seismische gegevens en tomografische inversie

SUIKERLIJN 1 in de Westelijke South Georgia Rift werd verzameld in maart 2014 en omvatte 11 explosiebronnen geregistreerd door 1193 geofonen op een afstand van ongeveer 250 m. SUGAR Line 2 in de oostelijke South Georgia Rift werd verzameld in augustus 2015 en bevatte 14 explosiebronnen geregistreerd door 1981 geofoons ~200 m uit elkaar (Fig. 1; Aanvullende Fig. 1; Aanvullende Gegevens 1).

om een vergelijking tussen de twee profielen mogelijk te maken, werden consistente seismische gegevensverwerking, faseidentificatie en snelheidsmodellering toegepast op SUIKERLIJNEN 1 en 2. Een gedetailleerde beschrijving van de lijn 2 shots en gegevens en analyse van suiker lijn 2 wordt beschreven door Marzen et al.39. Aanvullende tabel 1 geeft informatie over de lijn 1 schot locaties, timing, en lading maten. De verwerkingsstappen waren bandpass filteren van de Schot verzamelt bij 3-14 Hz, het toepassen van offset-afhankelijke winsten en amplitude normalisatie op sporen, en het toepassen van een reductie snelheid van 8 km s−1 om de identificatie van seismische aankomst64. In de verwerkte schot verzamelt, zien we duidelijke aankomst op offsets tot 320 km (de totale lengte van suiker lijn 1). Geà nterpreteerd fasen omvatten refracties door de sedimentaire vulling, korst, en bovenste mantel, en reflecties van de basis van het sedimentaire bekken (alleen lijn 1) en de Moho. Pick fouten werden toegewezen op basis van vertrouwen in de aankomst interpretatie, en varieerden over het algemeen tussen 0,04 en 0,15 s, hoewel grotere onzekerheden werden toegewezen aan kleine subsets van picks (bijvoorbeeld bij zeer ver bron-ontvanger offsets of in gebieden met een complexe ondiepe structuur). Geà nterpreteerd aankomsten, schot, en instrument gegevens worden verstrekt in aanvullende gegevens 1.

in records van schoten in het South Georgia Basin (Shots 4-14, aanvullende Fig ‘ s. 1, 2), worden twee duidelijke sedimentaire refracties waargenomen met duidelijke duidelijke snelheden. Bij offsets minder dan ~5 km, sedimentaire refracties hebben een schijnbare snelheid van ~ 2-2, 5 km s-1. Bij offsets tussen ~5-20 km, hebben sedimentaire refracties schijnbare snelheden van ~ 4,5-5 km s-1. Reflecties werden geïdentificeerd tussen deze sedimentaire lagen en van de basis van de sedimenten (bijv., aanvullende Fig. 2). Voor schoten ten noorden van het South Georgia Basin (schoten 1 en 3, aanvullende Fig. 1), sedimentaire refracties zijn afwezig. Korstbrekingen (PG) worden geïdentificeerd als eerste en secundaire aankomsten uit offsets tot 250 km; de schijnbare snelheden stijgen met de diepte van ~6 tot >7 km s-1. We observeren mantelbrekingen (PN) bij meerdere opnamen, die hoge schijnbare snelheden vertonen van >8 km s−1 (bijv. aanvullende Fig. 2). De crossover afstand van Pg en Pn is ~ 180-200 km. PMP-aankomsten werden doorgaans geïdentificeerd bij offsets tussen 80 en 180 km. We hebben voor elk van deze fasen p-golfaankomsten uitgekozen en door visuele inspectie onzekerheden in de reistijd toegewezen (aanvullende tabel 2). Aanvullende Fig. 3 toont extra beelden van geïnterpreteerde fasen op lijn 1, en soortgelijke beelden voor lijn 2 zijn in Fig ‘ s. S1–S14 van de ondersteunende informatie van Marzen et al.39. Een vergelijking van schot verzamelt uit de twee profielen illustreert de verschillen in snelheid structuur (aanvullende Fig. 2). Op het schot verzamelen van SUIKERLIJN 1, worden sedimentaire brekingen waargenomen tot grotere bron-ontvanger offsets, als gevolg van de dikkere synriftsediment in dit deel van het South Georgia Basin. Bovendien zijn de schijnbare snelheden van korstbrekingen (PG) op SUIKERLIJN 1 hoger dan die in SUIKERLIJN 2, in het bijzonder voor aankomsten bij grote bron-ontvanger offsets die de onderste korst bemonsteren.

