La estructura de la corteza en la zona central de la Península Ibérica

   El Sistema Central constituye una cadena compleja que ha sufrido los efectos de las orogenias Hercínica y Alpina. Su estructura es reflejo de esta evolución, especialmente de los procesos mas recientes que han dado lugar a la morfoestructura que se observa actualmente. Desde un punto de vista geográfico, el Sistema Central constituye una estrecha zona de aproximadamente 40 kilómetros de anchura con relieves importantes respecto a las zonas circundantes que corresponden a las cuencas del Duero y Tajo. Sin embargo, desde un punto de vista geológico, el Sistema Central presenta una mayor anchura puesto que incluye afloramientos de materiales metamórficos que aparecen aislados entre los sedimentos terciarios de la cuenca del Duero. El objetivo fundamental de esta Tesis es caracterizar la estructura de la corteza en la zona del Centro Peninsular en general y del Sistema Central en particular, entendiendo éste como unidad geológica y no sólo geográfica.

      Para alcanzar dicho objetivo, se hace preciso combinar técnicas tanto geológicas como geofisicas. Ambas deben ir íntimamente ligadas principalmente en un estudio de carácter regional, ya que los datos geológicos de superficie no permiten hacer extrapolaciones fiables a profundidades importantes, en especial a nivel de la estructura global de la corteza, pero por otro lado y debido a la indeterminación inherente a los procesos de inversión de los métodos geofísicos, ninguna interpretación geofísica será correcta si no se tienen en cuenta todos los datos geológicos existentes. Es por ello que en esta Tesis se han combinado ambas metodologías.

      Desde un punto de vista estructural, este trabajo pretende completar los estudios sobre el estilo de la deformación en la cobertera cretácica del borde norte del Sistema Central, llevados a cabo por el autor durante la Tesis de Licenciatura en una zona reducida del mismo. Esta zona no había sido estudiada en detalle desde el punto de vista del análisis geométrico de las estructuras alpinas, por lo que se planteó la necesidad de aplicar este tipo de técnicas *a todo el borde norte del Sistema Central y combinar dichos resultados con los publicados por diferentes autores para el borde sur, de manera que se obtuviera una información geológico-estructural que sirviera además como punto de partida para acotar las posibles soluciones que se derivaran de la modelización geofísica, fundamentalmente gravimétrica.

      Así pues, para alcanzar el objetivo general propuesto se determinaron una serie de objetivos parciales, entre los que destacan los siguientes:

1.- Caracterización de la geometría de las estructuras alpinas superficiales, observables tanto en el basamento como en la cobertera, con el fin de definir sus características y estimar la continuidad de las mismas en profundidad. Para ello, se hace preciso la aplicación de modelos de pliegues asociados a fallas con basamento implicado así como una cartografa geológica suficientemente detallada como para proporcionar los elementos geométricos necesarios para la aplicación de dichos modelos.

2.- Elaboración de un mapa de anomalías de Bouguer para la zona de estudio, cuyo fin es conocer la distribución de densidades en la corteza. El análisis de dicho mapa por diversas técnicas permitirá determinar el número y profundidad de las fuentes corticales que general las anomalías gravimétricas observadas, definir la geometría del límite corteza-manto y servirá de base para la elaboración de modelos.

3.- Integrar la información geológica de superficie con los datos obtenidos a partir del análisis y tratamiento del mapa de anomalías de Bouguer, que unidos a la información sísmica y de sondeos disponible, darán lugar a unos modelos gravimétricos en 2 + 1/2D que muestran la estructura de la cadena y las diferencias que existen entre distintas zonas. A partir de dicha integración de datos, se llegará a la elaboración de un modelo cortical para la zona.

4.- A partir del análisis conjunto de la información gravimétrica, sísmica, geológica y topográfica disponible, realizar estimaciones sobre las características reológicas de la corteza en la zona del Centro Peninsular así como sobre el estado
isostático de la misma.

5.- Por último, integrar todos estos aspectos u objetivos parciales en un modelo cortical para esta zona del Sistema Central en particular y del Centro Peninsular en general.

