Caratterizzazione della struttura litosferica del bacino intracratonico del Parana' (Sud America) mediante modellazione di dati gradiometrici e gravimetrici da satelliti di nuova generazione (GRACE e GOCE)

Lithospheric structure characterization of Paraná intracratonic basin (South America) by gravimetric data modellation obtained from new generation satellite (GRACE and GOCE).
Mariani, Patrizia
2012-03-12
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Contributor(s)
Ussami, Naomi
Abstract
Riassunto: La finalità di questo studio è la caratterizzazione della litosfera sottostante il bacino intracratonico del Paraná. I modelli gravimetrici adottati sono vincolati ai dati geofisici tra i quali quelli sismologici più recenti (Lloyd et al., 2010) e sono corroborati dai modelli petrografici (Bryan & Ernst, 2008). Si offre un approccio che include la comparazione isostatica a quella sismologica al fine di interpretare al meglio la struttura litosferica nell’area del bacino in analisi e di comprendere le variazioni geodinamiche legate alle province geologiche ivi presenti. Il bacino del Paraná (Sud America) è ubicato nella piattaforma stabile del Sud America, ed è circondato da cratoni tra i quali: il cratone amazzonico, il cratone di San Francisco e il Rio de La Plata. La sua genesi in epoca paleozoica è quella di vasto bacino sedimentario, sul quale però durante il Mesozoico (Cretaceo inferiore) si è sviluppata un’intensa attività vulcanica (Capitolo 3). Quest’attività effusiva lo classifica tra le maggiori LIP (Large Igneous Province) mondiali, provincie magmatiche con volume di materiale espulso superiore a 0.1 Mkm3 (Bryan & Ernst, 2008). L’analisi effettuata in questo lavoro è eseguita tramite lo studio del campo gravimetrico da modelli di nuova generazione derivanti dal satellite GOCE (Gravity field and steady state Ocean Circulation Explorer) e GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment). I prodotti gravimetrici satellitari di GOCE possiedono una risoluzione senza precedenti (mezza lunghezza d’onda 80 km): ciò consente di validare i modelli gravimetrici precedenti (280 km, EGM08, Pavlis et al., 2008) che per offrire una maggior dettaglio nelle anomalie integravano ai dati satellitari di GRACE le campagne gravimetriche terrestri, non sempre complete e quindi globalmente precise e di adempire agli indispensabile fini di interpretazione geodinamica. La descrizione dei modelli e la validazione degli stessi sono offerte nel Capitolo 2. I campi potenziali studiati per le principali province geologiche sono illustrati nel Capitolo 5; mentre nel Capitolo 6 si applica la metodologia spettrale sulla seconda derivata verticale del potenziale per discernere le diverse litologie individuate nell’area di studio. L’anomalia di Bouguer calcolata tramite sviluppo in armoniche sferiche viene corretta sia in superficie e in profondità stimando l’effetto di gravità dei sedimenti conosciuti (Capitolo 4) e le conoscenze geofisiche note. Il bacino è composto da: i sedimenti pre-vulcanici paleozoici di spessore pari a circa 3500 m, la Formazione Serra Geral composta principalmente da basalti tholeiitici del cretaceo inferiore (~1500 m di spessore), ed infine i sedimenti post-vulcanici del cretaceo superiore appartenenti al Gruppo Bauru, solo 300 m di spessore (Capitolo 3). Sfruttando i modelli sismologici regionali è stato infine possibile valutare anche il contributo gravimetrico dello spessore crostale stimato con la sismologia. Con questi elementi viene calcolata la Bouguer residua, che è interpretata come anomalia isostatica e quindi correlata alle strutture geologiche locali e regionali. Questo comporta il riconoscimento di una struttura anomala sotto la parte settentrionale del bacino del Paraná comprendente anche parte del settore adiacente Blocco del Guaporé. L’inquadramento a scala maggiore però permette di evidenziare un’area molto più ampia di quanto riconosciuto in prima istanza. Tale anomalia è centrata infatti nel nucleo archeano del cratone amazzonico, di cui quindi il bacino del Paraná risulta solamente il suo braccio più meridionale. In assenza di attività tettonica-magmatica recente (ultima risale 50 Ma) ed in mancanza di grandi anomalie superficiali, tale anomalia positiva potrebbe essere inserita in un contesto regionale e più profondo, rappresentando delle dinamiche di mantello. Infine tramite inversione gravimetrica è stata quantificata numericamente l’anomalia nel bacino di studio utilizzando la geometria semplice di un tronco di cono. La quantità di materiale in presunto underplating che dovrebbe spiegare l’anomalia positiva è compatibile ai modelli petrografici conosciuti. Tali modelli sottolineano come la presenza di un magmatismo noto in superficie rappresenti solo una piccola parte di quello che dovrebbe trovarsi in intrusione: è stato calcolato infatti che il magmatismo superficiale potrebbe rappresentare solo la decima parte di quello associato in profondità.
