Estructura litosférica en el margen oriental de la Península Ibérica a partir de datos de sísmica de reflexión vertical y de gran ángulo

      El objetivo tecnológico básico del estudio es el desarrollo de una secuencia completa de procesado de datos de sísmica de reflexión profunda, desde las cintas originales de campo hasta la obtención de una sección sísmica sumada y migrada, y su correspondiente interpretación. Hasta ahora, los estudios de este tipo efectuados en nuestro país partían generalmente de las secciones sísmicas proporcionadas por las compañías contratadas para la adquisición y/o procesado convencional de datos. La disponibilidad en el Instituto de Ciencias de la Tierra, desde finales de 1990, de un sistema de tratamiento de sísmica de reflexión con todas las prestaciones necesarias («software INSIGHT/1 «) nos ha permitido llevar a cabo un procesado completo de registros sísmicos, tanto terrestres como marinos. Asimismo, se han podido abordar diversos objetivos de interés académico, para aumentar la resolución de determinados aspectos o zonas de los perfiles, algo fuera del alcance de un tratamiento convencional estándar. En especial, se ha planteado un desarrollo novedoso de procesado de sísmica de gran ángulo, adaptando las técnicas convencionales a dispositivos de registro de mucha mayor apertura.

      El objetivo científico del estudio es la determinación de la estructura litosférica en el margen oriental de la Península Ibérica. En esta región, dentro del proyecto ESCI (Estudios Sísmicos de Corteza Ibérica) financiado por el Plan Nacional de Recursos Geológicos se adquirieron, entre 1991 y 1992, 450 km de sísmica de reflexión profunda. El experimento incluye un perfil vertical en tierra de 50 km de longitud, desde el final del perfil ECORS hasta la costa Mediterránea, y otro en mar de 400 km, continuación del anterior a través del Surco de Valencia, hasta el SE de Mallorca (Fig. 1.1)

      La finalidad del perfil sísmico ESCI es la de obtener una transecta cortical continua, desde una cadena montañosa alpina hasta una zona de características estructurales oceánicas. Esta transecta se inicia en los Pirineos, incluyendo sus cuencas de antepaís, a partir de los datos disponibles del perfil ECORS, llega al Mediterráneo atravesando los Catalánides, y muestrea en mar el Surco de Valencia y sus flancos catalán y balear, hasta acabar en la cuenca Sud-balear al SE de Mallorca (Fig. 1.1).

      Para completar la imagen cortical que proporciona la sísmica de reflexión en el margen oriental de la Península Ibérica, se han tenido en cuenta otros dos conjuntos de datos. Por una parte, los disparos con cañones de aire del perfil ESCI marino se registraron no solamente con el dispositivo clásico de sísmica vertical («streamer») sino también a distancias mucho mayores, en estaciones autónomas emplazadas sobre el perfil ESCI de tierra (Fig. 1.1). Se obtienen así perfiles complementarios muy detallados de sísmica de gran ángulo.

      Por otra parte, se dispone de un experimento de perfiles de refracción efectuado en 1989 a partir de un gran número de fuentes explosivas en mar y registros en tierra (Dañobeitia et al., 1992). Dicho perfil (Perfil I, Fig. 1.1), paralelo al perfil ESCI y desplazado 30 km hacia el NE, permite estudiar las posibles variaciones laterales existentes. Finalmente, también se tendrán en cuenta registros en tierra en el SE de la Península, correspondientes a un perfil sísmico profundo llevado a cabo en la zona del mar de Alborán, englobado dentro del proyecto ESCI-Béticas.

      El análisis conjunto de los datos disponibles permite obtener una imagen estructural contrastada del margen NE peninsular. Las variaciones laterales de la estructura cortical ponen de relieve las características básicas de la transición desde un dominio de litosfera continental a otro de posibles características oceánicas.

      La memoria del trabajo se ha organizado en 9 capítulos que presentaremos brevemente a continuación:

      – En el capítulo 2 se analiza el marco geodinámico del Mediterráneo Occidental y la estructuración regional a partir de la bibliografía existente. Se incluye también una descripción breve de los trabajos y resultados geofísicos previos en la zona, así como una enumeración de los problemas no resueltos a los que este trabajo intentará aportar respuesta.

      – A lo largo del capítulo 3 se describe de manera general la secuencia de procesado que ha sido aplicada a los registros sísmicos verticales. Se analizan las principales características asociadas a las diferentes técnicas, sus rangos de aplicabilidad y limitaciones.

