Geomorphic and geophysical characterization of the north Boquerón Bay-Punta Montalva fault zone: A capable fault system in southwestern Puerto Rico

Abstract

Mapping of near surface deformation of landforms and geologic deposits were characterized and completed on LiDAR and geophysical data along the North Boquerón Bay-Punta Montalva Fault Zone (NBB-PMFZ). A sandy shutter ridge alluvial valley was selected as the site for the geophysical exploration program based upon the geomorphic mapping results. Two geophysical data sets were acquired at the shutter ridge site, a high resolution seismic reflection (SR) profile, a quasi 3-D ground penetrating radar (GPR) survey. Four boreholes spaced along the GPR survey provide groundtruth (lithological) data. Both geophysical data sets imaged the NBB-PMFZ. Radar velocities were determined at the site to be 0.17 m/ns. A 200 MHz GPR antenna provided vertical resolution in the order of 0.10-m. Boreholes along the 200 MHz dataset confirmed the thickness of the surficial deposits at about 0.31-m subsurface depth. On the Quasi 3-D ground penetrating radar survey the shallow stratigraphy is characterized as a series of two alternating positive-negative polarity semi-continuous reflectors. These reflectors are constrained with the borehole data and described as: (a) positive-polarity deformed TOP SOIL LAYER (TSL), (b) a negative-polarity, also deformed and faulted, HIGHLY-WEATHERED LIMESTONE LAYER (HWL), (c) a positive-polarity WEATHERED LIMESTONE LAYER (WLL), and (d) a highly attenuated negative-polarity “SHADOW-ZONE (SZ)” that possibly represents a leached clayey zone or an increased moisture zone. The base of the top soil layer (BTSL) was tracked and mapped. BTSL is deformed and appears displaced at several locations. Structural relations suggests a curvilinear series of tilted and rotated blocks along a narrow zone of deformation that appears to form an apparent ~0.9-m graben. On the GPR data, and at depths greater than 4-m below ground surface, high amplitude-low frequency reflectors are interpreted as weathered Miocene Ponce Limestone. The limestone is block tilted and faulted as a positive flower structure. The block tilted and faulted zone is about 35-m in width. The deformed BTSL structure was interpreted as the NBB-PMFZ. Strata thickening between faulted blocks, was observed on the GPR data suggesting sync-depositional deformation which is also suggested by diagenesis in the thin section analysis of the limestone rock sample. Faulting pattern observed in the GPR data suggest that faulting commenced in Miocene time (Ponce Limestone syn-deposition) and has reactivated in recent times, deforming the base of the top soil layer.From Punta Montalva to Ensenada las Pardas, the total surface rupture length of the NBB-PMFZ, is approximately 6-km and at a shutter ridge alluvial valley (AV #1) is approximately 35-m wide. Evaluation of Wells and Coppermith (1994) empirical regressions between earthquake magnitude and fault Surface Rupture Length provides an estimate of (Mw= 6.03), as the maximum earthquake magnitude capable to sustain NBB-PMFZ. From Punta Montalva to Ensenada las Pardas, the total surface rupture length of the NBBPMFZ, is approximately 6-km and at a shutter ridge alluvial valley (AV #1) is approximately 35-m wide. Evaluation ofWells and Coppermith (1994) empirical regressions between earthquake magnitude and fault Surface Rupture Length provides an estimate of (Mw= 6.03), as the maximum earthquake magnitude capable to sustain NBB-PMFZ. Permission was not granted to trench the site. Therefore, no samples were obtained for radiocarbon dating. But, based on cross-cutting and stratigraphic relationships, there have been at least 3 events that deformed the base of the top-soil unit as observed on the GPR_200 MHz dataset. If this unit is assumed to be Holocene in age, it implies a recurrence rate of about 3,300 years. GPS data (Jansma and Matiolli, 2010) suggests a compressional component of deformation at a rate of about 1.6 ± 0.3 mm/yr between GPS Stations PUR3 and PARG. Geomorphic features mapped on aspect and hillshade maps suggest a left-lateral strike slip fault that appears to bend to the southeast at the shutter ridge alluvial valley forming a complex zone of deformation that is imaged on the geophysical data set, as a positive flower structure. This complex zone of deformation is ~35-m in wide, and is interpreted as a constraining bend of the NBB-PMFZ. This compressional zone of deformation is consistent with Roig et al., (2013) focal mechanism solutions that suggest strain partitioning with predominantly east–west left-lateral displacements and a component of compression.

