ESTRUCTURA CORTICAL DE LA CORDILLERA CANTÁBRICA Y SU TRANSICIÓN A LA CUENCA DEL DUERO A PARTIR DE DATOS DE SÍSMICA DE REFRACCION/REFLEXION DE GRAN ÁNGULO

El estudio y modelización de los datos sísmicos pertenecientes a este proyecto, en total, unos 1200 km de líneas de sísmica de refracción/reflexión de gran ángulo con tiros en tierra, repartidos en un perfil principal Este-Oeste y cuatro perfiles transversales, se ha completado con otro conjunto de datos sísmicos de gran ángulo procedentes de un experimento complementario al proyecto ESCIN (Estudios Sísmicos de la Corteza Ibérica Norte), donde a partir de los disparos en mar para la obtención de las líneas de sísmica multicanal, se implantaron estaciones en tierra para registrar las reflexiones de gran ángulo y extender así la interpretación a la zona de transición tierra-mar en el margen noribérico. Del mismo modo se ha estudiado otro perfil perteneciente al proyecto IAM situado en la zona más occidental de dicho margen.

Hasta ahora, el estudio de la estructura interna de áreas características de la Península Ibérica por sísmica de refracción se había abordado esencialmente a partir de perfiles sísmicos realizados en zonas alpinas: Béticas (Banda y Ansorge, 1980), Pirineos (Gallart et al., 1981; Daignières et al., 1982), y Cadena Ibérica (Zeyen et al., 1985). Asimismo, se habían realizado experimentos en otras zonas del Macizo Ibérico: Sureste (So Caetano, 1983), Meseta Central (Banda et al., 1981; Suriñach y Vegas, 1988), y Galicia (Córdoba et al., 1987, 1988; Téllez et al., 1993). Sin embargo, no se disponía de ningún dato en las zonas más características del orógeno varisco (Zona Cantábrica y Zona Asturoccidental Leonesa), ni en la Cordillera Cantábrica, uno de los principales rasgos orográficos de la Península.

Con el proyecto ESCIN se da un impulso espectacular en el conocimiento de la estructura profunda de esta zona. La realización de 300 km de perfiles de sísmica de reflexión profunda en tierra y 500 km en mar para conocer la estructura litosférica del Noroeste Peninsular y sus márgenes continentales, ha dotado de otra dimensión al conocimiento geológico que se tenía de la zona (Pérez-Estaún et al., 1994; Ayarza, 1995; Alvarez-Marrón et al., 1996; Pulgar et al., 1996).

La información proporcionada por el estudio y procesado de estas lineas ha sido introducida en los modelos de refracción cuya interpretación ha sido en muchas ocasiones pareja a la de los datos de reflexión, proporcionando así algunas restricciones y con el resultado de una modelización más contrastada y realista. Asimismo, una mayor extensión en el experimento de refracción debido principalmente al relativo bajo coste respecto al de reflexión, ha permitido obtener datos de zonas no muestreadas por los perfiles de sísmica de reflexión con resultados que han sido espectaculares en lo que se refiere a la influencia alpina en el desarrollo cortical de la Cordillera Cantábrica y sus unidades geológicas adyacentes.

Los objetivos primordiales del proyecto de sísmica de refracción pasaban por establecer los parámetros elásticos de la corteza y manto superior y su correlación con la litología y más concretamente por:

• La correlación del basamento sísmico y otras posibles discontinuidades de la corteza superior.
• La caracterización de la corteza inferior en un área varisca estable.
• La determinación del espesor cortical, la naturaleza y variaciones laterales del Moho.
• El establecimiento de las velocidades sísmicas en los diferentes horizontes corticales y en el manto superior.
• La comparación de los resultados con los obtenidos en las zonas internas (Galicia).
• El análisis de la transición hacia las estructuras pirenaicas: la Cordillera Cantábrica como limite occidental de la deformación alpina.
• El estudio de las variaciones corticales hacia el margen noribérico y hacia el margen gallego.
• El análisis comparativo de los resultados de sísmica de reflexión vertical y refracción en perfiles coincidentes.

La memoria del trabajo realizado se ha estructurado en siete capítulos:

El capítulo 1, describe el marco geológico donde tiene lugar el estudio de refracción ateniéndose sobre todo a la evolución cinemática y principales eventos tectónicos del área, así como una breve descripción de los estudios geofísicos previos. El capítulo 2 describe el experimento de campo y el método de interpretación utilizado para modelizar los datos sísmicos. Los capítulos 3 y 4 corresponden al grueso de la tesis y al principal trabajo realizado mostrando los datos y los modelos de velocidad de ondas P finalmente obtenidos, para los perfiles en tierra y en mar respectivamente. El capítulo 5 incluye un estudio de la gravedad a partir de los modelos de velocidades mientras que en el capítulo 6 se proporciona una visión general y una interpretación final con la discusión de los resultados para cada capa o zona cortical. En el capítulo 7 se presentan las principales conclusiones y aportaciones del trabajo. Por último existe un índice de figuras y tablas para facilitar la lectura del texto.

