Desencuentros y alineaciones. Petróleo y política exterior ...
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99 DOS MÉTODOS COMPLEMENTARIOS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE ALINEACIONES MAGNÉTICAS EN EL MARGEN CONTINENTAL ARGENTINO. ABRAHAM DANIEL A.* 1,2 , GHIDELLA MARTA 3 , PATERLINI MARCELO 1,4 SCHRECKENBERGER BERND 5 (1) Escuela de Ciencias del Mar, Instituto Universitario Naval, Argentina. (2) COPLA. Comisión nacional para la determinación del límite exterior, Argentina. (3) Instituto Antártico Argentino, Argentina. (4) Servicio de Hidrografía Naval, Argentina. (5) Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR), Germany. * [email protected] Introducción Los modelos de apertura del océano Atlántico Sur están basados en el cálculo de rotaciones de las placas tectónicas alrededor de los denominados polos de Euler. Su determinación se basa en evidencias geológicas basadas en la magnetometría y la gravimetría. La teoría de la tectónica de placas predice la creación continua de corteza. Esto ocurre cuando dos placas divergen en las dorsales centro oceánicas. El material magmático fundido es extruido desde la dorsal y arrojado hacia ambas placas solidificando casi inmediatamente. El elevado contenido de hierro del material extruido hace que cuando se solidifique y adquiera una temperatura menor que la de Curie, quede con una magnetización termo- remanente paralela al campo magnético de la época. Este mecanismo permite que alineaciones de material solidificado y magnetizado en una misma época estén sobre las dos placas a ambos lados de la dorsal. Estos lineamientos isócronos así formados son las llamadas anomalías magnéticas de expansión de fondo oceánico. Los centros de expansión son los lugares donde se crea nueva corteza oceánica al separarse las placas. En este trabajo mostraremos dos métodos que ayudan a identificar los lineamientos magnéticos característicos de la corteza oceánica en la zona del margen continental argentino comprendida aproximadamente entre 35º S y 48º S. Uno de los métodos se basa en calcular la curvatura de las anomalías magnéticas y superponerla a modo de máscara semitransparente sobre las anomalías. El otro consiste en realizar un modelo con ecuaciones diferenciales para generar la respuesta magnética de cuerpos adyacentes con magnetización remanente y polaridad alternada.
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DOS MÉTODOS COMPLEMENTARIOS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE ALINEACIONES MAGNÉTICAS EN EL MARGEN CONTINENTAL ARGENTINO.
ABRAHAM DANIEL A.*1,2, GHIDELLA MARTA3, PATERLINI MARCELO1,4 SCHRECKENBERGER BERND 5 (1) Escuela de Ciencias del Mar, Instituto Universitario Naval, Argentina. (2) COPLA. Comisión nacional para la determinación del límite exterior, Argentina. (3) Instituto Antártico Argentino, Argentina. (4) Servicio de Hidrografía Naval, Argentina. (5) Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR), Germany. * [email protected]
Introducción
Los modelos de apertura del océano Atlántico Sur están basados en el cálculo de
rotaciones de las placas tectónicas alrededor de los denominados polos de Euler. Su
determinación se basa en evidencias geológicas basadas en la magnetometría y la gravimetría.
La teoría de la tectónica de placas predice la creación continua de corteza. Esto ocurre
cuando dos placas divergen en las dorsales centro oceánicas. El material magmático fundido
es extruido desde la dorsal y arrojado hacia ambas placas solidificando casi inmediatamente.
El elevado contenido de hierro del material extruido hace que cuando se solidifique y
adquiera una temperatura menor que la de Curie, quede con una magnetización termo-
remanente paralela al campo magnético de la época. Este mecanismo permite que
alineaciones de material solidificado y magnetizado en una misma época estén sobre las dos
placas a ambos lados de la dorsal. Estos lineamientos isócronos así formados son las llamadas
anomalías magnéticas de expansión de fondo oceánico. Los centros de expansión son los
lugares donde se crea nueva corteza oceánica al separarse las placas.
