Desenvolupament de models numerics de placa prima per a l’estudi de la deformació litosfèrica. Aplicació a la zona Açores-Gibraltar.

      Este trabajo ha sido dividido en dos partes. Una primera donde se hace una descripción del modelo desarrollado y se utiliza para el estudio de la evolución de la litosfera en tres contextos compresivos (capítulos 1-3). Una segunda donde se utiliza el mismo método para estimar la neotectónica del límite de placas entre Eurasia y África en el segmento Azores-Gibraltar (capítulos 4-7). Al final se incluye un capítulo de discusión (capítulo 8).

      En un modelo evolutivo de la litosfera (Parte I), hacen falta heterogeneidades iniciales para localizar la deformación. Estas heterogeneidades pueden ser de distintos tipos: en las condiciones de contorno, la geometría, térmicas, reológicas,… Por otro lado, el modo de deformación dependerá de los valores relativos de la viscosidad o resistencia litosférica entre las distintas áreas, más que de sus valores absolutos. Se ha observado que variaciones de espesores corticales iniciales o litosferas con diferentes producciones de calor, actúan como heterogeneidades reológicas (capítulo 3).

      La interacción entre Eurasia y Africa en el segmento de Azores-Gibraltar (Parte II), resulta de la expansión oceánica de la dorsal Medio-Atlántica con una velocidad de expansión ligeramente superior al norte del punto triple de Azores de al sud. Esto origina un movimento relativo dextrógiro lento entre las dos placas. Respecto al límite de placas, éste está muy bien determinado en la litosfera oceánica, pero es muy difuso hacia la zona continental. Debido a esta incertidumbre en la posición de la zona de contacto entre las dos placas, se han estudiado diferentes geometrías y resistencias para límite de placas.

      La estructura cortical y litosférica, junto con el régimen térmico, se ha determinado integrando datos de elevación, flujo de calor superficial y espesores cortical y litosférico (capítulo 5). Partiendo de esta estructura se ha determinado las variaciones laterales de la resistencia litosférica o viscosidad.

      La cinemática entre las dos placas está regida por la rotación antihorario de la placa Africana respecto la Eurasiática. La comparación de los resultados del modelo con las observaciones de velocidad de deformación (obtenidas a partir de datos de sismicidad) y direcciones de esfuerzos (a partir de diferentes indicadores de esfuerzos) muestran que, entre todos los polos de rotación publicados, el determinado por Argus et al. (1989) (18.8°N, 20.3°W y velocidad angular 0.104°/Ma) es el que mejor ajusta estos datos (capítulo 6). El límite de placa se ha considerado como una zona con una viscosidad o resistencia litosférica menor. El límite entre Azores y el Banco de Gorringe es muy marcado obteniéndose una resistencia claramente menor 44—0.06). En cambio, el límite de placa hacia el este no es tan claro, mostrando una resistencia mayor (.4—0.3), siendo el modelo que mejor ajusta los observables con un límite de placa que se bifurca por el norte de África y por el sur de la Península Ibérica. Con el límite de placa determinado, las zonas con velocidades de deformación máximas coinciden con la distribución regional de la sismicidad observada. También se obtiene un buen ajuste de las direcciones de máxima compresión.

      Finalmente, se utiliza otro programa (capítulo 7), para hacer un estudio más detallado de la actividad de las diferentes fallas de la zona. La actividad resultante de las fallas del interior de la Península Ibérica es de un movimiento direccional muy poco importante enfrente del límite de placas. Por otro lado, el Atlas es una zona bastante activa, con velocidades de deformación elevadas, siendo comparables a las del límite de placas.

      Por tanto, es un modelo adecuado para estimar las zonas de maxima deformación y por tanto con un mayor riesgo sísmico.

      In this work the numerical model has been developed using the plane stress or thin sheet approximation. The lithosphere is treated like a viscous fluid, with a vertical averaged rheology. This allows doing a quasi 3-D treatment, loosing details about the internal deformation of the lithosphere.

