Nuevos descubrimientos en la estructura litosferica oceánica usando gravimetría satelital y modelado termal: la placa Caribe como caso de estudio
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Gómez García, Angela María
2021-A
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Comprender de manera refinada la configuración de la litósfera puede mejorar significativamente la fiabilidad de las evaluaciones de geopeligros. Sin embargo, es un reto alcanzar tal comprensión allí donde la cobertura de datos es limitada, por ejemplo, en la litósfera oceánica, uno de los componentes menos conocidos de la parte superior de la Tierra sólida. En el océano, las técnicas clásicas para la adquisición directa de datos proporcionan los resultados más precisos, pero requieren campañas costosas en tiempo y dinero, que típicamente sólo pueden cubrir áreas relativamente pequeñas.
Hoy en día, las misiones satelitales han mejorado enormemente las medidas de campos potenciales con cobertura global, incluyendo los gradientes verticales de la gravedad y las más comúnmente usadas anomalías de gravedad. Conjuntos de datos combinados de gravimetría, altimetría y medidas terrestres pueden usarse para desarrollar y poner a prueba modelos 3D de escala litosférica, con alta resolución
espacial y cobertura homogénea.
En esta tesis, modelos 3D del dominio oceánico del Caribe, integradores de datos y validados por gravimetría, se usan para demostrar que, a pesar de los escasos datos directos, es posible obtener nueva información de la densidad y de la configuración termal de la litósfera. Estos modelos pueden contribuir a estudios más fiables de los geopeligros.
Primero, se propone una nueva metodología para identificar límites tectónicos, basada en los gradientes verticales de gravedad, de cobertura global. Ésta técnica se puede aplicar en otros contextos tectónicos del mundo, puesto que emplea bases de datos de acceso público. Con este método, se confirman límites tectónicos o de terrenos en el dominio oceánico del Caribe, y se proponen otros nuevos. Los límites más destacables incluyen: el límite entre las placas Norte y Sur Americanas, en la subducción de las Antillas Menores; el límite más probable entre las cuencas de Colombia y Venezuela, en el área de la Dorsal de Beata; el límite entre dos dominios corticales en la cuenca de Grenada; y la transición océano-continente a lo largo de las márgenes continentales de la placa del Caribe. Además, se identifican por vez primera extensos cuerpos de alta y baja densidad en las Antillas Menores y de Sotavento, y un cuerpo anómalo de baja densidad en la subducción de las Antillas Menores del Norte.
A continuación, un modelo de densidad en 3D de escala litosférica, validado con anomalías de gravedad, se presenta para el sur del Caribe y el noroeste de la placa Sur Americana. En esta región, bajo el continente Sur Americano, interaccionan las subducciones planas de las placas de Nazca y del Caribe. En el modelo se integró una geometría de esta subducción tras llevar a cabo un análisis de sensibilidad a diferentes configuraciones de densidad del manto. En la distribución de densidad calculada se reconoce material de una pluma fósil, actualmente preservada dentro del manto superior oceánico del Caribe. Esta pluma preservada no se había identificado hasta ahora.
Usando el modelo validado por gravimetría, se calcula por primera vez el campo termal litosférico en 3D para el área de estudio, y se discuten sus implicaciones para la resistencia litosférica y los geopeligros. Dada la configuración prescrita al modelo, la litósfera en el orógeno andino resulta ser más débil que en los alrededores, y por tanto, más propensa a experimentar deformación posterior. Se analizan las temperaturas a las que nuclean los terremotos, aunque se reconocen las limitaciones de asumir estado estacionario en un sistema de subducción plana. Los resultados sugieren que hay un intervalo asísmico entre los 35 y 39 km de profundidad, con temperaturas modeladas de entre 520°C y 600°C, que puede estar asociado con la transición de litologías en la litósfera (de la corteza continental al manto superior), pero adicionalmente, puede estar relacionado con el comienzo de la ventana sismogénica del olivino, a 600°C. Adicionalmente, se delinean las potenciales zonas de estabilidad de los hidratos de gas en los sedimentos marinos, señalando por tanto las áreas donde la desestabilización de los hidratos puede potencialmente desencadenar deslizamientos submarinos y tsunamis.
A refined understanding of the lithospheric configuration may greatly improve the accuracy of geohazard assessments. However, it is challenging to reach such comprehension where data coverage is limited, such as the oceanic lithosphere, one of the least well-known features on the outer solid Earth. In the ocean, classic techniques for direct data acquisition provide the most accurate results, but they require expensive and time-consuming campaigns, which can only typically cover relatively small areas.
Nowadays, satellite missions have greatly improved the measurements of potential fields with global coverage, including the Vertical Gravity Gradients and the more commonly used gravity anomalies. Combined datasets of satellite gravimetry, altimetry and terrestrial measurements can be used to develop and test 3D lithospheric-scale models, with high spatial resolution and homogeneous coverage.