      – Las imágenes sísmicas resultantes de todo el procesado, son analizadas en el capítulo 4. Se presentan las secciones sísmicas ESCI terrestre y marina, así como las correspondientes al perfil ECORS. Se discuten las propiedades estructurales que pueden deducirse de las diferentes imágenes litosféricas obtenidas.

      – A pesar de que la sísmica de reflexión proporciona imágenes de gran resolución estructural en profundidad, carece de un control adecuado de la distribución interna de velocidades y plantea algunos problemas en zonas complejas, como las transiciones tierra-mar. En este sentido, la sísmica de gran ángulo ha resultado muy resolutiva. En primer lugar, en el capítulo 5 se realiza una modelización directa de los datos disponibles utilizando técnicas de trazado de rayos y sintéticos, lo cual permite caracterizar la distribución de velocidades en profundidad para las diferentes zonas.

      – En segundo lugar, a lo largo del capítulo 6 se desarrolla una metodología de procesado novedosa para los datos de reflexión de gran ángulo, los cuales son considerados como registros convencionales («shot-gathers») de sísmica de reflexión vertical pero de apertura mucho mayor. Ello es posible debido a las características particulares de los experimentos considerados. El hecho de realizar la adquisición en línea con los perfiles sísmicos marinos proporciona zonas donde existe cobertura múltiple, es decir, zonas donde es viable un procesado multicanal de reflexión. Las secciones sísmicas de gran ángulo resultantes son decisivas para determinar la estructura de las transiciones tierra-mar en los flancos catalán y balear.

      – Además, el tratamiento realizado permite comparar de manera directa y complementaria los resultados verticales y de gran ángulo. Ello ha llevado a la obtención de secciones sísmicas conjuntas, mostradas y discutidas en el capítulo 7.

      – En el capítulo 8 se discuten globalmente los resultados obtenidos a lo largo del trabajo, haciendo hincapié en algunos aspectos de especial interés. Se comparan las metodologías utilizadas y se indican las principales ventajas e inconvenientes asociadas a cada técnica. Se discute también la reflectividad cortical observada a lo largo de las líneas sísmicas, sobre todo en temas relevantes como los cambios laterales y los problemas asociados a las zonas de transición tierra-mar. A modo de síntesis de los principales resultados estructurales obtenidos, se presenta una transecta cortical a lo largo del margen Nor-oriental de la Península.

      Por último, se efectúa una comparación estructural, de reflectividad y distribución interna de velocidades, respecto a otros márgenes pasivos Mediterráneos y Atlánticos, y se analizan las características de la transición de un dominio continental a un dominio oceánico, evaluando hasta qué punto la estructura litosférica actual viene condicionada por la geodinámica del Mediterráneo Occidental.

      – En el capítulo 9 se enumeran las conclusiones del trabajo.

CAPITULO 2
MARCO GEODINÁMICO Y ESTRUCTURAL 7
2.1 EVOLUCIÓN GEOTECTÓNICA DEL MEDITERRÁNEO OCCIDENTAL 7
2.2 CONTEXTO REGIONAL 9
2.3 SURCO DE VALENCIA 12
2.3.1 Formación y estructuración 12
2.3.2 Contexto Geológico: Estratigrafía del Surco de Valencia 15
2.4 RESULTADOS GEOFÍSICOS DISPONIBLES 17
2.5 PROBLEMAS ESTRUCTURALES EXISTENTES 19

CAPITULO 3
ANÁLISIS Y PROCESADO DE REGISTROS 23
3.1 REPRESENTACIÓN DE LA TRAZA SÍSMICA EN EL ESPACIO DE FOURIER 26
3.1.1 Aliasing Temporal 28
3.1.2 Aliasing espacial 30
3.2 PROCESADO DE REGISTROS 31
3.2.1 Introducción de la geometría 31
3.2.2 Procesado inicial 32
3.2.3 Deconvolución 41
3.2.4 Correcciones Estáticas 45
3.2.5 Ordenación de CMPs 52
3.2.6 Correcciones Dinámicas 53
3.2.7 Correcciones Estáticas Residuales 62
3.2.8 Stack 63
3.2.9 Procesado Post-Stack 66
3.2.10 Migración 74

CAPITULO 4
PERFILES SÍSMICOS VERTICALES 83
4.1 PERFIL ESCI TERRESTRE 85
4.1.1 Síntesis de procesado 85
4.1.2 Características de la estructura cortical 89
4.2 PERFIL ECORS 95
4.2.1 Síntesis de procesado 96
4.2.2 Características de la estructura cortical 96
4.2.3 Sección conjunta ECORS-ESCI 102
4.3 PERFIL ESCI EN MAR 102
4.3.1 Síntesis de procesado 106
4.3.2 Características de la estructura cortical 111

