Estructura cortical de la cordillera y margen continental cantábricos: Perfiles ESCI-N

      A lo largo del último siglo y medio, la Cordillera Cantábrica ha sido el objetivo de numerosos y exhaustivos trabajos geológicos que han puesto en evidencia que en el NO de la Península Ibérica aflora una excepcional sección completa de un orógeno varisco, a lo largo de más de 500 km, preservado desde las zonas más internas del mismo en el oeste, hasta las más externas en el este. Sin embargo, la magnitud del trabajo desarrollado y el alto grado de conocimiento adquirido sobre la estructura varisca de la zona, contrasta con los pocos estudios dedicados al estudio, por un lado de su estructura alpina, que es responsable en última instancia del relieve cantábrico, y por otro de la estructura del margen continental noribérico y de la estructura a escala cortical en el NO de la Península Ibérica. Con el fin de subsanar estas carencias nacieron el proyecto ESCIN (Estudio Sísmico de la Corteza Ibérica Norte) y otros proyectos asociados, que se desarrollaron a lo largo de la década de los noventa.

      La presente Tesis Doctoral se enmarca dentro de los trabajos realizados al amparo del proyecto ESCIN y su objetivo primordial es el estudio de la estructura de la corteza del margen noribérico y la Cordillera Cantábrica en una sección N-S integrando los datos geofísicos y geológicos, especialmente los perfiles de sísmica de reflexión profunda (ESCIN-2 y ESCIN-4), numerosos perfiles de sísmica de reflexión convencional, perfiles de sísmica de refracción/alto ángulo a escala cortical y datos gravimétricos (Figura 1). La zona de estudio se extiende a lo largo de una franja N-S en el entorno de la latitud -5°, que incluye zonas de la Meseta Castellana, La Cordillera Cantábrica, así como los fondos de la plataforma continental cantábrica y la llanura abisal del Golfo de Vizcaya. Los objetivos más concretos son:

• El estudio de la estructura y evolución alpina de la Cordillera Cantábrica y el margen noribérico a escala cortical y la elaboración de un modelo geológico N-S integrando los datos geológicos y geofísicos tanto someros como profundos.
• El estudio de la estructura y evolución de la cuenca meso-terciaria del margen noribérico y de la Cuenca terciaria del Duero, a partir de los datos de: sondeos, sísmica de reflexión convencional y sísmica de reflexión profunda.
• La elaboración de un mapa de la anomalía gravimétrica de Bouguer con corrección topográfica en tierra y aire libre en el mar, para realizar la modelización gravimétrica del modelo cortical y comprobar su validez.
• La restitución del modelo geológico con el fin de evaluar el acortamiento terciario y obtener la estructura de la zona antes y durante el periodo de acortamiento.
• La comparación de la estructura del orógeno en dirección N-S (estructura alpina) y en dirección E-O (estructura varisca) y el estudio de la influencia de las estructuras variscas en el desarrollo de las estructuras alpinas.
• La Comparación de la estructura de este orógeno con la de otros similares: Pirineos, Alpes, etc.

      En cada uno de los capítulos de la Tesis se abordó el estudio e integración de los datos de un sector de la zona de trabajo:

      El estudio de la estructura del margen noribérico, entre la llanura abisal y la costa, se presenta en el capítulo 3. Para ello se interpretaron una selección de 25 perfiles de sísmica de reflexión convencional, registrados en la plataforma cantábrica para la investigación de hidrocarburos, junto con el perfil de sísmica de reflexión profunda ESCIN-4. Al perfil ESCIN-4 obtenido con el procesado convencional se le aplicó un procesado adicional con el fin de mejorar la relación señal/ruido. Las secciones sísmicas interpretadas corresponden a perfiles migrados, habiendo sido varios de ellos transformados a profundidad mediante la técnica de inversión del trazado de rayos. La interpretación se apoyó también en datos de sondeos realizados para la prospección de hidrocarburos.

      En el capítulo 4 se desarrolla el estudio de la estructura y evolución del sector meridional de la Cordillera Cantábrica y del borde septentrional de la Cuenca del Duero a escala cortical, mediante la interpretación del perfil de sísmica de reflexión profunda ESCIN-2, al que se le aplicó un procesado similar al de ESCIN-4, y un perfil de sísmica de refracción paralelo. Mediante la modelización directa, por trazado de rayos, de los reflectores interpretados en ESCIN-2, se obtuvo la sección en profundidad del mismo (equivalente a un corte geológico) a la vez que se dio validez a la interpretación propuesta.