1.1. PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN

      La realización de esta Tesis se ha llevado a cabo según un plan de trabajo clásico en la investigación. Durante el mismo, se han desarrollado los siguientes aspectos:

1.- Estado del conocimiento en el problema planteado.
Ello ha requerido una consulta bibliográfica de los trabajos referidos tanto a conocimiento de la geología de la zona, fundamentalmente en su vertiente estructural, como a los datos geofisicos y su interpretación en lo referente al estudio de la corteza.

2.- Adquisición de datos.
La naturaleza multidisciplinar de los objetivos planteados ha hecho que la toma de datos haya tenido que efectuarse en diferentes fases:

• Campañas de campo para toma de datos estructurales y cartografía.
• Campañas de campo de levantamiento gravimétrico.
• Recopilación de muestras para medidas de densidades de las rocas.
• Recopilación de datos ya publicados.

3.- Metodología y análisis de los datos.
      El amplio espectro de datos ha necesitado el estudio de numerosas metodologías, de entre las cuales se han aplicado aquellas que parecían proporcionar mejores resultados y que habían sido aplicadas con éxito en áreas similares a la de estudio.

      Parte de estas metodologías ha supuesto el trabajo de puesta a punto para su aplicación con los medios disponibles y el desarrollo de programas informáticos. Este aspecto ha sido especialmente arduo en las primeras etapas del trabajo, donde los medios informáticos al alcance eran limitados.

      Entre los métodos utilizados están:

• Estudio de la geometría de pliegues y fallas asociadas mediante modelos ya establecidos.
• Técnicas de elaboración de un mapa de anomalías de Bouguer. Separación regional-residual.
• Inversión de datos geofisicos.
• Modelización gravimétrica.
• Aplicación de parámetros tales como coherencia y admitancia al estudio reológico de la corteza.

4.- Análisis de los datos.
      La aplicación de todas las técnicas anteriores permite obtener una serie de resultados parciales en aspectos tales como:

• Características geométricas y cinemáticas de las estructuras del borde norte del Sistema Central.
• Elaborar un mapa de anomalías de Bouguer.
• Establecer la profundidad de las principales discontinuidades corticales a partir de datos gravimétricos.
• Establecer modelos de densidades de la corteza.
• Calcular el espesor elástico efectivo de la corteza.

5.- Síntesis y discusión de los resultados.
      Por último, los resultados van a permitir alcanzar el objetivo propuesto: conocer la estructura de la corteza en el Centro Peninsular.

2. MARCO GEOGRÁFICO Y GEOLÓGICO 5
2.1 Situación geográfica 5
2.2 Situación geológica 7

3. SÍNTESIS GEOLÓGICA 11
3.1 Síntesis estratigráfica 11
3.1.1 Basamento precámbrico-paleozoico 11
3.1.1.1 Rocas metasedimentarias pre-ordovícicas 13
3.1.1.2 Rocas paleozoicas de edad Ordovícico-Devónico 14
3.1.1.3 Rocas ígneas pre-hercínicas 15
3.1.1.4 Rocas igneas hercínicas 16
3.1.2 Materiales que forman la cobertera 18
3.1.2.1 Pérmico 18
3.1.2.2 Triásico 20
3.1.2.3 Jurásico 22
3.1.2.4 Cretácico 23
3.1.2.5 Terciario 28
3.1.2.6 Cuaternario 29
3.1.3 El relleno de las cuencas 29
3.1.3.1 Cuenca del Duero 29
3.1.3.2 Cuenca de Madrid 37
3.1.3.3 Cuencas terciarias en el interior del Sistema Central 40
3.2 Síntesis tectónica 43
3.2.1 Orogenia hercínica 44
3.2.2 Deformaciones tardihercínicas 46
3.2.3 Orogenia alpina 47
3.3 Modelos tectónicos del Sistema Central 50

