Desarrollo de modelos numéricos de flexión litosférica: aplicación a fosas oceánicas y cuencas de antepaís


Premio Opción A 1999

Tesis presentada al Departament de Geologia Dinàmica, Geofísica i Paleontologia de la Universitat de Barcelona para optar al grado de Doctor en Ciencias Físicas.
Directores: Manel Fernàndez i Ortiga y Montserrat Torné i Escasany

Daniel García Castellanos

RESUMEN  
   La flexión de la litosfera es un proceso observado en distintos contextos tectónicos y su estudio tiene especial relevancia para la comprensión de los procesos de formación de cuencas de antepaís y fosas oceánicas. Dicha flexión es consecuencia de la aplicación de cargas superficiales (p. e., apilamiento de mantos de corrimiento) y/o cargas internas de origen incierto (p.e., deformación interna de la litosfera). Por tanto, la evolución de la deflexión y la consiguiente geometría del relleno sedimentario están relacionados con la evolución de la carga.

   El objetivo del trabajo que se presenta en esta Memoria es el desarrollo de modelos numéricos de flexión litosférica y su aplicación a la formación de fosas oceánicas y cuencas de antepaís.

   En la primera parte de la Memoria se describen los modelos conceptuales que relacionan los procesos de carga con la deflexión del basamento y la geometría sedimentaria resultante. Esta relación está básicamente determinada por el comportamiento reológico de la litosfera y los procesos superficiales de erosión/sedimentación.

   En la segunda parte, se desarrollan los algoritmos de cálculo de la deflexión que están basados en el modelo de placa delgada y permiten incorporar distintas reologías: elástica, viscoelástica y elastoplástica. Una de las aportaciones de este trabajo es la integración en el modelo de flexión de la cinemática en 2D y 3D del proceso de carga, permitiendo una simulación mas rigurosa del emplazamiento de láminas cabalgantes. El tratamiento de los procesos de erosión y sedimentación es distinto en los modelos 2D y 3D. En el primer caso se han considerado los modelos simples de tasa constante y transporte difusivo, mientras que en el segundo caso se ha incorporado el transporte advectivo a través de la red de drenaje. Ambos modelos consideran el efecto de las variaciones eustáticas del nivel del mar y de la paleobatimetría.

   La versatilidad con que se han diseñado los algoritmos de cálculo ha permitido su aplicación a dos contextos geodinámicos distintos. En primer lugar, el modelo de flexión de placa con diferentes reologías se ha aplicado a las fosas oceánicas de Tonga y Kermadec, permitiendo acotar la estructura de la litosfera en la Placa Pacífica y la magnitud de las fuerzas que actúan sobre la misma. En segundo lugar, el mismo modelo de flexión, conjuntamente con las aproximaciones adoptadas para la formación de la carga y el transporte de sedimentos en 2D y 3D, se ha aplicado a la cuenca de antepaís del Guadalquivir, permitiendo relacionar el movimiento de las Zonas Béticas Externas con la geometría de las unidades sedimentarias.

   El modelo de placa elástica homogénea no permite reproducir el conjunto de observables (deflexión, arquitectura de la cuenca, etc.) y predice una distribución de esfuerzos en el interior de la placa que es incompatible con el comportamiento reológico de la litosfera. Por el contrario, el modelo de placa viscoelástica permite reproducir geometrías complejas del relleno sedimentario, mientras que el modelo de placa elastoplástica no homogénea predice, además, una distribución más realista de los esfuerzos generados en el interior de la placa.

   De la aplicación de los modelos a las fosas del Tonga y Kermadec se deduce que es necesario imponer una fuerza horizontal extensiva para ajustar correctamente la deflexión del basamento. Ello implica, que el mecanismo preponderante en la subducción de la Placa Pacífica es la contribución gravitatoria del slab que subduce (slab pull), y no el arrastre del manto astenosférico. De acuerdo a los parámetros reológicos escogidos, los resultados obtenidos favorecen el modelo térmico de Stein & Stein (1992) frente al de Parsons & Sclater (1977). No obstante, la validez de este resultado debe tomarse con precaución dado el alto grado de incertidumbre en la determinación de los parámetros reológicos.

   Del estudio realizado en la Cuenca del Guadalquivir se deduce que la influencia de la carga asociada a las Zonas Béticas Internas es despreciable en el proceso de formación de la Cuenca. La subsidencia de la Cuenca precisa de la concurrencia de la carga topográfica, la carga asociada a la paleobatimetría, la contribución de la deformación cortical y la presencia de una carga de origen subcortical que, de acuerdo con las anomalías gravimétricas y geoidales, debe localizarse en la base de la litosfera. Por otro lado, el retroceso que se observa en los depósitos del Tortoniense y el avance subsiguiente de los depósitos del Mesiniense se han reproducido satisfactoriamente considerando el modelo de placa elastoplástica no homogénea y el modelo de placa viscoelástica. Por tanto, el retroceso de la unidad Tortoniense puede atribuirse a un efecto combinado de variaciones del nivel del mar, relajación viscosa de los esfuerzos y estratificación de la resistencia litosférica. Por último, el modelo elastoplástico permite, además, explicar la existencia de fallas extensionales en el basamento coetáneas al proceso de carga.

