A. Carbó', A. Muñoz-Martín', J. Martín-Dávila2, M. Catalán2 y A. García3 ' Depai-talnento de Geodiizdinica, Facultad de Geología, Universidad Conzplz~terzse, Madrid 28040 (anzcirzoz@geo.z~cnz.es). Real Institclto y Observatorio cle la Auizacla, Cecilio Pcljnzórz shz. 11100 San Fenzarzdo, Cdcliz. Museo Naciolzal cle Ciencias Naturales, CSIC, José Abascal 2, Maclricl28006. Resumen: La Isla Decepción es la parte emergida de un volcán muy joven y activo. Se encuentra situada en el SO del Estrecho de Bransfield, que separa la Península Antártica de las islas Shetland del Sur. En este trabajo se muestran los resultados del levantamiento gravimétrico realizado en la campaña de investigación geofísica marina DECVOL99 (Diciembre de 1999). El procesado de los 4906 datos seleccionados, obtenidos a lo largo de 48 líneas de navegación, ha permitido la realización de dos mapas de anomalías de Bouguer en el interior y en el exterior de la Isla Decepción. El tratamiento de los datos gravimétricos ha incluido, además de las correcciones habituales, la corrección topográfica terrestre y del fondo marino utilizando una malla de 1 km de lado. Los mapas de anomalías de Bouguer resultantes muestran una serie de anomalías y gradientes gravimétricos bien definidos que, al integrarlos con el resto de información existente, permiten su interpretación desde el punto de vista estructural y tectónico. De este modo las anomalías gravimétricas en el entorno de la Isla Decepción se encuentran definidas por una serie de mínimos y máximos con dos orientaciones principales NE-SO y NO-SE, que se corresponden bien con rasgos morfoestructurales y geofísicos en otros sectores del Estrecho de Bransfield. La mayor parte de los gradientes gravimétricos alargados y con carácter neto pueden ser interpretados como zonas de fractura NO-SE y NE-SO que limitan áreas de máximos y mínimos gravimétricos. Las anomalías positivas de gran longitud de onda constituyen la continuación hacia el SO de la corteza continental de la Isla Livingston, mientras que los máximos gravimétricos de alta frecuencia están asociados a bloques elevados y de alta densidad. Las zonas de mínimos valores de anomalía de Bouguer coinciden con los principales ejes de extensión y máximo relleno de materiales sedimentarios recientes. Las orientaciones y localizaciones de las bandas de alto gradiente gravimétrico permiten su correlación con zonas de fracturas definidas mediante otros datos geofísicos marinos, así como con la batimetría y los datos estructurales medidos en superficie. Palabras Clave: Gravimetría marina, anomalía de Bouguer, Isla Decepción, Estrecho de Bransfield, Antártida Abstract: Deception Island is the emerged part from an active young volcano located in the Bransfield Strait, that separates the Antarctic Peninsula from the South Shetland Islands. In this work we show the results obtained from a gravity survey made carried out during the DECVOL99 marine geophysical cruise. Two Bouguer anomaly maps, for the interior and the exterior areas of Deception Island have been completed. 4906 gravity data along 48 marine tracks have been processed, including usual corrections, the water-layer effect and the topography and bathymetric terrain corrections using a lkm grid-size digital elevati011 model. The Bouguer anomaly inaps show well-defined high-gradient areas and gravity anoinalies that correlates with previous geophysical and structural data, and allow us to interpret them froin a tectonic point of view. In this way, the main Bouguer anomalies present maximum and minimum values along two main orientations NE-SW and NW-SE. High gravity-gradient areas separate maximum and minimum ailoinalies corresponding to uplifted volcanic blocks and extensional areas with a thick sedimentary infilling. The location and orientation of elongated and sharp Bouguer anomaly gradients are interpreted as fracture zoiies, that have beeil observed by other geophysical data, and are in good agreeinent with structural data from the surface. Key Words: Marine Gravity, Bouguer anomaly, Deception Island, Bransfield Strait, Antarctic Carbó, A., Muñoz-Martín, A., Dávila, J., Catalán, M. y García, A. (2001): Análisis de nuevos datos gravimétricos marinos en el entorno de la Isla Decepción (Islas Shetland del Sur, Antártida). Rev. Soc. Geol. Espafia, 14 (3-4): 189-197. ,;l. A. Carbo et al. .............. Zona de Subducción -$ Eje de Extensión : , '4 Zona de Subducción Fósil ::u-.:8 Eje de Extensión Fósil ............... \Zona de Fractura Contornos batimétricos Localización Epicentro " Línea de Costa de la Figura 2 Figura 1.