Mantle Anisotropy and Asthenospheric Flow Around Cratons in SE South America

• Main Author: Bruna Chagas de Melo
• Other Authors: Marcelo Sousa de Assumpcao
• Language: English
• Published: Universidade de São Paulo 2018
• Subjects: América do Sul; Anisotropia Sísmica; Divisão de Onda Cisalhante; Fluxo do Manto; Mantle Flow; Seismic Anisotropy; Shear Wave Splitting; South America.
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/14/14132/tde-25052018-111624/

Seismic anisotropy at continental regions, mainly at stable areas, gives important information about past and present tectonic events, and helps us in understanding patterns of upper mantle flow in a way not achieved by other methods. The measurement of shear wave splitting (SWS), at individual stations, from core refracted phases (such as SKS phases), indicates the amount and orientation of the seismic anisotropy in the upper mantle. Previous studies of SWS in South America concentrated mainly along the Andes and in southeast Brazil. Now we add extra measurements extending to all Brazilian territory, especially in the Pantanal and Paraná-Chaco basins, as part of the FAPESP 3-Basins Thematic Project. The results from both temporary deployments and from the Brazilian permanent network provide a more complete and robust anisotropy map of the South America stable platform. In general the fast polarization orientations have an average E-W orientation. Significant deviations to ESE-WNW or ENE-WSW are observed in many regions. We compare our results with different anisotropy proxies: absolute plate motion given by the hotspot reference frame HS3-NUVEL-1A, a recent model of time dependent upper mantle flow induced by the Nazca plate subduction, global anisotropy from surface wave tomography, and geologic trends. We observe a poor correlation of the anisotropy directions with geological trends, with the exception of a few stations in northern Brazil and a better correlation with the mantle flow model. Therefore, our observed anisotropy is mainly due to upper-mantle flow, with little contribution from frozen lithospheric anisotropy. Also, deviations from the mantle flow model, which includes a thicker lithosphere at the Amazon craton, are mainly due to flow surrounding cratonic nuclei not used in the model: the keel of the São Francisco craton and a possible cratonic nucleus beneath the northern part of the Paraná Basin (called Paranapanema block). Large delay times at the Pantanal Basin may indicate a stronger asthenospheric channel, a more coherent flow, or a thicker asthenosphere. Small delays beneath the northern Paraná Basin and central Amazon craton may indicate thinner anisotropic asthenosphere. === Anisotropia sísmica em regiões continentais, principalmente em áreas estáveis, nos dá informações importantes sobre eventos tectônicos do passado e do presente, e nos ajuda a entender padrões de fluxo do manto superior de forma não alcançada por outros métodos geofísicos. A medida de separação de ondas cisalhantes (SWS), em estações individuais, de fases refratadas no núcleo (fases SKS, por exemplo), indica a intensidade e orientação da anisotropia sísmica no manto superior. Estudos prévios de SWS na América do Sul se concentraram principalmente ao longo dos Andes e no sudeste do Brasil. Agora adicionamos medidas extras que se extendem por todo território Brasileiro e alguns países vizinhos, especialmente nas bacias do Pantanal e do Chaco-Paraná, como parte do \"Projeto Temático 3-Bacias\" da FAPESP. Os resultados tanto das estações temporárias quanto da rede permanente Brasileira mostram um mapa de anisotropia mais robusto e completo da plataforma estável da América do Sul. Em geral, as direções de polarização rápida tem em média direção L-O. Desvios significantes nas direções LSL-ONO ou LNL-OSO são observadas em muitas regiões. Comparamos nossos resultados com diferentes representantes da anisotropia: movimento absoluto de placa dado pelo sistema de referência de hotspot HS3-NUVEL-1A, um modelo recente dependente do tempo de fluxo do manto superior induzido pela subducção da placa de Nazca, anisotropia global de tomografia de ondas de superfície, e tendências geológicas. Observamos pouca correlação das direções de anisotropia com tendências geológicas, com exceção de algumas estações no norte do Brasil e uma melhor correlação com o modelo de fluxo do manto. Portanto, nossa anisotropia observada é devida principalmente a fluxo do manto superior, com pouca contribuição de anisotropia \"congelada\" litosférica. Também, desvios do modelo de fluxo do manto, o qual inclui uma litosfera mais espessa no cráton da Amazônia, são devido ao fluxo ao redor de núcleos cratônicos não usados no modelo: a quilha do cráton do São Francisco e um possível núcleo cratônico abaixo da região norte da bacia do Paraná (chamado bloco do Paranapanema). Atrasos de tempo grandes na bacia do Pantanal podem indicar um canal astenosférico mais forte, um fluxo mais coerente ou uma astenosfera mais espessa. Pequenos atrasos abaixo da parte norte da bacia do Paraná e no centro do cráton da Amazônia podem indicar uma astenosfera mais fina.