ALBERT

Description: Die vorliegende Arbeit behandelt die Auswertung und Interpretation von refraktions- und weitwinkelseismischen Messungen die im Rahmen des seismischen Projekts ANCORP 1996 in Nordchile und Bolivien durchgeführt worden waren. Der Datensatz dieses Projekts, bestehend aus Steilwinkelreflexionsdaten und Refraktionsdaten ergänzt die in den vergangenen zwei Jahrzehnten gesammelten seismischen Daten. Nachdem in den vorigen Projekten onshore ausschließlich refraktionsseismische Daten gesammelt wurden, ist die ANCORP-Traverse die einzige tiefenreflexions- und refraktionsseismische Linie in den südlichen Zentralen Anden. Nach einer kurzen Einleitung wird zunächst ein Überblick über die geologische und morphostrukturelle Gliederung des Arbeitsgebietes gegeben, das sich von der chilenischen Pazifikküste bis zum Ostrand des bolivianischen Altiplanos erstreckt. Die Traverse kreuzt die morphologischen Einheiten (Küstenkordillere, Längstal, Westkordillere (der aktive vulkanische Bogen) und Altiplano) senkrecht zu ihrer Streichrichtung. Es folgt die Beschreibung der technischen Durchführung der seismischen Messungen auf der ANCORP-Traverse, die von September bis November 1996 stattfand. Im Anschluß daran wird auf die Auswertung der refraktions- und weitwinkelseismischen Daten eingegangen. Die Ersteinsätze der Steilwinkelreflexionsdaten erlaubten die tomographische Bestimmung eines Geschwindigkeitsmodells entlang der Traverse für die oberen 5 km. Dieses Geschwindigkeitsmodell gibt vor allem einen Überblick über die Lage von mächtigeren Sedimentschichten im Längstal und auf dem Altiplano, wo deutlich niedrigere P-Wellen-Geschwindigkeiten (um etwa 2 km/s) bestimmt wurden als in den Kordilleren. Die Schußsektionen des Weitwinkel-Experiemts wurden dann auf mögliche Korrelationen untersucht. Da die meisten Sektionen nicht länger als 160 km waren, waren kaum Korrelationen aus dem Bereich der unteren kontinentalen Kruste und der ozeanischen Kruste möglich. Überkritische Reflexionen von der kontinentalen Moho und der ozeanischen Moho konnten in der Sektion des Schußpunktes im Pazifischen Ozean korreliert werden. Die übrigen Schüsse ergänzten die bereits aus früheren Kampagnen stammenden Sektionen entlang der Traverse und senkrecht zu ihr. Basierend auf Laufzeitmodellierungen der in den Sektionen korrelierten Phasen und unter Berücksichtigung der Ergebnisse der dem ANCORP Experiment vorangehenden Messungen wird ein Geschwindigkeitsmodell für die Traverse entlang des 21. südlichen Breitengrades vorgestellt. Perturbationsrechnungen wurden durchgeführt, um den Fehlerbalken für die P- Wellen Geschwindigkeiten und Tiefenlagen von Reflektoren zu bestimmen. Um die gewonnenen Ergebnisse strukturell zu interpretieren, werden weitere Informationen aus geophysikalischen Untersuchungen benötigt, über die in den folgenden Kapiteln ein Überblick gegeben wird. Die Datensätze aus Reflexionsseismik, Gravimetrie und Magnetotellurik werden dann zusammengefaßt zu einem Strukturmodell bestehend aus der kontinentalen Kruste, aufgeteilt in eine geophysikalische Oberkruste und der durch verschiedene Prozesse verdickten Kruste, einem asthenosphärischen Mantelkeil und der subduzierten ozeanischen Kruste. Die Synthese der Ergebnisse der geophysikalischen Untersuchungen entlang der Traverse bezüglich der extremen Verdickung der kontinentalen Kruste ist, daß diese im Forearc durch Underplating und Hydratisierung von Mantelmaterial erfolgt ist, im Arc und westlichen Backarc durch pure shear Deformation und im östlichen Backarc durch simple shear Deformation.