- Localización geográfica y marco geotectónico de la zona de estudio sobre la batimetrfa general de la zona (contornos batim6tricos cada 2500 m). Los epicentros de los terremotos pertenecen a la base de datos de Enghdald et al. (1998). La Isla Decepción es la parte emergida de un volcán en escudo muy joven (menos de 1 Ma) y activo. Se encuentra situada en el Estrecho de Bransfield, que separa la Penín- sula Antártica de las islas Shetland del Sur (Figs. 1 y 2). Durante el mes de Diciembre de 1999 se realizó un cruce- ro oceanográfico alrededor de la Isla Decepción (Islas Shetland del Sur, Antártida, Figs. 2 y 3) en el marco de una Acción Especial (DECVOL-99) financiada por el P.N.I.A. El objetivo de esta acción especial era evaluar el estado de la actividad volcánica de la Isla Decepción, a partir de tres tipos de investigaciones: geodesia, análisis de gases y de datos sismológicos, y realización de perfiles geofísicos marinos (batimetría, gravimetría y magnetis- mo) en el entorno de la isla (Martín et al., 2000). Durante la campaña de prospección geofísica marina se adquirieron datos de batimetría gravimetría y magne- tismo tanto en el interior de la Isla de Decepción (Puerto Foster) como en el exterior de la misma (Estrecho de Bransfield) a bordo del Buque de Investigación Oceano- gráfica Hespérides (Figs. 1 y 2). El objetivo fundamental de esta campaña era la obtención de mapas batimétricos, gravimétricos y magnéticos de calidad contrastada en el entorno de la Isla Decepción. Todos estos datos geofísicos son fundamentales para conocer la estructura de la corteza en el entorno de la isla y, con el resto de información geo- lógica y geofísica previa, poder avanzar en la compren- sión de los procesos geodinámicos (fundamentalmente vol- cánicos y tectónicos) presentes en esta zona de la litosfera. En este trabajo presentamos los resultados del le- vantamiento gravimétrico realizado durante la campa- ña, y realizamos un análisis de las anomalías de Bouguer obtenidas en relación con las principales es- tructuras presentes en la zona de estudio. Marco geológico y antecedentes La isla Decepción se encuentra situada en el SO del Estrecho de Bransfield, que ha sido interpretado por nu- merosos autores como una cuenca tras-arco ("baclc-arc") asociada al arco volcánico de las Islas Shetland del Sur. La formación de este arco de islas está relacionada con los procesos de magmatismo y deformación asociados a la subducción de la placa de Phoenix por debajo de la Placa Antártica durante el Mesozoico Superior-Cenozoico (Bar- ker et al., 1991; Dalziel, 1984, 1989). Esta convergencia cesó hace 4 Ma, cuando el eje de expansión de la Placa de Phoenix (Dorsal Aluk, Fig. 1) dejó de ser activa (Barker et al., 1991; Lawver et al., 1995). El Estrecho de Bransfield es una estructura de tipo extensional orientada NE-SO de más de 500 km de lon- gitud desarrollada durante el Cenozoico Superior, que desaparece hacia el SO mediante un contacto brusco con la prolongación de la Zona de Fractura de Hero y conecta de un modo más progresivo hacia el NE con la zona de fractura del S de la Placa Scotia (González- ANOMALÍAS GRAVIMENTARIAS EN LA ISLA DECEPCI~N 19 1 Figura 2.