En este trabajo mostraremos dos métodos que ayudan a identificar los lineamientos
magnéticos característicos de la corteza oceánica en la zona del margen continental argentino
comprendida aproximadamente entre 35º S y 48º S. Uno de los métodos se basa en calcular la
curvatura de las anomalías magnéticas y superponerla a modo de máscara semitransparente
sobre las anomalías. El otro consiste en realizar un modelo con ecuaciones diferenciales para
generar la respuesta magnética de cuerpos adyacentes con magnetización remanente y
polaridad alternada.
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Breve descripción de la zonificación magnética en el margen argentino entre 35º y 48º S.
Desde el punto de vista geológico la región de estudio se define como un margen
extensional volcánico. Se caracteriza por la existencia de cuñas volcánicas que pueden verse
en la sísmica de reflexión multicanal como una secuencia de reflectores sísmicos que inclinan
hacia el mar (seawards dipping reflectors sequence – SDRS)1. Estas cuñas son flujos
basálticos que erupcionaron por debajo del nivel del mar.
En el margen argentino-uruguayo hay cuatro segmentos que lo caracterizan como un
margen segmentado2 3. Los límites de estas regiones son la zona de fractura de Malvinas, y las
zonas de transferencia del Colorado, Ventana y Salado mencionadas desde el sur hacia el
norte respectivamente.
La discontinuidad del Colorado marca un importante contraste entre las anomalías que
se encuentran al sur y al norte de ella. Tiene una orientación NO-SE, centrada en
aproximadamente 60º S y 43º W. La respuesta magnética de los cuerpos que están al norte de
ella desaparece bruscamente al sur, es por eso que se la define como una anomalía de primer
orden4.
Al norte de la discontinuidad del Colorado existe un intenso lineamiento magnético con
orientación SO-NE. Es la zona de la anomalía G (G), anomalía isostática de gravedad que
también tiene una prominente respuesta magnética debido a la existencia de las cuñas
basálticas intra-basamentales (SDRS). En esta región se encuentra la transición entre corteza
continental y oceánica (Continental Oceanic Transition – COT). El ancho variable de los
segmentos fragmentados, que se hacen más angostos hacia el norte, permite inferir una
apertura oceánica diacrónica desde el sur hacia el norte. El margen oeste de la zona de la
anomalía G en gran parte se corresponde con la isobata de 2000 m.
Al este de la zona G, en la zona que caracterizamos como CO_M se identifican las
alineaciones magnéticas de expansión de fondo oceánico de la serie M. La dirección de estas
anomalías es SO-NE. Para destacar y mejorar el trazado de estas alineaciones utilizamos el
método de la curvatura y la comparación de los perfiles de anomalías con la respuesta
magnética de un modelo de cuerpos magnetizados.
Desde la zona G hasta la línea de costa y al norte de la discontinuidad del Colorado
encontramos la zona del cratón del Río de La Plata (LPD). Dentro de esta zona también
incluimos de la zona G. En aproximadamente 41º S y 60º O se encuentra la anomalía Tona 1 HINTZ, K. et al., 1976 2 FRANKE, D. et al., 2002 3 FRANKE, D. et al., 2007 4 GHIDELLA, M. et al., 1995
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una intensa anomalía de gran amplitud y morfología tridimensional. Las fuentes de Tona
parecen ser demasiado profundas para ser intrusiones volcánicas y poco profundas para ser
cuerpos de subplacado basáltico5. Existen cuerpos ígneos grandes profundos a lo largo de los
márgenes atlánticos y también en el margen argentino que están por encima de la
discontinuidad de Mohorovicic y son detectados por sísmica de refracción. En el margen
argentino aparecen debajo de la cuñas volcánicas6, y también en el margen de Namibia, en
África. Sin embargo allí la expresión magnética parece deberse sólo a las cuñas, que están
más superficiales7.
Hacia el oeste de CO_M encontramos la zona quieta del Cretácico (ZQ). En esta zona
las anomalías magnéticas no son relevantes.