CAPITULO 1. MARCO GEOLÓGICO. LA HISTORIA DE DOS OROGENIAS 5
1.1 INTRODUCCIÓN 5 
1.2 EL CICLO VARISCO 7
1.3 EL CICLO ALPINO Y LA APERTURA DEL GOLFO DE VIZCAYA 1,2
      1.3.1 La apertura del Golfo de Vizcaya, 15
      1.3.2 La compresión alpina, 1.9
      1.3.3 Interpretación actual de la estructura alpina de la Cordillera Cantábrica 19
1.4 EL MARGEN NORIBÉRICO 21
1.5 LA CUENCA VASCOCANTÁBRICA 24
1.6 LA CUENCA DEL DUERO 25
1.7 LA CUENCA DE OVIEDO 27
1.8 ESTUDIOS GEOFÍSICOS PREVIOS 27

CAPITULO 2. ADQUISICIÓN DE LOS DATOS. TRATAMIENTO Y MÉTODO DE INTERPRETACIÓN. 31
2.1 EL EXPERIMENTO DE CAMPO 34
2.2 LOCALIZACIÓN DE LOS PERFILES 34
2.3 PROCESADO DE LOS DATOS 35
2.4 MÉTODO DE INTERPRETACIÓN 37
      2.4.1 Modelización de amplitudes 39
2.5 ESTIMACIÓN DEL ERROR EN LOS MODELOS 41
     2.5.1 Resolución espacial 42
     2.5.2 Incertidumbre absoluta 42

CAPITULO 3. PERFILES TERRESTRES. ANÁLISIS DE LOS DATOS Y MODELOS DE VELOCIDAD. 45
3.1 INTRODUCCIÓN 45
3.2 PERFIL PRINCIPAL ESTE-OESTE. PERFIL 1 46
      3.2.1 Descripción de las fases 48
               TIRO C 48
               TIRO B OESTE 52
               TIRO B ESTE 56
      3.2.2 Descripción general del modelo 60
3.3 PERFIL 5 68
     3.3.1 Descripción de las fases 69
              TIRO F 69
              TIRO G 72
      3.3.2 Modelo de velocidad 76
3.4 PERFIL 2 81
      3.4.1 Descripción de las fases 82
               TIRO F 82
      3.4.2 Modelo de velocidad 83
3.5 PERFIL 4 89
     3.5.1 Descripción de las fases 90
              TIRO D 90
              TIRO E 91
     3.5.2 Modelo de velocidad 95
3.6 PERFIL 3 101
     3.6.1 Descripción de las fases 1.02
              TIRO D 102
              TIRO C 103
     3.6.2 Modelo de velocidad 107
3.7 ENSAMBLAJES DE ONDAS S 113
      3.7.1 El tiro C del perfil 1. La relación de Poisson 0.25 114
      3.7.2 Perfil inverso. Tiro B hacia el Oeste, 114
      3.7.3 Perfil 3. Tiro C 115
      3.7.4 Tiro D. Perfil 3 y Perfil 4 115
      3.7.5 Tiros B, E y G. Perfiles 4, 1 y 5 116
      3.7.6 Tiro F. Perfiles 5 y 2 116

CAPITULO 4. PERFILES MARINOS. ENSAMBLAJES Y MODELOS DE VELOCIDAD DE ONDAS P. 129
4.1 INTRODUCCIÓN 129
4.2 PROCESADO MULTICANAL DE LOS DATOS DE GRAN ÁNGULO 131
4.3 PERFIL ESCIN-4 133
      4.3.1 Descripción de los datos y correlación de fases sísmicas 134
               a) Estaciones 20, 21, 22 y 23 135
                    La fase P*: ¿PmP o Pn? 138
               b) Las estaciones lejanas: 24, 25 y 26 144
                    La fase PmP’ 150
      4.3.2 Modelo de velocidades 155
      4.3.3 Análisis multicanal de la reflexión PmP 163
4.4 PERFIL IAM-12 169
      4.4.1 Descripción de las fases 172
      4.4.2 Modelo de velocidad 116
4.5 PERFIL ESCIN-3.1 192
      4.5.1 Descripción de las fases 195
      4.5.2 Modelo de velocidades 208

