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Seismo-stratigraphy and numerical basin modeling of the southern Brazilian continental margin

Contreras, Jorham

German Title: Seismostratigraphische und numerische Beckenmodellierung des südlischen brasilianischen Kontinentalrandes

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Abstract

During the evolution of southern Brazil from rift to “passive” margin, the offshore Campos (CB), Santos (SB), and Pelotas (PB) basins developed highly differing architectures regardless of their associated syn-rift origin. Based on 2D seismic reflection profiles and wells, the three basins have been investigated in terms of 2D seismo-stratigraphy and numerical basin analysis. Within the Barremian-Holocene basin infill (130-0 Ma), twelve to fourteen regional seismic horizons have been mapped and calibrated with bio-/chronostratigraphic ages from the available wells. They define seismo-stratigraphic depositional sequences, which have been classified in terms of accommodation/sedimentation and bounding stratigraphic surfaces. Qualitative interpretations of the evolution of accommodation space and the controlling factors (eustasy, subsidence, sediment supply) have been subsequently quantified by applying inverse-basin modeling. This procedure allowed the restoration of the basin geometry and paleowater depths during each of the chronostratigraphic layers. Furthermore, a comprehensive analysis of the genetic components of total subsidence – thermo-tectonic, flexural, and compaction-induced subsidence – provided the temporal interactions and individual contribution of each subsidence component to basin formation. The obtained subsidence data and sediment supply history, combined with seismo-stratigraphy, represent the input information for forward stratigraphic modeling. This method aims to simulate the stratigraphic evolution in terms of a wide range of modeling variables that simulate interdependent tectonic and sedimentary processes. Sensitivity analysis of modeling parameters revealed the most important controls on the basin development, and provided the best-fit values to construct plausible tectono-stratigraphic models to the present-day basin configuration. This integrated approach allows us to assess the inherent model uncertainties from the sequence-stratigraphic interpretation, and evaluate the reliability of various possible geological scenarios. The results show that six subsidence/uplift trends (ST1-ST6), each of 7 to 51 m.y. duration, controlled the Barremian to Holocene basin development. These trends and their distribution along the shelf-to-basin transition are directly linked to the syn-rift-to-drift geodynamic evolution of the southeastern Brazilian margin. Syn-rift extension triggered high thermo-tectonic subsidence (trend ST1) and controlled the creation of accommodation space in all three basins during the Barremian. However, the results show a distinctive crustal evolution of the single basins; Barremian syn-rift continental extension across the Pelotas Basin involved extensive magmatism and a thick volcanic crust affected by post-rift thermal contraction since Early Aptian times (trend ST2). As continental break-up propagated northward from the PB to the CB, the mechanisms of lithospheric deformation and subsidence patterns changed between the basins. In the SB and CB, minor magmatism and brittle deformation during the Early-Middle Barremian evolved to depth-dependent continental stretching during the incipient syn-rift phase in the Late Barremian (trend ST2). The thinned continental crust featured laterally constant subsidence rates, generating wide sag-salt depocenters across the Santos-Campos margin segment. During the Albian post-rift and Cenomanian-Holocene drift evolution (ST3-ST6) changes in the sediment supply and the flexural loading were due to onshore tectono-magmatic events. These key factors were responsible for the differences in architecture and hydrocarbon prospectivity between the three basins analyzed. Based on the process/response relationship established during modeling, the most important stratigraphic-structural processes on the shelf-to-basin sedimentary systems include: (i) tectonic uplift of the source areas triggering increased sediment supply with progradation and deep-water turbidite flows; (ii) flexurally-induced rebound of the shelf realm facilitates sediment bypass and catastrophic shelf-slope failure; (iii) formation of salt basins and salt remobilization, enhancing the instability of the shelf-edge and modifying the flexural loading distribution; (iv) bottom-currents redistributing the deep-marine sediment infill. This study on the Brazilian continental margin shows that: (i) changes in subsidence and sediment supply on the continental margin varied over 3rd to 2nd order time intervals, and were not subordinate to eustatic sea-level changes; (ii) flexural and compaction-induced subsidence represent the most important controls on accommodation space during the mature drift stage; (iii) structural and plate-tectonic reconfigurations cannot be directly inferred from qualitative sequence stratigraphic frameworks of continental margins; (iv) depositional systems are controlled by a wide range of interconnected tectonic and sedimentary parameters that go beyond qualitative observations from sequence stratigraphy. Quantitative modeling of the evolution of continental margins must consider a wide range of variables. Crustal deformation and the geomorphological evolution of the continental margin, as well as local-scale sea-level fluctuations are as important as accommodation space and lithologies. This approach provides more accurate interpretation of the ancient tectono-sedimentary systems, which represent key contributions to a better understanding of the complex geodynamic and tectono-stratigraphic evolution of continental margin sedimentary basins.

