Spherical Earth analysis and modeling of lithospheric gravity and magnetic anomalies

A comprehensive approach to the lithospheric analysis of potential field anomalies in the spherical domain is provided. It has widespread application in the analysis and design of satellite gravity and magnetic surveys for geological investigation

Potential fields data modeling: new frontiers in forward and inverse problems

Since the '50, potential fields data modeling has played an important role in analyzing the density and magnetization distribution in Earth's subsurface for a wide variety of applications. Examples are the characterization of ore deposits and the assessment of geothermal and petroleum potential, which turned out to be key contributors for the economic and industrial development after World War II. Current modeling methods mainly rely on two popular parameterization approaches, either involving a discretization of target geological bodies by means of 2D to 2.75D horizontal prisms with polygonal vertical cross-section (polygon-based approach) or prismatic cells (prism-based approach). Despite the great endeavour made by scientists in recent decades, inversion methods based on these parameterization approaches still suffers from a limited ability to (i) realistically characterize the variability of density and magnetization expected in a study area and (ii) take into account the strong non-uniqueness affecting potential fields theory. The prism-based approach is used in linear deterministic inverse methods, which provide just one single solution, preventing uncertainty estimation and statistical analysis on the parameters we would like to characterize (i.e, density or magnetization). On the contrary, the polygon-based approach is almost exclusively exploited in a trial-and-error modeling strategy, leaving the potential to develop innovative inverse methods untapped. The reason is two-fold, namely (i) its strongly non-linear forward problem requires an efficient probabilistic inverse modeling methodology to solve the related inverse problem, and (ii) unpredictable cross-intersections between polygonal bodies during inversion represent a challenging task to be tackled in order to achieve geologically plausible model solutions. The goal of this thesis is then to contribute to solving the critical issues outlined above, developing probabilistic inversion methodologies based on the polygon- and prism-based parameterization approaches aiming to help improving our capability to unravel the structure of the subsurface. Regarding the polygon-based parameterization strategy, at first a deep review of its mathematical framework has been performed, allowing us (i) to restore the validity of a recently criticized mathematical formulation for the 2D magnetic case, and (ii) to find an error sign in the derivation for the 2.75D magnetic case causing potentially wrong numerical results. Such preliminary phase allowed us to develop a methodology to independently or jointly invert gravity and magnetic data exploiting the Hamilton Monte Carlo approach, thanks to which collection of models allow researchers to appraise different geological scenarios and fully characterize uncertainties on the model parameters. Geological plausibility of results is ensured by automatic checks on the geometries of modelled bodies, which avoid unrealistic cross-intersections among them. Regarding the prism-based parameterization approach, the linear inversion method based on the probabilistic approach considers a discretization of target geological scenarios by prismatic bodies, arranged horizontally to cover it and finitely extended in the vertical direction, particularly suitable to model density and magnetization variability inside strata. Its strengths have been proven, for the magnetic case, in the characterization of the magnetization variability expected for the shallower volcanic unit of the Mt. Melbourne Volcanic Field (Northern Victoria Land, Antarctica), helping significantly us to unravel its poorly known inner geophysical architecture

A geological and geophysical study of the Tendaho Graben in the Afar Depression, Ethiopia: insights into transitional continental rifting

