Evolución tectónica, climática y paleoceanográfica del suroeste del Arco de Scotia (Antártida)
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Morales Ocaña, Cecilia
2025-A
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Resumen
La apertura del Arco de Scotia es un acontecimiento clave para el establecimiento de la Corriente Circumpolar Antártica (CCA), componente fundamental del sistema climático de la Tierra. La CCA es esencial en la transferencia de calor, dióxido de carbono, nutrientes, elementos químicos y diversos trazadores a través de las cuencas oceánicas por las que circula. La compleja y gradual apertura del arco de Scotia dio lugar a la apertura de pequeñas cuencas oceánicas a medida que los fragmentos continentales se separaban. En el límite meridional del arco de Scotia, estas cuencas sirvieron como canales para el flujo de las aguas frías antárticas procedentes del mar de Weddell hacia el mar de Scotia, donde interaccionan con la CCA. A pesar de la importancia de estos procesos, la comprensión sobre la distribución y variabilidad temporal de las masas de agua, a medida que se desarrollaba el arco de Scotia, sigue siendo limitada. El Microcontinente de las Orcadas del Sur (MOS) es el mayor vestigio continental de la antigua conexión entre Sudamérica y la Antártida. Situado en el sur del arco de Scotia, el análisis exhaustivo de su estructura profunda y relleno sedimentario representa una gran oportunidad para comprender mejor cómo fueron las primeras fases del desarrollo del arco de Scotia y la consecuente reorganización oceánica. Hacia el oeste, la cuenca de Bransfield, situada en el extremo más septentrional de la Península Antártica, se erige como un área clave para el estudio de la variabilidad de los frentes oceánicos y su impacto en los procesos sedimentarios.
En este contexto, esta tesis doctoral pretende: (1) Avanzar en el conocimiento de la configuración estructural profunda del MOS, vinculada a la evolución tectónica del arco de Scotia. (2) Determinar los acontecimientos registrados en el relleno sedimentario de las cuencas meridionales del SOM, vinculados a la redistribución de las corrientes oceánicas a medida que se abría el arco de Scotia. (3) Reconstruir la variabilidad climática reciente de los frentes oceánicos que tienen un impacto directo en la sedimentación en la cuenca de Bransfield.
Para alcanzar estos objetivos, se ha aplicado un enfoque multidisciplinar que incluye el análisis de datos geofísicos y sedimentológicos. Como resultado, esta tesis doctoral muestra que la configuración estructural profunda del MOS refleja las fuerzas extensionales que se produjeron durante las fases tempranas de la formación del arco de Sotia. Este proceso condujo al desarrollo de cuatro cuencas elongadas en dirección N-S en el dominio meridional del MOS, exhibiendo una deformación progresivamente mayor de oeste a este. Entre ellas, las cuencas de Bouguer y Eötvös que concentraron las mayores deformaciones, muestran una mayor extensión y profundidad, y albergan el registro sedimentario de mayor espesor. Los depósitos sedimentarios de estas cuencas
reflejan una mayor influencia de corrientes de contorno procedentes del mar de Weddell a medida que el MOS se hundía, como consecuencia de la apertura de la cuenca de Powell. Esta influencia es máxima en el margen sur del MOS desde finales del Eoceno hasta el Mioceno medio. Posteriormente, el cese de la influencia de estas corrientes en el área de estudio está relacionado con la apertura de las cuencas Jane y Scan, que desviaron el flujo hacia el mar de Scotia. Esto concuerda con anteriores estudios que infieren el inicio de la afluencia de las aguas del mar de Weddell hacia el mar de Scotia durante el Mioceno tardío. Además, los resultados de esta tesis doctoral subrayan el profundo impacto de las corrientes de contorno procedentes del mar de Weddell y de las aguas profundas circumpolares (CDW) en los patrones de sedimentación de la cuenca de Bransfield. La intensidad de las corrientes y las variaciones en el fitoplancton están asociadas a la variabilidad del Modo Anular del Sur (SAM) y de El Niño-Oscilación del Océano Austral (ENSO) a lo largo del último milenio.