Al sur de la discontinuidad del Colorado hasta la zona de fractura de Malvinas
caracterizamos al margen extensional pasivo volcánico patagónico. Una zona de anomalías de
amplitud poco significativa caracteriza a la provincia magnética de la plataforma patagónica
(PMPP). Hacia el oeste de esta zona, sobre la línea de costa se destaca una zona de pórfidos
(ZP) cuya respuesta magnética es de alta frecuencia y mediana amplitud. Esta región no
presenta alineaciones en una dirección predominante. Centrada en aproximadamente 46º S y
58º W existe una provincia magnética desplazada hacia el oeste con respecto a la zona de la
anomalía G. A esta región la hemos denominado G1. Este corrimiento se produce en la
discontinuidad del Colorado y podría llegar a interpretarse como una posible continuación de
la zona de la anomalía G hacia el sur. Adyacente a esta zona, centrada aproximadamente en
47º S y 56º W, se encuentra la zona CO_M1 donde identificamos las alineaciones magnéticas
oceánicas pero no tan definidas como en la zona CO_M. Aquí las alineaciones tienen una
dirección predominante N – S.
Hemos encontrado sobre la zona G y entre CO_M y CO_M1 zonas de fragmentación de
las alineaciones magnéticas. En parte se corresponden con las zonas de transferencia
identificadas por distintos autores.
La cobertura de los datos con que se calculó el modelo de anomalías magnéticas puede
verse en la figura 1. En la figura 2 se muestran las provincias magnéticas descriptas
anteriormente superpuestas con el modelo de anomalías magnéticas.
5 MAX, M et al., 1999 6 NEBEN et al., 2002 7 GHIDELLA, M, 2005
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Figura 1. Cobertura de datos para con que se realizó el modelo de anomalías magnéticas.
Figura 2. Provincias magnéticas sobre el modelo de anomalías magnéticas.
Cálculo de la curvatura.
Como ayuda complementaria para el trazado de las alineaciones magnéticas se
desarrolló un método para calcular la curvatura de las anomalías magnéticas. La dirección en
la cual se quiere calcular la curvatura se parametriza en función del ángulo que forma con el
eje x, con orientación Oeste-Este. Si el versor ˆ dlu =dl
es el que define la dirección de
derivación para el cálculo de la curvatura,α es el ángulo que forma este versor con el eje x. Se
denomina ΔT a la función anomalía.
Figura 3. Gradiente de la anomalía y dirección de derivación
N
S
ΔT
y
x
φ
α
u
O
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A continuación se demuestra la expresión de la curvatura en función del ángulo α y las
derivadas respecto de los ejes coordenados:
La curvatura K de dicha función en una determinada dirección caracterizada por el
vector dl
es:
2
2
32 2
d ΔTdlK =dΔT1+dl
(1)
Siendo ΔT la anomalía magnética de campo total.
A la variación infinitesimal de la anomalía en una dirección caracterizada por dl,
la
podemos expresar en función del gradiente como se muestra a continuación:
dΔT = ΔT dl
(2)
Teniendo en cuenta la diferenciabilidad de la anomalía y de su derivada primera,
desarrollando la expresión del gradiente en coordenadas cartesianas y escribiendo la expresión
del versor en función del parámetro angular α obtenemos la derivada direccional de la
anomalía:
ˆ ˆ ˆ ˆˆdΔT ΔT ΔTΔT u= i + j cos α i +senα jdl x y
(3)
Desarrollando el producto escalar:
dΔT ΔT ΔT= cosα+ senαdl x y
(4)
Para obtener la segunda derivada hacemos:
ˆ2
2
d ΔT dΔT= udl dl
(5)
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Desarrollando la expresión del gradiente en coordenadas cartesianas:
ˆ ˆ
dΔT dΔTdΔT dl dl= i + jdl x y
(6)
Reemplazando la ecuación (4) en (6):
ˆ ˆ2 2 2 2
2 2dΔT ΔT ΔT ΔT ΔT= cosα+ senα i + cosα+ senα jdl x y x x y y
(7)
Teniendo en cuenta las ecuaciones (5) y (7) y el teorema de Schwarz se llega a:
2 2 2 2
2 22 2 2
d ΔT ΔT ΔT ΔT= cos α+2 senαcosα+ sen αdl x x y y
(8)
Reemplazando (4) y (8) en (1):
2 2 22 2
2 2
32 2
ΔT ΔT ΔTcos α+2 cosα sinα+ sin αx x y yK =
ΔT ΔT1+ cosα+ sinαx y
(9)
La expresión (9) permite obtener la curvatura de las anomalías magnéticas en función
del ángulo que define la dirección de derivación y las derivadas respecto de las coordenadas
cartesianas.
