Statický a dynamický zdvih v závislosti na činnosti horkých skvrn - případová studie pro povodí řeky Mahanadi a hřbet 85 východní délky

Mainak Choudhuri, Ph.D.

Doctoral thesis

Static and Dynamic uplift related to Hotspot activity - case study for Mahanadi basin and 85 E Ridge

Abstract:

Tato práce se snaží identifikovat účinky vulkanismu plášťového chocholu, pokud jde o zdvih vyvolaný v zemské kůře a subsidenci různých typů kůry, když se hlava chocholu posune mimo. První kapitola definuje hypotézu plášťových chocholů z hlediska studovaného problému a popisuje ohybové deformace související se vmístěním chocholu. Přítomnost hlavy chocholu pod litosférou vytváří široké vzedmutí asi 2000 km v průměru a výzdvih kůry. Ten může být dvojího typu – buď se jedná o dočasný dynamický výzdvih, který vymizí společně s termální anomálií, nebo může jít o trvalé vyzvednutí kůry v důsledku korového podsunutí. Tato kapitola popisuje různé metody odhadování výzdvihu. Popisuje také ohybové deformace kůry vytvořené v důsledku vulkanismu na horké skvrně a definuje charakteristické ukládání sedimentů v depresích v okolí sopek. Je uvedena základní charakteristika hřbetu 85 ° E v souvislosti s různými hypotézami jeho vzniku a kapitola končí výčtem cílů práce. Druhá kapitola přehledně popisuje tektonicko-stratigrafickou historii indického subkontinentu. Podrobněji je popsán vznik východního pobřeží Indie spolu s různými tektonickými segmenty, formami magnetických anomálií a přítomností různých typů kůry, jako je kontinentální, proto-oceánská a oceánská kůra. Je popsán spodnokřídový vulkanismus z Rajmahalského ložiska a je spojen se hřbetem 85° E. Na konci této kapitoly je definována zájmová oblast společně s její geologickou charakteristikou. Různé typy dat používané ve studované oblasti jsou diskutovány v kapitole třetí. Hlavními datovými typy jsou údaje o gravitačních anomáliích, data odrazové seismiky a biostratigrafická data z vrtů. V této studii byly užity gravitační mapy opravené na volný vzduch odvozené ze satelitních dat pokrývající celý Bengálský záliv, byly zjištěny Bouguerovy anomálie a reziduální izostatické anomálie. Gravitační data získaná GXT na vlečné lodi byla použita pro účely gravitačního modelování. Množství GXT odrazových seismických řezů od jihu k severu východního pobřeží Indie bylo popsáno podrobně, aby byla zřejmá stavba kůry a včetně tektono-stratigrafie na východním pobřeží. Interpretované horizonty tak umožňují sledovat jejich průběh podél východního pobřeží Indie, stáří pro korelaci bylo převzato z biostratigrafických údajů z vrtů. Čtvrtá kapitola představuje různé metody používané v této studii k získání požadovaného výsledku. Mezi nejvýznamnější procedury patří interpretace gravitačních a seismických dat, příprava map mocností a vytvoření 1D subsidenčních profilů pomocí Airyho páskové metody. Interpretace odrazové seismicky je pro řešení stavby zemské kůry a sedimentačních pánví důležitou součástí kapitoly o metodice. Různé typy kůry a Moho-plochy byly interpretovány v profilech GXT, aby tak byla vytvořena mapa mocností oceánské kůry a sopečného zatížení, které pak byly použity k odvození trvalé velikosti výzdvihu. Sedimentární sekvence byly rozděleny do tří částí, nejspodnější část zahrnovala pelagickou jednotku, sesuvná jednotka tvořící převážnou část sedimentace a nejvyšší pokryvná jednotka se pak používá ke stanovení poklesové historie sopečného útvaru. 1D subsidenční profily byly konstruovány tak, aby bylo možné odvodit sedimentární zátěž a stanovit tektonickou subsidenci během vulkanismu vyvolaného horkou skvrnou. Porovnáním subsidence v různých typech kůry, v různých částech deprese a oblouku byly odvozeny důležité informace o relativním načasování a typu poklesové struktury na různých místech. Veškeré práce byly provedeny v prostředí GIS pomocí ArcGIS pro umožnění analýzy překrýváním a tvorby map. Pátá