      The numerical code developed in this work uses the finite difference method, coupling the thermal and mechanical equations. The radiogenic heat production has been incorporated with models using both exponential and constant distribution of radiogenic sources in the crust. A detailed study of the rheology and heat production shows that heat production plays a major role in lithospheric deformation.

      The code has been used to study: I) the lithospheric evolution in three theoretical compressive tectonic settings, and II) the neotectonics at the boundary between the Eurasia and Africa plates, along the Azores-Gibraltar segment.

      I) In this part of the thesis we show that lithospheric dynamic modelling needs of initial heterogeneities to localise deformation. These heterogeneities can affect the boundary conditions, the initial geometry, the temperature distribution, rheological behaviour and many other conditions. The mode of deformation will depend on the relative lateral variations of viscosity or lithospheric strength rather than on their absolute values. Initial crustal thickness variations and radiogenic heat production can act as rheological heterogeneities.

      II) A steady state model has ‘been applied to study the neotectonics of the Azores-Gibraltar region. The crustal and lithospheric structure and the lithospheric thermal regime have been calculated by integrating elevation, surface heat flow, and crustal and lithospheric thickness. The resulting lithospheric structure has allowed us to calculate the lateral variations of viscosity and the strength of the lithosphere.

      The kinematics of the two plates is governed by the counterclockwise rotation of Africa relative to Eurasia. The comparison between results of the model and the observations of strain rate (from seismic data) and stress orientation (from various stress indicators) suggests that the rotation pole proposed by Argus et al. (1989) (located at 18.8 W,, 20.3 TV, with an angular velocity of 0.104 Ma) is the best fit.

      The plate boundary has been modelled as a weak zone with a lower viscosity or lithospheric strength. The plate boundary between Azores and Gorringe Bank is well defined and the estimated strength very low (p–0.06). The extension of the plate boundary to the east is not so well defined, and the model which provides the best fit to the observations is considering a double plate boundary, with one of the branches striking along north Africa and the other one along the southern part of the Iberian Peninsula. The relative weakness of this double boundary (p-0.3) is lesser than at the west plate boundary, and therefore deformation is not so localised. The maximum strain rates and stress orientations resulting from this plate boundary geometry fits considerably well with the observations. The tectonic regime obtained from the model in the Iberian Peninsula is mainly characterised by strike-slip deformation with relatively low strain rates. In contrast, the tectonic activity of the Atlas region is noticeably higher, with strain rates similar to the ones obtained along the Eurasian-African plate boundary.

PART I – MODELS DE PLACA PRIMA. INFLUENCIA DE LA PRODUCCIÓ RADIOGÈNICA DE CALOR EN LA DEFORMACIÓ LITOSFÈRICA

INTRODUCCIÓ 11
1. APROXIMACIONS I FORMULACIÓ. MODEL CONCEPTUAL DE PLACA PRIMA 15
1.1 REOLOGIA 16
1.1.1 Resistència litosferica 16
1.1.2 Reologia utilitzada al model de placa prima 18
1.1.3 Número d’Argand 20
1.1.4 Relació entre la resistència litosfèrica i el número d’Argand 20
1.2 MODEL MECÀNIC 23
1.2.1 Equació d’equilibri 23
1.2.2 Variació del gruix cortical 25
1.3 MODEL TÈRMIC 25

2. MODEL NUMERIC 29
2.1 DIFERÈNCIES FINITES 29
2.1.1 Viscositat 30
2.1.2 Camp de velocitats 31
2.1.3 Deformació, nou gruix cortical 32
2.1.4 Discretització temporal de l’equació tèrmica 32
2.2 CONDICIONS DE CONTORN 33
2.2.1 Temperatura i gruix cortical 34
2.2.2 Camp de velocitats 34
2.3 DIAGRAMA DE FLUX 35

3. DEFORMACIÓ LITOSFÈRICA. CONDICIONS DE CONTORN I INFLUENCIA DE LA PRODUCCIÓ DE CALOR 41
3.1 GEOTERMES, RESISTENCIA LITOSFÈRICA I NÚMERO D’ARGAND 43
3.2 PLACA HOMOGÈNIA, DEFORMACIÓ UNIFORME 47
3.3 DISTRIBUCIÓ DE VELOCITATS EN FORMA D’ESGLAÓ 49
3.4 VARIACIONS DE GRUIX CORTICAL 57
3.5 VARIACIONS LATERALS DE PRODUCCIÓ DE CALOR 65
3.6 CONCLUSIONS 71