we modelleerden reistijd picks van reflecties en refracties uit de sedimenten, korst en bovenmantel om de P-golfsnelheidsstructuur te beperken. De schoten op SUGAR Line 1 werden geprojecteerd op een tweedimensionale lijn met eindpunten op 30.509°N, 82.833°W en 32.711°N, 85.0104°W, en de Schoten voor lijn 2 werden geprojecteerd op een lijn met eindpunten van 30.743°N, 81.706°W en 34.101 ° N, 83.760 ° W. de bron-ontvanger offsets voor beide lijnen werden genomen uit de echte geometrie en aangenomen te vallen langs deze 2D lijnen. De sedimentbassinstructuur werd bepaald door iteratieve voorwaartse modellering en inversie in RAYINVR met behulp van sedimentaire reflecties en refracties, een putlog nabij lijn 256 en topografie op PG en Pn veroorzaakt door ondiepe structuren65. Deze code maakt gebruik van een grove snelheid model parameterisatie met door de gebruiker gedefinieerde knooppunten, die ons in staat stelde om directe beperkingen op de basin structuur van sedimentaire refracties, indirecte beperkingen van topografie op pg aankomsten, en beperkingen van andere datasets (bijvoorbeeld cocorp reflectie data) op te nemen. Vervolgens lieten we de basin structuur bepaald uit RAYINVR vast en omgekeerd voor de korst en bovenste mantel structuur met behulp van VMTOMO. De voorwaartse stap van VMTOMO omvat ray tracing met behulp van de grafiek methode, en de inverse stap maakt gebruik van een gedempte kleinste kwadraten methode om een kostenfunctie met data misfit en smoothing/demping termen te minimaliseren. Meerdere iteraties van voorwaartse modellering en inversie werden toegepast, waarbij misfit geleidelijk werd verminderd en smoothing/demping beperkingen werden ontspannen om structuur te laten ontstaan. Horizontaal gladmaken was over het algemeen 5 keer groter dan verticaal gladmaken. Vroege inversies voor seismische snelheid omvatten alleen aankomsten in de buurt van offset en dus alleen de bovenste korst bijgewerkt; diepere delen van het model werden geleidelijk opgenomen door het geleidelijk opnemen van langere-offset fases40,41,66.

deze modellen passen goed bij de gegevens, met χ2 van 1,27 en root mean squared (RMS) misfit van 72 ms voor lijn 1 (aanvullende tabel 2) en χ2 van 0,90 en RMS misfit van 85 ms voor lijn 239. De ideale χ2-waarde is 1, maar een grotere waarde werd toegestaan op lijn 1 om te voorkomen dat kleine snelheids-artefacten worden geïntroduceerd als gevolg van 3D-geometrie en slecht beperkte variaties in de bekken structuur. Aanvullende tabellen 2 en 3 tonen misfit op lijn 1 door schot verzamelen en fase, respectievelijk, en gegevens misfit voor alle picks wordt geïllustreerd in aanvullende Fig. 4 voor Regel 1 en aanvullende Afb. 5 voor lijn 2. De snelheidsmodellen voor de Lijnen 1 en 2 zijn opgenomen in aanvullende gegevens 2 en 3.

de diepere delen van de snelheidsmodellen, inclusief de onderste korst, zijn het meest uitdagend om op te lossen, en er zijn afwegingen tussen toenemende korstdikte en toenemende lagere korstsnelheid. Om de onzekerheid in de snelheid van de onderste korst te evalueren, hebben we modelfouten onderzocht die verband houden met verstoringen in de lagere korstsnelheid en Mohodiepte (aanvullende noot 2). Uit deze afweging blijkt dat de snelheid van de onderste korst slechts tot ~ 0,05 km s-1 kan worden verstoord, zonder dat de aanpassing van χ2 aan de gegevens een aanvaardbaar niveau overschrijdt (aanvullende Fig. 6 voor Regel 1 en aanvullende Fig. 7 Voor Lijn 2). De gegevens lossen echter de precieze afmetingen en locaties van plaatselijke verstoringen van de lagere korstsnelheid op een schaal van tientallen km niet op. Bovendien zijn onze snelheidsmodellen het meest gevoelig voor verstoringen in de lagere korstsnelheid en Mohodiepte in de centrale delen van elke seismische lijn waar omgekeerde straaldekking het meest aanwezig is. Kortom, deze snelheidsmodellen zijn gevoelig voor de totale lagere korstsnelheid, maar kunnen kleinere schaalvariaties in de lagere korstsnelheid niet oplossen. De basis van ons resultaat is de grote verschillen in lagere korstsnelheid en korstdikte tussen SUIKERLIJNEN 1 en 2, die goed beperkt zijn.