ABSTRACT
 
   Flexure of the lithosphere is a widely observed process in different tectonic settings. Its study is particularly relevant to understand the formation of foreland basins and oceanic trenches. The lithosphere bends in response to external loads (e.g., thrusts) and/or hidden loads (e.g., lithospheric deformation). Thereby, the evolution of the deflection and the basin infill geometry are directly related to loading processes.

    The main goal of this work is to develop numerical models of lithospheric flexure and their application to the study of oceanic trenches and foreland basin formation.

    The first part of this Thesis deals with the conceptual models that link loading processes to basement deflection and basin infill geometry. This relationship is mainly controlled by the rheological behavior of the lithosphere and by surface processes such as erosion and sedimentation.

    The second part includes the development of thin plate model based algorithms with different rheologies: elastic, viscoelastic, and elastoplastic. A relevant contribution of this work is the integration in the flexural model of a 2D and 3D fully kinematic approach which realistically simulates thrust emplacement. Erosion and sedimentation processes are treated distinctly in the 2D and 3D approaches. The 2D approach considers either a constant erosion/sedimentation rate or a diffusive model, whereas the 3D can also incorporate advection through a drainage network. Both approaches include eustatic sea level variations and paleobathymetry.

    Elastic and homogeneous elastoplastic plate models do not account for the observed deflection and basin architecture. Moreover, these models predict an unrealistic lithospheric stress distribution. In contrast, the viscoelastic plate model permits to reproduce complex infill geometries, whereas the non-homogeneous elastoplastic plate model predicts, in addition, a more realistic stress distribution.

    The application of the 2D algorithms to the Tonga and Kermadec trenches has allowed to constrain the lithospheric structure of the Pacific Plate and the magnitude of the forces acting on the subducting slab. The most outstanding result is the necessity to impose a horizontal extensional force to fit the deflection of the basement. This implies that the driving mechanism is mainly governed by slab pull rather than mantle drag. Results also favour the half plate cooling model proposed by Stein & Stein (1992) instead of that proposed by Parsons & Sclater (1977), although the uncertainties on the rheological parameters do not allow for firm conclusions.

  The application of the 2D and 3D algorithms to Southern Spain reveals that the Internal Betics play a negligible role in the formation of the Guadalquivir foreland basin. The basement deflection can only be explained considering the topography and paleobathymetry loads, the load associated with crustal deformation, and a hidden or extra load seated at subcrustal levels. The analysis of gravity and geoid anomalies suggests that the hidden load is likely related to lithospheric thickening beneath the Betics. The complex stratigraphy of the Guadalquivir basin, particularly during Tortonian and Messinian times, is successfully reproduced by the viscoelastic and the non-homogeneous elastoplastic plate models suggesting that the basin infill resulted from the combination of eustatic sea-level variations, viscous stress relaxation, and layered lithospheric strength. Furthermore, the non-homogeneous elastoplastic plate model accounts for the presence of basement extensional faults that developed during thrusting.

ÍNDICE
 

RESUMEN VII

ABSTRACT IX

1. INTRODUCCIÓN 1
1.1 Flexión litosférica: Isostasia local e isostasia regional 1 1.2 Formación de cuencas de antepaís 2 1.3 Antecedentes y motivaciones de la modelización 3 1.4 Objetivos y presentación 4

2. MODELOS CONCEPTUALES Y FUNDAMENTOS MATEMÁTICOS 7
2.1 Consideraciones generales 7
2.2 Modelos conceptuales de carga (2D y 3D) 8
2.2.1 Carga mediante cabalgamientos 9
2.2.2 Carga topográfica 9
2.2.3 Otras cargas 10
2.3 Modelos conceptuales de flexión de placa delgada 11
2.3.1 Modelos reológicos 11
2.3.2 Placa elástica (2D y 3D) 13 
2.3.3 Placa viscoelástica (2D y 3D) 18
2.3.4 Placa elastoplástica no homogénea (2D) 20
2.4 Modelos conceptuales de erosión y sedimentación 26 
2.4.1 Modelo simple de tasa constante (2D) 26 
2.4.2 Modelo difusivo (2D y 3D) 27
2.4.3 Modelo advectivo de red de drenaje (3D) 28

3. MODELO NUMÉRICO 2D 31
3.1 Cálculo de la flexión 31
3.1.1 Técnicas empleadas 31 
3.1.2 Parametrización 33
3.2 Cálculo de la carga, la erosión y la sedimentación 40
3.2.1 Cargas en movimiento y deformación 40
3.2.2 Erosión y sedimentación 41
3.3 Modelo numérico integrado de cuencas de antepaís 43
3.3.1 Estructura del programa 43
3.3.2 Parámetros de entrada y salida del programa 45
3.3.3 Cálculo de las anomalías del campo gravitatorio 46
3.3.4 Parametrización 47
3.4 Discusión y conclusiones 57