4. LAS ESTRUCTURAS ALPINAS EN LA ZONA NORTE DEL SISTEMA CENTRAL 58
4.1 Cartografía geológica y estructural 58
4.2 Modelos de pliegues asociados a fallas 59
4.2.1 Modelos de pliegue de propagación de falla con basamento implicado 62
4.2.1.1 Modelo de Narr y Suppe (1994) 64
4.2.1.2 Modelo de McConnell (1994) 69
4.2.1.3 Modelo Trishear (Erslev, 1991) 74
4.2.1.4 Modelo de Mitra y Mount (1998) 77
4.2.2 Modelo de pliegue de despegue (Jamison, 1987) 80
4.3 Estudio estructural de los pliegues de cobertera en la zona norte del Sistema Central 82
4.3.1 Pliegues asociados a fallas con basamento implicado 83
4.3.1.1 Pliegue de Urueñas-Burgomillodo 83
4.3.1.2 Pliegue de Sepúlveda 99
4.3.1.3 Pliegue de Ventosilla 105
4.3.1.4 Pliegue de Revilla 112
4.3.1.5 Pliegue de Fuentidueña 114
4.3.1.6 Pliegue de Valsequillas 115
4.3.1.7 Pliegue de Vegas de Matute 118
4.3.1.8 Pliegue de Ituero 120
4.3.2 Fallas en el basamento sin pliegues asociados 121
4.3.2.1 Canteras de Fuentenebro 122
4.3.2.2 Falla de Carbonero el Mayor 124
4.3.2.3 Falla de Zarzuela del Monte 127

5. MAPA DE ANOMALÍAS DE BOUGUER 129
5.1 Levantamiento gravimétrico 129
5.1.1 Determinación de la cota de las estaciones 130
5.1.2 Medida del campo gravimétrico 131
5.2 Cálculo de la gravedad teórica 134
5.3 Cálculo de la anomalía de Bouguer 139
5.4 Cálculo del error del levantamiento 140
5.5 Obtención del mapa de anomalías de Bouguer 141
5.6 Obtención de datos de densidades 144
5.6.1 Densidades obtenidas a partir de muestras de roca 145
5.6.2 Densidades obtenidas a partir de sondeos 151
5.6.3 Comparación de densidades con áreas próximas 155
5.7 Análisis cualitativo del mapa de anomalías de Bouguer 156

6. GRAVIMETRÍA. SEPARACIÓN REGIONAL-RESIDUAL 160
6.1 Metodología del ajuste polinómico 162
6.2 Metodología del análisis espectral 163
6.2.1 Análisis de Fourier 164
6.2.2 Desarrollo del análisis de Fourier para conjuntos de datos bidimensionales 166
6.2.3 Espectro de potencia o espectro de energía 169
6.2.3.1 Espectro de potencia de una distribución de masas a profundidad constante 171
6.2.3.2 Espectro de potencia de dos distribuciones de masa situadas a distintas profundidades 171
6.2.4 Estimación de profundidades a partir del análisis espectral 172
6.2.4.1 Conjuntos de datos unidimensionales 172
6.2.4.2 Conjuntos de datos bidimensionales 176
6.2.5 Separación de anomalías a partir del análisis espectral 178
6.2.5.1 Filtro respuesta ajustado 179
6.2.5.2 Filtro tipo Wiener 180
6.2.6 Inversión de datos geofisicos 183
6.2.6.1 Inversión de datos unidimensionales 183
6.2.6.2 Inversión de datos bidimensionales 185
6.3 Análisis de las fuentes causantes de las anomalías en el centro de la Península Ibérica 187
6.3.1 Resultados obtenidos del ajuste polinómico 187
6.3.2 Mapas de anomalía regional y residual obtenidos mediante el ajuste polinómico 189
6.4 Resultados obtenidos del análisis espectral 191
6.4.1 Profundidades de las principales discontinuidades corticales 197
6.5 Mapas de anomalías regionales y residuales calculados a partir del análisis espectral 198
6.5.1 Mapa regional de anomalías de Bouguer 201
6.5.2 Mapa residual de anomalías de Bouguer 201
6.5.2.1 Análisis cualitativo del mapa residual de anomalías de Bouguer 203
6.6 Geometría del Moho 207

7. MODELOS GRAVIMÉTRICOS 215
7.1 Información previa 215
7.1.1 Sondeos 215
7.1.2 Datos aeromagnéticos 217
7.1.3 Datos sísmicos 218
7.2 Proceso de modelización 221
7.3 Modelos de densidades 222
7.3.1 Descripción de los modelos 223
7.3.1.1 Modelo 1-1′ 223
7.3.1.2 Modelo 2-2′ 233
7.3.1.3 Modelo 3-3′ 240
7.3.1.4 Modelo 4-4′ 242
7.3.1.5 Modelo 5-5′ 246

