Modelos numéricos de la litosfera Ibérica Intraplaca: Deformación, Esfuerzo y Resistencia

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Silvia Martín Velázquez

2010-A
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Resumen

Esta tesis doctoral constituye un estudio de la deformación, los esfuerzos y la resistencia de la litosfera del centro de la Península Ibérica durante el Cenozoico mediante la modelización numérica con elementos finitos. Estas cuestiones se han analizado construyendo secciones transversales al Sistema Central y a las cuencas del Duero y Madrid, aunque en cada una se ha utilizado un modelo concreto, con una geometría, reología y condiciones de contorno específicas. Los antecedentes de carácter geológico y geofísico han sido imprescindibles, tanto para restringir las condiciones iniciales de estos modelos como para contrastar los resultados obtenidos.

Las deformaciones cenozoicas se han analizado asumiendo que la litosfera tiene un comportamiento mecánico tipo creep. Además, se ha considerado el papel de la carga tectónica, la carga de los sedimentos terciarios, las heterogeneidades térmicas y las heterogeneidades en la composición. La modelización ha permitido simular la estructura actual del centro peninsular: formación de los relieves del Sistema Central y su acortamiento horizontal, flexión del basamento en las cuencas del Duero y Madrid, desarrollo de la raíz cortical bajo la cadena montañosa y geometría de la litosfera del interior de Iberia. Las deformaciones se producen mediante un mecanismo de plegamiento a gran escala de una corteza y litosfera con contrastes laterales de temperatura y composición.

La modelización de los esfuerzos activos se ha realizado tanto en secciones elásticas del borde sur del Sistema Central (área de la Sierra de San Vicente) como en perfiles transversales a toda la cadena. Un análisis de los distintos tipos de esfuerzos indica que el estado tectónico, obtenido a partir de un estado de referencia litostático y con el efecto añadido de la carga topográfica y las variaciones en la litología, es el más adecuado para reproducir esfuerzos intraplaca. Una carga tectónica de 5-10 MPa en el límite de placas eurasiático-africano permite la coexistencia de sectores en desgarre y extensión en el interior de la Península Ibérica.

Por último, el análisis de la resistencia en el centro peninsular se ha llevado a cabo mediante el cálculo de la distribución de la resistencia según la profundidad, y la estimación de la resistencia integrada, el espesor sismogenético y el espesor elástico efectivo. Un manto anhidro permite que el modelo de resistencia sea del tipo jelly sandwich en condiciones extensionales y de desgarre. La litosfera en el sector del Sistema Central es más débil que la de las cuencas debido a su mayor espesor cortical y geoterma. Mediante modelos elasto-plásticos se observa que la convergencia entre África y Eurasia se acomoda en forma de deformación elástica y dúctil. Aunque el espesor sismogenético se extiende hasta las profundidades de la corteza media, esa distribución de la deformación evidencia la baja sismicidad intraplaca.

 

 
Abstract

This doctoral thesis is focused on the study of the deformation, the stresses and the strength of the lithosphere in the centre of the Iberian Peninsula during the Cenozoic by means of finite element numerical modelling. These topics have been analyzed in different cross-sections of the Central System, the Duero basin and the Madrid basin, with specific geometries, rheologies and boundary conditions. The geological and geophysical backgrounds have been essential both to restrict the initial model characteristics and to contrast the obtained results.

The cenozoic deformations have been analized taking into account that the mechanical behaviour of the lithosphere is governed by a creep law. The roles of the tectonic load, the tertiary sedimentary load, thermal heterogeneities and compositional heterogeneities have also been considered. With this modelling, the present-day structure of the peninsular centre has been simulated: the building up of the Central System relief and its horizontal shortening, the basement flexure under the Duero and Madrid basins, the development of the crustal root below the mountain range, and the geometry of the lithosphere in the Iberia interior. These deformations are caused by a large scale folding of the crust and lithosphere with lateral contrasts of temperature and composition.

The active stress modelling has been performed in elastic sections both at the southern border of the Central System (the San Vicente Sierra) and across the range. An analysis of the different types of stresses points out that the tectonic stress, derived from a lithostatic reference state along with the topographic load and the lithological heterogeneities, is the most suitable one for reproducing the intraplate stresses. A tectonic load of 5-10 MPa in the African-Eurasiatic boundary plate facilitates the coexistence of sectors under strike-slip and tension regimes in the interior of the Iberian Peninsula.