La figura 4 muestra la curvatura calculada con un parámetro angular adecuado para esa
zona, en este caso 40º medido en sentido horario respecto del eje x, y superpuesta en forma
semitransparente sobre el mapa de anomalías. Hemos realizado el cálculo de las derivadas por
el método de diferencias finitas.
En la figura 5 se muestra en líneas rojas las alineaciones oceánicas en las provincias
magnéticas CO_M y CO_M1.
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Figura 4. Mapa de anomalías magnéticas con la imagen de la curvatura superpuesta con transparencia resaltando los alineamientos oceánicos.
Figura 5. Provincias magnéticas. Trazo de las alineaciones magnéticas en líneas rojas. Discontinuidades magnéticas en línea azul. Zonas de transferencia hechas por Franke et al (2007) líneas verdes.
Identificación de las alineaciones oceánicas con modelos de cuerpos magnetizados.
Estas alineaciones se identifican de acuerdo a una escala temporal de inversiones
magnéticas. En teoría, si no hubo afloramientos magmáticos posteriores que enmascaren la
respuesta magnética de los cuerpos, para la identificación de estas anomalías de expansión de
fondo oceánico se puede realizar un modelado simple de cuerpos, teniendo en cuenta las
velocidades de expansión y contemplando tanto la magnetización remanente como la
inducida.
En un modelado realizado en 2D una de las dimensiones del cuerpo tiende a infinito.
Esta geometría es apta para el modelado de cuerpos que son fuentes de las alineaciones
oceánicas. El campo anómalo producido por un cuerpo se debe a la magnetización total del
mismo, entendiéndose como tal a la suma de la magnetización remanente y la inducida. Para
el cálculo de la magnetización inducida debe conocerse la orientación de los cuerpos. Las
componentes del campo regional se calculan en función del módulo del campo regional, su
inclinación y declinación geográfica y la orientación del cuerpo (ver figura 6):
( ) ( )xBreg Breg cos Inc sen Str Dec
(10)
( ) ( )yBreg Breg cos Inc cos Str Dec
(11)
( )zBreg Breg sen Inc
(12)
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Figura 6. Esquema de un cuerpo prismático magnetizado que es fuente de anomalías de fondo oceánico
Haremos un planteo con ecuaciones diferenciales en derivadas parciales. Las
ecuaciones básicas que se utilizaron para resolver numéricamente el modelo se describen a
continuación. Se sabe que el vector inducción magnética es igual al rotor del vector potencial
magnético, es decir:
B A
(13)
En un modelo 2D el vector potencial magnético A
tiene componente sólo en la
coordenada perpendicular al plano de modelado. La relación constitutiva entre el vector
inducción magnética B
, el vector intensidad de campo magnético H
y el vector
magnetización M
es la siguiente:
( )oB H M
(14)
En donde -74 10oHm
es la permeabilidad del vacío.
S
N
Breg
Proyectado en el plano xy
x
y
O
Cuerpo magnetizado
Str
Dec
107
La relación entre el vector intensidad de campo magnético y la densidad de corriente es:
0H J
(15)
En el caso de interés J
es el vector nulo. Cabe aclarar que se consideran nulas a las
corrientes de desplazamiento ya que la variación temporal de los campos eléctricos presentes
es totalmente despreciable.
De lo anterior se desprende que:
o
AH M
(16)
Desarrollando las ecuaciones anteriores quedan las siguientes ecuaciones diferenciales
en derivadas parciales:
0oAz My Hyx
(17)
0oAz Mx Hxy
(18)
Hy Hx Jzx y
(19)
En las fronteras del recinto de integración se debe imponer una condición de contorno
tipo Dirichlet, asignando a Az el valor cero, ya que los cuerpos se modelan como una
configuración acotada inmersa en un recinto espacial de dimensiones muy superiores a la de
la misma. La resolución numérica de las ecuaciones diferenciales se programa para ser
resuelta por el método de los elementos finitos con cualquier software que permita hacerlo.
Considerando a los cuerpos isótropos la magnetización inducida es colineal con el
campo inductor. Por lo tanto la componente del vector magnetización inducida puede
expresarse en función del vector inducción magnética según la siguiente relación:
( )I
o
BregM1
(20)
108
En donde es la susceptibilidad magnética del material.
