profile and profiles for normal Central Atlantic lithosphere of different ages, we concluded that the identified temperature anomaly is likely the responsible for a rejuvenation of the lithosphere to an apparent age of approximately 30 Ma. This rejuvenated age is much lower than the previously proposed value of 59 Ma (Sleep, 1990), which reduces the need to invoke a significant role of dynamic support for the Cape Verde swell.
In chapter 5, we computed a 3D ambient noise tomographic model for Cape Verde using only data of network 9A. We first obtained Rayleigh-wave group velocity maps from ambient noise EGFs in the period band T~ 10 – 24 s. The group velocity maps were then inverted in order to obtain S-wave velocity models at different depths (6 – 30 km), which together compose a 3D tomographic S-wave velocity model. This 3D model images important features of the structure below the Cape Verde archipelago: a strong low-velocity anomaly beneath the islands of Fogo and Brava, visible at all considered depths; a high-velocity anomaly beneath the islands of the Northwestern group, which also persists at all depths; an inversion in velocity anomalies, from lower to higher than average,
beneath the islands of Santiago and Maio at approximately at 14 km and in the island of Sal at higher depths (~20 km). We attributed the faster velocity anomalies at crustal depths in the northern islands, to their thick non-altered crust. Deeper, below the Moho, the fast velocities below these
islands are possibly representative of solidified intrusive bodies and/or remnants of magma chambers that fed past volcanism that no longer exists. The low-velocity anomaly below the islands
of Fogo and Brava is likely related to active volcanism or melting processes, in good agreement
with the active volcanism still taking place in these islands today.
In the remaining southern islands of Cape Verde, our 3D tomographic model images velocities lower than average. Nowadays, there is no active volcanism in these island. Yet, the low velocities may reflect partial melting of magma enriched in CO 2 . The features found in our model are in good agreement with previous results obtained for mantle depths in the SKS study of Lodge and Helffrich (2006). This can be indicative that the anomalies that we found have expression deep down into the mantle.
In chapter 6, we present the complexities faced when dealing with inter-station paths that cross the ocean for periods below 10 s. The results provided new insights on the influence of the water layer (with thickness > 0.5 km) on Rayleigh-wave group velocity dispersion measurements. In addition, we carried out inversions of the measured dispersion curves in some islands, for periods below 10 s, in order to infer 1D models of the Earth structure below the Northwest and Northeast island groups.
These results are in good agreement with those obtained in the 3D tomographic models.
In conclusion, we analyzed microseismic noise sources using data recorded in Cape Verde archipelago, which seem to be generated by local sources. We proposed an average shear-wave depth-dependent model for the Cape Verde area, which led us to suggest that the lithosphere was
rejuvenated to an apparent age of ~30 Ma. Lastly, we presented and interpreted a unique 3D tomographic model for the archipelago, which exhibits interesting volcano-tectonic features that are in good agreement with previous studies, such as clear low-velocity volume below the volcanically active islands of Fogo and Brava.