Estudio de la deformación litosférica de la cuenca neuquina: Estructura termal, datos de gravedad y sísmica de reflexión
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Mario Emilio Sigismondi
2014-A
En las últimas dos décadas especialmente, la atención de los científicos hacia trabajos de campo, geofísica y geoquímica, ha servido para el estudio de la estructura profunda de la corteza y del manto y su relación con la génesis y evolución de las cuencas sedimentarias. Es claro que estos resultados no son sólo de valor académico, sino que tienen importancia práctica ya que el mejor conocimiento de la geología y la geofísica profunda llevan a un entendimiento acabado de los fenómenos geológicos y las condiciones de formación y distribución de los espacios de acomodación para alojar depósitos minerales de interés económico. Consecuentemente, parece lógica la decisión de intentar reunir la mayor parte de los datos geofísicos disponibles tanto a escala de detalle como regional, y proveer una síntesis de la evolución de la cuenca Neuquina en su contexto geodinámico. La investigación presentada es un esfuerzo dirigido a hacia esos objetivos. Como un método geofísico en particular ilumina sólo una parte del problema, el empleo de técnicas combinadas ha permitido encontrar soluciones más cercanas a la realidad, teniendo en cuenta sus relaciones, semejanzas y diferencias. Debido a que los relevamientos geofísicos para estudios regionales y de detalle han sido ejecutados mayormente por organismos gubernamentales o privados y muchas veces no son accesibles para docentes e investigadores universitarios, una de las contribuciones de esta tesis es la cooperación entre la universidad y la industria, tomando las fortalezas de ambas vertientes.
La premisa fundamental en esta tesis ha sido examinar la relación existente entre elementos que condicionan el régimen tectónico por medio de observaciones geofísicas. El ambiente tectónico de tipo andino de la cuenca Neuquina está controlado por tres factores fundamentales: estado térmico, volcanismo y apilamiento tectónico.
El régimen térmico está regido por el flujo de calor, el cual muestra como cuadro de primer orden un sector norte alineado entre la localidad de Chos Malal y el volcán Auca Mahuida que exhibe un gradiente promedio mayor al resto de la cuenca Neuquina, especialmente respecto al sur de la dorsal de Huincul donde el flujo es el menor. Simultáneamente, el régimen térmico es el principal responsable de la existencia de tres escenarios nítidos de rigidez flexural, que han condicionado la deformación a escala cortical pero transmitiendo su impronta en la deformación del basamento: la dorsal de Huincul se comporta como un elemento de elevada resistencia mecánica relativa, que limita la propagación de la deformación hacia el sur de la comarca; la faja plegada del Agrio – Chos Malal y el volcán Auca Mahuida son las zonas más propensas a la deformación pues es la de menor rigidez relativa; y por último, el sector oriental o de plataforma, el cual presenta una rigidez flexural intermedia. Una observación muy importante es la anisotropía de la rigidez que se comporta en dirección oeste – este al norte de la dorsal de Huincul, para transformarse casi norte – sur desde la dorsal de Huincul hacia abajo.
Como resultado de los cambios en la distribución de rigidez, la partición de la deformación asociada a un régimen de convergencia oblicuo que cambia su trayectoria en el tiempo, no ha permanecido invariable, sino que se ha resuelto de dos formas: al norte de la dorsal de Huincul la deformación se propaga casi sin partición, dando origen a la existencia de la faja plegada y corrida del Agrio y Chos Malal, a la deformación de arco y antearco, y a una zona sismogénica más amplia y trabada que ha ocasionado dos megasismos recientes en la región. Mientras, al sur de la dorsal de Huincul, el vector de convergencia andino se descompone en segmentos aproximadamente perpendiculares entre sí y sometidos a transpresión y transtensión, que dan origen a dos megaestructuras con mecanismo dominante de transcurrencia: la zona de falla de Liquiñe – Ofqui con dirección preferencial norte – sur y la dorsal de Huincul oeste – este.