Las componentes del vector magnetización inducida tienen las siguientes expresiones:
( ) ( )( )I x
o
M Breg cos Inc sen Str Dec1
(21)
( )( )I z
o
M Breg sen Inc1
(22)
El vector magnetización es la suma de la magnetización inducida y la magnetización
remanente.
I remM M M
(23)
La anomalía calculada con los datos medidos se compara con la respuesta del modelo
sobre las líneas (figura 7). Para definir el ancho de los cuerpos se utilizó la escala de
inversiones que se muestra en la tabla 18 y se estiman distintas velocidades de expansión.
Tabla 1. Escala de tiempos de inversiones de campo magnético debida a Gradstein (2004)
Denominación
Fin de la época
(Ma (*))
Comienzo de la época (Ma(*))
Edad Media (Ma(*)) Normal/Reversa
(C34n) 118,57 124,61 121,59 N M0r 124,61 125,00 124,81 R M1n 125,00 127,24 126,12 N M1r 127,24 127,61 127,43 R M3n 127,61 128,11 127,86 N M3r 128,11 129,76 128,94 R M5n 129,76 130,80 130,28 N M5r 130,80 131,19 131,00 R M6n 131,19 131,41 131,30 N M6r 131,41 131,56 131,49 R M7n 131,56 131,85 131,71 N M7r 131,85 132,20 132,03 R M8n 132,20 132,52 132,36 N
8 GRADSTEIN et al., 2004
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M8r 132,52 132,83 132,68 R M9n 132,83 133,14 132,99 N M9r 133,14 133,50 133,32 R
M10n 133,50 133,87 133,69 N M10r 133,87 134,30 134,09 R
M10Nn.1n 134,30 134,62 134,46 N M10Nn.1r 134,62 134,67 134,65 R M10Nn.2n 134,67 134,98 134,83 N M10Nn.2r 134,98 135,00 134,99 R M10Nn.3n 135,00 135,28 135,14 N
M10Nr 135,28 135,69 135,49 R M11n 135,69 136,44 136,07 N
M11r.1r 136,44 136,68 136,56 R M11r.1n 136,68 136,71 136,70 N
(*)Millones de años
Los cuerpos magnetizados se modelan con forma prismática con un espesor de 1 km y
a una profundidad de 8 km. Se considera cuerpos con susceptibilidad magnética igual a 0.01 y
una magnetización remanente de 4 A/m. Para la latitud de la línea modelada se consideraron
tres velocidades de expansión diferentes (1,75 cm/año, 2,00 cm/año y 2,50 cm/año) según se
detalla en la figura 7.
131.2 130.8 129.8 128.1 127.6 127.2 125.0 124.6
1.75
2.00
2.50
Millones de años
Velo
c. e
xpan
sión
de
fond
o oc
eáni
co (c
m/a
ño)
Velocidad de expansión de fondo oceánico
M3n
M0r
M1n
M1r
(C34n)
M3r
M5n
M5r
M6n
Figura 7. Velocidades de expansión de fondo oceánico considerada para el modelado y edad de los lineamientos magnéticos de acuerdo a la escala que se muestra en la tabla 1.
110
En la figura 8 se compara la respuesta magnética del modelo con las anomalías
observadas sobre la línea SONNE85_006 - campaña BGR93.
-50
0
50
100
150
200
-250 -200 -150 -100 -50 0 50x (km)
135.3 134.3 133.6 132.5 131.8 131.4 130.8 129.8 128.1 127.2 124.6Millones de años
Inve
rsio
nes
mag
nétic
as
SONNE85 006
Breg: 25000 nT Inclinación: -45° Declinación: -4.5° Strike: -40° susceptibilidad magnética: 0.01 abs(Mremanentez): 4 A/m
(C34n)
M0r
M1n
M1r
M3n
M3r
M5n
M5r
M6n
M6r
M7n
M7r
M8n
M8r
M9n
M9r
M10n
M10r
M10Nn.1nM10Nn.3n
M10Nn.2n
M10Nn.1rM10Nn.2r
Figura 8. Correspondencia entre rasgos prominentes de la respuesta del modelo matemático y las anomalías. Identificación de alineaciones. Escala de inversiones magnéticas.