Stollingsdikteberekeningen aan de hand van snelheden

we hebben de dikte van geïnduceerde magma ‘ s geschat door de lineaire mengberekenings43 aan te passen (Fig. 2):

wanneer Zint de dikte is van mafic-intrusies, is Ztot de dikte van de korst van minder dan 20 km diepte, is VP-orig de referentiesnelheid voor de onderste korst zonder intrusies, is VP-obs de waargenomen gemiddelde lagere korstsnelheid (minder dan 20 km diepte) en is VP-int de veronderstelde snelheid van mafic magmatische intrusies. De gemiddelde waargenomen lagere korstsnelheid (VP-obs) werd berekend van 20 km diepte tot de Moho over elke seismische lijn. Dit dieptebereik Ztot werd gekozen omdat de toename van de korstsnelheid op deze dieptes veranderingen in samenstelling weerspiegelen in plaats van de sluiting van scheuren en porieruimten die in de ondiepere korst worden waargenomen 48. De referentiesnelheid voor de ongewijzigde lagere korst werd geschat op 6,75 km s-1,39. De snelheid van materiaal dat de onderste korst binnendrong werd geschat op 7,2-7,5 km s-1,24,44,45,46,47. Omdat negatieve intrusiediktes worden gegenereerd wanneer de gemiddelde snelheid van de onderste korst minder is dan 6,75 km s-1, wordt Zint in deze scenario ‘ s ingesteld op 0 km.

decompressie smeltmodellen

we gebruiken de Katz parameterization57 om smeltfractie te berekenen door een 1D-kolom bij een bereik van diepte (druk) en temperatuuromstandigheden voor verschillende dunningsgraden van de korst en de lithosfeer van de mantel. Bij deze berekening gaan we uit van een mantelperidotietsamenstelling van 15% watervrij clinopyroxeen in gewicht67. Deze keuze weerspiegelt het feit dat de mate van mantelverrijking varieert binnen de omvang van het kamp, maar in de SE vs relatief laag is in vergelijking met verder noorden13. Als de mantel een hydraterende samenstelling heeft of andere vluchtige stoffen bevat van eerdere subductie, zou een grotere hoeveelheid smelt worden geproduceerd terwijl de vluchtige stoffen aanwezig zijn in de mantel 57,58.

We gaan uit van een aardkorst van 45 km55 en een lithosferische dikte van 120 km68. Deze initiële diktes zijn afkomstig van seismische waarnemingen in het noordwesten van ons studiegebied waar er geen diepe Appalachische wortel is noch bewijs voor dunner worden van de korst.

de berekende smeltfractie versus diepte werd omgezet in stollingsdikte van de aardkorst voor een bepaalde potentiële temperatuur van de mantel, het verdunnen van de aardkorst en de veronderstelde hoeveelheid lithosferisch verdunnen. Om de druk op de grens van de lithosfeer-asthenosfeer voor verschillende lithosfeer uitbreidingsscenario ‘ s te berekenen, gingen we uit van een continentale korstdichtheid van 2800 kg m−3 en een mantellithosfeer dichtheid van 3300 kg m−3. Voor een bepaalde hoeveelheid dunner worden van aardkorst en mantel werd de dikte van de stollingsintrusies bepaald door de resulterende smeltfractie over de diepte te integreren.

een andere belangrijke bijdrage aan het verwachte rift magmatisme is de mate van diepte-afhankelijke stretching. Wij beschouwen en eenvormig stretching kleerkast (vijg. 3) en scenario ‘ s waarbij de hele lithosfeer 2x en 4x meer heeft uitgeschoven dan de korst (aanvullende Fig. 8):

voor de gehele lithosfeer stretching factor α en de aardkorst stretching factor β, waarbij de gehele lithosfeer uitbreiding een veelvoud k van aardkorst uitbreiding is.