The opening of the Scotia Arc is a key event for the establishment of the Antarctic Circumpolar Current (ACC), a fundamental component of Earth´s climate system. The ACC serves as a critical conduit for the transfer of heat, carbon dioxide, nutrients, chemicals, and various tracers across ocean basins. The gradual and intricate opening of the Scotia Arc, as continental fragments drifted apart, gave rise to multiple small sedimentary basins. At the southern boundary of the Scotia Arc, these basins served as primary channels for the flow of cold Antarctic waters from the Weddell Sea into the Scotia Sea, where they engage in complex interactions with the ACC. Despite their significance, our understanding of the distribution and temporal variability of water masses as the Scotia Arc developed remains limited. The South Orkney Microcontinent (SOM) is the largest continental remnant within the southern Scotia Arc, once part of the ancient land bridge connecting South America and Antarctica. The comprehensive analysis of its deep structure and sedimentary fill presents a significant opportunity to study the early phases of the Scotia Arc development and subsequent oceanic reorganization. To the west, the Bransfield Basin, located at the northernmost tip of the Antarctic Peninsula, stands as a key area for studying the variability of oceanic fronts and its impact on sedimentary processes.
In this context, this PhD thesis aims to: (1) Advance our understanding of the structural configuration of the South Orkney Microcontinent, linked to the tectonic evolution of the Scotia Arc. (2) Determine events recorded in the sedimentary fill of the southern SOM Basins, linked to understanding ocean current redistribution as the Scotia Arc opened. (3) Reconstruct the recent climatic variability of the oceanic fronts affecting the sedimentation in the Bransfield Basin.
To achieve these objectives, a multi-methodological approach has been implemented, including geophysical and sedimentological data analysis. As a result, this PhD thesis shows that the deep structural configuration of the SOM records the extensional forces during the early rifting phase from the Antarctic Peninsula. This process led to the development of four N-S elongated basins, exhibiting progressive deformation from east to west. Among these basins, the sedimentary deposits in the Bouguer and Eötvös basins reflect the influence of currents originating from the Weddell Sea as the SOM subsided as a consequence of the opening of the Powell Basin. Contour currents had a major influence in the southern margin of the SOM from the late Eocene to the middle Miocene. The cessation of the influence of these currents in the SOM is interpreted to be linked to the opening of the Jane and Scan Basins, diverting the flow towards the Scotia Sea. This agrees with previous studies that infer that the onset of the inflow of the Weddell Sea waters into the Scotia Sea occurred during the late Miocene. Furthermore, the results of this PhD thesis underscore the profound impact of contour currents sourced from the Weddell Sea and the Circumpolar Deep Water (CDW) on sedimentation patterns in the Bransfield Basin. Current intensity and phytoplankton variations are associated with different Southern Annular Mode (SAM) and El Niño-Southern Ocean Oscillation (ENSO) variability over the last millennium.
Table of contents
Page
Abstract i
Resumen iii
Table of contents 1
Abbreviation index 5
Context and motivation 7
Hypotheses and objectives 9
Thesis layout 10
CHAPTER 1 – Introduction 15
1.1. Cenozoic history of climate and Antarctic Ice Sheet Evolution 15
1.2. Tectonic context of the opening of the Scotia Arc and the Drake Passage 18
1.3. Paleoceanographic evolution and present oceanographic setting 21
1.3.1. Teleconnections 23
1.4. Deep-water sedimentary processes 24
CHAPTER 2 – Materials and methods 29
2.1. Geophysical methods 29
2.1.1. Potential fields data: gravity and magnetic modeling 29