CAPITULO 5. ESTUDIO DE LA GRAVEDAD 217
5.1 INTRODUCCIÓN 217
5.2 DATOS DE GRAVEDAD. MAPA DE ANOMALÍAS GRAVIMETRÍCAS 119
5.3 TRANSECTAS NORTE-SUR 221
       5.3.1 Transecta IAM-12 221
       5.3.2 Transecta 4 223
       5.3.3 Transecta 5 225
5.4 DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS DE LA MODELIZACIÓN GRAVIMÉTRICA 226

CAPITULO 6. ESTRUCTURA GENERAL DE LA CORTEZA. INTERPRETACIÓN Y DISCUSIÓN. 231
6.1 LOS SEDIMENTOS 232
6.2 LA CORTEZA SUPERIOR 239
      6.2.1 La estructura sísmica de los cabalgamientos 245
      6.2.2 Zonas de alta velocidad 247
      6.2.3 Zonas de baja velocidad 251
      6.2.4 Composición de la corteza superior 252
6.3 LA CORTEZA MEDIA 253
      6.3.1 Composición de la corteza media 256
6.4 LA CORTEZA INFERIOR 256
     6.4.1 Composición de la corteza inferior 262
     6.4.2 La reflectividad de la corteza inferior 263 
6.5 EL ENGROSAMIENTO CORTICAL 265
     6.5.1 La presencia de engrosamientos en orógenos de distinta edad 265
     6.5.2 La geometría del engrosamiento 266
     6.5.3 Distribución de velocidades en la zona engrosada 267
     6.5.4 El engrosamiento según la gravimetría 269
     6.55 Una imagen paradójica 272
     6.5.6 Consideraciones sobre la subducción oceánica en el margen 273
     6.5.7. Edad del engrosamiento 275
     6.5.8 Interpretación general 278
6.6 EL MANTO SUPERIOR 279
6.7 LA CORTEZA DE TRANSICIÓN Y LA CORTEZA OCEÁNICA 281
6.8 COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS CON OTRAS CADENAS DE COLISIÓN 284
     6.8.1 El cinturón varisco europeo 284
     6.8.2 Las cadenas alpinas: Pirineos, Alpes, Himalaya 288

CAPITULO 7. CONCLUSIONES. 291

CONSIDERACIONES FINALES, 294

REFERENCIAS 295

INDICE DE FIGURAS Y TABLAS 311

• Se ha podido determinar, por primera vez, la estructura cortical de velocidades sísmicas en la Cordillera Cantábrica y zonas adyacentes. Esta estructura está bien diferenciada entre las zonas occidentales del Macizo Ibérico Norte, y las orientales que han sufrido la deformación alpina.

• La distribución interna de velocidades en la parte más occidental, ZGTOM, ZCI y ZAOL, responde a una estructura varisca típica, con una corteza continental de espesor 30-32 km, dividida en tres niveles de velocidades medias 6, 6.2 y 6.8 km/s y con espesores de 12 a 14 km la corteza superior, 10 km la corteza media y 8 km la corteza inferior. Las velocidades en el manto superior están en torno a los 8.2 km/s, con tendencia a disminuir hacia la costa. La corteza superior suele mostrar una disposición en dos capas de diferente gradiente y es muy heterogénea como consecuencia de los diferentes dominios estructurales y litológicos que existen en superficie. Los niveles inferiores son más homogéneos, con límites subparalelos.

• Se ha podido también determinar en base a los datos de refracción una estructura vergente al Este en el perfil 1, que coincide con el cabalgamiento basal de la Zona Cantábrica, y que se enraíza en la corteza inferior en la zona de transición a los dominios internos del Macizo varisco. Este aspecto contrasta con la no identificación de otro despegue que tiene un carácter parecido en los perfiles de sísmica vertical, pero no determinado como un salto de velocidad en los de refracción, y que corresponde al cabalgamiento alpino que eleva la Cordillera Cantábrica sobre la cuenca del Duero.

• En los perfiles IAM-12 y ESCIN-3.1, que muestrean el dominio de los complejos de rocas máficas de la ZGTOM, se observa una zona de alta velocidad en superficie correspondiente a los materiales del Complejo de Ordenes. En base a los datos de refracción y de gravimetría, los límites del complejo bajo el mar pueden trazarse unos 60 km al Norte de la línea de costa por debajo de los sedimentos de la plataforma y disminuyendo su espesor en el perfil IAM-12.

