Lithological controls on architecture and development of igneous intrusions in sedimentary basins.

Abstract

Magmatransport i jordskorpen forekommer igjennom magmatiske intrusjoner (siller og diker), som ofte omtales som et magmatisk rørsystem. Disse nettverkene av magma finnes i de fleste sedimentære bassenger over hele verden, ettersom de er assosiert med rifting, store magmatiske provinser eller forskyvning av tektoniske plater. I løpet av de siste tiårene har tredimensjonale seismiske refleksjonsdata blitt flittig brukt for å kartlegge, karakterisere og tolke komplekser av intrusjoner. Imidlertid møter slike studier ofte begrensninger på grunn av begrenset oppløsning i seismiske datasett, noe som gjør det utfordrende å skille prosessene som påvirker magmatiske intrusjoner, litologi til vertsbergarter og strukturer som dannes når siller intruderer. I noen tilfeller kan hele siller forbli uoppdaget av seismikk.

Denne doktorgradsavhandlingen presenterer feltobservasjoner samt tredimensjonale modeller av feltområder med seismisk skala (> 1 kilometer høyde, > 100 meter bredde) for å finne et motsvar til begrensningene ved seismiske studier. Høydetaljerte virtuelle feltområder gjør det mulig å kartlegge intern arkitektur for siller, samt morfologi og geometri. Geometrien til siller spiller en avgjørende rolle når intrusjoner propagerer i undergrunnen, og geometri gjenspeiler ofte egenskapene til både vertsbergarten og magmaen. Litologi er en egenskap som ikke har blitt mye studert tidligere. Denne avhandlingen har som mål å bidra med innsikt og observasjoner som kan hjelpe å definere hvilken innflytelse litologi har på geometrien til magmatiske intrusjoner i sedimentære basseng. Å forstå det dynamiske forholdet mellom siller og vertsbergarter kan forbedre den generelle forståelsen av bassengevolusjon, føre til bedre prognoser for vulkanutbrudd og bedre utnyttelse av ressurser fra undergrunnen.

Intern arkitektur og marginale kontakter mellom siller og vertsbergartene er temaet for den første artikkelen. Her ble det utført en «case» studie av en 12 meter tykk sill i Mussentuchit Wash, San Rafael Volcanic Field, Utah. Resultatene viser at propagering av siller kan både skje under både sprø og ikke-sprø forhold, noe som er sterkt påvirket av lokal litologi og tilstedeværelse av porevæsker. Innledende intrudering av sillen i Mussentuchit Wash skjer enten gjennom lineær elastisk oppsprekking parallelt med sedimentære laggrenser (f.eks. planære lag eller kryssjikt), eller ved uregelmessige kontakter forårsaket av interaksjon mellom magma og porevæsker. Samspillet mellom magma og porevæsker reflekteres av indre teksturer i sillen. Denne studien dokumenterte også tilstedeværelse av segregert smelte i intrusjonen, der hovedsillen består av basalt mens den segregerte smelten består av syenitt. Syenittene ser tilsynelatende ut til å ha blitt avsatt i selve basalten. I tillegg inkluderer syenittene interne strømningsindikatorer, som videre kan tolkes som indikatorer av utviklingen til intrusjonen, ettersom de unnviker andre avsetningsstrukturer funnet langs marginen til sillen. Brutte broer, og skorsteinssoner, er eksempler på slike avsetningsstrukturer.

Den andre artikkelen setter søkelys på geometrien til siller og hvor disse geometriene oppstår i henhold til verstbergarten. Denne studien presenterer både et kvantitativt og kvalitativt datasett som fokuserer på morfologi og geometri til siller fra Cedar Mountains, San Rafael Volcanic Field, Utah. Studien inkluderer virtuelle feltmodeller med en oppløsning på noen få cm/piksler, som videre gir en sterk, detaljert kontroll av sillene. Denne kontrollen er reflektert i geometriske trender som man observerer innen hver enkelt litologi. I slamstein er sillene stort sett helt planære og parallell med vertsbergartene. I heterolittiske lag er sillene også planære og parallelle, men de viser også flere ulike segmenter av siller på ulike stratigrafiske nivåer. I sandstein er sillene en ikke-parallell med vertsbergartene, og oppstår vinkeldiskordant. Man kan også observere mange små siller parallell med hovedsillen. Studien viser også at det er 3,5 ganger mer sannsynlig at en sill vil intrudere langs et slamsteinslag enn i heterolitter og i sandstein. Denne studien har i tillegg brukt de virtuelle feltmodellene som base for å produsere syntetisk seismiske modeller. Dette ble gjort for å observere hvilke strukturer som ikke kan sees i seismiske datasett, samt for å undersøke hvordan vi kan tolke litologi i seismiske datasett ved å bruke intrusjonene med liten eller ingen brønnkontroll. Resultatene fra denne artikkelen antyder at litologi spiller en kritisk rolle for geometrien til siller.

Siller og resulterende geometri i forskjellige litologier er også temaet i den tredje artikkelen, men denne studien tar sikte på å sammenligne forskjellige siller fra andre feltområder rundt om i verden for å teste hypotesen satt i den andre artikkelen. Resultatene tyder på at geometrien til siller er konsistente innenfor lignende litologier, selv om plasseringsdybden og viskositeten til sillene er forskjellige. Hovedkonklusjonen fra denne studien viser at plassering av siller i sedimentære bassenger er betydelig påvirket av begravelsen og evolusjonshistorien til vertsbergartene, noe som gjenspeiles av de konsistente geometriene observert på tvers av lokaliteter. Studien antyder at disse geometriene ikke ser ut til å være kontrollert av dybden på tidspunktet for plassering, men som et resultat av egenskapene til vertsbergarten, som for eksempel og kvartssementering. Dette antyder at vi må vurdere tilstanden til vertsbergartene før magmaen har intrudert.