- Mapa batimétrico del estrecho de Bransfield, con la posición de los perfiles.de sísmica de refracción (Grad et al., 1992, 1997), y la zona investigada durante la campaña de geofísica marina DECVOL-99. Casado et al., 2000, Figs. 1 y 2). El origen del Estrecho de Bransfield es discutido, con dos modelos principa- les: A) el primero relaciona su formación con la migra- ción de las islas Shetland del Sur hacia el NO, debido a un efecto de retroceso ("roll-back") de la fosa de las Shetland del Sur (Sinellie, et al., 1984; Maldonado et al., 1994; Lawvei et al., 1995, 1996). B) Otro modelo más reciente explica la extensión NO-SE que aparece en el Estrecho de Bransfield dentro de un régimen de compresión NE-SO entre la Placa de Scotia y la Antár- tica a lo largo de la dorsal Sur de la Placa de Scotia (González-Casado et al., 2000). Existen numerosos antecedentes geofísicos en la zona de estudio, especialmente de sísmica de reflexión m~ilti y monocanal (Acosta et al., 1992; Basker y Austin, 1994; Prieto et al., 1998), magnéticos (Roach, 1978), morfoes- tructurales (González-Casado et al., 1999b; Gracia et al., 1996, 1997), sismológicos (Pelayo y Wiens, 1989), de sís- mica de refracción (Grad et al. 1992, 1997) y de gravime- tría aeroportada (Garsett, 1990). Los datos magnéticos in- dican una anomalía positiva situada a lo lasgo de la parte más profunda del Estrecho de Bransfield, que ha sido in- terpretada como un cuerpo ígneo magnetizado positiva- mente asociado con el eje del rift (Roach, 1978; Gonzá- lez-Ferrán, 1991). Este último autor interpreta la zona magnetizada con polaridad inversa en los flancos del cuer- po central como una corteza oceánica creada durante los últimos 2 Ma de expansión en el Estrecho de Bransfield, lo que supone una extensión total de unos 15 km. De especial interés para la modelización gravimétri- ca son los trabajos de sísmica de refracción, que han permitido modelizar la corteza superior cerca de la isla de Decepción (Grad et al., 1992) y han deducido la es- tructura cortical a lo largo del eje central del Estrecho de Bransfield (Grad et al. 1997). Estos trabajos no sólo proporcionan la posición de las principales discontinui- dades sísmicas a escala cortical, sino que los valores de velocidades sísmicas pueden ser asociadas a densida- des (Ludwig et al., 1970), imprescindibles para la reali- zación de modelos gravimétricos realistas. Además de los trabajos de geofísica marina, existen levantamientos gravimétricos y magnéticos de detalle realizados en la islas Livingston y Decepción, así como una serie de bases gravimétricas (Ortiz et al., 1992), 192 A. Carbo et al. i U . Punlo de lectura Isla Lavebrua GravimBtrica en lierra - Lineas de Navegación I I I Realizada* 614 618 622 626 Figura 3.- Líneas de navegación realizadas en el interior de la Isla Decepcióii y puntos de cruce utilizados para el c6lculo de errores. G.C. Refugio Gabriel de Castilla, B.A. Base Argentina, B.B. Base Ballene- ros, B.C. Base Cliilena. que han permitido el enlace de las observaciones mari- nas con la red gravimétrica terrestre en Ushuaia (Ar- gentina), la Base Antártica Española Juan Carlos 1 (Isla Liviilgston) y la base gravimétrica Argentina en Isla Decepción (Fig. 3). Características y procesado de los datos gravimétricos marinos Instrunze~ztación y adquisiciórz de datos Para la obtención de los datos gravimétricos mari- nos se utilizó un Gravímetro marino Be11 Aerospace BGM3 (precisión de rrl inGal), con corrección electró- nica de las variaciones de estabilidad. El posiciona- miento del buque se realizó con GPS diferencial y los datos complemeiltarios, velocidad y rumbo, proceden de la instrumentación propia del barco. Los datos bati- métricos utilizados para la corrección de Bouguer se obtuvieron desde la sonda monohaz EA500. Para el en- lace con la red gravimétrica terrestre, y para la toma de datos en la isla Decepción se utilizó un gravímetro te- rrestre LaCoste&Roinberg modelo G (precisión de I 0,01 mGal). El posicionamiento en tierra, se realizó con GPS y la cota con altímetro barométrico (precisión de + 0,l m) cerrando los itinerarios cada media hora sobre vértices topográficos de cota conocida. La campaña de adquisición de los datos gravimétricos se proyectó siguiendo las pautas de un levantamiento sis- temático. Las líneas de navegación se realizaron equidis- tantes entre sí con rumbo constante y una serie de líneas de control transversales a las anteriores. Sin embargo, dado que se ha trabajado en dos