c. R. Acad. Scî. Paris, t. 305, Série II, p. 961-967, 1987

Océanographie dynamique/Dynamical Oceanography

Histoire géologique de la marge continentale du Pérou.Déformations tectoniques liées à la convergence et

upwellings cotiers : résultats de la Campagne du Leg 112

O.D.P.

961

Erwin SUESS, Roland yon HUENE, Kay-Christian EMEIS, Jacques BOURGOIS, Jose deI C.

CRUZADO, Patrick DE WEYER, Geoffrey EGLINTON, Robert GARRISON, Matt GREENBERG,

Elard HERRERA, Phil HILL, Masako IBARAKI, Miriam KASTNER, Alan E. S. KEMP, Keith

KYENYOLDEN, Robert LANGRIDGE, Nancy LINDSLEY-GRIFFIN, Robert MCCABE, Janice

MASTERS, Erlend MARTINI, Leonidas OCOLA, Johanna RESIG, Agapito Wilfredo

SANCHEZ, Hans SCHRADER, Todd M. THORNBURG, Gerold WEFER et Makoto YAMANO

Résumé - Le Leg 112 du programme ODP a été consacré à l'étude de l'histoire tectonique etocéanographique de la marge active du Pérou entre 90 S et 14°S. Elle est subsidente de l'Eocène auMiocène terminal. Une situation d'accrétion caractérise la période néogène et quaternaire. Lesdépôts sédimentaires du plateau continental situés sous l'influence des courants d'upwellings cotierslivrent un enregistrement de cette évolution avec une migration des centres de dépôts vers lecontinent. La diagenèse chimique des sédiments du Pléistocène est accélérée en fonction de lacirculation profonde d'une saumure sous le plateau continental.

Plate convergence and coastal upwelling: a history of the Peru continental margin

from O.D.P. Leg 112 results

Ahstract - Leg 112 of the Ocean Drilling Program was devoted to reconstructing the tectonic andoceanographie history of the Peru margin between 90 S and 14°S latitude. The mQl'gin here consistsof continental crust against which a small accretionary complex accumulated during the late Neogeneand Quaternary. Prior to accretion, which began in the late Miocene, an Eocene land mass thatincluded the modern mid-slope area (3,000 m below sea Leve/) had subsided, as the leading edge of theSouth American continent was tectonically eroded during subduction of the Nazca Plate. Duringcrustal subsidence the shelf, which was and is characterized by coastal upwelling, migrated landward,and each of the successive depositional centers that underline coastal upwelling plumes contains asedimentary record of organic-carbon-rich, laminated diatomites deposited under oxygen-deficientconditions. Superimposed on the subsidence-induced variability in this upwelling facies are variationsinduced by eustatic sea level fluctuations and climate. A saline brine that underlies the modern shelfaugments chemical diagenesis in Pleistocene sediments and leads to distinct chemical zonations andmineral assemblages.

Abridged English version - INTRODUCTION. - During leg 112 of the Ocean Drilling Pro­

gram, the R V Joides Resolution drilled at ten sites on the Peruvian margin (Fig. 1).

TECTONICS. - Off Peru, there is evidence from geophysical data, dredge samples, and

Seabeam survey that rather than uplift and compressional tectonics, the upper continental slope

was affected by extensional faulting during subsidence ([1], [2], [3], [4], [8]). Consequently, the

coastal zone migrated Landward through time.

The Eocene section was sampIed at three sites on the middle and lower slope of the continental

margin. At Side 688 (Fig. 1), shelf assemblages of benthic foraminifera were recovered. The

Eocene sequence is cut by a regional Oligocene unconformity, sampled again at Site 682. The

correlative reflections in seismic records extend to a point 15 km landward of the trench axis and

reach a depth of about 6.2 km below sea level. Above the Oligocene unconformity are Miocene

mudstones deposited in a continental slope environment.

Note présentée par Jean AUBOUIN.

0249-6305/87/03050961 $ 2.00 © Académie des Sciences

962 c. R. Aead. Sei. Paris, t. 305, Série II, p. 961-967, 1987

The 90S transect is representative of another segment of the Peru margin where the shelf is

very wide (120 km).

At Site 683 (Fig. 2), the middle Miocene, is bounded between two hiatuses. The lower one,of Oligocene age lasted about 25 M.a., and separates middle Miocene rock from indurated sandymudstones of middle Eocene age. The Eocene contains shallow water nannofossils. Seismic

records indicate an unconformity on crystalline basement 250 m below the top of the Eocene unitas was drilled in the industry wells upslope (Fig. 2). The section indicates that during theEocene the site was on crystalline continental crust that later subsided, and not on an upliftedoceanic element accreted to the front of the margin.

PALEOENVIRONMENT. - The sediment filling the fore arc basins includes the distinctive

organic-rich coastal upwelling facies, a facies important to exploration for hydrocarbon resources([6], [7]). The centers of upwelling generate oxygen deficient upper slope waters enhancing the

preservation of organic matter ([5], [9]).The dominant lithology in all basins is organic-rich diatomaceous mud, which more commonly

is bioturbated in lower Pleistocene deposits as compared to upper Pleistocene units which morefrequently are laminated.