CAPITULO 5
DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDADES CON LA PROFUNDIDAD: SÍSMICA DE GRAN ÁNGULO 141
5.1 PERFIL ESCI 143
5.1.1 Registros en la Península 143
5.1.2 Registros en Mallorca 1 47
5.2 PERFIL I 151
5.2.1 Registros en la Península 151
5.2.2 Registros correspondientes a los OBS 154
5.2.3 Registros en Mallorca 156
5.3 ESTABILIDAD Y RESOLUCIÓN DE LOS MODELOS PROPUESTOS 156
5.3.1 Velocidades subcorticales 156
5.3.2 Espesor cortical en el centro del Surco de Valencia 159
5.3.3 Posibilidad de un gradiente de velocidad en la corteza inferior 162
5.3.4 Variaciones laterales de la base de la corteza 162
5.4 SÍNTESIS Y DISCUSIÓN DE LOS MODELOS DE VELOCIDADES 166

CAPITULO 6
SECCIÓN SÍSMICA MULTICANAL DE GRAN ÁNGULO 171
6.1 PROCESADO DE LOS REGISTROS 174
6.1.1 Introducción de la geometría 174
6.1.2 Procesado inicial 178
6.1.3 Fases refractadas 178
6.1.4 Deconvolución 179
6.1.5 Correcciones Estáticas 180
6.1.6 Ordenación en grupos de CMP 180
6.1.7 Correcciones Dinámicas 181
6.1.8 Sección Sísmica 185
6.1.9 Migración 188
6.1.10 Resumen comparativo de las secuencias de procesado de gran ángulo y de incidencia normal 191
6.2 RESULTADOS OBTENIDOS 195
6.2.1 Perfil ESCI 195
6.2.2 Perfil I 196
6.2.3 perfil Alborán 199

CAPITULO 7
IMÁGENES COMBINADAS DE SÍSMICA MULTICANAL 203
7.1 SECCIONES SÍSMICAS VERTICALES Y DE GRAN ÁNGULO 205
7.1.1 Margen catalán 205
7.1.2 Margen balear 208
7.1.3 Imágenes globales: secciones sumadas y migradas 213
7.2 COMPARACIÓN ENTRE LA MODELIZACIÓN DE VELOCIDADES Y SECCIONES PROFUNDAS SÍSMICAS 217

CAPITULO 8
DISCUSIÓN 219
8.1 ANÁLISIS COMPARATIVO DE LAS METODOLOGÍAS APLICADAS 220
8.2 REFLECTIVIDAD CORTICAL OBSERVADA 223
8.3 CAMBIOS LATERALES EN LA REFLECTIVIDAD CORTICAL 227
8.4 TRANSICIONES TIERRA-MAR («ONSHORE-OFFSHORE») 230
8.5 MODELOS DE PROFUNDIDAD-VELOCIDAD 231
8.6 MODELOS PROPUESTOS PARA LA FORMACIÓN DEL MARGEN DE LA PENINSULA IBÉRICA 232
8.7 TRANSECTA EN TIEMPO Y EN PROFUNDIDAD 235
8.8 COMPARACIÓN CON OTROS MÁRGENES PASIVOS 238

CAPITULO 9
CONCLUSIONES 245

BIBLIOGRAFÍA 249

ANEXO I 261

ANEXO II 287

      – La sísmica de reflexión vertical proporciona imágenes generalmente de una gran resolución estructural tanto superficial como profunda. No obstante, las secciones analizadas en este trabajo muestran una disminución importante en la resolución de las zonas de transición, tierra-mar y no proporcionan un buen control de la distribución interna de velocidades.

      – La modelización directa de registros de gran ángulo mediante técnicas de trazado de rayos y sismogramas teóricos proporciona un buen control del perfil de velocidades existente en cada zona.

      
– El procesado de los datos de gran ángulo utilizando técnicas de sísmica de reflexión vertical constituye una aportación metodológicamente novedosa y que ha conllevado la obtención de secciones sísmicas multicanales de gran ángulo.

      – Las secciones sísmicas de gran ángulo proporcionan resultados decisivos en áreas donde la sísmica vertical carece de resolución (transiciones tierra-mar) y permite una comparación más directa entre ambos tipos de resultados.