Finally, the strength analysis in the peninsular centre has been carried out through the estimate of the strength distribution with depth, the integrated strength, the seismogenetic thickness and the effective elastic thickness. With a dry mantle, the strength model exhibits a jelly sandwich behaviour in tensional and strike-slip conditions. The lithosphere in the Central System is weaker than the basin lithospheres due to its greater crustal thickness and a hot geotherm. The results of an elasto-plastic modelling indicate that convergence between Africa and Eurasia causes the elastic and ductile deformation of the Iberian lithosphere. Although the seismogenetic thickness extends to middle crust depth, that deformation style makes evident the low intraplate seismicity.

 

 
Índice

Símbolos I

Resumen III

 

1. Introducción 1

1.1. Objetivos

1.2. Estructura del documento

 

2. El método de los elementos finitos 5

2.1. Introducción

2.2. ¿Qué es un modelo?

2.3. Formulación de un modelo matemático

2.4. El método de los elementos finitos

2.5. El programa de elementos finitos ANSYS

 

3. Reología de la litosfera 21

3.1. Introducción

3.2. Calor y temperatura

3.3. Modelos de comportamiento mecánico

3.4. Reología de la litosfera

 

4. Geología del Sistema Central y de las cuencas del Duero y Tajo 53

4.1. Introducción

4.2. Basamento prealpino (Proterozoico-Paleozoico)

4.3. Evolución mesozoica

4.4. Unidades cenozoicas

4.5. Estructura de la litosfera

 

5. Deformaciones cenozoicas 81

5.1. Introducción

5.2. Modelos de deformación en el interior de la Península Ibérica

5.3. Observaciones geológicas y geofísicas

5.4. Características del modelo numérico

5.5. Estructura térmica

5.6. Deformaciones cenozoicas en el antepaís Ibérico

5.7. Discusión

 

6. Esfuerzos tectónicos activos 127

6.1. Introducción

6.2. El macizo de El Berrocal (pop-up de San Vicente)

6.3. Esfuerzos actuales: orientación y magnitud

6.4. Efecto del coeficiente de Poisson y de la carga horizontal

6.5. Efecto de la topografía y la litología

6.6. Discusión

 

7. Resistencia litosférica 153

7.1. Introducción

7.2. Estructura de la litosfera intraplaca

7.3. Estimaciones previas de la resistencia en la Península Ibérica

7.4. Características del modelo numérico

7.5. Estructura térmica

7.6. Resistencia de la litosfera Ibérica

7.7. Discusión

 

8. Conclusiones y futuras líneas de estudio 181

8.1. Conclusiones

8.2. Futuras líneas de estudio

 

Referencias 185

 

 
Conclusiones

Teniendo en cuenta las limitaciones impuestas por el conocimiento incompleto de la litosfera Ibérica intraplaca (estructura, composición, temperatura, evolución cenozoica, sismicidad) y por las hipótesis simplificadoras adoptadas (p.e. deformación plana), la integración de la información disponible mediante la técnica de los elementos finitos ha sido indispensable para modelizar y analizar algunos de los procesos geodinámicos más relevantes del centro peninsular (cadena montañosa del Sistema Central, y cuencas sedimentarias del Duero y Tajo).

Los modelos de deformación (capítulo 5) han permitido a) analizar el efecto de las cargas (tectónica y sedimentaria) y las heterogeneidades (térmicas y de composición) en las deformaciones cezonoicas y b) simular la estructura actual de la corteza y litosfera del interior de la Península Ibérica:

1. La carga tectónica cenozoica, aplicada en los límites laterales en forma de desplazamientos horizontales, produce unas deformaciones horizontales y verticales que son compatibles con los datos geológicos y geofísicos si la litosfera contiene heterogeneidades en su composición y la reología de la corteza superior es seca.

2. La carga sedimentaria, aplicada como el peso del registro terciario, produce la flexión cóncava de la superficie topográfica, configurando el basamento de las cuencas del Duero y Tajo en las partes laterales de los modelos. De nuevo, en litosferas con variaciones laterales de composición y reologías secas en la corteza superior se obtienen unos desplazamientos verticales consistentes con las profundidades actuales del basamento.

3. Las heterogeneidades laterales de temperatura y/o composición producen variaciones en la resistencia de los materiales de la corteza y manto litosférico, que favorecen el engrosamiento irregular y el plegamiento por cargas tectónicas (buckling) y carga sedimentaria (bending). Los contrastes térmicos afectan principalmente al límite corteza-manto, mientras que los de composición (en la corteza superior) condicionan la superficie topográfica.