Other properties, such as water content, porosity, and organic carbon contents, revealed alter­nations over a scale of meters. The observed cyclicities are climatically forced. As a first

approximation, three major cycles with boundary ages 0.14, 0.8, and 1.4 M.a. old were

identified. They coincide with the observed cycles of Cenozoic eustatic sea levelfluctuations [10] and cycles based on the orbital theory [II]. Surimposed on these first-orderlong-term cycles are 105 k.y. cycles. This is close to the long-term variation in the Earth's orbi­tal eccentricity and corresponds to the climatically induced cycle length which has been widely

recognized in deep-sea sediments ([12], [13]).The most surprising find of Leg 112 was the discovery of fluids in sediments that were twice

as salty as normal seawater (Fig. 3). The dissolved sulfate and methane distributions in Hole681 A demonstrate one aspect of the influence which the brime exerts on early diagenetic reac­

tions (Fig. 3 a and b).The abundance of authigenic calcite and dolomite confirmed that the differentially subsiding

basins along the Peru margin are excellent sites for the examination of the conditions that lead to

the formation of "organic" dolomites [16].

INTRODUCTION. - Pendant le Leg 112 (novembre-décembre 1986) du programmea.D.p., un segment de la marge continentale du Pérou a été étudié entre 90 S et 14°S.Dans cette région où la plaque Nazca s'engage sous 1'Amérique du Sud (fig. 1), les

EXPLICATION DES PLANCHES

Planche 1

Fig. 1. - Transect perpendiculaire à la marge du Pérou par 11os basé sur le profil sismique CDP 1 et les

résultats de forage du Leg 112.

Fig. 1. - Simplified structural transect across the Peru mm'gin at 11°5 based on seismic suruey of CDP 1 line

and results of drilling during Leg 112. Location of sites and transect line are giuen in the inset.

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Profil CDP 1

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1 Plateau continental

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680 B

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Haut de pente

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Fig. 1

PLANCHE II/PLATE II

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Ballena

120m

Soclemétamorphique

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180m

2500

1000

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Fig. 2

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Site 68640 40

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140 140 140

160 160 160

180 a 180 b 180 C

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Chlorures (mmol/L) Sulfate (mmol/L) Méthane (mmol/L)

Fig. 3

c. R. Acad. Sei. Paris, t. 305, Série Il, p. 961-967, 1987

Planche Il

965

Fig. 2. - Transect perpendiculaire à la marge du Pérou par 90 S basé sur le profil sismique CDP2 et lesrésultats de forage du Leg 112.

Fig. 2. - Simplified structural transect across the Peru margin at 90 S and results of drilling during Leg

112. Including in the transect are results from industry holes Delfin and Ballena. Location of sites and

transect line are given in the inset of Figure 1.

Fig. 3. - (a) Teneur en chlorure des eaux interstitielles des Sites localisés sur le plateau continental. (b) et (c)

Concentration en sulfate (b) et en méthane (c) au forage 681 A reflettant l'influence d'une saumure enprofondeur.

Fig. 3. - (a) Gradients of chlorinity in interstitial waters from Sites on the continental shelf, off shore Peru. Note

the decrease is interpreted as an effect on the passage and aging of a subsurface brine underlying the shelf at

some unknown depth. During the passage, the brine loses excess dissolved ions (i. e., Ca2+, Mg2+, SO~ -, Cl)

by diffusion and drives diagenetic reactions involving some of these ions. (b)-(c) Sulfate and methane concentra­

tions in Hole 681 A reflect the influence of subsurface brine on microbial sulfate reduction and

fermentation. Sulfate concentrations approach 0 in the first 20 mbsf as a result of organic-matter oxidation

at the expense of interstitial-water sulfate. Methane concentrations, caused by fermentation, increase drastically

when sulfate reduction is complete (note log scale in methane concentrations). Diffusion of sulfate !rom below,

and while sulfate concentrations increase below 100 mbsf, fermentation appears to be inhibited.

résultats permettent de reconstituer l'histoire de l'évolution tectonique de la marge commedes courants d'upwellings cotiers.

Les données géophysiques montrent que la marge du Pérou s'est affaissée en relationavec le fonctionnement de failles normales ([1] à [4]), entraînant une migration de la côte,et des faciès du plateau continental associés, en direction du continent. Dans l'intervalede profondeur 100-500 m, des eaux pauvres en oxygène [5] arrivent contre la marge alorsque des sédiments riches en matière organique, avec un taux de sédimentation élevé(100 m/M.a.), se déposent. Dans la mesure où ces conditions s'étendent largement, onles considère comme favorables à la production de pétrole ([6], [7]).

TECTONIQUE. - L'évolution morphologique et structurale de la marge a été étudiée lelong de deux transects perpendiculaires à la marge: Sites 684, 683 et 685 par 90 S etSites 679, 682 et 688 par 11 oS. Dans les deux cas, des sédiments d'âge Eocène furentatteints aux Sites 682, 683 et 688.