Description: In this thesis the refraction and wide-angle seismic data of the seismic project ANCORP 1996, measured in Northern Chile and Bolivia, are evaluated and interpreted. The data set of this project, consisting of near- vertical incidence and wide-angle seismic data, completes the data collected during the past two decades. Earlier projects having measured only refraction seismic data onshore, the ANCORP transsect is the only deep reflexion and refraction seismic line in the Southern Central Andes. After a short introduction, an overview of the geological and morphstructural setting of the working area is given. The area is reaching from the Chilean Pacific Coast through the eastern margin of the Bolivian Altiplano. The transsect crosses the morphstructural units (Coastal Cordillera, Longitudinal Valley, Precordillera, Western Cordillera (magmatic arc) and Altiplano) orthogonally to their strike. After that a description of technical aspects of the seismic measurements on the ANCORP transsect is given. Then the evaluation of the refraction- and wide-angle data will be described. The first break traveltimes of the CMP-measurements made possible the tomographic determination of the P-wave velocity distribution along the transsect for the uppermost 5 km. This velocity model mainly represents the varying sediment layer thickness in the Longitudinal Valley and on the Altiplano where significantly lower P-wave velocities were found than in the cordilleras (2 km/s lower). The shot-sections of the wide-angle seismic experiment were examined for possible correlations. As most of the sections were not longer than 160 km, only few correlations from the deeper continental crust and the oceanic crust could be made. Over-critical reflections from the continental Moho and the oceanic Moho could be correlated in the section of the shotpoint in the Pacific Ocean. The remaining shots complete the sections from earlier campaigns along the transsect and orthogonally to it. Based on traveltime modeling of the phases correlated in the sections and taking into account the results of measurements before the ANCORP experiment a velocity model for the transsect along 21°S is introduced. Perturbed models were tested in order to find the error of P-wave velocity and depth of layer boundaries. For a structural interpretation of the results, further information from geophysical inverstigations is needed. An overview of the most important results of reflection seismic, gravimetric and magnetotelluric measurements is given and then, together with the results of the wide-angle seismic investigations put together into a structural model, consisting of a continental crust, divided into upper geophysical crust and crust thickened by several processes, an asthenospheric mantle wedge and the subducted oceanic crust. The most important conclusion concerning the thickening of the continental crust, derived from the geophysical investigations along the transsect is the following: In the forearc, thickening is mainly caused by magmatic underplating and hydration of the continental mantle, in the arc and western backarc pure shear deformation are most important and the eastern backarc is thickened by simple shear deformation.

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Description: DFG, SUB Göttingen

Description: In der vorliegenden Arbeit wurden weitwinkelseismische Daten aus dem Land-See-kombinierten Projekt CINCA 95 ausgewertet. Die Daten wurden auf drei EW-streichenden Profilen bei 21°S, 22°S und 23.25°S registriert. Die Linien umfassen das Gebiet zwischen Peru-Chile- Trench und Westkordillere, also den Forearc-Bereich der nord-chilenischen erosiven Subduktionszone. Der Hauptteil der Daten besteht aus einer Anregerlinie auf See und einer Empfängerlinie auf Land. Ergänzend wurden Sprengungen am westlichen und östlichen Ende der Empfängerlinie durchgeführt. Aus dem Datensatz wurden in der ersten Bearbeitungsstufe mit den Methoden der Refraktionsseismik drei vp-Geschwindigkeitsmodelle erstellt, die ihre Aussage im äußeren Forearc, also dem Gebiet zwischen Rinne und Küste haben. Dabei kann folgendes festgehalten werden: • Sie zeigen die Nazca-Platte mit einem sich versteilenden Subduktionswinkel von 10° direkt nach der Subduktion auf 23-25° vor der Küste Nord-Chiles. Die subduzierte Platte zeigt, was ihren Abtauchwinkel anbelangt, keine NS-Variation. • In der Geschwindigkeitszunahme an der Oberkante der subduzierten Platte zeigt sich durchaus eine Differenz in NS-Richtung: im Norden nimmt die Geschwindigkeit von 4.5 km/s direkt nach dem Untertauchen unter die südamerikanische Platte auf 6.5 km/s auf einer Distanz von 70 km zu, während sie im Süden dazu nur noch 30 km benötigt. Diese Struktur wird als Lage erodierten und subduzierten Gesteinsmaterials zwischen den Platten interpretiert. • Bereits im westlichsten Krustenblock, also dem Teil, der heute an der Rinne zur Erosion ansteht, zeigt sich eine hohe vp-Geschwindigkeit von 5.8 km/s. Sie nimmt zur Küste hin noch auf 6.0 km/s direkt an der Oberfläche zu. Die Kruste ist im Norden deutlich differenziert. Auch dies nimmt nach Süden hin ab und so sind auf dem südlichsten Profil keine Krustenstrukturen mehr in Tiefen unterhalb von 11 km modelliert worden. • Auf den Profilen bei 21°S und 22°S wurde eine platten-parallele Diskontinuität, die die Oberkante zu einer Zone erhöhter Geschwindigkeit bildet (7.1 km/s), modelliert. Sie hat eine Neigung von 15°. Diese Diskontinuität wird im Zusammenhang mit bereits existierenden Modellen für den landseitigen Forearc als Paläo-Moho interpretiert. Das darunterliegende Gestein mit einer Geschwindigkeit von 7.0 km/s wird entsprechend als serpentinisierter oberster Mantel verstanden. • Unterhalb schließt sich eine Zone stark erniedrigter Geschwindigkeit an, die zwischen der abtauchenden Platte und der Oberplatte einen Keil bildet. Sie hat eine Geschwindigkeit von 6.4 km/s und wird als Anlagerungsort des erodierten und subduzierten Gesteins interpretiert. • Die östlich der Küste in den vp -Schnitten als Moho modellierte Diskontinuität wurde durch die vorherigen Arbeiten bestätigt und als die heutige, geophysikalische Moho interpretiert. Zur Erosion am Kontinentalrand kann folgendes festgestellt werden: • Eine Varianz im Ablauf der Erosion wird nahegelegt, kann aber nicht bewiesen werden. • Nach der hier vorgelegten Interpretation findet die Erosion in der Hauptsache frontal statt. In einem zweiten Bearbeitungsschritt wurde die seeseitige Spurdichte von 160 m zu einer CMP-Stapelung der Weitwinkeldaten ausgenutzt. Bei der Bearbeitung der Daten wurden ausschließlich Tools der Standard-Reflexionsseismik verwendet. Dabei sollte ein Strukturabbild ähnlich dem aus der Standard-Reflexionsseismik bekannten entstehen. Diese Art des Prozessierens von Daten wurde bisher auf einen Datensatz mit so großer Apertur noch nicht angewandt. Es konnte gezeigt werden, daß mit einem unkonventionellen Ansatz durchaus Zusatzinformationen aus den Daten gewonnen werden können: die Oberkante der Niedergeschwindigkeitszone sowie die ozeanische Moho konnten auf dem nördlichsten Profil bestätigt werden, die platten-parallel liegende Struktur sowie die ozeanische Moho konnten auf dem mittleren Profil bestätigt werden und auf dem südlichsten zeigte sich, dass die Unterkante der ozeanischen Kruste weiter nach Osten hin detektiert werden konnte, als durch die refraktionsseismische Bearbeitung möglich war.