      El capítulo 5 se dedica al estudio de la estructura y evolución del borde septentrional de la Cuenca del Duero, para lo que se interpretaron 38 perfiles de sísmica de reflexión procedentes de la exploración de hidrocarburos. Su interpretación se apoyó en los datos de 3 sondeos perforados con el mismo fin, especialmente el sondeo Campillo, del que se obtuvo un sismograma sintético que permitió reconocer y atribuir una edad a los reflectores interpretados en las líneas sísmicas. Como complemento a la interpretación de los perfiles se elaboraron mapas de isocronas de diversos horizontes que fueron convertidos a profundidad (mapas de isobatas) mediante la técnica de inversión del trazado de rayos en tres dimensiones o migración de mapas.

      La modelización gravimétrica bidimensional de dos secciones corticales desde la Cuenca del Duero hasta la llanura abisal del Golfo de Vizcaya se aborda en el capítulo 6. Como paso previo se realizó una campaña de campo de recogida de datos gravimétricos, que se combinaron con datos cedidos por el BGI (Bureau Gravimétrique International, París), para obtener un mapa de anomalías gravimétricas de Bouguer con corrección topográfica en tierra y de la anomalía de aire libre en mar.

      Por último, en el apartado 7 se presenta el modelo cortical N-S de la zona estudiada, entre la Cuenca del Duero y el centro del Golfo de Vizcaya, en el que se sintetizan los datos obtenidos en los apartados anteriores (Figura 2). El corte geológico se restituyó con el fin de evaluar el acortamiento terciario del mismo y la morfología previa del borde continental. También se realizó un estudio comparativo de la estructura de la Cordillera Cantábrica en las direcciones N-S y E-O, posteriormente se comparó la estructura cortical de la transecta estudiada con la de otros orógenos de colisión similares, como los Pirineos y los Alpes, analizando la estrecha relación entre la cadena Pirenaica y la Cordillera Cantábrica. Por último se construyó un mapa de profundidades de la base de la corteza en el NO de la Península Ibérica y su margen continental sintetizando la información de todos los datos geofísicos disponibles.

2.- CONTEXTO GEOLÓGICO

      El margen noribérico o cantábrico tiene una dirección E-O , constituye el límite sur del Golfo de Vizcaya y está flanqueado por el sur por la Cordillera Cantábrica que desde el punto de vista geológico constituye la prolongación occidental de los Pirineos. Este margen es el conjugado del margen Armoricano en el N y forma el actual límite septentrional de la placa Ibérica. Debido a su situación, en la confluencia entre la dos grandes placas europea y africana, ha sufrido varios regímenes tectónicos durante su evolución. Como consecuencia, la zona estudiada presentan una estructura geológica altamente compleja, debido a que resulta de la superposición en la misma zona de dos ciclos orogénicos con direcciones de compresión ortogonales, las orogenias varisca y alpina cuyas direcciones de acortamiento predominantes son E-O y NW-SE respectivamente, separadas por un evento extensional aproximadamente NS. Tras la orogenia varisca, que configuró la estructura principal que actualmente se puede observar en la Cordillera Cantábrica, se produjo un evento extensional que comenzó por un episodio de rifting o ruptura cortical del Pérmico al Jurásico superior y evoluciono a un episodio de apertura oceánica en el centro del Golfo de Vizcaya, que se extendió hasta el Cretácico superior. Durante todo este periodo de extensión e individualización del margen noribérico se desarrollaron cuencas sedimentarias y la zona estaba ocupada por una extensa plataforma carbonatada, que durante el Cretácico llegaba a cubrir la zona de la Cordillera Cantábrica hasta la Cuenca del Duero. Sin embargo, al comenzar el Terciario un cambio hacia el N en la dirección de desplazamiento de la placa Africana, cuyo deriva Mesozoica hacia el S había producido el contexto extensional, dio lugar a una importante variación en el régimen tectónico de la zona, que paso a ser compresivo. Los efectos de la compresión terciaria fueron: el cese de la creación de corteza oceánica en el Golfo de Vizcaya y su cierre parcial, así como el acortamiento, deformación y levantamiento del margen noribérico y la Cordillera Cantábrica, cuya erosión aportó los materiales que rellenaron las cuencas Terciarias desarrolladas al N y S (cuenca del margen y del Duero respectivamente). El final de convergencia en el Mioceno superior abortó la colisión entre las placas que ya se había producido más al E en los Pirineos.