Translation of abstract (German)

Die Entwicklung des südlichen Kontinentalrandes von Brasilien von einem Riftgraben zu einem passiven Kontinentalrand zeigt unterschiedliche Verläufe im Campos- (CB), Santos- (SB) und Pelotasbecken (PB). Ausnahme ist die anfänglich analog verlaufende Synrift-Phase. In allen drei Becken wurden Bohrlochinformationen und reflexionsseismische 2D Transekte unter seismostratigraphischen bzw. sequenzstratigraphischen Gesichtspunkten ausgewertet, ferner wurde eine numerische Beckenmodellierung durchgeführt. Für die Beckenfüllung vom Barreme ins Holozän (130-0 Ma) konnten (je nach Becken) zwölf bis vierzehn regional bedeutsame seismische Horizonte auskartiert werden, welche mit Hilfe von bio- und chronostratigraphischen Angaben angrenzender Bohrungen kalibriert werden konnten. Sie entsprechen seismostratigraphischen Ablagerungseinheiten, welche im Hinblick auf Akkommodation, Sedimentation und begrenzende stratigraphische Horizonte klassifiziert wurden. Diese qualitative Interpretation der Beckenentwicklung im Hinblick auf die Entwicklung des Akkommodationsraum und der kontrollierenden Faktoren wie Eustasie, Subsidenz und Sedimenteintrag wurde in der Folge mit Hilfe von Rückwärtsmodellierung quantifiziert. Diese Methode des „backstrippings“ erlaubt die Bestimmung der Beckengeometrie und der Paläowassertiefen für jede chronostratigraphische Einheit. Darüber hinaus wurden die Einzelkomponenten der Subsidenz (Thermotektonik, flexurelle Verbiegung und kompaktionsbedingte Versenkung) analysiert. Hieraus konnten die zeitlichen Interaktionen dieser Komponenten erkannt werden und deren Beitrag zum Beckenaufbau. Diese Quantifizierung von Subsidenz und Sedimenteintrag liefert in Kombination mit der seismostratigraphischen Interpretation die Eingangsdaten für die anschließende stratigraphische Vorwärtsmodellierung. Dieser zweite Modellierschritt dient dazu, die stratigraphische Entwicklung unter Berücksichtigung des großen Spektrums an Modellvariablen darzustellen und dabei die Dynamik der tektonischen und sedimentären Prozesse zu erkennen. Eine Sensitivitätsanalyse der Modellparameter ermöglichte die Identifizierung und Wichtung der Kontrollfaktoren der Sedimentbeckenentwicklung. Hieraus ergeben sich die bestmöglichen Eingabeparameter für ein plausibles tektonostratigraphisches Modell, vom Rifting bis zur heutigen Sedimentbeckenkonfiguration. Dieser integrative Ansatz ermöglicht eine Abschätzung der inhärenten Unsicherheiten des Modells, die in einer „klassischen“ sequenzstratigraphischen Interpretation nicht möglich sind sowie eine Einschätzung über den Wahrscheinlichkeitsgrad verschiedener geologischer Szenarien. Eine Auswertung der Subsidenzdaten zeigt, dass sich die Barreme- bis Holozän-Entwicklung in allen drei Becken aus sechs Subsidenz- und Anhebungstrends (ST1-ST6) zusammensetzt. Jeder Trend umfasst eine Zeitspanne von 7 bis 51 Mio. Jahren. Diese Trends sowie deren Verbreitung entlang des Schelf - Becken Transektes stehen in direktem Zusammenhang mit der geodynamischen Entwicklung während der Synrift- und Driftphase des südöstlichen Kontinantalrandes von Brasilien. Die Synrift-Extension im Barreme verursachte eine hohe thermo-tektonische Subsidenz (ST1) und damit einen vergrößerten Akkommodationsraum, in dem Sedimente abgelagert wurden. Allerdings weist die Entwicklung der einzelnen Becken Unterschiede auf. Im Pelotas-Becken war die Extension während des Barreme mit ausgedehntem Vulkanismus verbunden. Diese im PB dicke vulkanische Kruste beeinflusste im frühen Apt die thermische Kontraktion im Postrift-Stadium (ST2). Während der nordwärts voranschreitenden Öffnung des Südatlantiks vom PB ins CB änderten sich die Mechanismen der Deformation