In this thesis, 3D data-integrative and gravity-validated models of the Caribbean oceanic domain and northwestern South American plate are used to demonstrate that, despite scarce direct data, new insights regarding the lithospheric density and thermal configuration are possible. These models may contribute to more reliable geohazard studies.
First, a new methodology is proposed for identifying tectonic boundaries, based on global-coverage Vertical Gravity Gradients. It can be applied in other tectonic settings worldwide because it relies on publicly available datasets. With this method, previously debated tectonic or terrain boundaries in the Caribbean oceanic realm are confirmed, and new ones are proposed. The most remarkable boundaries include: the limit between the North and South American plates, in the Lesser Antilles subduction; the most feasible boundary between the Colombian and Venezuelan basins, in the Beata Ridge area; the boundary between two crustal domains in the Grenada Basin; as well as
the continent-ocean transition along the continental margins of the Caribbean plate. Additionally, widespread high and low density bodies in the Lesser and Leeward Antilles forearcs, and an anomalous low density body in the North Lesser Antilles subduction are recognised for the first time.
Next, a 3D lithospheric-scale density model validated with gravity anomalies is presented for the South Caribbean and the northwestern South American plate. In this region, the Nazca and Caribbean flat-slabs interact beneath the South American continent. A slab geometry was integrated in the model after carrying out a sensitivity analysis to different mantle density configurations. In the calculated
density distribution, fossil plume material is recognised, currently preserved within the Caribbean oceanic upper mantle. This preserved plume had never been identified before.
Using this gravity-validated model, the 3D steady-state lithospheric thermal field is calculated, for the first time, for the study area, and its implications for lithospheric strength and geohazards are discussed. Given the prescribed model configuration, the lithosphere in the Andean orogen results to be weaker than the surroundings, and is therefore, prone to further deformation. The temperatures at which earthquakes nucleate are analysed, although limitations due to the steady-state assumption used for a flat-slab subduction system are recognised. The results suggest that a seismic gap is present between 35 and 39 km depth, with modelled temperatures ranging between 520°C and 600°C, that can be associated with the transition in lithologies within the lithosphere (from continental crust to upper mantle), but additionally, it can also be related with the beginning of the seismogenic window of olivine, at 600°C. Additionally, potential gas hydrate stability zones in the marine sediments are delineated, thus highlighting areas where hydrates destabilisation may potentially trigger submarine landslides and tsunamis.
Los principales objetivos de esta tesis fueron: reconstruir variaciones de densidad en lugares donde las mediciones con métodos geofísicos convencionales y directos son limitadas; desarrollar una nueva metodología para identificar límites tectónicos (o de terrenos) en la corteza cristalina; y explorar la utilidad de modelos integradores de datos en 3D para una mejor evaluación de geopeligros.
Para cumplir con estos propósitos, se estudió la litósfera oceánica del Caribe y del noroeste de la placa Sur Americana. El modelo 3D resultante integra diferentes bases de datos geofísicas, y fue validado mediante modelación gravimétrica. Éste fue utilizado para evaluar, por primera vez, el campo termal en 3D de los dominios anteriormente mencionados, suponiendo un estado estacionario. El esquema de trabajo presentado en esta tesis es particularmente valioso, porque en él se integran diversas bases de datos geofísicas de libre acceso en modelos litosféricos tridimensionales, incluyendo el cálculo de la distribución de densidades del manto en 3D, basado en las velocidades de onda S.
Estos modelos fueron el punto de partida de otras aplicaciones geofísicas, tales como la evaluación de las temperaturas a las que los terremotos nuclean, y la delimitación de las localizaciones donde las condiciones físicas son adecuadas para la potencial acumulación de hidratos de gas. Los resultados fundamentales de esta investigación son:
1. Los datos de campos potenciales con cobertura global pueden ser usados para identificar heterogeneidades de densidad de diferentes longitudes de onda. En esta investigación, los gradientes verticales de gravedad fueron usados como parámetros complementarios de las anomalías de gravedad. Esto es debido a que ambos son sensibles a contrastes de densidad en la litósfera localizados a diferentes profundidades. Utilizando una combinación de modelos con ambas observaciones, si se tiene en cuenta información geofísica adicional, es posible realizar una caracterización más completa de la litósfera.
2. Se propone una nueva metodología para caracterizar la corteza cristalina, con el fin de identificar límites tectónicos o de terrenos, y de calcular su distribución promedia de densidades. Este método, que se basa en mediciones satelitales de gradientes verticales de gravedad, usa bases de datos globales y de libre acceso. Por lo tanto, puede ser aplicado a cualquier contexto tectónico en otras partes del mundo.
3. Los gradientes verticales de la gravedad son especialmente sensibles a contrastes de densidad en las capas más superficiales de la litósfera. Por ello, los modelos litosféricos que incluyen determinaciones de densidad resueltas en 3D para el agua del mar y para los sedimentos marinos ajustan mejor el campo de gravedad medido.