A detailed magnetic and gravity study across the Tendaho Graben (the Red Sea propagator within the Afar Depression, Ethiopia) revealed features that can best be interpreted as a continental rift undergoing oceanization. This NW-trending extensional structure is ~50 km wide and it is confined within well-developed NW-trending boarder faults that deform the 2 km thick and ~ 2 Ma basaltic flows of the Afar Stratoids. The age of the basaltic flows becomes progressively younger inward from the boarder faults until it reaches ~30,000 years close to the rift axis. The central part of the Tendaho Graben is characterized by a 10 km wide magnetic trough, the central part of which is dominated by a narrow zone (~3 km) of a relatively elevated magnetic anomaly that coincides with a linear region of hydrothermal activity. This magnetic geometry is similar in dimension and magnitude to that observed from magnetic stripes of typical mid-ocean ridges. Forward modeling of the magnetic data (combined with geochronological data) shows that the basaltic rocks within the magnetic trough were crystallized after 0.78 Ma under normal magnetic polarity. The width of the magnetic trough (10 km) and the age of basaltic rocks (\u3c0.78 Ma) indicate a spreading rate of ~ 0.64 cm/year. However, to achieve the ~50 km width of the Tendaho Graben which started opening ~2.0 Ma, a 1.64 cm/year spreading rate is needed between 1.6 and 0.78 Ma. This suggests that the spreading rate with Tendaho Graben is slowing down and extension within Afar is accommodated somewhere else. A new model is proposed for the evolution of the Tendaho Graben based on fieldwork, the newly acquired magnetic data and geochronology --Abstract, page iii

Methods of interpreting magnetic anomalies with application to the Minch dyke and magnetic anomalies over the lower and middle Benue trough of Nigeria

A method of combined least squares and non-linear optimisation for the interpretation of magnetic anomalies over dykes is here presented. The method seeks to minimise a non-linear objective function by iteratively varying the non-linear parameters of the dyke while obtaining optimum values of the linear parameters by least squares analysis until an acceptable fit is obtained between the observed and computed anomalies. A study of the effects of demagnetization in arbitrarily shaped bodies and methods for evaluating the demagnetization effects of such bodies are also presented. Sixteen profiles have been taken across a linear magnetic feature which intersects the North Minch on the North Scottish Shelf. These have been interpreted in terms of a dyke about 1 km wide using the non-linear optimization techniques developed. The dyke is reversely magnetized in a direction consistent with its Tertiary origin. An aeromagnetic study of the Lower and Middle Benue Trough of Nigeria has been carried out. Regions of high and low magnetic anomalies have been correlated in an effort to find trends. Two-dimensional interpretation of several aeromagnetic profiles across the trough has been carried out. Interpretation of the observed anomalies in terms of topographic variations of the basement led to rather unreasonable models. The anomalies were best interpreted in terms of basic intrusive bodies which could occur either predominantly within the Cretaceous sediments or within the metamorphic basement. The model intrusives have variable thicknesses and directions of magnetization, suggesting that although derived from the same basic mantle material, the intrusions were emplaced at different polarity epochs. An attempt is also made to explain the tectonic evolution of the trough in terms of the models obtained

Magnetic Anomalies of the Tyrrhenian Sea Revisited: A Processing Workflow for Enhancing the Resolution of Aeromagnetic Data

We propose a processing workflow to enhance the information content of aeromagnetic data. Our workflow is based on the downward continuation and subsequent L-transform of magnetic data. This workflow returns a map showing single highs, which correspond to the location of magnetic bodies, and does not need any a priori information about the source magnetization. We validated our workflow using the aeromagnetic anomalies of the Tyrrhenian Sea (Italy), by a comparison of the reprocessed aeromagnetic anomalies with high-resolution shipborne magnetic data in three selected areas. Through this comparison, we show that the proposed processing workflow of aeromagnetic data leads to more accurate interpretative results. Our results indicate that, in areas where higher resolution data are lacking, the reprocessing of aeromagnetic data according to our workflow may be as decisive as to suggest changes to their previous interpretations or, at least, useful for highlighting areas of special interest, deserving to be magnetically explored by a dedicated high-resolution shipborne survey

Post-rift magmatism on the central West Iberian Margin (Estremadura Spur): new evidences from potential field data

