UNIVER SIDAD DE CONCEPCIÓN DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA TIERRA

10° CONGRESO GEOLÓGICO CHILENO 2003

CAMBIO EN LA SUBDUCCION DE LA PLACA DE NAZCA, DE PLANA A INCLINADA, BAJO CHILE CENTRAL Y ARGENTINA: DATOS SISMOLOGICOS PRELIMINARES PARDO, M.1, MONFRET, T.2, VERA, E.1, EISENBERG, A.1, YAÑEZ, G.1,3, TRIEP, E.4 1

Departamento de Geofísica, Universidad de Chile, Blanco Encalada 2085, Santiago, Chile ([email protected]) UMR Géosciences Azur- IRD, 250 rue Albert Einstein, 06560 Valbonne, Francia ([email protected]) 3 Codelco-Chile, Teatinos 258 Piso 7, Santiago, Chile ([email protected]) 4 IGS, Universidad Nacional de San Juan, Meglioli 1160 Sur, 5400 San Juan, Argentina ([email protected]) 2

RESUMEN El cambio notable en la pendiente de la placa de Nazca que ocurre bajo los Andes centrales de Chile central y oeste de Argentina, es el límite entre los modos de subducción plana al norte y subducción inclinada o normal al sur. La transición entre estos modos de subducción es aún controversial, con hipótesis extremas que plantean un desgarro en la placa subductada ó una flexión continua de ella. Con el objetivo de analizar esta transición en detalle, se recopilaron los datos de hipocentros de sismos en la región localizados con un error estimado menor que 10 km y registrados con estaciones locales, y se instaló una red sismológica temporal de instrumentos de banda ancha en Chile y Argentina. Estos datos permitirán realizar una tomografía de velocidades de ondas P y S en la región del cambio, y determinar la distribución del tensor de esfuerzo en la litósfera subductada en función de mecanismos focales. El cambio en pendiente se correlaciona bien con la subducción de la dorsal de Juan Fernández, en torno a la cual la sismicidad es mayor y se libera más momento sísmico que en zonas vecinas. Las características de la dorsal inducirían fuerzas boyantes que favorecerían la generación de la subducción plana. INTRODUCCION La subducción de la placa de Nazca bajo el continente Sudamericano determina las características de los procesos geológicos, geodinámicos y sismotectónicos en Chile central y Argentina. En esta zona, el rasgo principal de la placa oceánica que subduce es el cambio notable en su pendiente, que ocurre alrededor de la latitud 32.5°S y que separa el modo de subducción plana hacia el norte, del modo de subducción inclinada hacia el sur (Swift y Carr, 1974; Barazangi y Isacks, 1976; Jordan et al., 1983; Fuenzalida et al., 1992; Cahill y Isacks, 1992; Araujo y Suárez, 1994). Este cambio en la pendiente ocurre bajo el contacto interplaca, luego que éstas se desacoplan alrededor de los 60 km de profundidad. Esta máxima profundidad de acoplamiento es relativamente constante a lo largo de toda la subducción en Chile (Pardo et al., 2002a). La geometría de la zona interplaca es similar a lo largo del contacto, con cambios asociados a la batimetría de la placa oceánica que subduce. El principal rasgo batimétrico de la placa de Nazca en la zona del cambio es la dorsal de Juan Fernandez (JFR), que subduce bajo el continente y genera fuerzas boyantes que favorecen la flotabilidad de la placa oceánica subductada, Todas las contribuciones fueron proporcionados directamente por los autores y su contenido es de su exclusiva responsabilidad.