Abstract:

kapitola obsahuje interpretaci získaných výsledků v návaznosti na strukturu metodické kapitoly. Výsledky získané interpretací sedimentární sekvence ukazují, že tvorba ohybu oblouku v rané fázi zabránila v této počáteční fázi ukládání sedimentů nad ním, zatímco příkop nadále ustupoval. Raná fáze poklesávání probíhala v extenzním režimu za vzniku křehkých poklesových zlomů, což pokračovalo i během pozdější ohybové subsidence. Izostatické vyrovnání a sesuvy podél svahu pokračovaly po skončení ohybového poklesu , jak bylo zjištěno analýzou překryvné jednotky. Sesuvná jednotka obsahuje alespoň dvě fáze růstové aktivity - počáteční rychlou a pozdější pomalejší subsidenci. Sesuvná jednotka v blízkosti protooceánské kůry vykazuje malou růstovou aktivitu ve srovnání s výrazným růstem téže jednotky na kůře oceánské, což ukazuje na závislost na korové reologie na subsidenci. 1D subsidenční analýza ukazuje, že úplná subsidence pánevní sekvence proběhla v časovém období 16,1 Ma, mezi 99,6 a 83,5 Ma. Hlavním faktorem pro rychlost poklesu se zdá být hustota kůry, zatímco u lokalit na stejném typu kůry rychlost subsidence závisí na mocnosti kůry, která řídí elastickou mocnost. To se stává zřejmé ze skutečnosti, že oceánská kůra vykazuje snížení elastické tloušťky během časového období ohýbání, což je indikováno prudkým nárůstem rychlosti subsidence během poslední fáze ohybu. Naopak, protooceánská kůra vykazuje velmi malou a kontinentální kůra nevykazuje vůbec žádnou změnu v rychlosti poklesu během ohybové fáze. Na konci této kapitoly mají různé odhady pozvednutí byly porovnány a diskutovány . Z uvedeného vyplývá, že celkový zdvih 2500 m je přiměřená hodnota pro oceánské kůry v oblasti zájmového území, z čehož asi 1650 m, je dynamický výzdvih a 850 m výzdvih trvalý. Šestá kapitola představuje tři hlavní výsledky předložené studie a diskutuje o nich ve srovnání s předchozími pracemi, uvádí rozdíly s řádným odůvodněním. Pojednává o velikosti a vlivu plášťového chocholu v souvislosti s výzdvihem, propagací korového ohybu a ukazuje, jak je ukládání sedimentů vyrovnává, a také jak se rychlost subsidence liší v různých typech kůry v různých obdobích vývoje. Poslední kapitola shrnuje významné výstupy této studie ve třech dílčích částech s obecnými závěry, závěry o ohybových procesech a závěry o rozdílech v rychlosti subsidence; kapitola končí diskusí o možnostech dalšího výzkumu.

Abstract:

