Estudo e caracterização das variações da estrutura da crosta e dinâmica do Manto Superior sob o Norte do Peru, com métodos sismológicos

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, Pós-Graduação em Geociências Aplicadas, 2021.A zona de subducção do Peru é uma das regiões mais complexas e ativas da América do Sul. Grandes processos tectônicos ocorreram ao longo desta margem, que ainda permanecem pouco estudados, com destaque para as regiões norte em centro do Peru, onde encontra-se uma complexa e grande subducção de tipo sub-horizontal (flat-slab) da Terra. O objetivo desta pesquisa é estudar e caracterizar as variações da estrutura e dinâmica da crosta e do manto superior sob norte e parte do centro do Peru. Para esse fim, este estudo desenvolveu a aplicação de dois métodos sismológicos: (1) Estudo da anisotropia sísmica a partir da divisão de onda cisalhantes (Shear Wave Splitting – SWS), para estudar a dinâmica do fluxo de manto e as deformações na parte superior da placa sub-horizontal de Nazca e sua influência com a orogênese andina; (2) A tomografia de ruído ambiental (Ambient Noise Tomography – ANT), para estudar a estrutura da crosta sob a porção norte e parte da porção central do Peru. Para o estudo da SWS foram utilizados fases SKS, SKKS e PKS de eventos telessísmicos registrados em 45 estações sismográficas de banda larga das redes permanentes e temporárias do Instituto Geofísico do Peru e de outras redes com dados disponíveis como CTBTO, RSBR-Brasil e RENSIG-Equador. Os resultados revelam um padrão de anisotropia complexo com variações distintas na divisão da onda cisalhante ao longo da trincheira da zona de subducção. Na região norte, os tempos médios de atraso variam entre 1,0 ± 0,2 s e 1,5 ± 0,2 s com direções de polarização rápida e orientadas predominantemente ao ENE-WSW aproximadamente perpendicular à trincheira, paralela ao movimento absoluto da placa de Nazca. Na região central do Peru, as direções de polarização rápida mudam para uma orientação SE-NW que é oblíqua com a trincheira. Essas direções de divisão rápida são consistentes com os padrões observados em estudos prévios ao longo da porção sul da placa sub-horizontal de Nazca, e se correlacionam bem com o movimento do Bloco Peru Sliver Oeste inferidos a partir de dados por posicionamento por satélites, mostrando uma evidencia da deformação significativa na parte superior da placa de Nazca. Na aplicação de ANT usamos as ondas Rayleigh que foram extraídas das Funções de Green empíricas obtidas a partir da correlação cruzada das componentes verticais dos registros de 29 estações sismográficas. Os mapas de velocidade de fase para as ondas Rayleigh foram medidas no intervalo de 8 a 50 s no conjunto de dados total, e invertidas iv tomograficamente para produzir mapas de velocidade para ondas S numa grade de 0.1° x 0.1°. Nossos resultados mostraram boa correlação das anomalias com as principais unidades morfoestruturais. Observamos duas características crustais proeminentes: uma crosta de alta velocidade na Zona Costeira e na Cordilheira Ocidental com uma orientação NW-SE e a presença de uma extensa zona de baixa velocidade (ZBV, 20-30 km de profundidade) mais ao leste, sob a Cordilheira Oriental e Sub-Andes. Interpretamos que a ZBV é a expressão da crosta intermediária superior com composição félsica com presença de alguns fluidos, enquanto a crosta de alta velocidade provavelmente representa a raiz máfica do Batólito peruano ou embasamentos de um terreno acrecionado Ordoviciano. Pela primeira vez, se apresenta um estudo completo sobre a anisotropia sísmica na zona de subducção sub-horizontal, contribuindo assim ao conhecimento da tectônica do Peru e da América do Sul.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).The subduction zone of Peru is one of the most complex and active regions in South America. Major tectonic processes have occurred along this margin that remain poorly studied. In the northern and central regions of Peru, there is the largest example of flat-slab subduction on Earth. The aim of this research is to study and characterize variations in the structure and dynamics of the crust and upper mantle under northern and central Peru. To this end, we applied two seismological methods: (1) Study of seismic anisotropy using Shear Wave Splitting (SWS) to infer the dynamics of mantle flow and deformation in the upper- plate of the flat-slab subduction region and their influence on the Andean Orogen; and (2) Ambient Noise Tomography (ANT) to study the crustal structure under the northern and central parts of Peru. For the SWS study, we used SKS, SKKS and PKS phases of teleseismic events recorded by 45 broadband seismic stations from the Geophysical Institute of Peru and other permanent and portable seismic networks, as well as from international networks TBTO, RSBR-Brasil and RENSIG-Ecuador. The results reveal a complex anisotropy pattern with distinct variations in shear wave splitting along strike. In the northern region, the mean delay times range between 1.0 ± 0.2 s and 1.5 ± 0.2 s with fast directions predominantly oriented ENE-WSW, approximately perpendicular to the trench and parallel with the absolute motion of the subducting Nazca plate. In the central region of Peru, the predominant fast directions change to a SE-NW orientation that is oblique to the trench. These fast splitting directions are consistent with the pattern seen previously over the southern extent of the flat-slab and correlate well with the current geodetically derived motion of the overriding forearc, implying significant upper plate deformation of the Peruvian Sliver. The ANT application focused on Rayleigh waves that were extracted from the empirical Green's Functions obtained from the cross-correlation of vertical component waveforms recorded at 29 broadband seismic stations. The phase velocities for Rayleigh waves were measured in the period range of 8 to 50 s and inverted tomographically to create phase velocity maps for Rayleigh waves in a 0.1° x 0.1° grid. Our results show correlations of anomalies with the main morphostructural units. We observed two prominent crustal-scale features: the high-velocity crust in the forearc and Western Cordillera with a NW-SE trend and the presence of an extensive mid-crustal low-velocity zone (LVZ, 20-30 km depth) further vi east beneath the Eastern Cordillera and the Sub-Andes. We suggest that the LVZ is the mid‐ upper crustal expression of felsic crust with some fluids, while the high-velocity crust in the forearc and Western Cordillera likely represents the mafic root of the large Peruvian Batholith in the region and/or the basement of an Ordovician accreted terrane. This is the first complete study of shear-wave splitting in the flat-slab subduction zone, contributing to the knowledge of the Peruvian and South American tectonics