8. ISOSTASIA 251
8.1 Modelos isostáticos flexurales 251
8.2 Cálculo del espesor elástico efectivo 253
8.2.1 Modelo con rigidez flexural igual a cero 253
8.2.2 Carga en el techo 255
8.2.3 Carga en profundidad 256
8.2.4 Combinando carga superficial y en profundidad 257
8.3 Cálculo de la coherencia 258
8.4 Cálculo del espesor elástico efectivo de la litosfera en la zona de estudio 262
8.4.1 Cálculo de la admitancia y el EEE 263
8.4.2 Cálculo de la coherencia 268
8.5 Discusión 270

9. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES 273
9.1 La estructura de la corteza 273
9.2 La estructura de la corteza en el marco de la tectónica alpina 277
9.3 El espesor elástico efectivo y la reología de la litosfera del Centro Peninsular 280
9.4 Conclusiones 289

BIBLIOGRAFÍA 294

ANEXO I
Mapa geológico del Centro Peninsular 316

      De todo ello se pueden extraer las siguientes conclusiones:

– Conclusiones de carácter metodológico:

A) La aplicación de los modelos de pliegues de propagación de falla con basamento implicado constituyen una buena herramienta para conocer la geometría de la falla asociada al pliegue. En esta zona, donde los afloramientos de la cobertera son en su mayor parte discontinuos, pueden aplicarse teniendo en cuenta que la geometría final calculada contiene un cierto grado de incertidumbre. No obstante, la utilización de varios modelos ha proporcionado unos resultados muy similares, por lo que parecen adecuados para abordar el problema de la geometría de pliegues y fallas donde la estructura haya sido en parte desmantelada.

B) El mapa de anomalías de Bouguer es una gran fuente de información de la estructura de la corteza en el Centro Peninsular. Las técnicas de separación de las tendencias regional y residual basadas en el análisis espectral permiten no sólo obtener una imagen de la distribución de densidades en profundidad, sino que proporcionan valores de la profundidad media de las distintas discontinuidades corticales y su geometría. En estos cálculos, es fundamental tener en cuenta la relación entre superficie del área cubierta por el mapa de anomalías de Bouguer y la profundidad de las fuentes que se analizan.

C) La modelización gravimétrica realizada a partir de modelos de densidad elaborados con la mayor cantidad de datos geológicos y geofisicos posibles, constituye una herramienta fundamental en el estudio de la estructura cortical.

D) Los parámetros admitancia y coherencia, utilizados principalmente para extensas áreas continentales, presentan sus limitaciones cuando se aplican a áreas más pequeñas. En este caso, se han obtenido buenos resultados con el parámetro admitancia, mientras que la coherencia proporciona un alto nivel de indeterminación.

E) La gravimetría, técnica a veces tachada de ambigua, es un método que combinado con la mayor cantidad de datos geológicos y geofísicos posibles, proporciona modelos altamente coherentes.

– Conclusiones geológicas y geofisicas:

1. La cartografla del borde norte del Sistema Central, ha servido de base para el estudio y modelización de las estructuras de la cobertera. En muchos casos, las observaciones han obligado a realizar nuevas cartografías a partir de las ya publicadas.

2. Las estructuras de la cobertera son pliegues monoclinales de dirección NE-SO asociados a fallas que, por sus características, se han definido como pliegues de propagación de falla con basamento implicado. A partir de las relaciones geométricas establecidas para este tipo de estructuras y aplicando distintos modelos, se ha calculado un buzamiento de las fallas entre 35° y 60°, tanto hacia el SE como hacia el NO.

3. En aquellos casos en los que la estructura se ha podido restituir, los acortamientos para cada estructura individual de plegamiento varían entre un 7% y un 13% aproximadamente.

4. A partir de la toma de 2892 estaciones gravimétricas, se ha elaborado el mapa de anomalías de Bouguer de la zona de estudio. La densidad de estaciones es de 0.12 estaciones por Km² y el error medio cuadrático es de ±1.85 mGal. Para cada una de las estaciones, se ha obtenido el valor de la anomalía de Bouguer completa. La corrección topográfica se ha realizado hasta los 167 Km. El mapa obtenido se ha interpolado en una malla de 3 Km.