2.1.2. Seismic stratigraphic analysis 31
2.2. Sediment cores analyses 32
2.2.1. Ocean Drilling Program (ODP) Sites 695 and 696 32
2.2.2. Gravity cores 33
CHAPTER 3 – 3D Geophysical and geological modeling of the South Orkney
Microcontinent (Antarctica): Tectonic implications for the Scotia Arc development 37
3.1. Introduction 37
3.2. Geological setting 38
3.3. Data and Methodology 42
3.3.1. Initial dataset 42
3.3.2. Modeling 43
3.3.2.1. Identification of the main geological boundaries as initial constraints 43
3.3.2.2. 2D geophysical modeling 45
3.3.2.3. 3D geological model. Geophysical forward modeling and joint inversion 45
3.4. Results 47
3.4.1. Initial surfaces and 2D models 47
3.4.2. Gravity and magnetic response of the final 3D geological model 48
3.4.3. Sedimentary basins of the South Orkney Microcontinent 51
3.4.4. Characterization of the intrusive igneous rock body causing the PMA 52
3.4.5. Moho depth 52
3.5. Discussion 53
3.5.1. 3D geophysical and geological modeling as a suitable method to characterize and to understand deep structures 53
3.5.2. Structural heterogeneity of the South Orkney Microcontinent 55
3.5.3. Regional tectonic implications 57
3.6. Conclusions 58
CHAPTER 4 – Tectonic and climatic controls on the paleoceanographic evolution of the South Orkney Microcontinent (southern Scotia Arc, Antarctica) 63
4.1. Introduction 63
4.2. Geological and oceanographic setting 65
4.3. Materials and methods 67
4.3.1. Sedimentary data 67
4.3.2. Seismic data 67
4.3.3. Synthetic seismogram and age control 68
4.4. Results 68
4.4.1. Seismic stratigraphic analysis and correlation with ODP Sites 695 and 696 68
4.4.1.1. Age model 68
4.4.1.2. Seismic units, discontinuities and correlation with ODP Sites 695 and 696 69
4.4.2. Development of contourite depositional systems in the South Orkney Microcontinent 75
4.4.2.1. Depositional and erosive features 75
4.4.2.2. Spatial and temporal distribution of the contourite deposits 78
4.5. Interpretation and discussion 78
4.5.1. Early Eocene to Eocene-Oligocene Transition (EOT): SU5 79
4.5.2. Oligocene to early Miocene: SU4 80
4.5.3. Middle to late Miocene: SU3 81
4.5.4. Late Miocene to early Pliocene: SU2 82
4.5.5. Early Pliocene to present: SU1 83
4.6. Conclusions 84
Supplementary material to CHAPTER 4 87
CHAPTER 5 – Unraveling bottom current influence on diatomaceous contourite drifts in the Bransfield Strait (Antarctic Peninsula) throughout the past millennium 95
5.1. Introduction 95
5.2. Geological and oceanographic setting 96
5.3. Materials and Methods 98
5.3.1. Core location 98
5.3.2. Core scanning, description, and sampling 99
5.3.3. Grain-size analysis 99
5.3.4. Diatom abundance and assemblage analysis 100
5.3.5. Statistical analysis 100
5.3.6. 210 Pb and 14 C dating 101
5.4. Results 101
5.4.1. Age model 101
5.4.2. Sediment textures and structures 104
5.4.3. Statistical analysis 108
5.4.3.1. Principal component analysis 108
5.4.3.2. Spectral analysis 109
5.4.4. Sortable silt and flow speed reconstruction 110
5.4.5. Diatom assemblage 110
5.4.6. Proxies variability throughout the cores 111
5.5. Discussion 112
5.5.1. Interpretation of diatom, elemental ratio, and grain-size proxies 112
5.5.2. influence of contour currents on sedimentation in the East Bransfield Basin 114
5.5.3. Paleoenvironmental-related changes and paleoceanographic configuration 116
5.6. Conclusions 119
Supplementary material to CHAPTER 5 123
CHAPTER 6 – General discussion and future perspectives 135
6.1. The South Orkney Microcontinent key to Scotia Arc development and Southern Ocean circulation 135
6.1.1 The South Orkney Microcontinent as a keystone in the development of the southern Scotia Arc 135
6.1.2 The South Orkney Microcontinent as a keystone in the early oceanic connection between the Weddell and the Scotia Seas 137
6.2. Recent climatic variability from contourite deposits 139
Future perspectives 141
CHAPTER 7 – Conclusions 145
CÁPITULO 7 – Conclusiones 149
References 155