Tese de mestrado, Ciências Geofísicas (Geofísica Interna), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019As margens continentais do tipo rifte são uma das mais complexas entidades geológicas, tendo sido intensivamente estudadas não apenas do ponto de vista académico, mas também pela sua importância económica, devido há ocorrências de recursos geológicos, dos quais o petróleo e o gás natural compõem a grande maioria. Compreender os processos geológicos subjacentes à formação e evolução destes recursos económicos conduziu a academia e a indústria a investigar este tipo de margens. Este estudo tem os seus alicerces nos mais recentes progressos realizados ao nível do conhecimento dos processos de rifting continental e pós-rutura continental da Margem Oeste Ibérica. A aquisição de novos dados de sísmica 3D recolhidos ao largo de Portugal permitiram a descoberta de uma nova e enigmática estrutura geológica localizada a sudoeste do conhecido vulcão de Fontanelas, no promontório submarino, designado por Esporão da Estremadura. Inicialmente, devido à sua assinatura sísmica e semelhanças com o maciço de Sintra, estra estrutura foi associada a uma intrusão magmática de natureza granítica e geometria do tipo batólito. Esta tese propõe a caraterização da natureza magmática e geometria desta intrusão, e do vulcão de Fontanelas, baseada na modelação de dados de campo potencial (isto é, gravimetria e magnetismo) constrangida por dados sísmicos, bem como relacioná-la com o evento magmático pós-rifte do Cretácico Superior. Durante o Mesozóico, a Margem Oeste Ibérica foi pontuada por três ciclos de atividade magmática: 1) ciclo toleítico do Triásico-Jurássico (200-198 Ma), 2) ciclo levemente alcalino do Jurássico-Cretácico (148-140 Ma) e 3) ciclo alcalino do Cretácico Superior (94-69 Ma). Os dois primeiros pulsos magmáticos são associados aos eventos de rifte do Triássico Superior e do Jurássico Superior, respetivamente, sendo, por isso, eventos magmáticos sin-rifte. O último ciclo magmático foi o mais volumoso e generalizado ao longo da Margem Oeste Ibérica, ocorrendo num contexto tectónico pós-rifte. O evento magmático do Cretácico Superior é subdividido em dois pulsos alcalinos, que revelam o papel de uma fonte mantélica sub-listosférica, contrastando com a natureza dos magmas dos ciclos anteriores. As evidências destes dois ciclos magmáticos incluem: 1) sills e diques na região de Lisboa (com cerca de 98 Ma) e 2) o Complexo Vulcânico de Lisboa (72.6 ± 3.1 Ma), os maciços ígneos de Sintra (~79 Ma), Sines (75.4 ± 0.6 Ma) e Monchique (72.7 ± 2.7 Ma). Recentemente, foram também descritos, como parte deste ciclo, o magmatismo associado à montanha submarina Madeira-Tore e à intrusão de Guadalquivir-Portimão, localizada na bacia do Algarve. Este estudo compreende a primeira descrição da intrusão, tendo sido nomeada de acordo com a sua localização, como Intrusão do Esporão da Estremadura (Estremadura Spur Intrusion – ESI). Esta intrusão e o vulcão de Fontanelas são os principais alvos deste trabalho e foram estudados devido à disponibilidade de dados de campo potencial e dados sísmicos recolhidos ao largo de Lisboa, durante duas campanhas sísmicas realizadas em 2008 (2D) e 2010 (3D), respetivamente. Neste estudo, os dados de campo potencial foram constrangidos pela informação dos dados de sísmica 3D. A disponibilidade destes três conjuntos de dados (gravimetria, magnetismo e sísmica) permitiu o acesso a várias fontes de informação, tais como estrutural, pela interpretação dos perfis sísmicos, e física, pela obtenção de valores de densidade e suscetibilidade através da modelação de dados de gravimetria e magnetismo, respetivamente. O uso de dados de campo potencial tem várias vantagens, incluindo o facto de ser um método geofísico passivo e não-destrutivo, a sua aquisição é mais rápida e barato que a maioria dos métodos geofísicos, os dados podem ser adquiridos simultaneamente com outro tipo de aquisições, além das suas múltiplas aplicações, nas quais se incluem, engenharia, ambiental, estudos geotérmicos, entre outros. Por outro lado, a maior desvantagem associada à utilização dos dados de campo potencial está relacionada com a não-unicidade dos resultados, sendo necessárias outras fontes de informação que permitam interpretar e validar