Au Site 688, situé à l'extrémité W du transect Sud (fig. 1), le forage est descendujusqu'à l'Eocène inférieur représenté par des calcaires riches en bivalves et foraminifèresbenthiques qui indiquent un environnement de faible profondeur d'eau (150 m maximum).Dans cette région, le réflecteur sismique qui correspond au sommet de l'Eocène se suitvers le bas de la marge jusqu'à un point situé à moins de 15 km de l'axe de la fosse àune profondeur de 6,2 km sous le niveau de la mer. Un contact tectonique marqué pardes brèches mylonitiques sépare l'Eocène moyen du Miocène sus-jacent. Les bouesindurées qui constituent la séquence Miocène à Pliocène contiennent des foraminifèresbenthiques qui indiquent des profondeurs de dépôts comprises entre 500 m et 4 000 m.Les sédiments montrent par ailleurs de nombreux indices de glissements gravitaires dontle style varie avec le faciès. L'augmentation du taux de sédimentation et les remaniementsdans le Miocène moyen et supérieur aux Sites 688 et 682 suggèrent que le bassin deLima, situé 30 km plus à l'Ouest, a subit une érosion entre Il et 7 M.a. Une subsidencerapide d'environ 500 m/M.a. marque ensuite l'évolution du bassin de Lima depuis 6 M.a.

Le Site 683 sur le transect Nord (fig. 2) a également atteint l'Eocène moyen. Lesdonnées sismiques montrent que l'Eocène a une épaisseur de 250 m et qu'il repose en

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discordance sur le soubassement métamorphique atteint par les forages pétroliers ([4],[8]) Delfin et Ballena (fig. 2).

Le Site 685 situé 20 km au large du Site 683 (fig. 2) est implanté dans une zone oùdes réflecteurs à pendage vers le continent suggèrent l'existence d'un prisme d'accrétion.Une fabrique écailleuse généralisée et une fracturation en compression accréditent cettehypothèse.

PALÉOENVIRONNEMENT. - Les Sites 679, 684, 680, 681, 686, et 687 localisés dans lesbassins de Lima, Trujillo, Salaverry et Pisco sont dans la zone actuellement sous l'in­fluence du système des courants d'upwelling du Pérou. Le faciès dominant est celui desboues à diatomées riches en matière organique, elles sont communément bioturbées dansle Pléistocène inférieur par opposition au Pléistocène supérieur dont les fines laminationsoriginelles sont intactes. Nous mettons cela en relation avec les variations de la zone duminimum d'oxygène [9].

Les séquences quaternaires du bassin de Salaverry (Sites 680, 681) et du bassin dePisco (Sites 686 et 687) présentent des cycles dont la causalité est climatique. Trois cyclesmajeurs sont identifiés, leurs limites sont à 0,14, 0,80, 1,4 et 1,6 M.a. Ces âges coïncidentavec les cycles des fluctuations eustatiques [10] du niveau de la mer basées sur la théorieorbitale [11].

Des alternances à plus haute fréquence se surimposent aux cycles de premier ordre,elles ont une durée moyenne de 105000 ans. Cela est proche de la période longue duréede l'excentricité orbitale terrestre et des cycles de productivité primaire reconnus dans lessédiments marins profonds ([11], [12], [13]).

Comme dans le NW de l'Afrique ([14], [15]), une haute productivité primaire des floresà diatomées ajoutée à une bonne préservation des sédiments à laminites sont corréléesavec les périodes de stabilité du minimum du niveau marin au Pléistocène.

L'abondance de la calcite authigène et de la dolomite confirme que les bassins situésle long de la marge du Pérou sont d'excellentes région pour étudier les conditions quiprésident à la formation des dolomites organiques ([7], [16]) dont les ions carbonatésproviennent d'une dégradation de la matière organique sédimentaire sous une doubleaction thermique et microbienne [17].

La circulation d'une saumure en profondeur altère considérablement l'environnementchimique des sédiments du Pléistocène. L'influence, l'extension et l'origine de cettesaumure est cernée à partir de l'évolution des teneurs en chlorure en fonction de laprofondeur (fig. 3 a).

Le forage 681 A dans le bassin de Salaverry montre un aspect de l'influence de cettesaumure sur les premiers stades de la diagenèse. Une haute teneur en carbone organiqueassociée à un taux de sédimentation très élevé conduisent à une réduction microbiennetotale des sulfates à 27 m de profondeur (fig. 3 b). Corrélativement, une zone de méthano­genèse se développe en dessous (de 27 à 70 m). A plus grande profondeur, l'influence dela saumure se fait sentir par un apport en sulfate ce qui provoque l'arrêt du processusde méthanogenèse (fig. 3 c). Il existe donc trois zones différentes où des processus précocesde diagenèse conduisent à la formation de calcite authigène et de dolomite.

E. S. et R. von H. : co-chefs de mission.

Note reçue le 25 mai 1987, acceptée le 29 juin 1987.

C. R. Aead. Sei. Paris, t. 305, Série II, p. 961-967, 1987

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