Para alcanzar los tres objetivos principales de esta tesis, presentados en la sección de Contexto y Motivación, se ha adoptado una metodología multidisciplinar que incluye la modelización geofísica, el análisis de estratigrafía sísmica de perfiles de sísmica multicanal y el análisis sedimentario de testigos de gravedad. El trabajo realizado se ha centrado principalmente en dos áreas: el Microcontinente de las Orcadas del Sur (MOS), que representa una pieza clave en el desarrollo del arco de Scotia y la posterior reorganización de la circulación del Océano Austral, y la Cuenca de Bransfield, que actualmente es un área clave para el estudio de la variabilidad climática. Los resultados, presentados en los capítulos 3, 4 y 5 proporcionan nuevas perspectivas importantes sobre la evolución del sur del arco de Scotia, desde los procesos tectónicos en las etapas iniciales de la apertura del Pasaje de Drake, hasta la reorganización paleoceanográfica subsiguiente que llevó a la configuración oceánica actual, y la influencia de los fenómenos de El Niño (ENSO) y el Modo Anular del Sur (SAM) en la variabilidad de la configuración oceánica durante el último milenio. De este modo, se ha abordado el objetivo general de esta tesis – determinar los principales eventos tectónicos que condujeron al rifting y subsidencia del MOS debido a la apertura de las cuencas circundantes y al establecimiento de la posterior evolución paleoceanográfica y paleoambiental obteniendo las siguientes conclusiones relacionadas con cada objetivo específico:
1. Caracterización de la estructura profunda del MOS mediante la modelización 3D de anomalías gravimétricas y magnéticas, y el análisis de perfiles de sísmica multicanal
En el Capítulo 3, la modelización geológica y geofísica 3D del MOS, ha proporcionado nuevos conocimientos sobre su estructura interna, derivada de las diferentes fases tectónicas en el desarrollo del arco de Scotia. Además, en el capítulo 4, la correlación de los perfiles de sísmica multicanal con los testigos sedimentarios 695 y 696 obtenidos por el Programa de Perforación Oceánica, ha permitido acotar las edades a la que ocurrieron los diferentes eventos tectónicos durante y tras la separación del MOS de la Península Antártica. Entre las principales conclusiones cabe destacar:
• Existen dos dominios estructurales que dividen el MOS en dominios septentrional y meridional, tal y como apuntaban previamente diferentes autores. La diferenciación entre ambos dominios se atribuye a la intrusión de rocas ígneas en el dominio meridional. De esta forma, la presencia de rocas ígneas intrusivas condicionaría la reología de la corteza, facilitando la apertura de las cuencas sedimentarias alargadas en dirección N-S (Pratt, Airy, Bouguer y Eötvös) en la parte meridional del SOM. Por el contrario, el dominio septentrional no muestra signos evidentes de deformación relacionada con la extensión E-O vinculada a las etapas iniciales de la apertura del arco de Scotia.
• En el dominio meridional, se observa una deformación progresiva cada vez mayor de oeste a este. Esta deformación es coherente con un esfuerzo extensional al este del MOS, producido durante las primeras etapas de la fragmentación del arco de Scotia, que se habría propagado posteriormente hacia el oeste. De este modo, los resultados del modelo 3D evidencian que las cuencas de Bouguer y Eötvös, situadas en la zona más sudoriental del MOS, fueron las más afectadas por la deformación. En consecuencia, ambas cuencas sedimentarias presentan mayor profundidad y extensión. Además, su ubicación coincide con la fragmentación de las rocas ígneas intrusivas y un pronunciado adelgazamiento cortical. Los resultados del modelo también sugieren que la cuenca Powell podría haberse desarrollado en paralelo a estas cuencas alargadas en dirección N-S, al oeste de la cuenca Pratt. Sin embargo, la cuenca Powell habría proseguido su apertura, llegando a su oceanización, quedando abortadas las cuencas Pratt, Airy, Bouguer y Eötvös.
