Spatial distribution and tectonic framework of fossil tubular concretions as onshore analogues of cold seep plumbing systems, North Island of New Zealand

Distribution spatiale et cadre structural de concrétions tubulaires fossiles comme analogue d'échappements de fluides froids, île nord de Nouvelle-Zélande

¹ Basins-Reservoirs-Resources (B2R), UniLaSalle, geosciences department, 60026 Beauvais, France
² UMR 8187 - LOG, laboratoire d'océanologie et de géosciences, université de Lille/ULCO/CNRS, 59650 Villeneuve d'Ascq, France
³ Basins-Reservoirs-Resources (B2R), university of Picardie Jules-Verne, 80000 Amiens, France
⁴ GNS Science, PO Box 30368, Lower Hutt, New Zealand
⁵ Technische Universität Darmstadt, technical and low temperature petrology, Institut für Angewandte Geowissenschaften, 64287 Darmstadt, Germany

^* Corresponding author: pierre.malie@unilasalle.fr

Abstract

Analysis of offshore seismic lines suggests that a strong relationship exists between tectonic structures and fluid migration in accretionary prisms. However, only few field analogues of plumbing systems and their tectonic frameworks have been investigated in detail until now. The uplifted accretionary prism of the Hikurangi Margin (North Island, New Zealand) exposes early to late Miocene mudrocks in coastal cliffs of Cape Turnagain and in the Akitio syncline, south-east of the Pongaroa city. These outcrops display tubular carbonate concretions corresponding to complex subsurface plumbing networks of paleo-seeps within Miocene trench slope basins. We present here, new results on the spatial distribution of these tubular carbonate concretions, with particular attention to their relation to tectonic structures. In the Pongaroa area, tubular carbonate concretions in lower Miocene mudrocks occur along a N-S trend, while in middle Miocene strata they occur along a NNE-SSW direction. The N-S trend parallels a major fault zone (i.e. the Breakdown fault zone), which separates two wide synclines, the Waihoki and the Akitio synclines. During the Early-Middle Miocene, the Breakdown fault zone controlled the evolution of the Akitio trench slope basin constituting its western edge. The NNE-SSW strike parallels the axis of the Akitio syncline and is also parallel to the present-day subduction front. Our results therefore show that tubular concretions are parallel to post-Middle Miocene second order folding and thrusting in the northeastern limb of the Akitio syncline. In the Cape Turnagain area, tubular concretions occur in the western limb of the Cape Turnagain syncline, in the footwall of the major seaward-verging Cape Turnagain fault. This suggests that fluid migrations may occur not only in the crests of anticlines, as observed offshore for present-day plumbing system of cold seeps, but also in the footwalls of thrust faults. All these observations show that the spatial distribution of tubular concretions is controlled by regional tectonic structures with paleo-fluid migrations related to major deformation episodes of the accretionary prism. Thus, we distinguish three episodes events that likely triggered fluid migration leading to the formation of the tubular concretions: (1) In the Early Miocene, shortly after the onset of development of the Akitio trench slope basin, on its inner (western) edge; (2) During the late Middle Miocene, during an extensional deformation episode on the western limb of the Akitio trench slope basin; (3) At the end of the Late Miocene, during a second major shortening period at the footwall of major thrust fault, such as in the Cape Turnagain area.

Résumé

Au sein de prismes d'accrétion, l'analyse détaillée de lignes de sismique marine a permis de démontrer les relations entre les structures tectoniques et les migrations de fluides. Cependant, il n'existe que peu d'analogues mettant en relation des exemples de migrations de fluides fossiles et les éléments structuraux à l'affleurement. Le prisme d'accrétion de la côte Est de l'Île Nord de la Nouvelle-Zélande (prisme Hikurangi) a la particularité d'être en partie émergé et porte des exemples fossiles de migrations de fluides. Cette étude présente de nouveaux résultats concernant la cartographie de concrétions tubulaires et des structures tectoniques au sein du prisme d'accrétion Hikurangi. Des formations syn-subduction d'âge Miocène y affleurent avec une concentration particulière de conduits tubulaires dans la zone de Cape Turnagain et dans le synclinal d'Akitio, au Sud-Est du village de Pongaroa. Dans les deux cas, il s'agit de témoins d'expulsions de fluides fossiles ayant alimenté des échappements de fluides froids au sein des bassins perchés. Dans la zone de Pongaroa, les concrétions tubulaires des formations du Miocène inférieur sont alignées selon une direction N-S, parallèle à la zone de la faille de Breakdown, qui sépare les synclinaux de Waihoki et d'Akitio. Dans les formations du Miocène moyen, ces concrétions sont alignées selon des axes de plis de second ordre de direction NE-SW. Ces plis sont parallèles à la direction des axes synclinaux régionaux (i.e. synclinal d'Akitio) eux même parallèles au front de subduction actuel. La zone de faille N-S de Breakdown a contrôlé l'évolution du bassin perché d'Akitio dès le Miocène inférieur alors que la direction NE-SW témoigne d'une histoire plus récente de la déformation. Les résultats suggèrent que les paléo-circulations de fluides à l'origine des concrétions tubulaires du Miocène inférieur sont associées au fonctionnement polyphasé de la zone de failles N-S alors que celles NE-SW, bien que suivant les directions des déformations plicatives de la fin du Miocène supérieur, pourraient être attribuées à un épisode d'extension fin Miocène Moyen-Miocéne supérieur. Dans la zone de Cape Turnagain, des concrétions tubulaires dans le Miocène supérieur sont positionnées sur le flanc ouest du synclinal de Turnagain, sous le chevauchement régional de Cape Turnagain. Cela démontre que les échappements de fluides peuvent également apparaître sous les chevauchements et non pas exclusivement au dos des têtes anticlinales associées, comme souvent observé en sismique. Cela confirme de plus, que les expulsions de fluides durant l'ensemble du Miocène semblent avoir été étroitement liées aux épisodes de déformation le long de structures majeures affectant le prisme orogénique. Trois épisodes de déformation associés à des circulations de fluides à l'origine de la formation des concrétions tubulaires peuvent ainsi être distingués : (1) Au Miocène inférieur, durant les prémices de développement du bassin compressif d'Akitio, sur sa bordure ouest ; (2) À la fin du Miocène moyen voire au début du Miocène supérieur, pendant un épisode d'extension de la marge sur son flanc ouest ; (3) Enfin à la fin du Miocène supérieur, pendant un épisode de réactivation des structures tectoniques en compression, dans le mur des chevauchements majeurs comme observé dans la zone de Cape Turnagain.