constituyéndose en uno de los factores principales en la generación de la zona de subducción plana bajo los 60 km de profundidad (Cross y Pilger, 1982; Cahill y Isacks, 1992; Von Huene et al., 1997; Gutscher et al., 2000;Yañez et al, 2001 y 2002). La zona de subducción plana comienza alrededor de los 26°S, con la placa oceánica que disminuye gradualmente su pendiente hasta hacerse casi horizontal alrededor de los 32.5°S, cambiando abruptamente su pendiente al sur de esta latitud, desde donde la placa de Nazca subduce con una pendiente relativamente constante de ~27° (Pardo et al., 2002). Basado en hipocentros localizados con datos telesísmicos, el cambio de pendiente de subducción plana a inclinada fue inicialmente modelado como un desgarro en la placa oceánica (Swift y Carr, 1974; Barazangi y Isacks, 1976). Posteriormente, utilizando datos sismológicos telesísmicos y locales, se ha propuesto una flexión continua en la placa de Nazca como modelo para explicar este cambio notable (Fuenzalida et al., 1992; Cahill y Isacks, 1992; Araujo y Suárez, 1994). Estos modelos corresponden a los extremos de una familia de posibles soluciones intermedias, que podrían incluir desgarros y flexiones en la placa de Nazca bajo el continente. Considerando como uno de los objetivos el mejorar el modelo del cambio de subducción plana a inclinada, se recopilaron los datos sismológicos locales obtenidos en investigaciones anteriores en la zona. Debido a que estos datos recopilados fueron registrados por estaciones en Chile, la detección y cobertura azimutal de sismos en la zona del cambio, bajo Argentina, es pobre. Luego, para mejorar las localizaciones hipocentrales y la determinación de mecanismos de foco, y realizar una tomografía sísmica en la zona de interés, se instaló en Chile central y oeste de Argentina una red sismológica temporal. DATOS LOCALES Considerando que el cambio de subducción plana a inclinada ocurre alrededor de los 32.5°S, se utilizará la base de datos de sismos ocurridos entre las latitudes 30°S y 34°S, obtenida con estaciones sismológicas locales de redes permanentes y temporales. Estos datos corresponden a hipocentros localizados con un error estimado menor o igual que 10 km. DATOS RECOPILADOS En la zona de subducción plana, 30°S y 32°S, se utilizó el catálogo final de sismos registrados por la red temporal conjunta U. de Chile/IRD-Francia. Esta red consistió en 38 estaciones de periodo corto instaladas en la zona desde el 15 de Noviembre de 1999 al 3 de Marzo de 2000 (Pardo et al., 2000). Estos hipocentros se determinaron utilizando un modelo de velocidades 3D, obtenido mediante una tomografía sísmica de la región (Pardo et al., 2002b). Para la zona de subducción inclinada, 32°S y 34°S, los datos provienen de la base de datos de hipocentros de sismos ocurridos desde 1985 a 1995, obtenidos mediante una inversión conjunta de hipocentros y modelo 3D de estructura de velocidades de ondas P y S (Pardo et al., 1997). Los tiempos de las fases utilizadas para la inversión se obtuvieron de: (1) la red de estaciones permanentes del Servicio Sismológico Nacional de la Universidad de Chile (SSN); (2) la red temporal de 8 estaciones de periodo corto, instaladas por un mes luego del terremoto de 1985 (Mw=8.0, Comte et al., 1986); (3) la red temporal de 14 estaciones de periodo corto, instaladas por 2 meses en 1986, entre los 32.5°S y 34°S (Fuenzalida et al., 1992); (4) la red temporal de 12 estaciones de periodo corto, durante 2 meses en 1995, entre los 34°S y 35.5°S (Pardo et al.,