4. El engrosamiento y plegamiento de una litosfera fini-mesozoica adelgazada y con una reología varisca heterogénea (serie hete-TS-espesor con la corteza superior seca, Fig. 5.19b), por el acortamiento desde los bordes de colisión pirenaico y bético durante el Cenozoico y por el peso de los sedimentos terciarios, son consistentes con los rasgos generales de la deformación intraplaca actual: acortamiento y relieves en el Sistema Central, basamento de las cuencas del Duero y Tajo, y espesores de la corteza y litosfera.

5. En este modelo de deformación (Fig. 5.19b), el Sistema Central se corresponde a una gran antiforma, con ondulaciones menores que recuerdan la topografía en sierras y cuencas intramontañosas actuales, y los basamentos de las cuencas del Duero y Tajo a dos surcos sinclinales. Para compensar isostáticamente este relieve, en el límite corteza-manto se origina una sinforma, la raíz cortical del Sistema Central, que produce el engrosamiento de la corteza inferior. Finalmente, la base de la litosfera se deforma mediante una gran sinforma.

Los modelos de esfuerzos (capítulo 6) han permitido a) establecer las restricciones necesarias para simular el estado de esfuerzos elásticos cenozoicos en la parte superior de la corteza del macizo de El Berrocal (pop-up de San Vicente) y en toda la corteza del Sistema Central, y b) analizar el efecto de las variaciones en las magnitudes de esfuerzos resultantes de la topografía, las propiedades elásticas de las rocas y la magnitud de la carga tectónica:

1. Los estados de referencia de esfuerzos uniaxial y litostático se han simulado aplicando respectivamente una carga uniaxial y litostática en los límites laterales de modelos bidimensionales, y ajustando el coeficiente de Poisson a ~0,5 para el estado litostático. El estado de esfuerzos tectónico se ha modelizado añadiendo una carga constante. La carga topográfica y los cambios litológicos también producen desviaciones desde los estados de referencia.

2. El estado tectónico derivado del estado de referencia litostático es el más adecuado para reproducir esfuerzos intraplaca.

3. La distribución de esfuerzos con la profundidad modelizada en el antepaís Ibérico podría ser considerada de primer orden, puesto que aunque no se han incluido aspectos tales como la presión de poros, los esfuerzos térmicos o la presencia de fallas, se ha tenido en cuenta el efecto de las principales heterogeneidades litológicas, la topografía y la tectónica (macizo de El Berrocal, Fig. 6.13b, y Sistema Central, Fig. 6.16a).

4. La magnitud de la carga tectónica en el límite de placas Eurasiático-Africano debe estar próxima a 5-10 MPa, sin llegar a superar los 25 MPa (Fig. 6.16). Esos valores favorecen las permutaciones entre esfuerzos principales y permiten la coexistencia de zonas en desgarre con sectores en extensión en el antepaís ibérico, como parecen indicar las determinaciones de esfuerzos activos.

5. El gradiente del esfuerzo máximo horizontal en el borde sur del Sistema Central oscila entre 25-35 MPa km-1.

Los modelos de comportamiento reológico (capítulo 7) han permitido a) caracterizar la resistencia de la litosfera del centro peninsular y b) determinar las implicaciones geodinámicas:

1. La deformación permanente de la litosfera se produce esencialmente de manera frágil en la mitad superior de la corteza, y dúctil en la mitad inferior de la corteza y en el manto. Esta estratificación origina el desacoplamiento mecánico entre corteza y manto.

2. En las condiciones de esfuerzos características del centro peninsular, la elevada resistencia de un manto anhidro favorece un modelo de resistencia litosférica tipo jelly sandwich (Fig. 7.9b-c).

3. El espesor sismogenético incluye la corteza superior y parte de la corteza media (~17 km), y engloba la distribución en profundidad de la sismicidad intraplaca.

4. El espesor elástico efectivo y la resistencia integrada aumentan gradualmente desde el Sistema Central hacia las cuencas del Duero y Tajo. Sus magnitudes son consistentes con las de las litosferas fanerozoicas. La menor resistencia de la cadena montañosa está relacionada con su menor resistencia mantélica y con su mayor temperatura, ambos aspectos condicionados en último término por la evolución tectonotermal. La disminución de la resistencia integrada cortical hacia la Cuenca del Tajo podría justificar el incremento paralelo de la actividad sísmica.

5. La convergencia actual entre las placas africana-eurasiática se acomoda principalmente mediante deformación elástica (corteza superior-media y parte superior del manto) y deformación dúctil (corteza inferior y parte inferior del manto) en el interior de la litosfera Ibérica. Este reparto de la deformación podría explicar la baja sismicidad intraplaca en el centro peninsular.