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Revista de la Asociación Geológica Argentina

Print version ISSN 0004-4822

Rev. Asoc. Geol. Argent. vol.67 no.4 Buenos Aires Dec. 2010

 

ARTÍCULOS

Estimación de la estructura cortical de velocidades sísmicas en el suroeste de la sierra de Pie de Palo, provincia de San Juan

Marcelo Perarnau1,2, Patricia Alvarado1,3 y Mauro Saez1

1 Departamento de Geofísica y Astronomía, Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, Universidad Nacional de San Juan, San Juan. E-mails: marceloperarnau@unsj-cuim.edu.ar; alvarado@unsj.edu.ar; msaez@unsj-cuim.edu.ar
2 Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT-FONCyT)
3 Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET)

RESUMEN

En este trabajo se muestran resultados relacionados con la estructura de corteza en la región de la sierra de Pie de Palo perteneciente a  las Sierras Pampeanas Occidentales a partir de funciones del receptor  telesísmicas para  la estación sismológica Coronel Fontana (31,605°S y 68,238°O). Estos resultados ponen de manifiesto evidencias de dos discontinuidades intracorticales a profundidades de 13 y 28 km aproximadamente y una discontinuidad más profunda cerca de 47 km de profundidad que correspondería al Moho. Los valores de contraste entre las velocidades de ondas P y S (Vp/Vs) para estas discontinuidades son en general elevados. En particular, la región comprendida entre 13 y 28 km de profundidad muestra los valores más altos de Vp/Vs lo cual indicaría un mayor grado de fracturación o fallamiento para esta zona de la corteza. Los resultados indican una densificación de la corteza inferior. 

Palabras clave: Estructura cortical; Sierra Pie de Palo; Moho; Subducción horizontal.

ABSTRACT: Estimation of  the seismic velocity crustal structure in the southwest region of  the Sierra de Pie de Palo southwest San Juan. In this paper  receiver  function  results beneath  the seismic station Coronel Fontana  (31,605°S and 68,238°W),  in  the western Sierras Pampeanas are shown. These results provide evidence for two intracrustal discontinuities at depths of  13 km and 28 km approximately and a deeper discontinuity near 47 km depth, which correlates with the Moho. Overall the ratio between the seismic velocities of  P and S waves (Vp/Vs) for these discontinuities are high. In particular, the region between 13 and 28 km depth shows the higher values of  Vp/Vs, which is consistent with a higher degree of  fracturing and faulting. The results also indicate a denser composition of  the lower crust.

Keywords: Crustal structure; Pie de Palo range; Moho; Flat-slab subduction. 

INTRODUCCIÓN

La  sierra de Pie de Palo  se ubica aproximadamente a 31,5°S y 68°O. Este levantamiento es parte de las Sierras Pampeanas Occidentales y presenta intensa actividad sísmica a profundidades de corteza continental y placa subducida (Regnier et al. 1992). La sismicidad resulta de la convergencia entre la placa oceánica de Nazca  y  la  placa  continental  de  Sudamérica con una  velocidad de  6,7  cm/año  en  la dirección acimutal de 78º (Fig. 1) (Vigny et  al.  2009). En  esta  región,  la  placa  de Nazca subduce en forma horizontal bajo Sudamérica (Cahill y Isacks 1992, Anderson et al. 2007).


Figura 1: Sismicidad en los últimos 30 años reportada por USGS (United States Geological Survey) de EEUU. CFAA denota la localización de la estación Coronel Fontana perteneciente a CTBTO (Preparative Commission for the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization) utilizada en este trabajo para estimar la estructura de velocidades sísmicas bajo la misma. La flecha representa la convergencia entre las placas de Nazca y Sudamericana a una velocidad de 6,7 cm/año (Vigny et al. 2009). Los contornos sólidos muestran la parte superior de la placa de Nazca subducida (Anderson et al. 2007); aquellos obtenidos por Cahill y Isacks (1992) se muestran en líneas de puntos. También se muestran los volcanes activos (Stern 2004) con triángulos de menor tamaño.