Description: In this thesis wide-angle seismic data from the on-shore/off-shore CINCA 95project were analysed. The data set was recorded on three E-W profiles at 21°S, 22°S und 23.25°S. These profiles cover the region between the Peru-Chile trench and the Western Cordillera, i.e. the forearc of the north-Chile subduction zone. The north-Chile margin is an example of a non-accreting, eroding continental margin. The data set mainly consists of three off-shore lines of airgun shots and on-shore receiver lines. Additional chemical shots were performed at the ends of the receiver lines. A vp-velocity model was derived for each profile using seismic refraction interpretation methods. The models are well constrained in the outer forearc, i.e. the region between the trench and the coast line. Major results are summarized as follows. • The models show the Nazca plate subducting at an angle of 10°near the trench, increasing to 23-25° near the coast. There is no N-S variation in the behaviour of the subduction angle. • However, a N-S variation in the lateral velocity increase at the top of the subducted plate can be derived. On the northernmost profile the velocity increases from 4.5 km/s at the trench to 6.5 km/s, 70 km E of the trench, whereas on the southernmost profile, this velocity increase occurs over a distance of only 30 km. This structure is interpreted as a layer of eroded and subducted material. • In the westernmost portion of the continental crust, where erosion occurs, a high vp-velocity of 5.8 km/s is found. It increases to 6.0 km/s towards the coast. In the north the crust is more differentiated. This differentiation weakens southwards and on the southernmost profile no additional crustal structure in the upper plate was modelled beneath 11 km depth. • On the profiles at 21°S and 22°S a discontinuity parallel to the subducting plate was modelled, representing the top of a high velocity (7.1 km/s) zone. The discontinuity dips at an angle of 15°. On the basis of an existing model for the on-shore part of the forearc this discontinuity is interpreted as a paleo-Moho. The high velocity zone is thus interpreted to be serpentinized uppermost mantle. • The high velocity zone is followed by a low velocity zone, which forms a wedge between the subducting plate and the overriding plate. It has a velocity of 6.4 km/s and is interpreted as a depot for the eroded and subducted material. • The Moho east of the coast is confirmed by former studies in the area and interpreted as the recent geophysical Moho of the South American continent. Concerning erosion at a continental margin the following can be noted. • An episodical character of erosion is implied by the models but cannot be proven. • The interpretation presented in this thesis implies frontal erosion along the Peru-Chile trench in this region. For further interpretation the dense shot line off-shore (160 m shot interval) was utilized for a CMP-stack of the wide-angle data. This was achieved with standards tools used in the processing of near- vertical incidence reflection data. The goal was to achieve a structural image similar to that which can be obtained from standard near-vertical incidence data. So far, this kind of processing has not been used for data with such a large aperture. Using this non-conventional approach some further information could be drawn from the data set. On the profile at 21°S the upper boundary of the low velocity wedge between the plates could be confirmed as well as the oceanic Moho. On the profile at 22°S the plate parallel structure as well as the oceanic Moho could be confirmed. On the profile at 23.25°S, with the help of the CMP processing, the subducting oceanic Moho could be traced further east than in the velocity model which was derived using standard seismic refraction interpretation methods.