This thesis attempts to identify the effects of a plume related volcanism in terms of the uplifts produced in the crust and the subsidence of the different crustal types after the plume head moves away. The first chapter defines the plume hypothesis in perspective of the thesis and describes the flexural deformation related to a plume emplacement. The presence of a plume head below the lithosphere result in a broad swell of about 2000 km in diameter and an uplift of the crust. The uplifts are of two types, a temporary dynamic uplift, that disappears when the thermal anomaly dissipates, and a permanent uplift due to crustal underplating. The chapter describes the different methods of estimating the uplifts. It also describes the flexural deformation of the crust due to hotspot volcanism, and defines the characteristic deposition of sediments in the flexural moats surrounding the volcanoes. The 85°E Ridge and the various hypotheses regarding its origin and emplacement time have been introduced, and the chapter ends with a proclamation of the thesis objectives. The second chapter describes the broad tectonic-stratigraphic history of the Indian subcontinent. The formation of the east coast of India have been described in details, together with its different tectonic segments, magnetic anomaly patterns and the presence of different crustal types like the continental, proto-oceanic and oceanic crust. Early Cretaceous volcanism of the Rajmahal Traps have been described and linked with the 85°E Ridge. At the end of the chapter, the study area is defined together with its geological features. The different data types used in the study area are discussed in chapter three. The major data types are the gravity anomaly data, seismic reflection data and biostratigraphic data from wells. Satellite derived free-air gravity anomaly covering the entire Bay of Bengal has been used in this study, together with derivatives like Bouguer anomaly and isostatic residual anomaly data. Ship track gravity data acquired by GXT have been used for gravity modeling purpose. A number of GXT reflection seismic sections from the south to the north of the east coast of India have been described in detail to show the crustal architecture and broad tectono-stratigraphy of the east coast. The interpreted horizons follow the tectono-stratigraphic chart for the east coast of India, and the age correlations have been taken from biostratigraphic data form drilled wells. The fourth chapter presents the different methods used in this study to derive the desired outcome. The most important procedures include interpretation of gravity and seismic data, preparation of thickness maps, and generation of 1-D subsidence profiles using Airy backstripping method. Interpretation of seismic reflection data for crustal architecture and moat sedimentation forms an important part of the methods chapter. The different crustal types and the Moho have been interpreted in GXT lines to derive thickness maps of the oceanic crust and volcanic load, which are then used to derive permanent uplift values. The moat sequence have been divided into three parts, the lowermost pelagic unit, the landslide unit forming the bulk of the sedimentation and the topmost ponded units , which are then used to drive the subsidence history of the volcanic edifice. 1-D subsidence profiles have been constructed to infer the sediment loaded and tectonic subsidence due to the hotspot volcanism. By comparing the subsidence in different crustal types and at different parts of the moat and arch, significant information has been derived on the relative timing and subsidence pattern at the different locations. All the work has been carried out in a GIS platform using ArcGIS for overlay analysis and mapping. The fifth chapter contains the interpretation of the obtained results following the outline of the methods chapter. The results derived from interpreting the moat sequences show that the formation of the flexural a

Abstract:

rch is an early stage event that prevents the subsidence of sediments over it in the initial phase, while the moat continues to subside. The early stages of subsidence took place by brittle normal faulting, which continues during later flexural subsidence. Isostatic adjustments and down-slope mass wasting continues after the end of flexural subsidence, as observed within the ponded unit. The landslide unit contains at least two phases of growth activity, with an initial rapid and a later slower rate of subsidence. The landslide unit near the proto-oceanic crust shows a little growth activity in comparison to a prominent growth of the same unit on the oceanic crust, indicating a dependence on crustal rheology on subsidence.1-D subsidence analysis shows that a complete subsidence of the moat sequences took place during a time period of 16.1 my, between 99.6 and 83.5 my. The major factor for the rate of subsidence appears to be the crustal density, while among locations on the same crustal type, the subsidence rate depends on the crustal thickness, which controls the elastic thickness. This becomes evident from the fact that the oceanic crust shows a reduction in elastic thickness during the time period of flexure, as indicated by a sharp increase in subsidence rate during the later period of flexure. On the contrary, the proto-oceanic crust shows very minor and the continental crust shows no change in the rate of subsidence during the time period of flexure. At the end of the chapter, the different estimates of uplift have been compared and discussed. Based on the discussion, it appears that a total uplift of 2500 m is a reasonable value for the oceanic crustal region of the study area, of which about 1650 m is the dynamic uplift and 850 m is the permanent uplift. The sixth chapter establishes the three major outcome of the study and discusses them in comparison with previous work, penning down the differences with proper reasoning. It discusses the magnitude and effect of plume related uplifts, the propagation of flexure of the crust and how the sediment deposition adjusts to it, and how the subsidence rate varies in different crustal types at different timeperiod of loading. The last chapter summarizes the significant outcomes of this study under three broad heads of general conclusions, conclusions on flexural processes and conclusions on variation in subsidence rate, and ends with a discussion on future path forward.

Keywords

hřbet 85° východní délky, povodí řeky Mahanadi, plášťový chochol, horká skvrna, oceánská kůra, zdvih, pokles, východní pobřeží Indie, ložisko Rajmahal, 85°E Ridge, Mahanadi Basin, mantle plume, hotspot, oceanic crust, uplift, subsidence, flexural moat, east coast of India, Rajmahal Trap

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 25. 8. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 13. 11. 2014
• Supervisor: doc. RNDr. Rostislav Melichar, Dr.
• Reader: doc. Mgr. Ondřej Lexa, Ph.D., prof. RNDr. Dušan Plašienka, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geology (4-years) / Geological Sciences