La estructura de  la sierra de Pie de Palo se caracteriza por el levantamiento de bloques de basamento precámbrico y la presencia de rocas máficas y ultramáficas con características de secuencias ofiolíticas en su borde occidental (Caminos et al. 1982, Galindo et al. 2004, Vujovich et al. 2004). Estos bloques han  sido  levantados probablemente por  fallas  inversas  en dirección  aproximada  norte-sur,  aunque  su observación en superficie, a diferencia de otras  estructuras  de  Sierras  Pampeanas que rodean la región, es para este caso dificultosa  (Jordan  y  Allmendinger  1986, Ramos  et al. 2002, Martínez  et al. 2008). Hacia el oeste de la Sierra se encuentra el valle de Tulúm que presenta sedimentos cuaternarios y carboníferos relativamente deformados (Salfity y Gorustovich 1983, Zambrano y Suvires 2008). Este valle separa la sierra de Pie de Palo de la Precordillera la cual presenta un estilo de deformación  del  tipo  faja  plegada  y  corrida (Ramos et al. 2002) (Fig. 2).


Figura 2: Telesismos detectados por la estación CFAA. Los puntos (piercing points) denotan la ubicación hipotética del pasaje de las ondas sísmicas hacia la superficie a una profundidad de 50 km para cada telesismo.

Uno de los interrogantes en la región de la sierra de Pie de Palo se relaciona con el espesor y la estructura de velocidades sísmicas de  la corteza. Estudios sismológicos regionales previos (ej., Alvarado et al. 2005a y b) han mostrado profundidades del Moho que señalan una corteza engrosada  (espesor  del  orden  de  50  km)  con respecto a las observaciones para la corteza a escala global cuyo valor medio es de 41 km (Christensen y Money 1995). También se ha señalado la existencia probable de  interfases  y/o  discontinuidades  dentro de la corteza aunque sus propiedades no han sido ampliamente exploradas (Calkins et al. 2006).
En este trabajo se presentan nuevas evidencias  para  la  estructura  de  la  corteza continental y profundidad del Moho bajo la estación sismológica Coronel Fontana conocida por sus siglas CFAA, la cual está situada en el flanco suroeste de la sierra de Pie de Palo (Figs. 1 y 2). Estas determinaciones se basan en una gran cantidad de observaciones utilizando el análisis de función del receptor que permite obtener información sobre las profundidades a las que se producen los cambios de velocidades sísmicas, y de esta manera, mejorar la determinación de interfases y/o discontinuidades para esta región.
Cabe  destacar  que  las  funciones  del  receptor han sido utilizadas en otras zonas para estimar  la profundidad del Moho y estructura  de  velocidades  sísmicas  con gran éxito. Algunos ejemplos de  investigaciones a niveles de corteza y manto superior para una gran variedad de ambien
tes geológicos pueden obtenerse de los trabajos de Owens et al. (1984), Gilbert et al. (2003, 2006) y Linkimer et al. (2010).