• La modelización 3D de las anomalías gravimétricas ha permitido una caracterización detallada de la geometría de las cuencas sedimentarias internas del MOS. Esto es especialmente relevante en el caso de la cuenca de Newton, ya que su anterior caracterización había estado condicionada por los escasos perfiles de sísmica multicanal que cruzan la cuenca. Además, ha sido posible definir por primera vez la geometría de una cuenca sedimentaria situada en el sector más suroccidental del MOS, denominada provisionalmente en este trabajo como cuenca Pratt. Nuestros resultados demuestran que la modelización geofísica y geológica 3D es una valiosa herramienta para caracterizar cuencas sedimentarias en regiones con escasos datos directos como es la Antártida.
• La correlación de los perfiles de sísmica multicanal con los testigos de sedimento de los pozos 695 y 696 permite determinar la edad del relleno sedimentario de la cuenca de Eötvös, siendo ésta superior a 37 millones de años. A partir de la comparación con las tasas de sedimentación de las cuencas sedimentarias de la isla Seymour, se puede asignar una edad entre 45 y 50 millones de años a los sedimentos situados directamente sobre el basamento de la Cuenca Eötvös. En este marco temporal, el desarrollo inicial de las cuencas alargadas en dirección NS se puede relacionar con etapas tempranas de la formación del arco de Scotia.
• La extensión regional en dirección E-W, habría afectado simultáneamente al MOS y a la Cuenca Powell. Esto se concluye en base a: (1) las edades inferidas para el inicio de la sedimentación en la cuenca Eötvös; (2) las edades de los basaltos alcalinos dragados del margen occidental conjugado de la Península Antártica (47,7 y 49 Ma; Barber et al., 1991); y (3) la edad de separación del MOS de las fuentes sedimentarias de la Península Antártica (35,5 Ma; López-Quirós et al., 2021).
2. Identificación de umbrales clave en la evolución paleoceanográfica, paleoambiental y climática del MOS
En el Capítulo 4 se realiza un análisis de estratigrafía sísmica en el relleno sedimentario de las cuencas de Eötvös y Bouguer. La correlación de los perfiles de sísmica multicanal con los testigos de sedimento de los pozos 695 y 696 proporciona un marco cronoestratigráfico para las unidades sísmicas identificadas, permitiendo determinar los principales umbrales y eventos tectónicos y climáticos que acontecieron en la zona. Se destacan las siguientes conclusiones: Se han identificado cinco unidades sísmicas en los perfiles de sísmica multicanal (SU5 a SU1, de muro a techo) separadas por cuatro discontinuidades regionales (D4 a D0). Las diferentes unidades, en el tramo correlacionable con los testigos de sedimento de los pozos 695 y 696, abarcan desde la Transición Eoceno-Oligoceno (EOT; ?34 millones de años) hasta la actualidad.
• El margen sur del MOS ha estado afectado por la influencia de corrientes de contorno desde, al menos, el Eoceno tardío. En sus primeras etapas de desarrollo, los cuerpos contorníticos se encuentran restringidos principalmente al límite sur de la plataforma continental, con un mayor desarrollo durante el Oligoceno y el Mioceno temprano, probablemente producidos por la influencia de una proto-corriente proveniente del mar de Weddell. Durante estas primeras etapas, el análisis de estratigrafía sísmica también muestra evidencias de depósitos contorníticos en la zona norte de la cuenca de Bouguer. Estos depósitos podrían estar asociados a la influencia de una proto-corriente de contorno ligada a la CDW. Sin embargo, la caracterización detallada de estos cuerpos no ha sido posible debido a la escasa calidad de los perfiles de sísmica multicanal en esta zona.
• El desarrollo más generalizado de depósitos contorníticos en las cuencas de Bouguer y Eötvös se produce durante el Mioceno medio y puede estar vinculado con la profundización del MOS tras la apertura las cuencas de Powell y Jane. La apertura de ambas cuencas habría situado el margen meridional del MOS progresivamente a mayor profundidad, facilitando la intrusión de masas de agua cada vez más profundas en las cuencas estudiadas. Los resultados apuntan a la influencia de una corriente en el sentido de las agujas del reloj procedente del mar de Weddell que, al interactuar con la topografía, da lugar a depósitos contorníticos localizados principalmente en los altos estructurales que rodean las cuencas.