2) CONTEXTO GEOLÓGICO 21
2.1.-LA OROGENIA VARISCA 21
Contexto geotectónico 21
El Macizo Ibero-Armoricano 22
La Zona Cantábrica 23
2.2: LA EVOLUCIÓN POSTPALEOZOICA DE LA PLACA IBÉRICA: EL CICLO ALPINO 25
Etapa de rift: Pérmico a Jurásico medio 25
La individualización como placa: Jurásico medio a Cretácico superior 26
Síntesis de la cinemática de la apertura del Golfo de Vizcaya 29
La evolución terciaria 29

3) LA ESTRUCTURA DEL MARGEN NORIBÉRICO 31
3.1.-CONTEXTO GEOLÓGICO DEL MARGEN NORIBÉRICO 33
Antecedentes 33
El basamento premesozoico 33
Triásico-Jurásico medio 36
Jurásico superior – Cretácico inferior 37
Cretácico superior: serie postrift 39
El Terciario 40
La plataforma continental 40 
La llanura abisal 40
La Cordillera Cantábrica 45
3.2: INTERPRETACIÓN DE LOS PERFILES DE SÍSMICA DE REFLEXIÓN CONVENCIONAL EN LA PLATAFORMA 45
Datos empleados 45
Los sondeos 45
Descripción y correlación 47
Descripción de los perfiles de sísmica de reflexión 50
Conversión a profundidad: el modelo de velocidades 51
Perfil MCC-6 /MCH-29 51
Perfil MCH-10 56
Perfil MCH-22 / MC80-27 56
Perfil MC80-31D 58
3.3: EL PERFIL DE SÍSMICA DE REFLEXIÓN PROFUNDA ESCIN-4 61
La campaña: adquisición y procesado estándar 61
Descripción de la sección final 61
La plataforma 62
La cuenca sedimentaria meso-terciaria 62
La reflectividad profunda 64
El talud continental 71
La llanura abisal 71
Conversión a profundidad: el modelo de velocidades 77
3.4: INTERPRETACIÓN DE LAS LÍNEAS CONVENCIONALES Y ESCIN-4 79
La plataforma 79
La cuenca sedimentaria 79
La etapa de rift 79
La etapa postrift previa a la compresión terciaria 81
La compresión terciaria 81
El talud 84
La llanura abisal: interpretación, edad de los materiales y cinemática de los cabalgamientos de la zona tectonizada 85
La estructura profunda 88
3.5: SÍNTESIS Y DISCUSIÓN 88

4) ESTRUCTURA PROFUNDA DE LA CORDILLERA CANTÁBRICA: EL PERFIL ESCIN-2 91
4.1: EL PERFIL DE SÍSMICA DE REFLEXIÓN PROFUNDA ESCIN-2 91
La geología del entorno del perfil ESCIN-2 91
Adquisición y procesado 94
Características de los ensamblajes de los tiros 98
Descripción del perfil 99
La reflectividad superficial 99
la reflectividad profunda 102
4.2:INTERPRETACIÓN DE ESCIN-2 102
La estructura superficial 102
La estructura profunda 107
4.3: MODELIZACIÓN DIRECTA DE ESCIN-2 110
Construcción del modelo de ESCIN-2 110
La elección del modelo de velocidades 111
Descripción del modelo 111
4.4: DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES 114

5) LA ESTRUCTURA DEL BORDE SEPTENTRIONAL DE LA CUENCA DEL DUERO 117
5.1.-CONTEXTO GEOLÓGICO DE LA CUENCA DEL DUERO 117
Introducción 117
El Cretácico 118
El Terciario 121
5.2: Los SONDEOS 123
El sondeo El Campillo 123
Correlación entre los sondeos 124
Descripción del sismograma sintético, reflectores interpretados 125
5.3.-Los PERFILES DE SÍSMICA DE REFLEXIÓN 129
Datos utilizados 129
Descripción de las fábricas sísmicas 130
La estructura del sector NE de la Cuenca del Duero 131
Línea N03 131
Línea N08 131
Línea N16 133
Línea N15 134
Línea E12 135
Línea E03 (este) 135
Línea E01 136
Estructura del frente tectónico sur de la Cordillera Cantábrica 136
Zona occidental 136
Las reflexiones del Paleozoico al norte del borde de la Cuenca del Duero 139
Zona oriental 139
Los mapas de isobatas 140
El modelo de velocidades 141
Descripción de los mapas de isobatas 141
La estructura de la Cuenca del Duero 145
Zona occidental 145
Zona oriental 146
Relación temporal entre las estructuras 147
5.4.-SÍNTESIS Y DISCUSIÓN DE LA ESTRUCTURA DE LA CORDILLERA CANTÁBRICA Y LA CUENCA DEL DUERO … 148
La Cuenca del Duero y su borde septentrional: estructura y evolución temporal 148
La estructura alpina de la Cordillera Cantábrica y su transición a la Cuenca del Duero 150
La Cuenca del Duero como cuenca de antepaís (foreland basin) 151