Acerca del volcanismo al cual hicimos referencia como un factor de control tectónico, en esta investigación se ha prestado especial atención al aparato volcánico del Auca Mahuida. Se postula aquí que por su edad pliocena – pleistocena, el control isostático que ejerce actualmente es casi exclusivamente local, pero aún así, sus consecuencias son fundamentales: debilita la corteza, eleva las transiciones frágil–dúctiles y permite la propagación de la deformación a sectores de borde de cuenca, relativamente retirados del frente orogénico. En cuanto al volcanismo de arco propiamente dicho, este coincide regionalmente con una zona de baja rigidez flexural para su emplazamiento, lo cual ha facilitado los mecanismos de acortamiento orogénico, el debilitamiento de la litosfera, y la migración del magmatismo por empinamiento y horizontalización de la placa subducida, procesos que se retroalimentan en sí.
Con respecto al apilamiento tectónico, la faja plegada y corrida del Agrio – Chos Malal se halla emplazada sobre una zona de muy baja rigidez flexural y al menos su influencia como carga topográfica de superficie, habría facilitado la propagación de la deformación hacia el antepaís de la cuenca Neuquina por mecanismos básicamente flexurales, si bien se reconoce a partir del análisis de subsidencia en pozos, que la componente térmica es más importante que la tectónica, prevaleciente en la mayoría de las cuencas del Subandino.
La cuenca Neuquina posee descompensación isostática residual positiva asociada a anomalías magnéticas corticales negativas localizadas en su depocentro sedimentario, que avalan la hipótesis de adelgazamiento cortical.
El mecanismo de apertura de la cuenca Neuquina en su etapa de rifting localizado, se puede explicar satisfactoriamente y de forma coherente a las observaciones si se recurre a la hipótesis de cizalla simple, con una falla maestra de enraizamiento cortical que trae como consecuencia la distribución asimétrica de flujo de calor. Este modelo, que además predice atenuamiento cortical confirmando las anomalías observadas, no necesariamente coincide con la zona de levantamiento térmico, y por tanto, el área por debajo no acomoda toda la subsidencia térmica.
La distribución de la deformación y la fábrica del basamento, que condiciona la existencia de espacios de acomodación sedimentarios, está íntimamente sujeta a los cambios del flujo de calor, la rigidez flexural y el estado isostático, como elementos de primer orden. La cuenca Neuquina conserva un gradiente geotérmico ligeramente mayor al promedio mundial de regiones continentales, cuyo origen se atribuye esencialmente a fenómenos de refracción térmica del basamento y volcanismo reciente, los cuales afectan las condiciones reológicas de la corteza, favoreciendo la deformación de intraplaca en el antepaís. Entre tanto, los cambios en la rigidez flexural, se interpretan fundamentalmente como cambios en la resistencia mecánica a la deformación.
A pesar de la abundante información recopilada en esta tesis, la correlación de las anomalías geofísicas y de los datos provenientes de perforaciones y afloramientos está en una etapa inicial, por lo cual sigue existiendo ambigüedad en las interpretaciones, especialmente cuando se trabaja con métodos potenciales no ajustados con datos independientes. La fortaleza de esta tesis está basada en la interpretación geofísica interdisciplinaria sobre un marco de referencia generalizado, que se espera contribuya en la comprensión de la evolución geodinámica de la región, y más importante aún, estimule el desarrollo de nuevas investigaciones para mitigar las incertezas encontradas.
The attention of scientists working in the fields of geology, geophysics and geochemistry was very much attracted during the last two decades, to the study of the deep structure of the earth’s crust and mantle and their relationships to the genesis and evolution of sedimentary basins. Obviously, these results are not only of pure scientific value, but also have practical significance since the best knowledge of geology and geophysics lead to a better understanding of geological phenomena and the conditions of formation and distribution of mineral resources. Consequently, it seems logical the decision to try collecting most of the geophysical data available, for understanding the Neuquén Basin evolution in a geodynamics framework. This thesis is an effort towards these goals. Due to that if we use exclusively one geophysical method it illuminates only one part of the problem; the use of combined techniques has allowed us to find solutions closer to reality, taking into account their relationships, similarities and differences. Because geophysical surveys have been carried out mostly by government and private agencies, seldom these data are straightforward available to academic researchers. One character of this thesis is the link between universities and industry, trying to mitigate the weaknesses of both sides.