Utilizando datos de LiDAR del suroeste de Puerto Rico, se llevó a cabo un estudio geomorfológico donde se caracterizó la deformación superficial y los depósitos del Cuaternario a lo largo de la falla “North Boquerón Bay-Punta Montalva Fault Zone (NBB-PMFZ)”. Basado en los resultados del estudio geomorfológico, se seleccionó un valle aluvial de un “shutter ridge” como el lugar para hacer estudios detallados de exploración geofísica.Dos bases de datos geofísicos fueron adquiridos en el “shutter ridge”: (a) Reflexión sísmica de alta resolución, y (b) un estudio Radar de Tierra. Se hincaron cuatro perforaciones para obtener información litológica del subsuelo. Se determinó que las velocidades de la onda electromagnética en el área de estudio, son de 0.17 m/ns, y utilizando la antena de 200 MHz del radar de tierra, se determinó que la resolución vertical de la señal electromagnética, esta en el orden de 0.10-m. Perforaciones en el área de estudio, confirmaron que los espesores de los depósitos superficiales son aproximadamente de 0.31 metros. La estratigrafía del subsuelo se caracterizó utilizando los datos del radar de tierra como: (a) un reflector deformado de polaridad positiva, identificado en los núcleos de la perforaciones como suelo residual, “Top Soil Layer (TSL)”, (b) un reflector de polaridad negativa, también deformada y fallada, identificado en los núcleos de la perforaciones como un estrato de calizas altamente meteorizado, “Highly Weathered Layer (HWL)”, (c) un reflector de polaridad positivo, identificado en los núcleos de la perforaciones como un estrato de calizas meteorizado, “Weathered Limestone Layer (WLL)”, y por último, (d) una señal altamente atenuada con polarización negativa identificada como el “Shadow Zone (SZ)” que posiblemente representa una zona con alto contenido de arcilla o una zona saturada con agua. La base del suelo residual, o (“BTSL”) por sus siglas en ingles, fue rastreado y se confeccionó un mapa estructural. El BTSL esta deformado y desplazado en varios lugares y el mapa estructural delinea aparentemente una serie de bloques rotados y fallados a lo largo de una zona prolongada y curvilíneo de deformación. En la base de datos del radar de tierra y a profundidad mayores de 4 metros por debajo del subsuelo, los reflectores de bajas frecuencias y altas amplitudes son interpretadas como la Caliza Ponce. Los estratos de la Caliza Ponce están inclinados y fallados como un “Positive Flower Structure”. Esta zona de deformación mide aproximadamente 35-m de ancho. La estructura deformada del BTSL fue interpretada como la NBB-PMFZ. De Punta Montalva a Ensenada las Pardas, la ruptura en la superficial total de la NBB-PMFZ es aproximadamente 6 km de largo y en el “shutter ridge” o valle aluvial (AV#1) es aproximadamente de 35 metros de ancho. Utilizando las relaciones empíricas de (Wells and Coppersmith, 1994) se determinó que la falla NBB-PMFZ es capaz de generar un terremoto de magnitud momento de (Mw= 6.03). No se obtuvo autorización de parte del Departamento de Recursos naturales y Ambientales para hacer una trinchera en el area de estudio. Por ende, muestras para datar con radiocarbono no fueron obtenidas. Pero, basado en las relaciones estratigráficas y estructurales, debe haber ocurrido al menos 3 eventos que deformaron el BTSL en los datos de 200 MHz. Si presumimos que el suelo residual es de la edad del Holoceno, esto implica un intervalo de recurrencia por lo menos de 3,300 años. Data de GPS (Jansma y Matiiolli 2010) sugieren componentes de compresión y deformación a una tasa de 1.6 ± 0.3 mm/yr entre estaciones de GPS PUR3 and PARG. Características observadas en los mapas “hillshade y aspect” sugieren movimiento lateral siniestral que curvea hacia el sureste en el shutter ridge. En los datos geofísicos se observó una zona compleja de deformación descrita como un “positive flower structure”. Esta zona de deformación se interpreta como un “constraining bend” de NBB-PMFZ. Esta zona de deformación es consistente con los mecanismos focales obtenidos por Roig et al, (2013) que sugiere deformación de partición con desplazamientos mayormente en dirección este-oeste siniestral, con un componentes de compresión.