1997). Además, se consideró el catálogo del SSN, 1996-2001, filtrado por eventos que cumplieran con la condición de error hipocentral estimado menor que 10 km. La base de datos obtenida para la zona, ~8700 sismos locales entre las latitudes 30°-34°S (Figura 1), permite definir claramente los modos de subducción plano e inclinado de la placa de Nazca bajo el continente al norte y sur de los ~32.5°S. Sin embargo no es suficiente para precisar como es la transición entre estas formas de subducción, la que ocurre bajo el continente y principalmente al este de la cordillera de los Andes. Además, los hipocentros en Argentina tienen una calidad menor, debido a que están localizados solo con registros de estaciones en Chile. DATOS NUEVOS Para intentar obtener un modelo 3D del cambio de la subducción bajo Chile central y el oeste de Argentina, y analizar sus implicaciones geodinámicas y sismotectónicas, es necesario mejorar la cantidad y calidad de las localizaciones y mecanismos focales en la zona. Para esto, se instaló una red sismológica temporal en Chile y Argentina sobre la zona del cambio de pendiente en la subducción (Figura 2), en el marco de un proyecto de colaboración conjunta Chile-Francia (U. de Chile-Fondecyt/UMR Géosciences Azur-IRD). Esta red estuvo en funcionamiento durante el periodo 8-11-2002 al 7-03-2003, y consistió en 14 sismógrafos de banda ancha en Chile (Refteks + Guralp CMG-40T) facilitados por IRIS-PASSCAL de USA, y 15 estaciones de banda ancha en Argentina, 14 facilitadas por Francia (TITAN + Guralp CMG40T y -3T) y una por la U. N. de San Juan, Argentina (Reftek + Guralp CMG-40T). El registro de todas estas estaciones fue en continuo, con lo que se garantiza el registro y localización de la actividad sísmica local de magnitud > 0. El control de tiempo se realiza mediante la señal satelital GPS. La red temporal conjunta fue complementada en la zona con las estaciones permanentes del Servicio Sismológico Nacional de la U. de Chile. Del registro continuo de las estaciones en Chile y la instalada en San Juan, Argentina, se extrajeron los sismogramas de alrededor de 7200 sismos para todo el periodo de funcionamiento, esto es un promedio de ~60 sismos/día. El resto de los registros de estaciones en Argentina está siendo procesado y permitirá aumentar este número con sismos de baja magnitud en Argentina. La base de datos final para procesar será la unión de todos estos registros, además de los del SSN, lo cual garantizará una localización precisa y una buena determinación de mecanismos focales de sismos en la zona.

Fig.1.

Sismicidad localizada con estaciones locales y permanentes en Chile desde 1985 hasta 2001. (a) Epicentros (círculos azules), sobre la topografía de la zona. Se indican como referencias la fosa y las curvas isoprofundidad de la placa de Nazca (Cahill y Isacks, 1992). La trayectoria inferida de la dorsal de Juan Fernández (JFR) subductada bajo el continente, se muestra con línea roja segmentada. (b) Corte EW de la sismicidad en función de la profundidad en la zona de subducción plana. (c) Corte EW de la sismicidad en función de la profundidad en la zona de subducción inclinada.

Fig.2. Red sismológica temporal de instrumentos de banda ancha (rombos azules). En Chile se indican además, las estaciones permanentes del Servicio Sismológico de la U. de Chile: estaciones telemétricas de periodo corto (círculos celestes), acelerógrafos (rombos rojos) y estaciones de banda ancha (rombos amarillos). Las curvas de igual profundidad de la placa de Nazca (Cahill y Isacks, 1992) se muestran con línea blanca segmentada.

Hasta ahora se han localizado preliminarmente alrededor de 1600 hipocentros y algunos mecanismos de sismos ocurridos durante Noviembre hasta el 15 de Diciembre de 2002 (Figura 3), solo con las estaciones en Chile y la ubicada en el Instituto Sismológico de Zonda, San Juan, Argentina.

Fig.3. Epicentros y mecanismos de foco preliminares determinados con datos, solo de estaciones en Chile, de la red temporal CHAR02 entre Nov.8 y Dic.15 de 2002. En rojo se presentan las soluciones para sismos corticales con profundidad de foco menor que 20 km. Los círculos celestes corresponden a los epicentros de sismos más profundos, con mecanismos de foco (negro) sobre su localización. DISCUSION La base de datos existente recopilada para la zona tiene solo ~8700 eventos localizados con un error hipocentral menor que10 km en un periodo de 15 años, de los cuales alrededor de 2500 corresponden a los obtenidos por la red temporal de 1999-2000 que registró en continuo por 3 meses entre los 30°S y 32°S. Esto es debido a que el tipo de registro de las estaciones permanentes y redes temporales en la zona antes de 1999 es por “trigger”, grabándose solo eventos que exceden una amplitud determinada, por lo cual la magnitud mínima de los sismos localizados es del orden de 2.5. Con registro continuo es posible localizar eventos de magnitud menor que 2.5, con lo cual el número de microsismos aumenta notablemente aportando valiosa