Denne avhandlingen kan betraktes som en representasjon av hvorfor litologi bør ansees som en viktig faktor som utøver kontroll på geometrien til siller. Virtuelle lokaliteter gir gode analoger som kan brukes til syntetiske seismiske modeller, som videre kan sammenlignes med seismiske datasett av intrusjoner i sedimentære bassenger. Dette gir en sterk kontroll på funksjoner som faller under seismisk oppløsning, og kan potensielt bidra til å forutsi litologi basert på visuell tolkning av geometrien til siller i datasett med liten eller ingen brønnkontroll.

Magma transport in the Earth’s shallow crust is facilitated by interconnected igneous intrusions (i.e., sills and dykes), which are often referred to as magmatic plumbing systems. These networks of magma are found in most sedimentary basins worldwide, as they are associated with rifting, large igneous provinces, or shift of tectonic plates. For the past decades, three-dimensional seismic reflection data has been used extensively to map, characterize, and interpret intrusive complexes. However, such studies often face limitations due to the restricted resolution of seismic datasets, making it challenging to discern the processes influencing igneous intrusions, the lithology of host rocks, and emplacement features of sills. In some cases, entire sills may remain undetected by seismic visualization.

To counter this limitation, this study presents seismic scale (> 1 kilometer by > 100 meters) virtual outcrops that are based on field observations. These virtual outcrops have a high-detail resolution of a few centimeters, which makes it possible to map the architecture, morphology, and geometry of interconnected sills. The geometry of sills holds crucial insights into their initial emplacement, and often reflects the properties of the intruding magma and the host rocks. However, limited attention has been devoted to the importance of lithology. This thesis aims to contribute insights into the influence lithology may exert on sill emplacement and geometry. Understanding the dynamic relationship between sills and host rocks may enhance the general understanding of basin evolution, lead to better forecasting of volcanic eruptions, and better utilization of subsurface resources.

Internal sill architecture and marginal contacts with the host rocks are the theme of the first paper. This study was conducted as a case study of a 12-meter-thick alkaline sill in Mussentuchit Wash, San Rafael Volcanic Field, Utah. The results show that propagation of sills may feature both brittle and non-brittle emplacement, which is strongly influenced by local lithology and presence of pore-water. Initial propagation of sills in Mussentuchit Wash occurs through either linear elastic fracturing parallel to sedimentary bedding (e.g., planar bedding or cross-bedding), or irregularly through triggered fluidization caused by the presence of pore water. The interaction between magma and pore-water is reflected by internal textures within the sills. This study also documented presence of segregated melt within the intrusion, in which the main sill consists of trachybasalt while the segregated melt is comprised of syenite. The syenites do not appear to percolate through the sill, but rather emplaced within the trachybasalts. In addition, the syenites include internal flow indicators, which constrain the timing of development of features at the margin of the sill relative to sill inflation. These emplacement features include broken bridges and chimneys related to intrusive and fluidized breccia.

The second paper focuses on sills and any distinctive geometry that are potentially related to lithology. This study presents both a quantitative and qualitative dataset which focuses on morphology and geometry of sills from the Cedar Mountains, San Rafael Volcanic Field, Utah. The virtual outcrops used in this study have a resolution of a few cm/pixels, which provide a strong, detailed control of the sills. This is visualized as geometric trends that occur within the three lithologies present in the outcrop. In mudstones, sills are typically strata-concordant with a few vertical jogs. In heteroliths, sills are commonly strata-concordant but also exhibits complex segmentation through multiple broken bridges. In sandstones, sills typically show strata-discordant geometry with multiple splays beneath the base of the sill. This study also shows that sills are more than 3.5 times more likely to intrude within mudstone intervals. In addition, this study used the virtual outcrops from Cedar Mountains to develop a synthetic seismic model to see how the aforementioned geometries were reflected in a seismic dataset. Interestingly, the different geometries observed in the different lithologies were detectable in the synthetic seismic, which provides a base of interpreting lithology in seismic datasets by using generalized sill geometries in datasets with little-to-no well control. The results from the second paper suggest that lithology plays a critical control on sill geometry.

Sills and resulting geometry in different lithologies are also the theme in the third paper, but this study aims to compare different sills from other outcrops around the world to test the hypothesis made in the second paper. The results suggest that sill geometries are consistent within similar lithologies, even if the emplacement depth and viscosity of the sills differ. The main conclusion from this study shows that the emplacement of sills in sedimentary basins are significantly influenced by the burial and evolutionary history of the host rocks, which is reflected by the consistent geometries observed across all the studied outcrops. Importantly, these geometries do not appear to be controlled by depth at the time of emplacement, but as a result of host rock properties such as consolidation and quartz cementation. This suggests that we need to consider the state of the host rocks at the time of magma emplacement.

In sum, this thesis provides a representation of why lithology should be considered an important factor that exerts control on the geometry of sills. Virtual outcrops provide great analogues that can be used for synthetic seismic models, which can further be compared to seismic datasets of intrusions in sedimentary basins. This provides a strong control on features that fall beneath seismic resolution, and potentially could help predict lithology based on visual interpretation of sill geometries in datasets with little-to-no well control.