METODOLOGÍA Y DATOS

La técnica de función del receptor se utiliza para encontrar discontinuidades o cambios con la profundidad en los valores de las velocidades sísmicas a partir de la diferencia en los tiempos de llegada de una onda directa P y la fase convertida de onda P a onda S (Ps) producida en una interfase debajo de un receptor de tres componentes  (Langston 1977). En  la práctica, el procedimiento consiste en  la  identificación  de  varias  conversiones  de  ondas sísmicas que se generan a partir de la onda P originalmente producida por un telesismo al atravesar una discontinuidad bajo  la estación que  lo  registra. Así, una onda P produce conversiones a ondas S en  esa  discontinuidad  que  quiere  estudiarse, lo cual se traduce en una diferencia de  tiempo  entre  la onda P que  viaja más rápido y la onda S que viaja más lento hasta  arribar  a  la  estación. Esta diferencia  de  tiempo  contiene  información de  la profundidad de  la  interfase donde se produjo  la conversión de onda P a S, es  decir  de  la  profundidad  a  la  cual  se produce  un  cambio  en  las  velocidades sísmicas, como se muestra en la figura 3. Si además se utilizan otras ondas provenientes de reflexiones y conversiones de fases  adicionales  que  se  producen  en  la misma  discontinuidad  (fases  múltiples PpPs, PsPs+PpSs,  etc.  véase  figura  3),  se puede  resolver  la misma  estructura  con mayor  resolución.  La  metodología  descripta  se  realiza mediante  la  deconvolución de  la componente vertical  (sensible principalmente a la energía de la onda P) de  las componentes horizontales  (radial: en  la dirección  sismo-estación y  tangencial: a 90º de  la anterior), bajo  la suposición de que no existe energía convertida en  la  componente vertical debido  a que los rayos inciden casi verticalmente desde focos  localizados  a  distancias  epicentrales mayores  que  30°,  es  decir  a más  de 3.300 km. El método de deconvolución elimina los efectos de la fuente sísmica y la  respuesta  instrumental,  resultando  en una serie de tiempo que se interpreta como  la  respuesta a  las conversiones y  reverberaciones en las interfases de la litosfera bajo la estación sísmica.


Figura 3: a) Geometría del camino de rayos sísmicos y sus nomenclaturas para las conversiones de ondas correspondientes a las funciones del receptor para un modelo de una capa (corteza) sobre un semiespacio (manto); b) cálculo de la función del receptor en la componente radial para las ondas indicadas en (a).

Los datos utilizados en este estudio para el cálculo de las funciones del receptor de ondas  P fueron  registrados  por  la  estación CFAA perteneciente  a  la  red mundial CTBTO (Preparative Commission for the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization) equipada con un sismómetro de banda ancha Streckeisen STS-2 instalado a 32 metros  bajo  la  superficie,  la  cual  reporta al INPRES  (Instituto Nacional de Prevención Sísmica). durante el periodo comprendido entre marzo de 2005 y diciembre  de  2009,  se  registraron  aproximadamente  120  telesismos  a  distancias epicentrales comprendidas entre 30° y 95° con magnitudes Mw ≥ 6.0.
Uno de  los primeros pasos  consistió  en establecer criterios de calidad para  la selección de los registros sísmicos digitales, visualizando evento por evento. Para cada  sismo  se observó  si  cumplía  con  los criterios  adoptados  eliminando  aquellas trazas con señales ruidosas o con arribos de ondas P poco definidos que pudiesen reducir  la calidad en  la  identificación de las fases sísmicas de interés.
El cálculo de  la  función del  receptor de onda P para la componente radial se llevó  a  cabo  en un proceso  iterativo  en  el dominio del  tiempo  (Ligorría y Ammon 1999), utilizando una serie de pulsos Gauss en la deconvolución de las señales de entrada para controlar el contenido en frecuencia de  la función del receptor resultante relacionada con el ancho y la nitidez en la visualización de cada pulso. Para el presente  trabajo  se  utilizó  un  ancho  de pulso  Gaussiano  correspondiente  a  un filtro pasabajo con frecuencia de corte de 2,5 hz con el objeto de limpiar ruidos de alta  frecuencia.  Es  importante  destacar que  este valor de  frecuencia de  corte  se relaciona directamente con  la resolución vertical  la cual corresponde en este caso (2,5  hz)  a  una  longitud  de  onda  de  2,6 km,  aproximadamente. de  las  trazas  resultantes, solamente 40 fueron consideradas como aceptables, es decir que presentan una  amplitud máxima de  la  función del  receptor en el comienzo de  la  traza, una  reducción  de  varianza  mínima  de 80% en la deconvolución y no contienen señales  de  periodo  largo  u  oscilaciones armónicas.
Las  funciones del  receptor  radial observadas se apilaron y se graficaron en función del parámetro de rayo (Fig. 4a), siendo este parámetro un valor que identifica a cada rayo y que varía para distintos rayos de acuerdo con la variación de la distancia de  los mismos. Así, es posible  te
ner una mejor visualización de los arribos de  las fases Ps coherentes y distinguirlos de los arribos de las fases múltiples PpPs y PsPs+PpSs al calcular las curvas correspondientes permitiendo estimar la coherencia máxima de la amplitud observada. Estas curvas son conocidas como curvas de  moveout observadas  ya  que muestran una  variación  indirecta  con  la  distancia. Otro procesamiento posible  consiste  en calcular las curvas moveout sintéticas utilizando un modelo velocidad-profundidad para el cual se asumen valores de profundidad (H) y de la relación entre la velocidades de ondas P y ondas S (Vp/Vs) (Fig. 4b). Este procedimiento fue utilizado con el  objeto  de  comparar  las  curvas  "moveout" observadas y calculadas distinguiendo el mejor ajuste correspondiente a un modelo de estructura de velocidades sísmicas determinado (Fig. 4).

