Estructura de la corteza y del manto litosférico en la zona de colisión entre la placa africana y la península ibérica

Memoria presentada como parte de los requisitos para obtener el Grado de Doctor en Ciencias, Sección Físicas. Instituto Geográfico Nacional y Universidad de Zaragoza Directores: Dr. D. Julio Mézcua Rodríguez (Instituto Geográfico Nacional). Dr. D. José Badal Nicolás (Universidad de Zaragoza).
Ezequiel Gurría Celiméndiz	Opción A	2000

RESUMEN
La zona de colisión entre la placa tectónica Africana y la península Ibérica, es de especial interés por contener la mayor parte de la sismicidad que afecta a la península Ibérica y también por ser una zona cuya evolución geológica ha sido compleja. Esta zona contiene el mar de Alborán que actualmente centra la atención de la comunidad geológica y geofisica internacional, por considerar que su evolución es paradigmática del proceso de delaminación litosférica, por el cual se desprende y hunde en el manto parte de la litosfera. Con la intención de contribuir al conocimiento de la estructura de velocidad sísmica de la corteza y del manto litosférico en la zona, se ha llevado a cabo un ambicioso estudio geofísico de la región partiendo de dos conjuntos de datos sísmicos distintos. El primer estudio se ha realizado utilizando ondas sísmicas superficiales del tipo Rayleigh con lo que se logra obtener información de la estructura litosférica de parte de la cuenca de Alborán, y parte de la cuenca de Argelia (o sur Balear). La escasa cobertura de la zona de estudio por las trayectorias epicentro — estación del conjunto de datos utilizado, solamente permite obtener resultados de baja resolución espacial, pero sí sirve para indicar la profundidad media del Moho y también revela las velocidades sísmicas características de la corteza inferior y el manto litosférico. También se ha procedido a regionalizar las velocidades de grupo observadas por inversión lineal de los tiempos de propagación de las ondas, con la idea de obtener valores locales y comparar estos resultados con los conseguidos anteriormente. En el segundo estudio utilizamos los tiempos de recorrido de las primeras llegadas de las ondas P y S del catálogo sísmico del Instituto Geográfico Nacional, para realizar una topografía de la corteza y del manto litosférico. La distribución de sismicidad y estaciones sísmicas del conjunto de datos nos permite obtener resultados con mayor resolución espacial que con el anterior conjunto de datos, y ademas nos permite centrar nuestra atención sobre el «Dominio de Alborán», que contiene la Cordillera Bélica y la cuenca del Mar de Alborán. Al comenzar este estudio tomográfico nos enfrentamos a dos dificultades. Por un lado el conjunto de datos era muy grande y proveniente de cuatro redes sísmicas distintas con diferentes características de error en cada estación sísmica. Esto hacía imposible determinar de manera objetiva el error en los datos y por tanto impedía calcular el error en los resultados tomográficos; algo muy común en los estudios de topografía de fuente pasiva. Por otro lado, la zona de. estudio era relativamente grande y geológicamente compleja lo cual supone siempre una dificultad a la hora de optar por un modelo de tierra inicial para inversión lineal. Estos dos problemas se han resuelto en éste trabajo. El primero mediante el desarrollo de un método que permite estimar el error estándar de los datos registrados en cada estación, utilizando enjambres de terremotos en diferentes posiciones del área de estudio. Con éste método se logra dar un paso hacia delante en la metodología de los estudios de topografía pasiva, al permitir estimar de manera cuantitativa los errores en los resultados tomográficos. El segundo problema se ha resuelto mediante un estudio exhaustivo del efecto de los datos iniciales y del modelo de tierra inicial sobre el resultado de la inversión. Una vez superadas estas dificultades, se han obtenido modelos de tierra en dos dimensiones y en tres dimensiones del Dominio de Alborán. Entre los resultados conseguidos destacamos dos: (i) que la profundidad media del Moho en el mar de Alborán se sitúa a mas de 20 km de profundidad; (ii) que existe un manto normal entre 31 y 40 km de profundidad con velocidades típicas de manto (8.1 ± 0.55 km/s), pero por debajo de esta tapadera de manto, entre 40 y 60 km de profundidad, existe manto con una velocidad excepcionalmente baja (7.8 ± 0.55 km/s), que podría ser indicio de un manto caliente proveniente de la astenosfera.