4. MODELO NUMÉRICO 3D 59
4.1 Cálculo de la flexión 59
4.1.1 Técnicas empleadas 59
4.1.2 Parametrización 61
4.2 Cálculo de la carga, la erosión y la sedimentación 61
4.2.1 Técnicas empleadas 61
4.2.2 Parametrización 65
4.3 Modelo integrado de formación de cuencas de antepaís 68
4.3.1 Estructura del programa 68
4.3.2 Parámetros de entrada y salida del programa 70
4.3.3 Parametrización 70
4.4 Discusión y conclusiones 79

5. APLICACIÓN DEL MODELO 2D A LAS FOSAS DE TONGA Y KERMADEC 81
5.1 Introducción 81
5.2 Metodología 83
5.3 Datos utilizados 87
5.4 Resultados 90
5.4.1 Fosa de Tonga 90
5.4.2 Fosa de Kermadec 94
5.5 Discusión y conclusiones 95

6. APLICACIÓN DE LOS MODELOS 2D Y 3D A LA CUENCA DE ANTEPAÍS DEL GUADALQUIVIR 99
6.1 Introducción 99
6.2 Contexto geológico y geofísico 100
6.2.1 Evidencias geológicas 100
6.2.2 Datos geofísicos disponibles 103
6.3 Modelización numérica de la cuenca 112 
6.3.1 Modelización de la geometría 3D del basamento 112
6.3.2 Modelización 2D de la geometría de los sedimentos 119
6.3.3 Modelización 2D de los esfuerzos 122
6.4 Discusión 130
6.4.1 Comportamiento mecánico de la Placa Ibérica 130
6.4.2 Espesor elástico y estructura de la litosfera 131
6.4.3 Isostasia y carga oculta 131
6.5 Conclusiones 134

7. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES GENERALES 137
7.1 Discusión 137
7.2 Conclusiones generales 141
7.3 Futuras líneas de trabajo 142

INDICE DE TÉRMINOS 145

INDICE DE ILUSTRACIONES Y TABLAS 147

NOTACIÓN UTILIZADA 157 

REFERENCIAS 159


CONCLUSIONES
 

    A partir de la discusión y de las conclusiones parciales obtenidas a lo largo de este trabajo, cabe extraer las siguientes conclusiones generales relativas a la flexión de la litosfera y a la formación de cuencas de antepaís:

  1. La estratificación de la resistencia en la litosfera juega un papel primordial en su comportamiento flexural. La correcta modelización de los esfuerzos debidos a la flexión requiere tener en cuenta una estructura realista de la litosfera utilizando el concepto de envolvente de esfuerzos y teniendo en cuenta la cronología de la flexión. Esta técnica ha permitido relacionar de forma directa el comportamiento flexural con las propiedades termomecánicas de la litosfera, tanto en regiones oceánicas (fosas de Tonga y Kermadec) como en regiones continentales (Cuenca del Guadalquivir).

  2. La distribución de temperaturas deducida del flujo de calor superficial observado, junto con valores típicos de los parámetros reológicos, permiten explicar el comportamiento flexural de la litosfera en los dos ámbitos (oceánico y continental) modelizados en este trabajo. En el caso de la litosfera continental (Cuenca del Guadalquivir), es necesario además considerar el grosor cortical y el desacoplamiento mecánico entre corteza y manto.

  3. El efecto de la fuerza tectónica horizontal sobre la flexión de la litosfera y sobre la distribución de esfuerzos flexurales en la misma no es negligible en ninguna de las regiones estudiadas. La modelización ha permitido establecer la existencia de una fuerza horizontal extensiva de entre 3 y 7 TN/m que actúa sobre la Placa Pacífica en las fosas de Tonga y Kermadec. Esto sugiere que el peso del slab es la causa principal del movimiento de subducción (mecanismo de slab pull). En la Cuenca del Guadalquivir, la inclusión de una fuerza horizontal compresiva de 0.7 TN/m debilita la litosfera sensiblemente, permitiendo ajustar los observables, pero la incertidumbre en los parámetros reológicos y la estructura térmica no permite acotar con certeza la magnitud de dicha fuerza.

  4. La geometría del basamento y de las unidades sedimentarias a escala regional en las cuencas de antepaís está relacionada con la cronología de los cabalgamientos y con las propiedades reológicas de la litosfera. La transición entre cuenca marina y continental parece estar controlada fundamentalmente por el detenimiento de los cabalgamientos y por la altura inicial de la placa. La paleobatimetría (anterior al emplazamiento de la carga) tiene un efecto importante en la geometría final de la cuenca.

  5. La aplicación de los modelos desarrollados al estudio de la Cuenca del Guadalquivir ha permitido elaborar un modelo autoconsistente del proceso de carga, la geometría de las unidades sedimentarias y la estructura de la litosfera en la región estudiada. La subsidencia en la Cuenca del Guadalquivir está relacionada fundamentalmente con el acortamiento en las Béticas Externas y con la acción de una carga oculta de origen subcortical. El origen de esta carga parece estar relacionado con un engrosamiento litosférico bajo la región BéticasGuadalquivir. El efecto flexivo de la formación de Alborán y de las Béticas Internas es irrelevante en la región correspondiente a la cuenca actual.