os mesmos. Contudo, os dados de campo potencial poderão fornecer uma grande variedade de informação e, pelas suas inúmeras vantagens, serem um dos melhores métodos geofísicos a ser aplicados em áreas conhecidas e desconhecidas. No contexto deste trabalho, a utilização de dados de campo potencial é bastante vantajosa, uma vez que é esperado que os valores de densidade e suscetibilidade das estruturas magmáticas em estudo se destaquem das estruturas de fundo como zonas anómalas, sendo estas facilmente reconhecidas de entre as demais presentes na área de estudo. Numa primeira abordagem, foi realizada uma análise qualitativa dos dados de campo potencial, através de técnicas de processamento do sinal, com o foco na caraterização das principais estruturas geológicas a nível regional. A anomalia da Intrusão do Esporão da Estremadura é representada por uma forma aproximadamente circular, confirmando o contorno obtido pelos dados da sísmica 3D. Por outro lado, o vulcão de Fontanelas exibe uma geometria diferente consoante os dados gravimétricos ou magnéticos. Nos dados gravimétricos a sua geometria é difusa, não expressando uma forma bem definida e espacialmente constrangida, ao contrário dos dados magnéticos, cuja forma é aproximadamente circular. Em ambos os alvos, o sinal geofísico é forte e permite distinguir tanto a ESI como o vulcão de Fontanelas de outras estruturas regionais, revelando a sua importância no contexto da Margem Oeste Ibérica, mas mais importante ainda, na região do Esporão da Estremadura. Subsequentemente, a interpretação regional serviu de base a uma análise local com o objetivo de caraterizar de forma mais detalhada os alvos magmáticos deste estudo. Esta análise foi executada através da modelação 2.5D dos dados de campo potencial, sobre uma linha sísmica que se estende desde o centro da ESI ao flanco sudeste do vulcão de Fontanelas. O principal objetivo da modelação é caraterizar tanto a natureza magmática, como também a geometria de ambas estas estruturas. O vulcão de Fontanelas é caraterizado por uma forma triangular, caraterística dos vulcões, com o flanco sul mais longo e com uma maior extensão em profundidade. Esta estrutura magmática foi subdividida em dois segmentos: uma zona de contacto água-rocha e uma outra zona que se encontra soterrada por sedimentos do Terciário. Os valores de densidade e suscetibilidade determinadas para o setor soterrado (i.e., que não se encontra em contato com a água do mar) permitiram interpretar a sua litologia como um basalto. Por outro lado, o setor que se encontra em contato com a água do mar é caraterizado por valores de densidade e suscetibilidade menores devido à alteração da rocha basáltica original que constitui o vulcão. Esta interpretação corrobora com dados publicados, nos quais se realizou uma dragagem e onde se obtiveram amostras de rocha que permitiram identificar a natureza do vulcão de Fontanelas como um basalto alterado. No que diz respeito à Intrusão do Esporão da Estremadura, a sua geometria foi interpretada como um lacólito (estrutura magmática em forma de folha). Relativamente, à sua afinidade magmática as conclusões não foram tão diretas e claras, no entanto os valores de densidade e suscetibilidade associados à intrusão sugeriram a presença de uma natureza predominantemente gabróica. Os resultados obtidos através da modelação 2.5D, mais concretamente os valores de densidade e suscetibilidade magnética, são semelhantes a corpos magmáticos em onshore (maciços de Sintra e Sines e sill da Foz da Fonte) e offshore da margem do Algarve (intrusão Portimão-Guadalquivir). De acordo com os resultados obtidos neste estudo através da modelação bem como da informação da estratigrafia sísmica e as semelhanças com os análogos presentes na Margem Oeste Ibérica foi possível associar esta intrusão ao evento magmático pós-rifte do Cretácico Superior. Os resultados obtidos têm implicações nos atuais modelos de evolução que descrevem a margem Ibérica, nos modelos magmáticos e respetivos mecanismos de instalação do evento magmático do Cretácico Superior, bem como nos sistemas petrolíferos.Rifted continental margins are one of the most complex geological entities, being intensively studied not only from the academic point of view, but also for their economic importance, due