• La estructura de velocidades de las zonas occidentales se mantiene por debajo de los sedimentos de la cuenca del Duero, sugiriendo que la sedimentación de la misma no afectó de modo relevante a las velocidades del basamento paleozoico. Se ha podido establecer asimismo, que el límite inferior de los sedimentos de Duero presenta una geometría planar buzante al Norte y que sus velocidades están entre 2.8 y 3.5 km/s, con un espesor que varía entre 1 y 2.5 km.

• La corteza en la Zona Cantábrica del Macizo Ibérico Norte, por el contrario, muestra los efectos de la deformación alpina a todos los niveles, sobre todo a partir de la Cuenca Carbonífera Central y hacía el oriente. Y como resultado más importante y novedoso, se ha obtenido bajo las principales cotas de altura de los Picos de Europa, un engrosamiento cortical que da lugar a una corteza de más de 45 km de espesor. La estructura de velocidades en la corteza superior y medía es semejante a la obtenida en los perfiles occidentales, aunque parece verse afectada a niveles medíos por el engrosamiento que supone el cabalgamiento alpino sobre la cuenca del Duero. Pero es la corteza inferior la más afectada por la deformación. Las velocidades de corteza inferior muestran el mismo rango que en los perfiles occidentales, pero su espesor es hasta tres veces superior.

• Este engrosamiento cortical, se manifiesta en varios de los perfiles de dirección Norte-Sur como un hundimiento rápido del Moho de la península desde los 30-32 km en el límite Norte de la cuenca del Duero, hasta unos 50 km de profundidad en torno a la línea de costa. La geometría de esta estructura, aunque no está bien controlada, sugiere una imbricación de cortezas donde el nivel de deslajamiento se sitúa en el límite corteza frágil-corteza dúctil. En el perfil EsteOeste, su límite inferior presenta una geometría planar y aunque no existe una buena resolución hacia el Este debido al fallo en el tiro A, los datos sugieren que no es necesario mantener una corteza tan gruesa en los dominios de la cuenca vascocantábrica.

• El estudio de las anomalías gravimétricas de la zona corrobora la presencia de un incremento de masa cortical en la zona donde se ha descrito este engrosamiento, y refleja una variación lateral de Oeste a Este muy importante, no sólo en el dominio continental sino también en la transición a la parte interna del Golfo de Vizcaya. La densidad obtenida en la zona del engrosamiento, junto con un aumento en la relación de Poisson en esta zona, sugieren la presencia de materiales más máficos mezclados en la cuña de corteza imbricada.

• Los perfiles marinos, registrados en gran ángulo como un complemento a los perfiles de sísmica multicanal, permiten visualizar la transición desde los dominios continentales al dominio marino. Aunque la cobertura de rayos en algunas zonas es escasa y carecen de perfiles inversos, la utilización de otras técnicas geofísicas complementarias combinadas con la refracción, como el procesado multicanal o la migración a tiempo doble de los horizontes de velocidad, junto con el estudio de las anomalías gravimétricas, han permitido obtener una imagen foral que es coherente con todos los datos. Las velocidades y espesores propuestos para la corteza oceánica concuerdan con valores obtenidos en otros experimentos sísmicos en el Golfo de Vizcaya y con el conocimiento que se tiene de la zona de plataforma y las cuencas sedimentarias que en ella existen. La imagen del adelgazamiento hacia la corteza oceánica es muy distinta de Oeste a Este, siendo rápido y abrupto en el Oeste y más suave y gradual en el perfil ESCIN-4, con unas velocidades anómalamente bajas para el manto subcortical del margen en este último.

• El engrosamiento cortical de la Cordillera Cantábrica se interpreta como resultado de los procesos compresivos entre las placas europea e ibérica. La imagen obtenida en los modelos de velocidad y gravimetría sugiere una geometría en forma de imbricación de dos tipos de cortezas, muy semejante a la observada en el perfil ECORS a través de los Pirineos, de las cuales la situada al Sur probablemente era inicialmente más gruesa que la situada al Norte. La propagación de los esfuerzos a una subducción de la placa oceánica del Golfo de Vizcaya, que no llegó a progresar debido a sus características físicas, quedando probablemente soldada, o parcialmente atrapada, bajo la corteza de la plataforma continental. Se originó entonces una indentación de tipo tectónico entre fragmentos continentales resistentes, provocando, con los esfuerzos compresivos posteriores a la subducción y con los cabalgamientos dirigidos al Sur, que la corteza inferior de la placa ibérica al Sur de la línea de costa, ya desgajada de la superior y parcialmente hundida, continuase su hundimiento, y que la Cordillera Cantábrica se elevase.