      – La aplicación conjunta de las tres metodologías sísmicas desarrolladas, combinando y contrastando sus resultados respectivos, resulta imprescindible para abordar con la suficiente resolución una transecta estructural en áreas de interés geodinámico.

      Por lo que se refiere a las conclusiones a nivel estructural, pueden destacarse las siguientes:

      – Los resultados del perfil ESCI de sísmica de reflexión vertical en su segmento terrestre permiten extender con continuidad la imagen cortical proporcionada por el perfil ECORSPirineos hasta la costa mediterránea. Las secciones de ambos perfiles muestran una notable consistencia en su zona de unión, donde una corteza superior bastante transparente bajo los sedimentos contrasta con una elevada reflectividad en la corteza inferior, desde 14 km de profundidad. La base de la corteza se mantiene en torno a los 32 km de profundidad hasta la cuenca de Reus.

      – A partir de los tiros del perfil marino ESCI registrados en tierra, los resultados de gran ángulo (secciones sísmicas y modelización de velocidades) bajo la cuenca de Reus confirman la continuidad tanto del Moho como del reflector a 14-15 km de profundidad que marca la transición a corteza inferior. Se pone de manifiesto que la corteza empieza a adelgazarse únicamente en las inmediaciones de la costa mediterránea.

      – La gran reflectividad asociada a la corteza inferior, que puede observarse en los dos perfiles terrestres ECORS y ESCI, contrasta con importantes cambios laterales a lo largo del perfil ESCI-marino.

      – En los primeros kilómetros de la línea marina se observa bajo la potente cobertera sedimentaria una corteza globalmente transparente que contrasta con una gran reflectividad asociada a la corteza inferior a unos 30 km de la línea de costa. Dicha reflectividad prosigue hacia el centro del Surco y se pierde completamente hacia el SE del mismo.

      – Los resultados complementarios de gran ángulo muestran para los flancos del Surco de Valencia adelgazamientos muy fuertes y continuos hacia el centro de la cuenca.

      – Los modelos de profundidad-velocidad presentan velocidades oscilando entre 2.4 y 5.1 km/s para la secuencia sedimentaria, 5.9-6.1 km/s para la corteza superior y valores de 6.4-6.5 km/s para la corteza inferior. Las velocidades subcorticales obtenidas son de 8.0 km/s en el NE de la Península y ligeramente inferiores hacia el centro del Surco. No existe evidencia alguna de velocidades Pn inferiores a 7.8 km/s.

      – En el segmento NW del Promontorio Balear, bajo la estructuración sedimentaria hay que señalar la existencia de una corteza superior transparente y corteza inferior muy reflectiva, estructurada en forma de reflectores buzantes y paralelos a la base de la corteza. Esta imagen contrasta con una disminución de reflexiones corticales hacia el SE, donde tan solo existen evidencias de un nivel reflectivo profundo mostrando un adelgazamiento cortical progresivo hacia la Cuenca Sud-balear.

      – Los resultados obtenidos en la zona de la cuenca Sud-balear indican una estructuración claramente diferenciada respecto al resto de la línea. Hay que destacar bajo la sedimentación plio-cuaternaria, un marcado nivel reflectivo muy fracturado. El único nivel de reflectividad cortical bastante claro y con cierta continuidad se sitúa entre 6 y 7 s. Esta reflectividad puede atribuirse a niveles inferiores de corteza, o incluso al Moho. En este último caso, la corteza sería probablemente de tipo oceánico. No obstante, la falta de control sobre las velocidades en la zona impide confirmar la naturaleza oceánica de la cuenca Sud-balear.

      – La falta de reflectividad subcortical a lo largo de la zona estudiada permite inferir una estructuración sísmicamente homogénea del manto litosférico.

      – Los resultados de este trabajo permiten presentar una transecta cortical desde los Pirineos hasta la cuenca Sud-balear. Cabe destacar la buena resolución en la estructura cortical desde los Pirineos hasta la línea de costa; además, ha sido posible delimitar la posición de la base de la corteza a lo largo de toda la transecta, exceptuando la zona de la cuenca Sud-balear.

      – Aunque en algunos márgenes Atlánticos afectados por una tectónica puramente extensional se han observado adelgazamientos comparables a los del margen NE de la Península Ibérica, la magnitud y rapidez del adelgazamiento en el Surco de Valencia parece estar en relación con la tectónica compresiva que afectó la zona y bloqueó una primera fase de rift. En cambio, la mayor duración e importancia de la tectónica extensional en la cuenca Sud-balear ha podido producir, al igual que en la cuenca Provenzal, una estructuración cortical con características oceánicas.