om rekening te houden met de onzekerheid in de post-orogene maar prerift dikte van de korst en de lithosfeer, zijn decompressie smeltberekeningen voor de waarschijnlijke aardkorst (40 km, 55 km) en de lithosfeer (90 km, 150 km) in aanvullende Fig. 9. Meer smelt wordt geproduceerd door decompressie smelten wanneer de initiële lithosfeer dunner is. De afgeleide potentiële temperatuur van de mantel is groter wanneer alleen de oorspronkelijke korst dunner is, omdat de rekfactor van de korst kleiner is voor dezelfde afgeleide hoeveelheid stollingsdikte van de korst. Onze waarnemingen zijn consistente manteltemperaturen van minder dan 1500 °C voor initiële lithosfeer diktes tot 150 km.

samengevat, ondanks onzekerheden in initiële dikte en diepte-afhankelijke stretching, zijn de modelleresultaten consistent met decompressiesmelting en matig verhoogde mantelpotentiaal temperaturen.

South Georgia Rift magma volume calculation

We ontwikkelden een schatting van het volume van CAMP magmatisme aan de hand van (1) de dikte van de sedimentaire vulling in het South Georgia Basin (aanvullende Noot 1)49 en (2) De dikte van de lagere korst mafische magmatische intrusies op SUIKERLIJNEN 1 en 2. Deze benadering is gebaseerd op de eerste-orde observatie dat de dikte van magmatische intrusies groter is waar synrift sedimenten dikker zijn. We berekenden de gemiddelde intrusiedikte (Fig. 2e-f) in 500-m bakken van South Georgia Basin synrift sediment dikte (bijv., 2000-2500 m) voor de SUIKERLIJNEN 1 en 2 (Aanvullende Fig. 10). Alle delen van beide seismische lijnen werden gebruikt om de kalibratie te beperken, behalve waar we geen resolutie van de onderste korst en Moho hebben of waar het magmatisme afkomstig kan zijn van het uiteenvallen van Pangea in plaats van kamp aan het zuidoostelijke einde van lijn 2 (dwz beperkingen van lijn 1: 50-250 km afstand; Lijn 2: 50-280 km afstand).

We gingen ervan uit dat er geen magmatische intrusies zijn wanneer de sedimenten van het South Georgia Basin synriftsedimenten minder dan 1000 m dik zijn, wat overeenkomt met waarnemingen van lagere korstsnelheden waar het statistisch gemiddelde bijna nul was (aanvullende Fig. 10). Wanneer de synriftsedimenten van het South Georgia Basin >1000 m dik zijn, schatten we het volume magmatisme in de onderste korst door de oppervlakte van het South Georgia Basin binnen elke synriftsedimentdiktebak te vermenigvuldigen met de gemiddelde magmatische intrusiedikte voor die sedimentdikte. De onderstaande vergelijking geeft aan hoe we met de bekken model voor de schatting van volumes van de onderste aardkorst magmatische inbraken door het optellen in elke bin ik:

waar is M het totale volume van magmatism, a is de oppervlakte van de Zuid-Georgië Bassin dat valt binnen 500 m syn-kloof sediment dikte bin, en m is de gemiddelde magma inbraak dikte berekend voor het betreffende vak (of 0 voor de 0-500 en 500-1000 m bin). Deze waarden zijn opgenomen in de aanvullende tabel 4. Op basis van deze methode schatten we tussen 76.000 en 127.000 km3 aan mafische magmatische indringers in de onderste korst van de South Georgia Rift. We hebben deze berekening uitgevoerd met behulp van een reeks bin-maten en vonden dat de resulterende schatting van het volume niet erg gevoelig is voor de keuze van de bin-grootte.

We maken een voorzichtige schatting van het volume magmatisme in de bovenkorst op basis van de aanname dat de dikte van basalt—of diabaselagen uit putgegevens 25 het bereik van de intrusiedikte binnen de omvang van het South Georgia-bekken weerspiegelt-tussen 50 m en 500 m. Vervolgens vermenigvuldigden we de oppervlakte van het basin49 met deze twee binnendringingsdikten om het volume van magmatisme in het nabije oppervlak te schatten. Op basis van deze methode schatten we de dichtbijgelegen indringingsdiktes tussen 8300 en 42.000 km3 in de South Georgia Rift. Deze schatting is vergelijkbaar met de methoden die worden gebruikt in andere berekeningen van CAMPVOLUMES1,4 en 18,maar houdt geen rekening met indringers die kunnen voorkomen in de ondiepe korst onder of buiten het South Georgia Basin.