información para estudios sismotectónicos, como se observa con las localizaciones preliminares de solo 38 días de la red temporal 2002-2003 (Figura 3). En la región Andina se observan sismos corticales con profundidad menor que 20 km (Figura 3). Los mecanismos de foco preliminares indican un régimen de esfuerzo compresivo en esta región. El procesamiento completo de los datos de la red temporal 2002-2003 permitirá sin duda el aumentar notablemente la cantidad de este tipo de eventos y determinar sus mecanismos focales, aportando información importante para estudios tectónicos en la cordillera de los Andes. Asumiendo que la sismicidad en la placa de Nazca subductada ocurre fundamentalmente en la corteza oceánica de su borde superior, queda en evidencia el dramático cambio en su pendiente alrededor de los 32.5°S, a partir de los 100 km de profundidad (Figura 1). Con las incertidumbres de mayores errores en la localización de sismos bajo Argentina, la sismicidad indica una corteza oceánica más gruesa en la zona de la subducción plana, relacionada con la subducción del JFR. El mismo fenómeno de engrosamiento cortical se observa costa afuera con datos sísmicos (Kopp et al., 2002). Esta corteza anómala bajo la dorsal subductada estaría asociada a un rejuvenecimiento termal de la litósfera y un potencial engrosamiento cortical debido al paso de la placa oceánica sobre el “hot-spot” que origina el JFR, además de deflexión del Moho por compensación isostática. Todo esto originaría fuerzas boyantes que favorecerían la subducción plana. La sismicidad es mayor en torno a la trayectoria inferida de la subducción del JFR, lo cual es notable en el “outer-rise” y a profundidades intermedias (Figuras 1 y 3). Esto también se observa con datos telesísmicos, con los cuales además es posible afirmar que a lo largo de la subducción del JFR la liberación de momento sísmico es mayor que en zonas vecinas (Pardo et al., 2002a). La causa de esta anomalía de sismicidad estaría asociada a la generación de fallas en la corteza oceánica en el “outer-rise”, por la interacción del JFR con el continente al comenzar su proceso de subducción en la fosa, y por su reactivación posterior a profundidades intermedias debido al metamorfismo y deshidratación de la corteza oceánica subductada (Kirby et al., 1996). Los nuevos datos de mejor calidad y cantidad que aportará la red sismológica temporal 20022003, permitirá intentar obtener un modelo 3D del cambio de la subducción bajo Chile central y el oeste de Argentina, y analizar sus implicaciones geodinámicas y sismotectónicas. Para lograr este objetivo, se pretende: (1) realizar una inversión tomográfica 3D de velocidades de ondas P y S, y de atenuación de ondas sísmicas bajo Chile y Argentina; (2) relocalizar los hipocentros con la estructura de velocidades 3D; (3) determinación de mecanismos focales que permitan realizar una inversión para obtener la distribución del tensor de esfuerzos en la región; (3) realizar perfiles sísmicos sobre la zona de transición del cambio, utilizando sismos como fuente. En el marco del mismo proyecto de la red temporal se realizaron 2 perfiles gravimétricos NS en Argentina (Vera et al, 2003), uno aproximadamente a 69ºW de 500 km de longitud y el otro cercano a 67°W de 300 km de longitud. El modelo gravimétrico resultante permitirá restringir las posibles soluciones del modelo 3D del cambio de subducción plana a inclinada obtenido con datos sismológicos.