PART II — RÈGIM ACTUAL DEL LÍMIT DE PLAQUES AÇORES-GIBRALTAR
INTRODUCCIÓ 75

4. CONTEXT GEODINÀMIC. DADES 79
4.1 EVOLUCIÓ GEODINÀMICA 80
4.1.1 Paleozoic 80
4.1.2 Mesozoic 81
4.1.3 Cenozoic 82
4.2 DESCRIPCIÓ GENERAL 85
4.2.1 Sector d’Açores 85
4.2.2 Sector Central 88
4.2.3 Sector de l’Est 89
4.3 DADES UTILITZADES 91
4.3.1 Elevació 92
4.3.2 Gruixos corticals 93
4.3.3 Flux de calor superficial 93
4.3.4 Moviment relatiu entre Euràsia i Africa 96
4.3.5 Direccions deis esforços principals 99
4.3.6 Sismicitat 101

5. ESTRUCTURA I RESISTÈNCIA LITOSFÈRICA 109
5.1 MÈTODE QUE RELACIONA L’ELEVACIÓ, EL FLUX DE CALOR SUPERFICIAL I ELS GRUIXOS CORTICAL I LITOSFÈRIC 109
5.1.1 (1) elevació i flux de calor superficial com a variables independents 112
5.1.2 (2) elevació i gruix cortical com a variables independents 113
5.2 DETERMINACIÓ DE L’ESTRUCTURA LITOSFÈRICA 114
5.3 RESISTENCIA LITOSFÈRICA (Fu) I NÚMERO D’ARGAND (AR) 118

6. LÍMIT DE PLAQUES ACTUAL EN EL SEGMENT AÇORES-GIBRALTAR. DISTRIBUCIÓ D’ESFORÇOS, DEFORMACIÓ I POLS DE ROTACIÓ 123
6.1 POSSIBLES LIMITS DE PLACA 123
6.2 CONDICIONS DE CONTORN. POL DE ROTACIÓ 125
6.2.1 Càlcul de les velocitats a partir deis pois de rotació 126
6.2.2 Condicions de contorn aplicades 126
6.3 RESULTATS D’UHURU 130
6.3.1 Direccions d’esforços i tipus de deformació 131
6.3.2 Velocitat de deformació i coeficient de correlació 132
6.3.3 Moviments relatius en el limit de plaques 133
6.4 MODEL 0, SENSE LIMIT DE PLAQUES AFRICA-EURASIA 133
6.5 MODELS 1 12, LIMIT DE PLACA A LA LITOSFERA OCEÀNICA 135
6.6 LIMIT DE PLACA D’AÇORES A ALBORAN 142
6.6.1 Model 3, limit de placa senzill passant per l’estret de Gibraltar 142
6.6.2 Models 4, limit de placa doble a l’orient del Golf de Cadis, domini d’Alboran 144
6.7 CONCLUSIONS 149

7. NEOTECTÓNICA DE LA ZONA AÇORES-GIBRALTAR 155
7.1 PROGRAMA SHELLS 155
7.1.1 Paràmetres i resistència litosferica 156
7.1.2 Paràmetres de falla, coefficient de fricció 160
7.1.3 Condicions de contorn 161
7.2 RESULTATS DEL SHELLS 161
7.2.1 Discussió deis resultats 161
7.3 CONCLUSIONS 169

8. DISCUSSIÓ GENERAL 173
8.1 MODEL NUMERIC – LIMITACIONS 173
8.2 REOLOGIA I PRODUCCIÓ RADIOGÈNICA DE CALOR 174
8.3 ESTUDI DE LA ZONA AÇORES-GIBRALTAR 176

ÍNDEX DE FIGURES I TAULES 183

NOTACIÓ UTILITZADA 191

REFERÈNCIES BIBLIOGRÀFIQUES 195

ANNEX 209