6) GRAVIMETRÍA 153
6.1.- EL MAPA DE ANOMALÍAS GRAVIMÉTRICAS: DATOS EMPLEADOS 153
Descripción de las anomalías gravimétricas 157
6.2.-MODELIZACIÓN GRAVIMÉTRICA 158
Situación de los perfiles modelizados 158
Las densidades 158
Descripción de los perfiles de valores de la gravedad observada 161
El perfil 4,62 161
El perfil 5,16 162
Descripción de los modelos gravimétricos 162
El modelo 4,62 162
EI modelo 5,16 165
6.3.- DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES 165
La raíz cortical 165
La corteza inferior 168
Los modelos 168
Limitaciones del método y los modelos 170

7) LA ESTRUCTURA DE LA CORTEZA 173
7.1.- SÍNTESIS DE LA ESTRUCTURA DE LA CORTEZA ENTRE LA CUENCA DEL DUERO Y EL MARGEN NORIBÉRICO: LA TRANSECTA N-S 174
Evolución cinemática y edad de la deformación 180
7.2.- LA ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL DE LA CORTEZA EN LA CORDILLERA CANTÁBRICA Y EL MARGEN NORIBÉRICO: COMPARACIÓN DE LAS CORTEZAS VARISCA Y ALPINA 183
La estructura varisca 183
Comparación de la estructura cortical varisca y alpina 184
Mapa de profundidad de la Moho 189
7.3.- LA ESTRUCTURA DE OTRAS CORDILLERAS ALPINAS 191
Los Pirineos: comparación con la Cordillera Cantábrica 191
El margen noribérico: la prolongación del frente de deformación norpirenaico 195
Los Alpes 195
7.4.- CONSIDERACIONES FINALES SOBRE LA ESTRUCTURA DE LA CORDILLERA CANTÁBRICA 196
La vergencia de la subducción 196
El desarrollo de la raíz cortical, implicaciones reológicas del modelo y comparación con modelos numéricos de deformación cortical 197

8) CONCLUSIONES 201

BIBLIOGRAFÍA 203

ANEXO Y PANELES

      En la Tesis se ha estudiado la estructura cortical de la Cordillera Cantábrica y el margen noribérico a lo largo de una transecta N-S en torno al meridiano 5°O (Figura 2). Para ello se integraron todos los datos geológicos y geofísicos disponibles, especialmente los perfiles de sísmica de reflexión vertical ESCIN-2 (terrestre) y ESCIN-4 (marino). A continuación se presenta un resumen de las principales conclusiones obtenidas, diferenciando tres sectores de S a N: la Cuenca del Duero, la Cordillera Cantábrica y el margen continental noribérico:

• La estructura de la corteza de la Cordillera Cantábrica y el margen noribérico es el resultado de la superposición de la deformación alpina, debido al cierre parcial del Golfo de Vizcaya durante el Terciario, sobre la estructura cortical consolidada tras la Orogénesis Varisca.
• El orógeno tiene una estructura, en dirección N-S, de cuña orogénica con doble vergencia. Las estructuras alpinas adoptan una disposición en abanico con vergencias opuestas en los extremos del orógeno: cabalgamientos vergentes al S en el frente meridional de la Cordillera Cantábrica, un imbricado de láminas de corteza vergentes al N en la zona del talud continental y estructuras subverticales en el sector intermedio. En ambos extremos del prisma orogénico se desarrollan dos cuencas de antepaís terciarias, al S la Cuenca del Duero y al N las cuencas de la plataforma noribérica y del Golfo de Vizcaya.
• Bajo la Cuenca de Duero la corteza es horizontal y está estructurada sísmicamente en tres niveles, corteza superior (hasta 13 km), media (hasta 24 km) e inferior (hasta 30-32 km), al igual que la mayoría de las cortezas variscas europeas.
• En la Cordillera Cantábrica, hay un importante engrosamiento cortical alpino (raíz cortical), desarrollado por la indentación hacia el S, entre la corteza superior y media ibérica, de la corteza inferior del margen cantábrico. La indentación forzó la subducción hacia el N de la corteza media-inferior ibérica, que alcanza una profundidad máxima cercana a 55 km en la vertical de la línea de costa, duplicando la corteza bajo una Moho más somera (Moho del margen a 30 km de profundidad).
• El engrosamiento alpino del orógeno se manifiesta en superficie por el levantamiento y deformación de la Cordillera Cantábrica durante el Terciario, debido al emplazamiento de una serie de cabalgamientos vergentes al S, simultáneamente a la indentación de cortezas. Los cabalgamientos buzan en torno a 36° al N, atraviesan la corteza superior y convergen en un despegue general en el límite corteza superior-media a 14-15 km de profundidad. El cabalgamiento principal, que ocupa el frente sur de la cordillera, tiene un desplazamiento máximo cerca de la superficie de 8,5 km de un total estimado por otros autores en 22 km.
• La corteza del margen noribérico se adelgaza hacia el N entre la línea de costa (Moho a 30 km) y la llanura abisal del Golfo de Vizcaya (Moho a 15 km).
• En la plataforma noribérica se han reconocido estructuras extensionales mesozoicas, como fallas que dividen la cuenca sedimentaria mesozoica en subcuencas asimétricas que generalmente se adelgazan hacia el N, y estructuras de compresión terciarias, como pliegues y cabalgamientos, junto con la inversión tectónica de fallas normales mesozoicas.
• La estructura de compresión más importante del margen es un imbricado de láminas de corteza vergente al N, que se desarrolló en el talud noribérico y en la llanura abisal, hasta 50 km al N del talud (zona tectonizada). Los cabalgamientos del imbricado convergen en un despegue intracortical entre las cortezas media e inferior y son responsables del acortamiento y aumento de pendiente del talud (17° frente a los 5° del talud del margen conjugado armoricano) y del levantamiento de la plataforma actual, que constituía el talud del primitivo margen pasivo del final del Cretácico.
• Los cabalgamientos de la zona tectonizada siguen una secuencia de emplazamiento hacia delante («forward«), deducida de la geometría de las tres secuencias de sedimentos interpretadas en la llanura abisal: pretectónica (Cretácico superior?-Eoceno medio), sintectónica (Eoceno superior-Mioceno inferior) y postectónica (Mioceno superior-Cuaternario).
• La corteza inferior del margen cantábrico es sísmicamente continua y se deslizó hacia el S, hasta indentarse en la corteza ibérica, a lo largo del despegue intracortical entre la corteza media-inferior. El despegue se interpreta como el rejuego terciario de una zona de cizalla dúctil extensional, heredada de los procesos extensionales mesozoicos. No existe por lo tanto subducción hacia el S de corteza del Golfo de Vizcaya, si por ello entendemos el hundimiento en el manto de porciones de corteza, ya que es la corteza ibérica la que subduce hacia el N.
• El acortamiento terciario N-S total, deducido tras la restauración parcial de la transecta, es de unos 96 km. De los 74 km que restan tras descontar el acortamiento del borde sur de la cordillera, la mayor parte se concentra en el imbricado de láminas de corteza del talud noribérico y una parte menor se resuelve en la Cordillera y margen cantábricos por deformación interna del basamento, mediante la formación de estructuras como fallas y pliegues nuevos, o por el rejuego de estructuras anteriores: rejuego de cabalgamientos y reapretamiento de pliegues variscos e inversión tectónica de las fallas extensionales.
• Como resultado de la restauración del corte se ha estimado que hay un déficit de corteza inferior de aproximadamente 50 km, que se ha interpretado como una lámina que se pudo romper y hundir en el manto.
• La deformación de orógeno comenzó en el Eoceno superior con el levantamiento, emersión y desarrollo de las primeras estructuras de compresión en el sector cercano a la actual línea de costa (Cuenca de OviedoCangas de Onís y Surco de Peñas), inducido por el inicio del deslizamiento e indentación hacia el S de la corteza del margen. La mayor parte de la deformación se concentra en el periodo entre el Oligoceno y el Mioceno inferior, cuando la deformación en la cuña orogénica migra hacia sus extremos N y S.
• La interpretación de tres secuencias sedimentarias dentro de la serie terciaria de la plataforma ha permitido determinar que las primeras estructuras compresivas en esta zona se forman en el Eoceno superior, en el sector más cercano a la actual línea de costa. Durante el Oligoceno a Mioceno inferior el desarrollo de estructuras de compresión se extiende al resto de la plataforma. Los depósitos acumulados desde el Mioceno superior fosilizan a todas las estructuras descritas.
• Los efectos de la deformación alpina también son evidentes en la sección E-O del orógeno. Hacia el O se preserva la estructura cortical varisca, similar a la descrita bajo la Cuenca del Duero, y hacia el E se observa la raíz cortical alpina.
• El modelo cortical de la zona estudiada es prácticamente igual a los propuestos para los Pirineos, lo cual apunta hacia una posible continuidad lateral de las estructuras corticales de ambos orógenos. Esta conexión en profundidad debe ser corroborada por más datos geofísicos, actualmente en estudio, de la zona intermedia bajo la Cuenca Vasco-Cantábrica.