A primary principle was to study the relationship between the factors that determine the tectonic regime throughout geophysical observations. Geophysical data indicate that the crust is not a homogeneous rigid layer over the Neuquén Basin. The crucial reason for crustal in homogeneity is that Neuquén Basin is in an Andean-type tectonic regime that is controlled by three factors: thermal state, volcanism, and tectonic load.
It has been suggested that thermal state is governed by current heat-flow. In the study-case a first-order feature, a lineament between Chos Malal and Auca Mahuida volcano, has a higher average thermal-gradient at the northern zone, mainly when compare with the south Huincul system where the heat-flow is lower. Likewise, it has been argued from this thesis that thermal regime has conditioned the crustal and basement deformation, due to rigidity is strongly dependent on temperature and deformation rate. Consequently, lithosphere rigidity is expected to vary laterally as a function of geothermal gradient; a cold lithosphere is probable to be stronger and/or thicker and a hot lithosphere is expected to be weaker and/or thinner. This is the main reason for the existence of three scenarios of flexural rigidity: 1) the Huincul-system as a regional edge limiting the develop of basement ductile deformation to the south of the Neuquén Basin; 2) the Agrio – Chos Malal fold thrust belt and Auca Mahuida volcano with lower rigidity values, predisposed to thin–skinned deformation and structural control of volcanism respectively, and 3) the Eastern Platform with an intermediate flexural rigidity value.
I propose two non-exclusive processes that take into account the play between crustal and basement deformation in Neuquén Basin: response to changes in distribution of flexural-rigidity, and divergence in plate convergence vector related to an oblique subduction against the plate boundary. As a result, there are two background-structural scenarios connected with the partition of the deformation:
* A low partition-system north of the Huincul-axis, associated with the deformation in the arc, forearc, fold and thrust belt, and a wider locked seismogenic zone.
* A high partition-system from the Huincul-trench to the south, a place where the vector of convergence splits in two perpendicular movements: the north – south Liquiñe – Ofqui fault zone, and the west – east Huincul high structural feature, both with dominant mechanisms of strike-slip displacement.
Therefore, rigidity layering has the largest effect on horizontal deformation under the Andean type subduction system. A key observation in this context was the congruity with a next aspect; it is referred to the nature of the relationship between volcanism as a control factor in the tectonic regime and deformation. In this particular case, a key role plays the interaction between crustal structures of the basement and ongoing regional stress field on the Pliocene – Pleistocene Auca Mahuida volcanic complex. This effect is followed by crustal weakening, raise of the limits of brittle-ductile zones, and expansion of the deformation far away from the Andean orogenic front.
On the other hand, a third aspect is connected with tectonic load. As we have affirmed, the influence of surface topography in the Agrio – Chos Malal fold and thrust belt have facilitated the foreland region deformation by flexural mechanisms, although it is recognized from borehole subsidence analysis time-depths cross plots that thermal component is besides tectonics, prevailing in most Sub-Andean basins.
In this context, the development of geophysical methods to determine the lithospheric structure gave direct evidence from the pair associated positive residual isostatic anomaly – negative crustal magnetic anomaly, that Neuquén Basin has a thinned crustal structure in the deepest sedimentary alignment. During the rifting stage, the opening mechanism of Neuquén Basin can be adequately explained by the simple shear model, with a crustal master fault like Entre Lomas – Estancia Vieja and an asymmetric heat-flow array.
The distribution of deformation patterns and basement fabrics play a key role in relation to changes in heat-flow and flexural rigidity. These changes in rigidity, can be attributed to variations in the geochemical properties of rocks, or differences in temperature and pressure conditions between the upper and lower crust, but here are interpreted as changes in the mechanical strength.
The correlation of geophysical anomalies and outcrops or boreholes examples are at early stage, therefore there is still ambiguity in some of the interpretations, especially when working with potential methods.