4. El esquema de trabajo de esta tesis demuestra que, a pesar de la escasez de datos directos, los modelos 3D integradores de datos, y validados por gravedad, pueden proporcionar información detallada de la configuración termal y de densidades de la litósfera. Con estos modelos, evaluaciones más fiables de geopeligros pueden ser llevadas a cabo.
5. En esta investigación se confirman diversos límites tectónicos o de terrenos, previamente debatidos, y se proponen otros nuevos. Éstos incluyen: el límite entre las placas Norte y Sur Americanas, en la subducción de las Antillas Menores; el posible límite entre las cuencas de Colombia y Venezuela, a lo largo de la Dorsal de Beata; el límite entre dos dominios corticales en la Cuenca de Grenada; y, finalmente, la transición oceáno-continente. De manera similar, se identifican por primera vez extensos dominios de antearco de alta densidad interiores) y de baja densidad (exteriores) en las Antillas Menores y de Sotavento, así como un cuerpo anómalo de baja densidad cerca de de la subducción de las Antillas Menores.
6. Para ajustar las anomalías de gravedad medidas en el dominio sur del Caribe se requiere la presencia de cuerpos subcorticales con densidad relativamente elevada, de entre 3300 y 3500 kg m−3 (dependiendo de su espesor definido a priori). Esta tendencia de alta densidad puede seguirse hasta una profundidad de 75 km, según la densidad mantélica obtenida a partir de la conversión de las velocidades de ondas S. Tales dominios de alta densidad se interpretan como el material actualmente remanente de la pluma de la Gran Provincia Ígnea del Caribe. Esta pluma fósil en el manto superior no se había identificado hasta ahora.
7. Suponiendo que una velocidad de onda S de 4540 m s−1 es el límite de este material de alta densidad en el manto, se calcula un volumen total de aproximadamente 9.2×10^15 m3 para la pluma fósil del Caribe. Este volumen es aproximadamente el doble que el volumen de magma en exceso calculado por Kerr (2014) para el material de la pluma ’in situ’ que forma actualmente la corteza del Caribe. Sin embargo, se requerirían futuras campañas de sismómetros de fondo oceánico (OBS por su acrónimo inglés) para obtener una imagen más detallada del manto superior del Caribe.
8. El modelo litosférico que mejor ajusta las anomalías gravimétricas incluye tanto una solución 3D para el manto, como la geometría de la subducción, tomada de la base de datos Slab2. Sin embargo, la configuración de las subducciones de las placas Caribe y Nazca (Coiba) no está bien delimitada aún. Futuras campañas geofísicas deberían enfocarse en caracterizar estas geometrías.
9. Utilizando un modelo 3D integrador de datos y validado por gravimetría, se calcula por primera vez el campo termal conductivo en 3D para el sur del Caribe y el noroeste de la placa Sur Americana. El enfoque usado, de estado estacionario, proporciona información de primer orden acerca de la distribución de temperatura litosférica.
10. La litósfera bajo el orógeno andino es más débil que en sus alrededores. Este hecho puede explicarse considerando la interacción de diferentes mecanismos: (1) un manto somero (hasta 75 km de profundidad) más caliente que su entorno, y por lo tanto más boyante, que tuvo un efecto debilitador en la litósfera continental; (2) el componente compresivo de la placa que subduce, que engrosa la placa superior; y (3) un incremento de temperatura en el interior del orógeno debido a la producción radiogénica de calor de la corteza continental engrosada.
11. Las porciones preservadas del material asociado a la pluma del Caribe son más frías, y por tanto, más rígidas que sus alrededores. En la cuenca de Venezuela, la región más fría corresponde con la zona más profunda de la cuenca. Estos resultados podrían indicar que existen condiciones para la iniciación de la subducción en el margen sureste del Mar Caribe. En esta region, una subducción incipiente pareciera estar ocurriendo actualmente.
12. En la sub-región analizada, en el noroeste de Sur América, hay un intervalo asísmico entre 35 y 39 km de profundidad. Éste ocurre justo a una temperatura inferior a 600°C, a la que comienza la ventana sismogénica del olivino.
13. Un modelo termal puramente conductivo, en estado estacionario, puede no representar de manera fiel la distribución de temperaturas en un sistema de subducción plana. Por lo tanto, las temperaturas resultantes a las que nuclean los terremotos están potencialmente sobreestimadas. En estos sistemas activos se ha identificado la subducción de material frío en el manto. Sin embargo, los modelos
litosféricos integradores de datos en 3D representan un marco más realista para futuras simulaciones en estado transitorio, en comparación con métodos más simplificados, donde se usan aproximaciones en 2D.
14. Las zonas de potencial estabilidad de hidratos de gas (calculada para una fuente termogénica) se correlacionan con los reflectores simuladores del fondo marino (BSR por sus siglas en inglés) en el margen continental colombiano. Los resultados sugieren que se reúnen las condiciones de estabilidad de hidratos en todo el margen sur del Caribe. Estas predicciones podrían contribuir a un análisis de geopeligros más detallado, especialmente en regiones donde las mediciones directas de hidratos de gas son limitadas.