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Description: DFG, SUB Göttingen

Description: In der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse des refraktionsseismischen Experimentes PISCO'94 [Proyecto de Investigaciones Sismológicas de la Cordillera Occidental 1994] präsentiert, das 1994 vom Sonderforschungsbereich 267 "Deformationsprozesse in den Anden" im Andensegment 21-24°SZ 67-70°W durchgeführt wurde. Das Experiment knüpfte an ein in den 80er-Jahren vermessenes Netz refraktionsseismischer Profile an. Das Ziel der neuen Messungen war die Bestimmung der Lithosphärenstruktur im Bereich des magmatischen Bogens und seiner Nachbargebiete. Zu diesem Zweck wurde ein 300 km langes N-S streichendes Profil mit 4 Schußpunkten am westlichen Rand des magmatischen Bogens, der Westkordillere, vermessen. Weiterhin wurde ein neues W-E streichendes Profil, welches bei 23°30'S von der Krustenkordillere bis zur Westkordillere reicht, beobachtet. Bereits früher vermessene Profile in der Präkordillere wurden durch Gegenbeobachtungen bzw. weitere Schußpunkte ergänzt. Aus den abgeleiteten ein- und zweidimensionalen Modellierungen wurde ein dreidimensionales Übersichtsmodell für das Untersuchungsgebiet erstellt. Im Forearc-Bereich bestätigt es im wesentlichen die Ergebnisse früherer refraktionsseismischer Untersuchugen: Die Durchschnittsgeschwindigkeit der Kruste nimmt von 6.6 km/s unter der Küstenkordillere auf 6.2 km/s unter der Präkordillere ab. Die Moho der subduzierten ozeanischen Platte wird in ca. 40 km Tiefe unter der Küstenkordillere beobachtet. Die ursprüngliche kontinentale Moho wurde stark überarbeitet und ist seismisch nicht eindeutig zu bestimmen. Eine Diskontinuität in 10-12 km Tiefe unter der Küstenkordillere, die unter der Präkordillere bei ca. 20 km Tiefe liegt, wird als Grenze zwischen Ober- und Unterkruste angesehen. In 20 km Tiefe unter der Küstenkordillere befindet sich ein Bereich hoher Geschwindigkeit, der als Basis der kontinentalen Kruste interpretiert wird. Dieser Bereich läßt sich in die Präkordillere hinein verfolgen, wo er bei ca. 35-40 km Tiefe liegt. Der Bereich darunter weist bis in ca. 60 km Tiefe Krustengeschwindigkeiten (vp 〈 7.5 km/s) auf. Dies könnte durch hydratisiertes Material des peridotitischen Mantelkeils erklärt werden. Die Natur einer markanten, in 60-70 km Tiefe liegenden Diskontinuität, an der die Geschwindigkeit regional auf über 7.9 km/s zunimmt und die als "Moho" bezeichnet wird, ist unklar. Vermutlich handelt es sich um die Oberkante einer Übergangszone zwischen Asthenosphäre und Lithosphäre. Die für die magmatischen Bogen aus seismologischen und gravimetrischen Untersuchungen abgeleitete Krustendicke von ca. 70 km wird durch die neuen refraktionsseismischen Daten nicht bestätigt Bis in eine Tiefe von 60 km wurden keine Mohoreflexionen beobachtet. Jedoch können die seismischen Diskontinuitäten der Präkordillere, insbesondere die Grenze zwischen Ober- und Unterkruste in ca. 20 km Tiefe, in die Westkordillere hinein verfolgt werden. Bis in 45-60 km Tiefe überschreitet die Geschwindigkeit der beobachteten seismischen Diskontinuitäten 7.5 km/s nicht Die Durchschnittsgeschwindigkeit ist mit 5.9-6.0 km/s gering. Im Streichen des magmatischen Bogens ändern sich Krustenstruktur und Geschwindigkeitsverteilung im Übergangsbereich von steiler zu flacher Subduktion. Im Norden des Untersuchungsgebietes wird eine stark strukturierte Kruste mit z.T. extremen Niedriggeschwindigkeitszonen und starker Dämpfung seismischer Wellen beobachtet. Eine plausible Erklärung dafür ist die Existenz partieller Schmelzen in der Kruste. Als Quelle des extremen Schwerehochs, das von Calama südöstlich streicht, wurde Material mit Geschwindigkeiten von 〉 6.4 km/s in 2-10 sowie 15-20 km Tiefe bestimmt. Im südlichen Teil des Untersuchungsgebietes dagegen ist die Kruste des magmatischen Bogens relativ unstrukturiert und weist keine erhöhte Dämpfung mehr auf. Als Ursache für diese Differenzen sowie das Zurückversetzen des magmatischen Bogens südlich von 23°S wird eine (prä-neogene) dünne und harte Kruste im südlichen Teil des Untersuchungsgebietes angesehen.