ABSTRACT
No disponible
ÍNDICE
Índice Agradecimientos iii Resumen iv Indice v Lista de Figuras ix Lista de Tablas xix Capítulo 1. Objetivos y descripción de la memoria 1.1 Introducción. 3 1.2 Planteamiento del problema. 4 1.3 Metodología 5 1.4 Resumen de los contenidos por capítulos. 5 Capítulo 2. Revisión de los conocimientos Geológicos y Geofísicos del – Mediterráneo Occidental 2.1 Introducción 9 2.2 El Océano Tethys y la apertura del Atlántico. 9 2.3 Historia reciente del Mediterráneo. 12 2.4 Estructura actual del Mediterráneo Occidental y de las Béticas. 14 2.4.1 Geología superficial. 14 2.4.2 Estructura cortical. 16 2.5 Modelos Evolutivos de la cuenca del Mar de Alborán. 24 2.5.1 Modelo basado en la actuación de fuerzas internas. 25 2.5.2 Evolución de la cuenca de Alborán por procesos de subducción. 25 2.5.3 Erosión de la litosfera continental por convección del manto. 25 2.4.4 Delaminación de la litosfera subcortical. 26 2.5 Resumen. 27 Capítulo 3. Longitudes de ondas largas. Cálculo y regionalización de velocidades de Ondas Superficiales 3.1 Introducción. 31 3.2 Filtrado digital de ondas sísmicas dispersadas. 33 3.2.1 Determinación de velocidades de grupo. 33 3.2 .2 El filtro Variable en Tiempo. 34 3.3 Método de regionalización. 35 3.4 Inversión. 37 3.5 Resumen. 38 Capítulo 4. Análisis de datos y resultados del estudio de Ondas Superficiales 4.1 Datos. 41 4.2 Velocidades de Grupo sin regionalizar. 45 4.3 Velocidades de Grupo regionalizadas. 59 4.3.1 Orientación de la malla que parametriza el modelo de tierra. 59 4.3.2 Resultados de la Regionalización. 61 4.4 Inversión de las velocidades locales. 70 4.5 Resumen. 74 Capítulo 5. Longitudes de onda cortas. Teoría y método de la topografía local 5.1 Introducción. ¿ Que es la topografía local? 79 5.2 Descripción del método de la topografía local. 80 5.3 El problema directo. 81 5.3.1 Derivadas parciales respecto de los parámetros hipocentrales. 82 5.3.2 Derivadas parciales respecto de los parámetros del modelo de tierra. 83 5.4 El problema inverso. 84 5.5 Resolución y error. 85 Capítulo 6. Análisis de datos y modelos de tierra iniciales 6.1 .1 Introducción. 91 6.2 Base de datos. 92 6.3 Identificación y reducción del ruido. 93 6.3.1 Características de los datos. 93 6.3.2 Estimación del nivel de ruido. 95 6.3.3 Influencia de la distribución de estaciones. 108 6.3.4 Influencia de la heterogeneidad del medio. 111 6.4 Modelado 1-D de las Béticas. 113 6.4.1 Datos utilizados. 113 6.4.2 Determinación de la profundidad y velocidad media del Moho y de la velocidad media de la corteza. 115 6.4.3 Estructura de velocidad sísmica. 118 6.5 Modelado 1-D del mar de Alborán. 120 6.5.1 Datos utilizados. 120 6.5.2 Determinación de la profundidad y velocidad media del Moho y de la velocidad media de la corteza. 121 6.6 Modelado conjunto de las Béticas y del Mar de Alborán 125 6.6.1 Datos utilizados. 125 6.6.2 Resultados obtenidos. 126 6.7 Resumen. 129 Capítulo 7. Inversión de datos. Tomografía de las Béticas y el mar de Alborán 7.1 Introducción. 133 7.2 Elección del modelo de tierra inicial. 134 7.3 Elección del factor de amortiguamiento. 135 7.4 Elección del tamaño de la malla. 136 7.5 Elección de la razón Vp/Vs. 141 7.5.1 Comportamiento de las velocidades. 141 7.5.2 Comportamiento de los errores. 148 7.5.3 Comportamiento de las resoluciones. 153 7.6 Tomografía de las Béticas y de la cuenca de Alborán. 158 Profundidad 0-11 km. 160 Profundidad 11-24 km. 161 Profundidad 24-31 km. 162 Profundidad 31-40 km. 163 Profundidad 40-60 km. 164 Relocalización hipocentral. 165 7.7 Resumen. 167 Capítulo 8. Conclusiones 8.1 Comentarios acerca de la metodología aplicada. 171 8.2 Resumen de los resultados basados en ondas superficiales. 172 8.3 Resumen de los resultados basados en ondas internas. 173 8.4 Propuestas para futuros estudios. 175 Referencias 177 Bibliografía 183 Anexo 1. Lista de terremotos utilizados en el estudio. 187 Anexo 2. Localización resultante del estudio tomográfico. 199
CONCLUSIONES