Abstract: Goal of this study is the characterization of the lithosphere beneath the intracratonic area of Paraná basin. We formulate gravimetric models constrained by geophysical data and new seismological models (Lloyd et al., 2010) and also underpinned by petrographic models (Bryan & Ernst, 2008). Our approach includes isostatic Moho to seismological Moho comparison to better understand lithospheric structures in the area of basin, and geodynamic context of the local geological province. Paraná basin (South America) is located on the stable South American platform, and it is surrounded by some craton areas, as: the Amazon craton, the San Francisco craton and the Rio de La Plata Craton. During Paleozoic epoch the Paraná region was a wide sedimentary basin, while in the Mesozoic (Early Cretaceous) a significant volcanic activity developed on it. This effusive phase classifies the basin between the greatest LIP (Large Igneous Province) worldwide known, where the magmatism volume is greater than 0.1 Mkm3(Bryan & Ernst, 2008). We analyzed gravimetric field using new generation satellite models as GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) and GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment). GOCE’s products gives unprecedented resolution (half wavelength: 80 km) helping to validate previous global gravity models as EGM08 (Pavlis et al., 2008). The 280 km satellite- only resolution was increased by integration of terrestrial gravity fields data, but this methodology added some problems during processing, where the terrestrial information is not complete or precise. On Chapter 2 some descriptions and validation among models are shown. We calculated potential field for the main geological provinces of Chapter 5; while in Chapter 6, using spectral methodology on the second vertical derivatives of potential field, we identify main lithologic units. The Bouguer anomaly calculated with the spherical harmonics expansion of the potential field is corrected by known stratigraphic units. The basin is made by pre-volcanic sediments of Paleozoic age, with over 3500 m of thickness, Serra Geral Formation, mainly tholeiitic basalts of Early Cretaceous (~1500 m), and post-volcanic sediment of Bauru Group, only 300 m of thickness. We evaluate the effect of crustal thickness variations on the gravity field by using the seismological crustal model. Removing these elements from the Bouguer anomaly, we obtain the residual Bouguer anomaly. Further we calculate the isostatic anomaly and we correlate it to the local and regional geological framework. This helps to recognize a positive residual anomaly on the northern part of the Paraná basin, including the nearby Guaporé Block. Setting a major scale we see the same phenomenon: it is in agreement with the archean nucleus of the Amazon craton, so we can claim that the anomaly on the Paraná is only the southern part of a greater positive area. The relative gravity positive anomaly in the Paraná basin is not very extended and lack of tectonic activity since50 Ma makes us consider that this anomaly is part of a deeper and greater anomaly, maybe due to mantle dynamic effects. We quantified the intracrustal density anomaly using gravity inversion and adopting a truncated cone geometry and volume in accord to petrographic models. It is known that an underplated magmatic body can be up to 10 time larger than the associated extrusive volume and this corroborates our models.