CAPÍTULO 1. PRESENTACIÓN 1
CAPÍTULO 2. BASE DE DATOS 18
CAPÍTULO 3. DEFORMACIÓN CORTICAL 81
CAPÍTULO 4. ESTIMACIÓN DEL FLUJO DE CALOR 141
CAPÍTULO 5. ESTIMACIÓN DE LA RIGIDEZ FLEXURAL 220
CAPÍTULO 6. DEFORMACIÓN DEL BASAMENTO 260
CAPÍTULO 7. INTEGRACIÓN Y RESULTADOS 314
CAPÍTULO 8. CONCLUSIONES 337
BIBLIOGRAFÍA 340
Tesis doctoral
El ambiente tectónico de tipo andino de la cuenca Neuquina está controlado por tres factores de primer orden: estado térmico, volcanismo y apilamiento tectónico.
El estudio del comportamiento del régimen térmico mostró como cuadro de primer orden la existencia de un sector definido entre la localidad de Chos Malal y el volcán Auca Mahuida que exhibe un gradiente promedio mayor al resto, en especial cuando se compara con el sector al sur de la dorsal de Huincul. Simultáneamente, se ha encontrado que el régimen térmico tiene un papel preponderante para la presencia de tres escenarios diferentes de rigidez flexural, propiedad que ha controlado la deformación desde la base hasta el techo de la corteza.
Se reconoce a partir de la observación de propiedades geodinámicas derivadas de esta tesis que la dorsal de Huincul se comporta como una discontinuidad de primer orden a escala cortical, que separa terrenos acrecionados durante el Paleozoico con un fuerte contraste de rigidez flexural al norte y al sur (Chilenia y Patagonia, respectivamente) que han condicionado la geometría de la deformación y las fábricas del basamento en toda la extensión de la cuenca. Su comportamiento como elemento de elevada resistencia mecánica a la deformación ha tenido influencia decisiva sobre la propagación hacia el sur de la deformación derivada de la convergencia oblicua. Hacia el norte coexisten escenarios más propensos a la deformación por su menor rigidez relativa, como son las fajas plegadas del Agrio y de Chos Malal, junto al volcán Auca Mahuida. La rigidez no sólo cambia en valores absolutos, sino también en su dirección de variación, lo cual constituye un rasgo atípico sobre el que actúa el vector de convergencia, que encuentra un escenario anisótropo para aplicar los esfuerzos que en definitiva se traducirán en deformación. Esta anisotropía también juega un papel preponderante para condicionar la deformación en tres rumbos principales tomando como referencia el elemento rígido de la dorsal: oeste – este en las inmediaciones de la misma, noroeste – sureste hacia el norte, y suroeste – noreste hacia el sur. Aquí se interpreta que los cambios de rigidez, que pueden ser atribuidos a variaciones en las propiedades reológicas de las rocas, determinadas por diferencias en las condiciones de presión y temperatura, además de la actividad magmática, han producido cambios en la resistencia mecánica a la deformación.
Como consecuencia de la distribución, valor y anisotropía de la rigidez cortical, la partición de la deformación asociada al régimen de convergencia oblicuo se ha resuelto de dos maneras distintas: al norte de la dorsal de Huincul la deformación se propaga casi sin partición, dando origen a la existencia de las fajas plegadas y corridas del Agrio y Chos Malal, a la deformación de arco y antearco, y a una zona sismogénica más amplia y trabada, que ha ocasionado dos megasismos recientes en la región; mientras que al sur el vector de convergencia andino al chocar con el elemento rígido se descompone en dos vectores casi perpendiculares entre sí que dan origen a dos megaestructuras: la zona de falla activa de Liquiñe – Ofqui que nace en Chile y con dirección preferencial norte – sur llega al norte de la cuenca Neuquina y la falla fosilizada de la dorsal de Huincul con mecanismo dominante de transcurrencia dextral.