5. Se han recogido 101 muestras con objeto de conocer la densidad de las rocas aflorantes en el área de estudio. Estos datos han sido completados con otros de sondeos y de relación densidad-velocidad de ondas sísmicas. Estas últimas han proporcionado los valores de densidad de las distintas capas corticales y del manto.

6. El mapa de anomalías de Bouguer presenta dos mínimos relativos, correspondientes a las cuencas del Duero y del Tajo, y un máximo relativo asociado con el Sistema Central. Esta última unidad estructural aparece separada de las dos anteriores me diante dos fuertes gradientes de dirección NE-SW. Los mínimos y máximos relativos de menor longitud de onda, presentan una buena correlación con las estructuras observables en el mapa geológico de la zona, y están relacionados con estructuras geológicas representadas por cuerpos de distinta densidad, situadas preferentemente en la parte superior de la corteza y en su mayor parte, aflorantes.

7. El ajuste polinómico y el análisis espectral han permitido separar la tendencia regional y la tendencia residual. Los mapas de anomalía regional obtenidos por ambos métodos son muy similares, correspondiendo al polinomio de orden 2 en el ajuste polinómico y a la superficie armónica de orden 4 en el análisis espectral.

8. La representación del logaritmo del espectro de potencia frente a la frecuencia radial, muestra que existen dos discontinuidades principales en la litosfera, situadas a 30 Km y 6.5 Km de profundidad media. Estas corresponderían a las profundidades medias de las fuentes que generan las anomalías.

9. Los datos gravimétricos, sumados a los geológicos de superficie, valores de densidad y datos sísmicos y de sondeos, han permitido la elaboración de cinco modelos gravimétricos en 2 + 1/2D, cuatro de ellos perpendiculares a la cadena y otro parale lo a la dirección de la misma. Los modelos muestran que el Sistema Central constituye un bloque cortical elevado a favor de dos fallas inversas de alto ángulo, en el cual la corteza superior adopta una geometría anticlinal. El Moho desciende un valor máximo de 1.5 Km por debajo de la cadena y la corteza media presenta un engrosamiento de 4 Km bajo el Sistema Central.

10. Los modelos gravimétricos han puesto de manifiesto la existencia en las cuencas del Duero y del Tajo de sendos depocentros adosados a los bordes del Sistema Central. En ellos, el espesor de sedimentos alcanza más de 3.000 m. Teniendo en cuenta la profundidad a la que se encuentra el basamento bajo estos depocentros, la componente vertical del salto de las fallas inversas que limitan el Sistema Central, es de unos 4.000 m.

11. En algunos casos, las superficies que limitan cuerpos de distinta densidad parecen haber canalizado la deformación alpina. Así, en la zona norte del Sistema Central, el plano que separa dos cuerpos de distinta naturaleza en el basamento se ha reactivado como una superficie de cabalgamiento en la que se enraízan los cabalgamientos y fallas inversas de esta zona, en el área comprendida entre Sepúlveda y Segovia.

12. A partir de modelos flexurales isostáticos, se ha calculado el Espesor Elástico Efectivo (EEE) de la litosfera mediante la relación de anomalías gravimétricas y topografla. El Espesor Elástico Efectivo mínimo calculado es de 15 Km, capaz de soportar el peso debido a la topografla del Sistema Central sin experimentar una importante deflección en la base de la misma. Este hecho concuerda con los resultados obtenidos del análisis espectral e inversión de los datos gravimétricos.

13. Dado que estos valores presentaban una cierta incertidumbre, sobre todo con respecto al parámetro coherencia, los resultados han sido contrastados con el EEE calculado a partir de perfiles reológicos. Las estimaciones por este método muestran un valor del EEE de 20 Km, coherente con los obtenidos anteriormente.

14. La modelización gravimétrica no pone de manifiesto la existencia de superficies que puedan ser interpretadas como cabalgamientos intracorticales involucrados en el engrosamiento de la corteza. Es evidente que sólo en el caso de existir un contraste de densidad entre las láminas implicadas, esta estructura podría quedar patente en los modelos de densidades. Las fallas de los bordes presentan un alto ángulo, por lo menos hasta los 10 Km de profundidad. A la vista de estos datos, no existen argumentos que justifiquen la existencia o inexistencia de un cabalgamiento cortical.