AGRADECIMIENTOS

Agradecemos a IRIS-PASSCAL de USA y organismos franceses (LGIT, UMR Géosciences Azur), por su invaluable contribución con instrumentos sismológicos para la red temporal. Al Servicio Sismológico de la U. de Chile por el acceso a su base de datos y registros de su red de estaciones. Un agradecimiento especial a los estudiantes y colegas por su valiosa colaboración en el trabajo de campo. Este trabajo cuenta con el apoyo de los proyectos FONDECYT 1020972, ECOS-CONICYT C00U02 e IRD-Francia. REFERENCIAS Araujo, M., Suárez, G., 1994. Geometry and state of stress of the subducted Nazca plate beneath central Chile and Argentina: evidence from teleseismic data. Geophys. J. Int., 116, 283-303. Barazangi, M., Isacks, B., 1976. Spatial distribution of earthquakes and subduction of the Nazca plate beneath South America. Geology, 4, 686-692. Cahill, T., Isacks, B., 1992. Seismicity and shape of the subducted Nazca plate. J. Geophys. Res., 97, 17503-17529. Comte, D., Eisenberg, A., Lorca, E., Pardo, M., Ponce, L., Saragoni, R., Singh, S.K., Suárez, G., 1986. The 1985 central Chile earthquake: A repeat of previous great earthquakes in the region? Science, 233, 449-453. Cross, T., Pilger, R., 1982. Controls of subduction geometry, location of magmatic arcs, and tectonics of arc and back-arc regions. Bull. Geol. Soc. Am., 93, 545-562. Fuenzalida, A., Pardo, M., Cisternas, A., Dorbath, L., Dorbath, C., Comte, D., Kausel, E., 1992. On the geometry of the Nazca plate subducted under central Chile (32°-34.5°S) as inferred from microseismic data. Tectonophys., 205, 1-11. Gutscher, M., Spakman, W., Bijwaard, H., Enghdal, R., 2000. Geodynamics of flat subduction: Seismicity and tomographic constraints from the Andean Margin. Tectonics, 19, 814-833. Jordan, T.E., Isacks, B., Allmendinger, R., Brewer, J., Ramos, V., Ando, C., 1983. Andean tectonics related to geometry of the subducted Nazca plate. Geol. Soc. Am. Bull., 94, 341-361. Kirby, S., Enghdal, R., Denlinger, R., 1996. Intermediate-depth intraslab earthquakes and arc-volcanism as physical expressions of crustal and uppermost mantle metamorphism in subducting slabs. In: Subduction: Top to Bottom. Bebout, G., Scholl, D., Kirby, S., Platt, J. (Eds.), Geophysical Monograph 96, AGU, 195-214. Kopp H., Flueh E. R., Thierer P., Klaeschen D., Tilmann F., Gaedicke C., 2002. Geophysical investigations of the central Chilean continental margin, . 5th International Symposium on Andean Geodynamics, ISAG, Toulouse, Francia. Ext. Abs. 351-354. Pardo, M., Comte, D., Monfret, T., Vera, E., 1997. Tomografía en Chile Central: Variaciones en el espacio y el tiempo de la velocidad de ondas P en la zona de ruptura del terremoto del 3 de Marzo de 1985. VIII Congreso Geológico Chileno, 3, 1795-1799. Pardo, M., Monfret, T., Vera, E., Eisenberg, A., Gaffet, S., Lorca, E., 2000. Red sismológica temporal en Chile central (30°-32°S): Datos locales para estudio sismotectónico de la región. IX Congreso Geológico Chileno, 2, 464467. Pardo, M., Comte, D., Monfret, T., 2002a. Seismotectonic and stress distribution in the central Chile subduction zone. J. South Am. Earth Sci., 15, 11-22. Pardo, M., Monfret, T., Vera, E., Eisenberg, A., Gaffet, S., Lorca, E., Pérez, A., 2002b. Flat-slab subduction zone in central Chile-Argentina: seismotectonic and body-wave tomography from local data. 5th International Symposium on Andean Geodynamics, ISAG, Toulouse, Francia, Ext. Abs. 469-472. Swift, S., Carr, M., 1974. The segmented nature of the Chilean seismic zone. Phys. Earth Planet. Inter., 9, 183-191. Vera, E., Yañez, G., Pardo, M., Bonvalot, S., Gabalda, G., Monfret, T., Triep, E., 2003. Transición de subducción plana a subducción normal bajo los Andes centrales de Chile y Argentina: Resultados preliminares de estudio gravimétrico. Enviado a: X Congreso Geológico Chileno, 2003, Concepción-Chile. Von Huene, R., Corvalán, J., Flueh, E.R., Hinz, K., Korstgard, J., Ranero, C.R., Weinrebe, W., and the CONDOR Scientists, 1997. Tectonic control of the subducting Juan Fernandez Ridge on the Andean margin near Valparaiso, Chile. Tectonics, 16, 474-488. Wessel, P., Smith, W.H.F., 1995. New version of the Generic Mapping Tools released (GMT). EOS, Trans. AGU, 76, 329. Yañez, G., Ranero, C., Von Huene, R., Díaz, J., 2001. Magnetic anomaly interpretation across the southern central Andes (32°-34°S): The role of the Juan Fernandez Ridge in the late Tertiary evolution of the margin. J. Geophys. Res., 106, 6325-6435.

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