situaciones diferentes (in- terior de un espacio restringido en Puerto Foster, y en mar abierto eil el exterior de la Isla Decepción), no se pueden definir unos paráinetros constantes para el conjunto de la investigación. Por este motivo se describen las caracterís- ticas de cada uno de los levantamientos: A) P~ievto Fostev. En esta zona hubo tres condicionan- tes para la realización de la campaña: la amplitud de las anomalías a detectar; las posibilidades de maniobra del barco y la realización del levanta~niento hidrográfico, que obliga a realizar las líneas de navegación paralelas a la batimetría. Las líneas básicas de investigación tie- nen una orientación N160°E, y las transversales N1 1O"E , excepto la línea 301, que se orienta N20°E. La separa- ción entre líneas varió entre los 200 y los 400 metros (Fig. 3), y el total de registros obtenidos en Puerto Fos- ter fue de 9458. Un primer filtrado para eliminar los registros adquiridos fuera de línea, debido a la rápidas variaciones de rumbo y velocidad, los redujo a 3140. Para evitar efectos direccionales no deseados en la car- tografía, y para obtener una red de lecturas homogénea en el área investigada, se procedió a un segundo filtra- do, seleccionando los registros con una separación si- milar a la distancia interlineal (200 m). Dada la veloci- dad de navegación (10 nudos), y el intervalo temporal entre lecturas (10 segundos), se obtiene un registro aproximadamente cada 50 metros a lo largo de cada 1í- nea, por lo que se utilizó un dato de cada tres medidos. Una vez realizada esta operación, el total de registros finalmente utilizados en la cartografía es de 1 18 1 dis- tribuidos sobre un área de unos 25 km2 por lo que la densidad de información resultante es de 47 puntos/km2 ( 1 punto cada 1.50 m aproximadamente). Para evitar errores de borde en el mapa de Puerto Foster se realizó de forma complementaria un levantamiento perimetral terrestre (Fig. 3). Este levantamiento consta de 33 pun- tos de lectura enlazados con la Base Gravimétrica si- tuada en la Base Antártica Argentina de Isla Decepción (982209,36 mGal). B) Leva~ztn~~zierzto exterior (le la Isla Decepciórz. Dado que este levantamiento se desarrolló en una zona de mar abierto, permitió una mayor flexibilidad para la distribu- ción de las líneas, sobre todo si se tiene en cuenta que las anomalías a detectar son las derivadas de estructuras ma- yores. De este modo, el conjunto de líneas se orientaron transversalmente a las principales direcciones morfoes- tructurales del Estrecho de Bransfield. Las líneas básicas presentan una orientación N125"E y las transversales o de control N4O"E. La separación media entre líneas va- ría de l a 3 km (Fig. 4). El total de registros que se obtuvieron en la malla externa fue de 15694. Un primer filtrado, eliminando los registros adquiridos fuera de 1í- nea, los dejó en 7295 y el segundo, para homogeneizar la distancia entre datos, los redujo a 3735, que son los finalmente utilizados en la elaboración del mapa. Como el área investigada es de unos 1200 km2 la densidad de información es de 3 puntos/km2. ANOMALÍAS GRAVIMENTARIAS EN LA ISLA DECEPCION 193 Figura 4.- Líneas de navegación realizadas en el exterior de la Isla Decepción y puntos de cruce utilizados para el cálculo de errores. Tratamiento de los Datos Las lecturas gravimétricas marinas se enlazaron con las redes terrestres por medio de la Base Gravimétrica Ar- gentina K de Ushuaia (981468,72 mGals), siendo la cons- tante de homogeneización calculada pasa la reducción de 0,11 mGal. La deriva instrumental entre los días 28 de Noviembre y 11 de Diciembre de 1999 fue de 1,2 mGales (0,095 mGal/día). Todas las lecturas han sido corregidas de variación diurna y eotvos, y las anomalías de Bouguer se obtienen por referencia al GRS67. Pasa la corrección del efecto lámina de agua y de irregularidades del fondo se utilizaron densidades de 2,67 y 1,03 gr/cm3, pasa tien-a y mas, respectivamente. El efecto de fondo se calcula por reducción de la morfología submarina a prismas de base cuadrada con 200 metros de lado en el interior de Puerto Foster