der Lithosphäre und die Subsidenzmuster, damit auch die zeitliche Zuordnung. Die beginnende Riftphase im frühen bis mittleren Barreme ist im Santos- und Campos-Becken durch ein sprödes Deformationsverhalten ausgezeichnet, Magmatismus ist nur untergeordnet. Die syn-Riftphase fält ins späte Barreme und ist durch eine tiefenabhängige kontinentale Dehnung charakterisiert (ST2). Die ausgedünnte kontinentale Kruste zeigt im Santos- und Campos-Becken lateral einheitliche Subsidenzraten; die entstehenden Salzbecken werden einem „Sag-Basin“ zugeordnet. Während der Postrift-Entwicklung im Alb und der Driftphase vom Cenoman bis heute (ST3-ST6) beeinflussten tektono-magmatische Ereignisse im brasilianischen Hinterland das Ausmaß des Sedimenteintrags und damit der flexurellen Krustenbeanspruchung. Diese Steuerfaktoren sind für die architekturellen Unterschiede zwischen den Becken verantwortlich, aber auch deren unterschiedliche Prospektivität für Kohlenwasserstoffe. Die wichtigsten, durch die Modellierung aufgezeigten Process/Response-Beziehungen sind: (i) Heraushebung des Liefergebietes erzeugt erhöhten Sedimenteintrag und Progradation im Flachwasser, Turbidite im Tiefwasser; (ii) „flexureller Rebound“ des Schelfes begünstigt Sediment-Bypass und katastrophale Massenverlagerungen am Schelfabhang; (iii) die Entstehung von Salzbecken und die Remobilisation des Salzes erhöht die Instabilität des Schelfrandes und modifiziert die Verbreitung der flexurellen Auflast; (iv) Bodenströmungen bewirken eine Umverteilung tiefmariner Sedimentablagerungen. Weitere wesentliche Ergebnisse dieser Arbeit über den brasilianischen Kontinentalrand sind: i) Änderungen der Subsidenzrate und Sedimentzufuhr traten am brasilianischen Kontinentalrand in Zyklen von dritter bis zweiter Ordnung auf, die unabhängig von eustatischen Meeresspiegelschwankungen sind; ii) flexurelle und durch Kompaktion induzierte Subsidenz sind die wichtigsten Kontrollfaktoren der Entwicklung des Ablagerungsraumes während der fortgeschrittenen Driftphase (mature drift); iii) strukturelle und plattentektonische Rekonfigurationen lassen sich nicht direkt aus qualitativen sequenzstratigraphischen Interpretationen passiver Kontinentalränder ableiten; iv) die Entwicklung von Ablagerungssystemen werden durch eine Vielzahl von miteinander verbundenen tektonischen und sedimentären Parametern gesteuert, welche sich nicht allein durch qualitativ-sequenzstratigraphische Untersuchungen erkennen lassen. Quantitative Modelle der Entstehungsgeschichte von Kontinentalrändern müssen ein breites Spektrum unterschiedlicher Variablen berücksichtigen. Die Betrachtung von Krustendeformation und geomorphologischer Entwicklung eines passiven Kontinentalrandes über die Zeit sowie lokaler Meeresspiegelschwankungen sind ebenso wichtig wie Veränderungen des Akkommodationsraumes oder der darin abgelagerten Lithologien. Der hier vorgelegte Ansatz bietet die Möglichkeit einer akkurateren Interpretation tektono-sedimentärer Systeme und liefert einen wichtigen Beitrag für ein besseres Verstehen der komplexen geodynamischen und tektonostratigraphischen Entwicklung von Sedimentbecken an passiven Kontinentalrändern.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bechstädt, Dr. Thilo
Date of thesis defense: 29. July 2011
Date Deposited: 01. Aug 2011 14:54
Date: 2011
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Seismische Stratigraphie, Becken Modellierung, Atlantisches Becken
Uncontrolled Keywords: Seismo-stratigraphy , numerical basin modeling , Brazilian continental margin
Additional Information: Teile in: Marine and Petroleum Geology, Volume 27, Issue 9, DOI: 10.1016/j.marpetgeo.2010.06.007
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