Conclusiones
El cálculo de la curvatura y el modelado de cuerpos prismáticos permitieron mejorar el
trazado de las alineaciones magnéticas de expansión de fondo oceánico como se muestra en
las figuras 4 y 5. Estableciendo una correlación entre la respuesta del modelo matemático y
las anomalías se pudieron identificar los lineamientos mesozoicos desde M0r hasta M5n,
pudiendo confirmar una correcta designación.
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Bibliografía
FRANKE, D., NEBEN, S., HINZ, K., MEYER, H., y SCHRECKENBERGER, B., 2002. Deep crustal structure of the Argentine continental margin from seismic wide-angle and multichannel reflection seismic data. AAPG Hedberg Conference, Hydrocarbon Habitat of Volcanic Rifted Passive Margins, September 8-11, 2002, Stavanger, Norway. FRANKE, D., NEBEN, S., LADAGE, S., SCHRECKENBERGER, B. y HINZ, K. “Margin segmentation and volcano-tectonic architecture along the volcanic margin off Argentina/Uruguay, South Atlantic.” En: Marine Geology; 244, 46-67, 2007. GHIDELLA, M.E., PATERLINI, M., KOVACS, L.C. y RODRÍGUEZ, G. Magnetic anomalies on the Argentina Continental Shelf. En: 4th International Congress of the Brazilian Geophysical Society and 1st Latin American Geophysical Conference. Expanded abstracts, 269–272, Río de Janeiro, 1995. GHIDELLA, M, 2005. Disponible en: <http://dna.gov.ar/mararg/pictr2002/Interpretacion/-tona/index.html>. Fecha de consulta: 20 de abril de 2010. GRADSTEIN, F.M., OGG, J.G., SMITH, A.G., AGTERBERG, F.P., BLEEKER, W., COOPER, R.A., DAVYDOV, V., GIBBARD, P., HINNOV, L.A., HOUSE, M.R., LOURENS, L., LUTERBACHER, H.P., McARTHUR, J., MELCHIN, M.J., ROBB, L.J., SHERGOLD, J. y VILLENEUVE, 2004. A Geologic Time Scale 2004. En: Cambridge University Press, 589, 2004. HINZ, K. y WEBER, J. “Zum geologischen Aufbau des Norwegischen Kontinentalrandes und der Barents-See nachre-exionsseismischen Messungen.” En: Erdol und Kohle, Erdgas Petrochemie, Compendium; 57/76, 3-29 Leinfelden/Echterdingen, 1976. MAX, M.D., GHIDELLA, M., KOVACS, L., PATERLINI, M. y VALLADARES, J.A.. Geology of the Argentine continental shelf and margin from aeromagnetic survey. En: Marine and Petroleum Geology 16, 41–64, 1999. NEBEN, S., FRANKE, D., HINZ, K., SCHRECKENBERGER, B., MEYER, H. y ROESER, H.A. Early Opening of the South Atlantic: Pre-Rift Extension and Episodicity of Seaward Dipping Reflector Sequence (SDRS) Emplacement on the Conjugate Argentine and Namibia Continental Margins. En: AAPG Hedberg Conference, Hydrocarbon Habitat of Volcanic Rifted Passive Margins, September 8-11, 2002, Stavanger, Norway. American Association of Petroleum Geologists, 2002. CV de ABRAHAM Daniel (expositor) El Ingeniero Daniel Abraham se recibió de Ingeniero Civil en la Universidad de Buenos Aires. Ha realizado estudios de posgrado en la Universidad Tecnológica Nacional y la Escuela Superior Técnica del Ejército en Docencia Universitaria y Criptografía y Seguridad Teleinformática respectivamente. Desde el año 1987 se ha especializado en la actividad académica a nivel universitario en el área de física. Se desempeñó en universidades estatales y privadas ejerciendo actividades de docencia e investigación y desarrollo. Actualmente es Profesor Ajunto en la Facultad de Ingeniería de la UBA y en la Facultad Regional Buenos Aires de la UTN y Profesor Asesor en la Escuela de Ciencias del Mar – INUN. Desde el año 2003 su área de trabajo es la geofísica en particular los métodos geopotenciales magnéticos. Desde 2005 trabaja como consultor de la Comisión Nacional del Límite Exterior de la Plataforma Continental Argentina (COPLA) en el área de procesamiento, interpretación y modelado de datos magnéticos.