y de 1000 metros en el Estrecho de Bransfield. Pasa la realización de estas correcciones se realizó un modelo digital del terreno de 1 km de tamaño de malla mediante la integración del modelo digital del terreno de la isla De- cepción (Servicio Geográfico del Ejército), con la base to- pográfica y gravimétrica de Smith y Sandwell (1997), así coino con los datos obtenidos durante la campaña. Todas las operaciones se ejecutaron con la ablicación inforiniti- ca Lanzada (Carbó, 1998), especialmente desarrollada para los sistemas que embarca el B.I.O. Hespérides. Este código homogeneiza e integra los datos procedentes de los diversos sistemas (gravímetro masino, sistema de posicio- namiento, sonda monohaz, ...) y los referencia en las líneas de navegación. El código, además, realiza las correccio- nes de deriva instrumental, marea terrestre, eotvos, enlace a redes tenestres y calcula las anomalías de Aire Libre y Bouguer por referencia al GRS67. Chlculo de Errores La intersección de las líneas de navegación en Puer- to Foster y en el entorno de la Isla Decepción dan lugar 194 A. Carbc Figura 5.- Histogramas con la distribución de diferencias de la anoinalía de Bouguer en los puntos de cruce para: A) Mapa interior de isla Decepción (Puerto Foster, figura 3) y B) para el inapa del entorno de la isla Decepción (figura 4). 4 Me,dia Malla Interior a dos conjuntos de puntos de corte con 52 elementos en el primer caso y 77 en el segundo (Figs. 3 y 4). Para el caso de la malla externa, además de las líneas de nave- gación utilizadas en la realización de los mapas (Fig. 4), se han usado lecturas obtenidas en otras líneas de navegación, con los mismos criterios de calidad para el filtrado de los datos descritos anteriormente. El análisis de las distribuciones de las diferencias en el cálculo de la anomalía de Bouguer en estos puntos se muestra en la figura 5. La diferencia media y la desviación están- dar obtenidas son 0,36 mGal, y 1,65 inGal, respectiva- mente, para la malla interna de Puerto Foster, y -0,46 mGal y 2,6 inGal para el exterior de la isla Decepción. Conviene señalar que en ambos casos la distribución es de tipo normal y la desviación estándar es próxima al error instrumental del gravímetro marino, y al intervalo entre las curvas de anomalías de Bouguer representadas en los mapas graviinétricos (Figs. 6 y 7). m .- O . C F g : n a, 5- U . Análisis de los mapas de anomalías de Bouguer en el interior y en el entorno de la Isla Decepción S (Puerto Foster) I I I I I I I I I I~zterpretación del rlzapa de A~zorizalías de Bouguer erz el entorno de la Isla Decepción El mapa de anomalías de Bouguer del entorno de la Isla Decepción presenta unos valores positivos de entre 40 mGales en el SO de la Isla Decepción, y 120 mGales I I I I I I -6 -4 -2 O 2 4 6 Diferencias en el valor de Anomalía de Bouguer (mGal) BJ Me,dia --S-- Malla Exterior en las proximidades de la Isla Livingston. Estos valores indican la ausencia de corteza oceánica bien definida en la zona estudiada, tal y como proponen los trabajos previos de sísmica de refracción (Grad et al., 1997), que sitúan la superficie del Moho por debajo de los 30 km a lo largo del eje central del estrecho de Bransfield. Las anomalías de Bouguer se distribuyen en la zona de estudio según una serie de máximos y mínimos con dos orientaciones principales bien definidas (Fig. 6): A) Una principal NE-SO, paralela a la dirección general de las islas Shetland del Sur y del Estrecho de Brans- field, y B) otra NO-SE aproximadainente perpendicular a la anterior. Un aspecto a destacar es que las anomalías de cada una de estas dos direcciones se encuentran seg- mentadas y10 limitadas lateralmente por gradientes gra- viinétricos de la otra dirección. Dentro del primer grupo de anomalías NE-SO, des- taca un mclxiino relativo que es la continuación hacia el SO del extremo de Isla Livingston, y cuya amplitud de- crece progresivamente hacia el SO. Esta anomalía posi- tiva está limitada hacia el sur, mediante una zona de ele- vado gradiente orientado NE-SO, con una banda para- lela de anomalías negativas de 15 l