Description: The object of this paper is the presentation of the results of the seismic refraction experiment PISCO'94 [Proyecto de Investigaciones Sismológicas de la Cordillera Occidental 1994], carried out in 1994 by the Collaborative Research Center 267 "Deformation Processes in the Andes" in the Andean segment 21-24°S/ 67-70°N. The experiment continued a net of seismic refraction profiles measured in the 80s. The aim of the new measurements was to investigate the crustal structure of the magmatic arc region and its vicinity. A N-S-running profile, 300 km long with 4 shotpoints, was measured along the western margin of the magmatic arc, the Western Cordillera. Furthermore a new W-E profile at 23°30'S was observed, which reaches from the Coastal Cordillera to the Western Cordillera. Complementary shotpoints and reversed observations to earlier profiles in the Precordillera were realized. From the derived 1- and 2- dimensional models a generalized three dimensional model was produced. In the forearc region it confirms essentially the results of earlier seismic refraction studies. The average P-wave velocity of the crust decreases from 6.6 km/s beneath the Coastal Cordillera to 6.2 km/s beneath the Precordillera. The Moho of the downgoing oceanic plate is observed at about 40 km depth beneath the Coastal Cordillera. The original continental Moho was strongly modified and cannot be clearly determined by seismic data. The discontinuity in 10-12 km depth beneath the Coastal Cordillera, downgoing to about 20 km depth beneath the Precordillera, is interpreted as boundary between upper and lower crust. A high velocity zone at about 20 km depth beneath the Coastal Cordillera is interpreted as base of the continental crust This zone can be continued to a depth of 35-40 km beneath the Precordillera. The region below is characterized down to about 60 km depth by crustal velocities (vp 〈7.5 km/s). One explanation could be hydrated material of the peridotitic mantle wedge. In 60-70 km depth the velocity increases regionally to values above 7.9 km/s. The nature of this prominent discontinuity, called "Moho", is unclear. It indicates probably the top of a lithosphere/asthenosphere transition zone. A crustal thickness of 70 km for the magmatic arc, derived from seismological and gravimetric investigations, is not confirmed by the new seismic refraction datas. There are no Moho observations down to 60 km, but the seismic discontinuities of the Precordillera can be traced into the Western Cordillera. A discontinuitiy at about 20 km depth is interpreted as top of the lower crust, which reaches to about 40 km depth. Down to 45-60 km the velocities of the observed seismic discontinuities do not exceed 7.5 km/s. The average velocity is low (5.9-6.0 km/s). Along the strike of the magmatic arc crustal structure and velocity are changing in the transition zone from steep to flat subduction. In the north of the area under investigation a strongly structured crust with zones of extremely low velocities and strong attenuation of seismic waves is observed. This could be explained by partial melts in the crust. As source of the gravity high SE of Calama material with velocities 〉 6.4 km/s in 2-10 and 15-20 km depth was determined. In contrary, the crust of the southern part of the area is relatively uniform without high attenuation. These differences as well as the rebound of the magmatic arc south of 23°S could be caused by a pre-neogene thin and hard crust in the southern part of the area under investigation.

Description: thesis

Description: DFG, SUB Göttingen