• En el Mioceno tardío (11.7-9.8 millones de años) se observa el cese de la influencia de las corrientes de contorno en la sedimentación de las cuencas de Bouguer y Eötvös. El análisis de la estratigrafía sísmica y su correlación con las edades de los pozos 695 y 696 sugiere que este cese estaría producido por la apertura de nuevas vías alrededor del MOS, como la complete apertura de las cuencas de Jane y Scan, que desviarían las corrientes procedentes del mar de Weddell hacia el mar de Scotia. Además, este evento coincide con el inicio del desarrollo generalizado de depósitos contorníticos en zona sur del mar de Scotia (?8-14 millones de años).
• Entre el Mioceno tardío y Plioceno temprano se produce un marcado cambio tanto en las facies sísmicas en los perfiles de sísmica multicanal estudiados como en los sedimentos recuperados de los pozos 695 y 696. Estos cambios serían resultado de la expansión glaciar en la plataforma continental del MOS. De este modo, las cuencas de Bouguer y Eötvös quedarían en una posición más proximal a la fuente sedimentaria. Esto concuerda con el inicio descrito de glaciaciones más persistentes en la región entre 5,3 y 3,6 millones de años. Los resultados del Capítulo 4 sugieren que la subsidencia tectónica fue el principal factor de control sedimentario en el MOS entre el Eoceno temprano y el Mioceno tardío/Plioceno temprano. A partir de ese punto, el clima pasa a ser el principal factor de control en la sedimentación de las cuencas de Bouguer y Eötvös.
3. Reconstrucción de los cambios paleoceanográficos y climáticos recientes en la cuenca de Bransfield
El Capítulo 5 describe el control de la variabilidad de la posición de los frentes oceánicos en la sedimentación de la cuenca Este de Bransfield (EBB). Los resultados obtenidos a partir de los análisis sedimentológicos y geoquímicos realizados en dos testigos de gravedad (TG02 y TG03) recogidos en depósitos contorníticos de la EBB permiten extraer las siguientes conclusiones:
• Los resultados obtenidos de los análisis realizados a los dos testigos de sedimento confirman una influencia significativa de las corrientes de contorno durante la deposición el ultimo milenio.
• Ambos testigos (TG02 y TG03) registran una variabilidad en la intensidad de corriente. Esta intensidad es mínima durante el depósito de las Facies 1 y máxima durante el depósito de las Facies 3. La intensidad de la corriente controla la preservación de la materia orgánica, el aventamiento y la ordenación de las partículas del sedimento. El desarrollo de las Facies 3, relacionadas con una mayor intensidad de la corriente, sólo se registra en el TG02. Las diferencias observadas entre ambos testigos parecen estar relacionadas con las diferencias entre las corrientes de contorno que bañan ambos emplazamientos. El TG02, situado en el fondo de la EBB, registra principalmente la influencia de una masa de agua profunda. Sin embargo, el TG03, situado en el flanco sur de la EBB, registra tanto la influencia de una masa de agua menos profunda, como su interacción con otros procesos deposicionales, probablemente la influencia de trasporte turbidítico.
• Las propiedades físicas y los indicadores geoquímicos y paleontológicos evidencian importantes cambios paleoceanográficos en la EBB durante el último milenio. Ambos testigos muestran un cambio importante en la sedimentación hacia condiciones de aguas más abiertas en torno a 600 cal yr BP. Además, a partir de este momento, en el TG02 se registran varias intrusiones de la CDW en la EBB, que podrían estar asociadas a fases negativas de El Niño y a una mayor variabilidad de la SAM.
• Los cambios en las tendencias de los diferentes indicadores en ambos testigos de sedimentos sugieren tres etapas diferenciadas: (1) antes de 600 cal yr BP, caracterizada por condiciones de SAM positiva y una alta variabilidad de El Niño; (2) de 600 a 400 cal yr BP caracterizada por condiciones de SAM negativa y una baja variabilidad de El Niño; y (3) después de 400 cal yr BP, cuando se dan condiciones de SAM positiva y baja variabilidad de El Niño.