Figura 4: a) Funciones del receptor con los tiempos de arribo para las distintas fases en función del parámetro del rayo. Los colores más intensos representan amplitudes positivas (línea solida) y negativas (línea entrecortada). Las curvas superpuestas muestran los valores predichos para cada discontinuidad y sus correspondientes fases múltiples calculadas en función de los valores de H, Vp y Vp/Vs determinados en este trabajo; b) funciones del receptor en función del parámetro del rayo de sismogramas sintéticos generadas para el modelo de velocidades que se muestra en el cuadro 1.

Un tercer procedimiento de análisis consistió en estimar las profundidades (H) y promedios de la relación entre las velocidades de ondas P y S (Vp/Vs) para diferentes discontinuidades corticales utilizando un algoritmo de apilamiento (stacking) que mapea en el espacio de H y Vp/Vs la suma ponderada de las amplitudes de las funciones  del  receptor  radiales de  cada una de las fases Ps, PpPs y PsPs+PpSs (Zhu y Kanamori 2000). una onda PpPs es una onda que viaja desde el telesismo hacia la estación  como  P,  no  se  convierte  en  la discontinuidad  que  se  está  estudiando  y sigue su viaje hacia la superficie como p, se refleja en  la superficie como P y viaja hacia  el  interior  de  la  tierra  para  finalmente incidir en la discontinuidad y convertirse  a onda S viajando hacia  la  estación como fase s. Cabe destacar que la velocidad de onda P  (Vp) debe asumirse y por ello es importante calcular qué variación  presentan  los  resultados  ante  un rango de valores posibles de Vp. Esto no ha sido ampliamente explorado en los estudios  existentes  con  funciones  del  receptor  con  datos  obtenidos  por  experimentos sismológicos temporales (ej., Gilbert et al. 2006, Calkins et al. 2006, Heit et al. 2008). En el presente estudio es posible realizar esta investigación más detallada debido a que las fuentes sísmicas abarcan un periodo de  tiempo mayor que el correspondiente a los experimentos temporales lo que permite seleccionar mayor cantidad de terremotos de mayor energía para  otras  regiones  del mundo  para  su análisis.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En el análisis de  los datos  se distinguen tres señales positivas muy claras de la fase Ps con retardos cercanos a los 2,3, 4,5 y 6 segundos  en  las  funciones  del  receptor radiales probablemente asociadas a diferentes discontinuidades de velocidades sísmicas (Fig. 4). Para cada una de estas discontinuidades se procedió al análisis que se describe a continuación.
Las  funciones del  receptor para  los distintos parámetros del rayo (distancias) observados,  fueron  ajustados  por  curvas moveout obteniendo  los  mejores  ajustes entre datos observados y  sintéticos para valores de Vp de 5,9, 6,3 y 6,7 km/s, profundidades H de 13, 28 y 47 km y Vs de 3,0, 3,4 y 3,7 km/s, respectivamente para cada una de las discontinuidades mencionadas. Para las mismas, es posible distinguir claramente  los máximos correspondientes a  las fases Ps que determinan  las tres discontinuidades de velocidades sísmi
cas a profundidades de corteza y sus máximos correspondientes a las fases múltiples (PpPs y PsPs+PpSs).
Además  las  funciones  del  receptor  fueron apiladas para un rango de Vp/Vs con intervalos de 0,001, para  los mismos valores de Vp considerados y utilizando un rango de búsqueda para la estimación de profundidad H de 10 km a 70 km, con intervalos de 0,1 km (600 iteraciones). Cuando  las  tres  fases  (PsPpPs  y  PsPs+PpSs) interfieren de manera coherente aparecen regiones de máxima amplitud que denotan  las  soluciones  más  probables  de  la profundidad H y la relación Vp/Vs para una determinada discontinuidad. Los valores encontrados corresponden al máximo de  interferencia  constructiva,  reportando a su vez un rango de hasta 90%.
El Cuadro 1 resume los resultados obte
nidos. En general se observa que la aplicación de la técnica de función del receptor realiza una mejor aproximación de la profundidad de  las distintas capas o discontinuidades pudiendo variar los valores de velocidades escogidos; luego, se determina mejor  la  relación de Vp/Vs y con menor aproximación Vp.