Resumen de los resultados basados en ondas superficiales Resumiremos en primer lugar los modelos de tierra obtenidos de la inversión de los datos de dispersión sin regionalizar y en segundo lugar los resultados obtenidos de los datos de dispersión regionalizados. Las trayectorias epicentro-estación cruzan 3 zonas. La primera serie de trayectorias cruza el margen norte de la cuenca del mar de Alborán y se registran en la estación de Málaga, la segunda serie de trayectorias cruzan la cuenca de Argelia, el archipiélago Balear y el surco de Valencia y se registran en la estación de Ebro y la tercera serie de trayectorias cruza la cuenca de Argelia y se registran en la estación de Alicante. Los resultados de invertir los datos de dispersión sin regionalizar muestran que para la primera serie de trayectorias observamos la discontinuidad corteza-manto a 25 km de profundidad aproximadamente y se observa otra discontinuidad a 35 km de profundidad en la que se pasa de velocidades típicas de manto litosférico a velocidades extremadamente bajas. En la segunda serie de trayectorias, la discontinuidad corteza-manto se observa a 25 km de profundidad para la mayoría de los trayectos y el canal de baja velocidad observado en la anterior serie, a 35 km de profundidad, también se observa en esta serie a la misma profundidad pero no en todas las trayectorias; una de las trayectorias indica el Moho a 12 km de profundidad y el canal de baja velocidad en el manto litosférico más cerca de la superficie, comenzando a 20-25 km de profundidad y extendiéndose hasta 35-40 km de profundidad. En la tercera serie de trayectorias los resultados obtenidos al invertir los datos de dispersión son más dudosos. En una trayectoria se observa el Moho a 25 km de profundidad y el canal de baja velocidad en el manto litosférico comenzando a 35 km de profundidad, pero en otra trayectoria cercana se observa el Moho a 12 km de profundidad y el canal de baja velocidad en el manto litosférico comenzando a 16-20 km de velocidad. También resumimos brevemente los modelos de tierra obtenidos de la inversión de las curvas de dispersión regionalizadas. Observamos velocidades medias típicas de corteza entre la superficie y los 12 km de profundidad. Entre los 12 km y los 32 km de profundidad se obtienen velocidades que bien podrían corresponder a corteza inferior ó a un manto superior con una velocidad anómalamente baja, por tanto la discontinuidad entorno a los 12-14 km de profundidad podría indicar una discontinuidad en la corteza, o la discontinuidad del Moho. El canal de baja velocidad que se observa en la zona de la cuenca de Argelia para el rango de profundidades 12-33 km, no se considera suficientemente fiable al ser el error asociado bastante alto y por tanto se debe considerar con mucha precaución. Por debajo de la discontinuidad a 28-32 km las velocidades obtenidas son típicas de manto y se observa otra discontinuidad a una profundidad de aproximadamente 45 km, donde comienza un canal de baja velocidad (Vp = 7.6 km/s). Resumen de los resultados obtenidos con ondas internas Se ha estudiado la estructura 1D de la tierra para la región de las Béticas y el mar de Alborán, primero cada región por separado y posteriormente en su conjunto, utilizando los datos de ondas internas P y S. Uno de los objetivos de esta parte del trabajo ha sido identificar diferencias estructurales significativas y encontrar un modelo de tierra inicial apropiado para el estudio 3-D de las Béticas y el mar de Alborán. Hemos constreñido la estructura 1-D de las Béticas pero no tan bien la del mar de Alborán. Del estudio 1-D de las Béticas concluimos que el mínimo global de la solución corresponde a un modelo de tierra con una velocidad media para la corteza de Vp=6.0 km/s y Vs= 3.5 km/s, lo que nos indica un VpNs=1.71 para la corteza de las Béticas. El Moho se observa a una profundidad de 30 km ± 5km con una velocidad de 7.8 km/s ± 0.2 km/s y Vs= 4.3 km/s ± 0.3 km/s. El estudio 1-D del mar de Alborán no constriñe la estructura de Alborán muy bien, pero aun siendo el mínimo del residuo ancho, sí se observa claramente que la corteza tiene una velocidad media Vp=6.4 ± 0.1 km/s y Vs=3.4 ± 0.2 km/s. La profundidad del Moho no se constriñe bien, solamente podemos decir que está a una profundidad de 30 km ± 10 km, con velocidad Vp=8.0 ± 0.2 km/s y Vs= 4.5 ± 0.1 km/s, pero lo que sí podemos observar claramente, es que la profundidad media del Moho es mayor que 20 km. También concluimos que el Vp/Vs para la corteza en Alborán es del orden de Vp/Vs = 1.88. En el estudio 1D conjunto de las Béticas y el mar de Alborán, observamos que el modelo final es independiente de las localizaciones hipocentrales iniciales y de los modelos de tierra iniciales, si éstos son lo suficientemente próximos a la realidad. Esto nos permite concluir que el conjunto de datos utilizado contiene suficiente señal para ser invertido en un estudio conjunto de las Béticas y el mar de Alborán, sin que el resultado quede anclado por el modelo de tierra o la localización inicial . En el estudio 1-D conjunto de las Béticas y el mar de Alborán, obtenemos un modelo de tierra final que consiste de una corteza con tres capas y discontinuidades a las profundidades de 11 km y 24 km. La velocidad Vp es casi constante en las tres capas con una velocidad media de 6.0 km/s. Las tres capas se observan más definidas en el resultado del modelo de tierra S, con Vs=3.3 km/s, 3.5 km/s y 3.7 km/s para las capas superior, media e inferior respectivamente. El Moho se observa entre 30 y 40 km y las velocidades del Moho son del orden de Vp = 7.6 – 7.8 km/s y Vs = 4.4 – 4.5 km/s. En el estudio 3-D de las Béticas y el mar de Alborán hemos resaltado la importancia de conocer la validez de los resultados obtenidos a la hora de interpretarlos. Para ello hemos considerado tres diagnósticos: los valores de la diagonal de la matriz de resolución, el error en el resultado y la densidad de rayos en cada celda del modelo de tierra y nos hemos limitado a interpretar solamente los resultados con buena resolución. Resumiendo los resultados obtenidos, observamos que las Béticas y el sur de España solamente están bien resueltos entre 0 y 31 km y observamos que requieren velocidades Vp más bajas que las del modelo inicial para este rango de profundidades. Entre 0-11 km de profundidad se obtiene Vp=5.8 – 5.9 ± 0.4 km/s en la parte Ibérica del arco de Gibraltar y velocidades de 6.2 ± 0.4 km/s hacia el Este, en las Béticas. El modelo de tierra inicial tenía Vp = 6.1 km/s a esta profundidad. Entre 11-24 km de profundidad, el modelo inicial tenía una velocidad Vp = 6.4 km/s. El resultado de la inversión nos da un Vp = 6.1 ± 0.35 km/s en el Arco de Gibraltar y las Béticas. Se observan velocidades mas altas (Vp=6.6 ± 0.35 km/s) en la parte Nor-Este del mar de Alborán. Entre 24 – 31km de profundidad el modelo inicial tenía Vp = 6.9 km/s. Resolvemos una zona pequeña con velocidades bajas de Vp=6.6 ± 0.4 km/s en la costa de Málaga; las velocidades incrementan a 7.2-7.4 ± 0.45 km/s en el interior de la cuenca de Alborán. Por debajo de los 31 km de profundidad no se consigue resolver la zona de las Béticas con la parametrización del modelo de tierra elegida. El mar de Alborán empieza a resolverse a partir de 24 km de profundidad y se obtienen resultados con buena resolución para el rango de profundidades 24-60 km. El interior de la cuenca del mar de Alborán favorece velocidades más altas (7.2-7.4 ± 0.45 km/s) que las correspondientes al modelo inicial (Vp=6.9 km/s) para la profundidad 24-31 km. Esto correspondería a velocidades típicas de la parte inferior de la corteza continental o bien a material de manto con velocidades anómalamente bajas. Para el rango de profundidades 31 – 40 km en el que se resuelve gran parte de la zona occidental de la cuenca de Alborán, se observan velocidades de 8.1 ± 0.55 km/s, que corresponden sin duda a material de manto. Para el rango de profundidades 40 – 60 km se resuelve el centro y margen norte de la cuenca de Alborán y curiosamente observamos velocidades más bajas (7.8 – 7.9 ± 0.55 km/s) que las del modelo inicial (8.1 km/s). Estas velocidades indican material de manto caliente ó la astenosfera, lo que apoyaría la idea de que falta parte del manto litosférico o que de alguna manera manto más caliente o astenosfera, existe a ésta profundidad, pero lo curioso de nuestros resultados es que entre 31 km y 40 km observamos velocidades correspondientes a manto litosférico normal. Si se ha desprendido y hundido parte del manto litosférico como proponen los modelos de delaminación , entonces esta separación no ocurre ni en la discontinuidad entre la corteza y el manto, ni dentro de la corteza inferior sino dentro del manto litosférico. Esto complica la posibilidad de que se haya producido delaminación, y parece apoyar la idea de que ha subido manto caliente o la astenosfera a estas profundidades por otro mecanismo. Hemos visto también como el nuevo modelo de tierra 3-D obtenido en el estudio tomográfico afecta la localización de la sismicidad. No es fácil interpretar la relocalización porque solamente son fiables los sismos localizados con trayectorias epicentro-estación que siempre atraviesan modelo de tierra fiable. Observamos de todas formas que la localización epicentral cambia poco en la mayoría de los casos; la profundidad de los hipocentros cambia más. Estos cambios más fuertes en la profundidad se deben a que la profundidad es el parámetro peor constreñido de los parámetros focales a causa de la baja densidad de estaciones sísmicas.