El control tectónico del volcanismo, referido especialmente al elemento anómalo en el antepaís fragmentado del aparato fisural del Auca Mahuida, es compensado isostáticamente de manera prácticamente local, pero con consecuencias importantes ya que su emplazamiento habría dado el escenario apropiado para una somerización de las discontinuidades reológicas evidenciadas por las transiciones frágiles – dúctiles, y por lo tanto habría favorecido la transmisión de la deformación del vector de convergencia andino a sectores retirados del frente orogénico.
Con respecto al apilamiento tectónico el emplazamiento de las fajas plegadas y corridas del Agrio y Chos Malal coincide con una región alargada de baja rigidez flexural, por lo cual la carga topográfica impuesta habría favorecido, al menos parcialmente, la propagación de la deformación hacia el antepaís de la cuenca por mecanismos flexurales, lo cual se expresaría en el relieve positivo no orogénico del dorso de los Chihuidos.
La cuenca Neuquina como una completa unidad geológica posee un desequilibrio isostático residual positivo, pero gradado según la región: desde compensación local Airy – Heiskanen para el borde externo de las fajas plegadas y corridas del Agrio y Chos Malal, el volcán Auca Mahuida y el dorso de los Chihuidos (Mioceno), hasta respuestas más cercanas a mecanismos flexurales, como el borde interno de la faja plegada del Agrio – Chos Malal, el levantamiento Jurásico superior del dorso de los Chihuidos y la dorsal de Huincul.
Además, hay que mencionar la riqueza interpretativa derivada del conocimiento del estado isostático. Su comprensión permite advertir no sólo de la existencia de un fuerte atenuamiento cortical sobre el depocentro sedimentario, sino que, asociado a otros indicios como la distribución del flujo de calor, permite vislumbrar el mecanismo de extensión responsable de la génesis o apertura de la cuenca en el Jurásico inferior. Por ello, el atenuamiento se interpreta como una herencia geométrica de la etapa de extensión, que se corrobora a partir de la inspección de las anomalías magnéticas, que muestra un fuerte mínimo en coincidencia al depocentro sedimentario, confirmando lo que predice la teoría.
Respecto al mecanismo de apertura de la cuenca Neuquina en su etapa de rifting localizado, es posible explicarlo de forma coherente con las observaciones si se recurre a la hipótesis de un mecanismo de cizalla simple, con una falla maestra de enraizamiento profundo como superficie de desacople cortical. Esta no es una discusión solamente académica, o desde un punto de vista geométrico, ya que de acuerdo al mecanismo postulado, éste tiene una derivación inmediata para comprender la distribución del flujo de calor. Se ha demostrado la asimetría en la distribución calórica regional, típica del modelo de cizalla simple, modelo que además predice la presencia de atenuamiento cortical, cambios en el comportamiento reológico como el observado entre el sur y norte de la dorsal de Huincul, atenuamiento litosférico cortical no necesariamente coincidente con el eje del rift, y cizallamiento cortical asimétrico en la corteza superior.
Por último, como conclusión asociada a la deformación del basamento geológico de la cuenca Neuquina, se ha encontrado una buena correspondencia entre la curvatura de las anomalías de gravedad y los patrones de distribución de discontinuidades del subsuelo, corroborados a partir de observaciones por métodos sísmicos. La proyección que puede derivarse a partir de la calibración obtenida, permite tener un elemento de juicio para la búsqueda de yacimientos de hidrocarburos en regiones marginales de la cuenca Neuquina, o en sectores aledaños a la misma. Un impacto que puede estar tanto en el oeste, en el depocentro de Loncopué, como hacia el este en depocentro de Limay Mahuida. En este contexto, las anomalías de los métodos potenciales deberían abrir el camino para el empleo de herramientas sísmicas o de pozos en zonas de frontera exploratoria.
Una vez más se ha podido demostrar que la combinación de métodos geofísicos potenciales, con un buen control de pozos y líneas sísmicas convencionales, en una región con madura información geológica, pueden brindar nuevas alternativas e hipótesis para encaminar nuevos horizontes y regiones prospectivas.-
Buenos Aires, 27 de Septiembre de 2012.-