CUADRO 1: Resultados de las curvas moveout observadas y sintéticas y el apilamiento de las funciones del receptor stacking que permitieron estimar la profundidad (H) y la relación entre las velocidades (Vp/Vs) para cada discontinuidad sísmica encontrada asumiendo un valor de velocidad de onda P (Vp).

Las tres discontinuidades encontradas se localizan  a  profundidades  menores  que 50 km (Fig. 4). Las dos primeras discontinuidades localizadas a aproximadamente 13 y 28 km de profundidad, respectivamente pueden ser interpretadas como niveles de despegue (decollement) para las estructuras  de  fallamiento  presentes  en  la zona  o  bien  diferente  composición.  La discontinuidad identificada a mayor profundidad  (47  km  aproximadamente)  correspondería  al  Moho.  Esta  estimación está de acuerdo con estimaciones para el espesor de corteza en el terreno Cuyania estimado por Ramos  (2004) y por otros autores en base a técnicas geofísicas (Introcaso  et  al.  1992,  Fromm  et  al.  2004, Gilbert et al. 2006, McGlashan et al. 2009, Alvarado et al. 2009).
El  estudio  de moveout sintético  (Fig.  4b) permitió confirmar varias de las dicontinuidades visualizadas en los datos observados (Fig. 4a). Esta última predice la existencia de otras discontinuidades situadas a mayor profundidad relacionadas con la estructura litosférica más profunda y presencia de la placa subducida.
Los  resultados obtenidos han permitido diagnosticar estructuras corticales de mayor robustez utilizando una alta relación señal-ruido de los datos y frecuencias de corte de 2,5 hz. Esto mejora los modelos propuestos por otros autores (ej. Calkins et al. 2006) y las estimaciones de sus parámetros ya que al poder acceder a un  registro de datos continuo de casi 5 años se pudo  seleccionar  eventos  con magnitudes mayores  (Mw≥6)  que  las  utilizadas en trabajos previos.
La figura 5 presenta el modelo de velocidades obtenido  (Cuadro 1) en comparación con otros modelos basados en técnicas sismológicas de banda ancha para esta región  (Gilbert  et al. 2006, Calkins  et al. 2006,  Alvarado  et  al.  2007).  En  general todos los modelos predicen un aumento de las velocidades de ondas P y S con la profundidad y una corteza engrosada. Se observa que  las nuevas determinaciones delimitan mejor la corteza superior sugiriendo una estructura más liviana (Vp 5,9 km/s) para los primeros 13 km. También se han refinado las observaciones para la corteza  inferior,  las  cuales  predicen  una densificación  para  la  composición  de  la corteza profunda. Estos modelos merecen una exploración de modelos petrológicos de mayor detalle tal como propone (Perarnau et al. 2010).


Figura 5: Modelo de velocidades obtenido (véase Cuadro 1) comparado con otros modelos previos.