to the occurrence of geological resources, from which oil and natural gas comprise the vast majority. Understanding the geological process that underpin the formation and evolution of these resources led academia and industry, to scrutinize this type of margins. This study is grounded in recent advances in the knowledge of continental rifting and post-breakup of West Iberia, and in the discovery of an enigmatic geological feature located southwest of the Fontanelas volcano. This feature, whose nature and geometry are unknown, was identified based on new 3D seismic data offshore central Portugal, in the Estremadura Spur. Its seismic signature and similarity with the Sintra massif (shape and areal extent), suggest that it might correspond to a magmatic intrusion, with a batholith shape and granitic nature. This feature is described here for the first time therefore it was named as Estremadura Spur Intrusion (ESI). This thesis proposes to characterise the geometry and nature of the Estremadura Spur Intrusion and the Fontanelas volcano, based on potential field data (i.e. gravity and magnetic) modelling supported and constrained by evidence from seismic profiles, and correlate the ESI with the Late Cretaceous post-rift magmatic event. Firstly, a qualitative analysis of potential field data was performed based on signal enhancement techniques, focusing on the characterization of the main regional geological features, in order to frame the area under study. Overall, the gravity and magnetic anomaly associated with the ESI produces a nearly circular shape, confirming its outline from the 3D seismic data. On the other hand, the gravity anomaly of the Fontanelas volcano is more diffuse than the one from the ESI, while its magnetic anomaly it is much better constrained by an approximately circular geometry. Both targets have a strong geophysical signal, being distinguished from other regional features, indicating its importance on the West Iberian Margin and, more significantly, in the Estremadura Spur setting. Subsequently, building on the regional interpretation, a more detailed analysis was performed through 2.5D modelling of potential field data, over a seismic line across the centre of the intrusion and the southeast flank of the Fontanelas volcano, with the aim to characterise both features, including their magmatic nature and geometry. The Fontanelas volcano is characterised by an overall triangular shape, with a longer and deeper southern flank. This magmatic feature was subdivided into two segments: a seawater-rock contact zone and a buried zone, by Tertiary sediments. The density and susceptibility values determined for its buried sector (not in contact with the seawater) were interpreted as basalt. The lower density and susceptibility values associated with the seawater-Fontanelas contact zone are caused by the alteration of its original basaltic rock. This interpretation corroborates with the results of published work on the Fontanelas volcano. Regarding the Estremadura Spur Intrusion, its geometry is interpreted as a laccolith (sheet-like magmatic structure). Although the conclusions regarding its magmatic affinities were not straightforward, the values of density and susceptibility obtained for this magmatic feature suggest the presence of a predominantly gabbroic intrusion, according to similarities, concerning its nature, with outcropping intrusions, such as Sintra and Sines massifs. The seismic stratigraphic interpretation and the similarities between onshore (Sintra and Sines massifs and Foz da Fonte sill) and offshore (Guadalquivir-Portimão intrusion) analogues on the West Iberian Margin, suggest a link between the Estremadura Spur Intrusion and the Late Cretaceous post-rift magmatic event. The results obtained in this thesis may have implications on the current models describing the evolution of the Iberian margin, the existing magmatic models and emplacement mechanisms of the Late Cretaceous magmatic event as well as on petroleum systems

NASA Geodynamics Program

Activities and achievements for the period of May 1983 to May 1984 for the NASA geodynamics program are summarized. Abstracts of papers presented at the Conference are inlcuded. Current publications associated with the NASA Geodynamics Program are listed