Los resultados encontrados en este estudio en el borde occidental de  las Sierras Pampeanas Occidentales  son  consistentes con aquellos obtenidos para el frente de Precordillera Oriental por Cominguez y Ramos (1991). En aquél trabajo se utilizaron  datos  de  reflexión  sísmica  profunda con fuente controlada de vibroseis a lo largo de una línea de 60 km con orientación  este-oeste  a  la  latitud  32°15'S  al sur del cerro Salinas. La  sección  sísmica obtenida  hasta  unos  12  segundos  incluyendo  frecuencias  de  entre  12  y  34  hz permitieron visualizar horizontes  acústicos hasta profundidades de aproximadamente 40 km con buena  resolución. En este  rango de profundidades estos autores  encontraron  dos  discontinuidades principales: una interfase acústica de gran amplitud  situada  a  14  km  aproximadamente donde  las  fallas  se horizontalizan indicando la existencia de una posible transición  frágil-plástica  como  nivel  de  despegue (decollement). Otra interfase acústica fue  encontrada  a  aproximadamente  30 km  de  profundidad  relacionada  con  el basamento de las Sierras Pampeanas.
Si  bien  ambas  velocidades Vp  y Vs  aumentan  con  la  profundidad,  los  resultados obtenidos permiten apreciar un valor
relativamente alto de Vp/ Vs en la región intermedia de la corteza con valores que podrían  alcanzar  1,85  (Fig.  4a  y Cuadro 1). Esto indicaría una zona con un mayor grado de fracturación y fallamiento consistente  con  lo  observado  en  la  sección sísmica resultante al sur del cerro Salinas por Cominguez y Ramos (1991). Esta interpretación también está de acuerdo con una mayor actividad  sísmica cortical observada en el  terreno Cuyania hasta profundidades  de  30  km  en  comparación con otros terrenos adyacentes (Alvarado et al. 2010).

CONCLUSIONES

La estructura de corteza determinada bajo  la  estación  sismológica Coronel Fontana  localizada  al  suroeste  (31,605°S  y 68,238°O) de  la sierra de Pie de Palo es consistente con otros estudios realizados en la región que incluyen observaciones a partir de otros métodos geofísicos para el terreno  Cuyania.  Las  discontinuidades obtenidas a 13 y 28 km de profundidad aproximadamente  se podrían  interpretar como  zonas  de  decollements. La  discontinuidad más profunda observada por este estudio  localizada a 47 km de profundidad, aproximadamente correspondería al Moho, y se correlaciona con lo visualizado  por  estudios  previos  aunque  es más notoria en el presente trabajo debido probablemente  a  una mejor  calidad  de  los datos telesísmicos de entrada. Este valor indicaría una corteza engrosada hasta una profundidad ligeramente menor a aquella estimada anteriormente (de 55 ó 65 km) con técnicas de menor resolución.
Los altos valores de la relación Vp/Vs que se  observan  para  la  corteza  superior  (< 28 km de profundidad  aproximadamente), estarían de acuerdo con una baja velocidad sísmica de ondas de corte  para la zona  aparentemente  provocada  por  un mayor  grado  de  fracturación  y/o  fallamiento para esta zona. Esta zona se corresponde con una región de mayor actividad  sísmica cortical en el ambiente de Sierras Pampeanas.

AGRADECIMIENTOS

Este  trabajo  ha  sido  posible  gracias  al apoyo del INPRES, el Dr. Hersh Gilbert y financiamiento obtenido desde del Fondo  Nacional  de  Ciencia  y  Tecnología (FONCyT, PICT06 -0122) y la Universidad Nacional de San Juan (CICITCA21E /814). Los autores agradecen al Dr. José Kostadinoff   y  un  árbitro  anónimo  por sus  comentarios  a  la  versión original de este trabajo.

TRABAJOS CITADOS EN EL TEXTO

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Recibido: 25 de febrero, 2010
Aceptado: 3 de diciembre, 2010

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