Modelización estructural de grandes fallas inversas en Marte: Implicaciones en el conocimiento de la estructura y contracción de la litosfera
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Herrero Gil, Andrea
2021-A
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Los escarpes lobulados son relieves que se han descrito en diferentes cuerpos planetarios de tipo terrestre y cuya formación se atribuye al desplazamiento de grandes fallas inversas con rotura en superficie. El estudio de estos relieves en Marte y la caracterización estructural de las fallas que los forman permite ahondar en el estudio de la estructura de la litosfera marciana en el momento de su formación, ya que la profundidad de estas grandes fallas inversas en Marte ha sido relacionada con la profundidad de la transición frágil-dúctil de la época en la que se formaron. Además, conocer cómo se acomoda la contracción en estas grandes fallas inversas permite interpretar regionalmente la deformación que las produjo y el papel de estas estructuras en el patrón tectónico de Marte.
En la presente tesis doctoral se han estudiado tres escarpes lobulados localizados en Aonia Terra (Ogygis Rupes, Bosporos Rupes y Phrixi Rupes) y el sistema de fallas de Amenthes Rupes, en la Región de Amenthes. Para ello, se han modelizado un total de doce fallas inversas (incluyendo fallas mayores y menores) relacionadas con la formación de estos relieves. Estas estructuras presentan direcciones concordantes con los campos de esfuerzos que generaron las grandes provincias tectónicas adyacentes, como son la zona de alrededor de la cuenca de impacto de Argyre y los Montes de Thaumasia en el caso de Aonia Terra, o la gran dicotomía en el caso de la Región de Amenthes. Las fallas inversas estudiadas se formaron durante el Noeico Tardío/Hespérico Temprano, junto con otras fallas asociadas a escarpes lobulados distribuidas por las tierras altas de Marte.
La modelización de estos relieves permite obtener una aproximación a los parámetros estructurales que definen las grandes fallas inversas subyacentes, atendiendo a que la topografía del escarpe lobulado está relacionada con la geometría de la falla en profundidad. La modelización estructural de las grandes fallas inversas estudiadas se ha llevado a cabo utilizado tres métodos: (1) Cortes compensados por áreas, (2) Método de dislocación mecánica, (3) Combinación de los métodos de fault-parallel flow y trishear en una modelización 3D. La utilización de tres métodos distintos ha dado lugar a un marco de comparación y discusión de los resultados obtenidos, permitiendo obtener conclusiones más robustas sobre la geometría del plano de falla, la profundidad de enraizamiento, el desplazamiento y las variaciones que presentan lateralmente estos parámetros para las fallas estudiadas.
Los resultados obtenidos reflejan que las principales fallas inversas analizadas presentan un nivel de despegue profundo situado entre 18 y 25 km, que concuerda con estudios previos en escarpes lobulados que datan de la misma época, apoyando que estas fallas se enraízan en una importante discontinuidad mecánica, atravesando todo el dominio frágil de la parte superior de la corteza. Por otro lado, las fallas menores (secundarias y subsidiarias) modelizadas presentan niveles de despegue someros (entre 2.3 y 13 km) que podrían indicar la existencia de discontinuidades mecánicas menores dentro de este dominio frágil de la corteza.
Las morfologías obtenidas mediante la modelización 3D para estas fallas reflejan un buzamiento constante entre 23 y 39° para los primeros kilómetros cerca de la superficie, que disminuye progresivamente en profundidad presentando una geometría lístrica que enraíza en un nivel de despegue subhorizontal. Esto implicaría que el desplazamiento a lo largo del plano de falla de estas fallas inversas es transmitido desde el nivel de despegue, siendo un valor representativo de la contracción horizontal acomodada por la falla. Como consecuencia, el acortamiento regional asociado a cada falla sería entre un ∼6 y un ∼30% mayor usando una falla lístrica que cuando este valor es calculado usando fallas que presentan un buzamiento constante en profundidad.
Por otro lado, la modelización del sistema de fallas inversas de Amenthes completo ha permitido obtener valores de acortamiento regional medios para esta zona de entre 2 y 3 km, que en la zona sureste del sistema alcanza los ∼5.5 km. Estos valores suponen un acortamiento en la región entre un 60 y un 200% mayor que el valor calculado previamente modelizando sólo la falla principal del sistema (Amenthes Rupes), lo que refleja la importancia de incluir fallas inversas secundarias y menores en los cálculos de acortamiento asociados.
Atendiendo a estos resultados, el acortamiento horizontal asociado a las fallas inversas que subyacen los escarpes lobulados de una región determinada puede ser constreñido y podría verse sustancialmente incrementado al tener en cuenta la forma lístrica de las mismas en profundidad y la presencia de fallas menores. Esto aumentaría considerablemente las estimaciones de acortamiento global relacionadas con el periodo de contracción que afecta a la litosfera de Marte durante el Noeico Tardío/Hespérico Temprano y que se asocia con la formación de estas estructuras.
Lobate scarps are structural reliefs described on terrestrial planetary surfaces, which formation is related to the displacement of underlying large thrust faults. The study of these reliefs on Mars and the structural analysis of the associated thrust faults allow to improve the knowledge of the lithospheric structure, because the depth of these large thrust faults has been related to the depth of the brittle-ductile transition at the time of formation. Besides, the study of the regional contraction registered on these structures provides information about the causing deformation and the role of these faults in the tectonic pattern of Mars.
EThree lobate scarps formed by thrust faults located in Aonia Terra (Ogygis Rupes, Phrixi Rupes and Bosporos Rupes) and the Amenthes Rupes thrust fault system, located in the Amenthes Region, have been analyzed in this doctoral dissertation. In order to do that, twelve different thrust faults (including major and minor faults) related to the formation of these reliefs have been modeled. The strike of these structures agrees with the stress fields generated by lateral variations of crustal thickness due to the presence of large tectonic provinces, being parallel to the edge of Thaumasia Montes and concentric to Argyre impact basin in Aonia Terra, and parallel to the dichotomy boundary in the Amenthes Region. The studied thrust faults were formed in the Late Noachian/Early Hesperian, together with other similar faults associated with lobate scarps previously studied in the martian highlands.
The modeling of lobate scarp reliefs provides an approximation to the structural parameters defining the underlying large thrust faults, on the basis that the lobate scarp relief is related to the fault plane geometry at depth. The structural modeling of the thrust faults has been performed using three methods: (1) Balanced cross sections, (2) forward mechanical dislocation modeling, and (3) a combination of fault-parallel flow and trishear algorithms in a 3D modeling environment. The use of three different methods create a comparison and discussion framework for the results obtained, providing stronger conclusions about fault plane geometry, depth of faulting, fault slip and lateral variations of these parameters for the studied faults.
The results obtained show that the main analyzed faults root into a deep decollement level located between 18 and 25 km of depth, which agrees with previous studies of martian lobate scarps formed in the Late Noachian/Early Hesperian. These results support that these large thrust faults transect the entire brittle domain of the upper crust rooting into a main mechanical threshold. On the other hand, the minor faults modeled (secondary and subsidiary faults) show shallower depths of faulting located between 2.3 and 13 km deep, possibly indicating the presence of mechanical discontinuities inside that brittle domain.
The fault morphologies obtained by 3D modeling show a constant dip angle between 23 and 39° for the upper kilometers near the surface that decreases progressively at depth, rooting into a subhorizontal decollement with a listric geometry. This listric morphology implies that the slip on the fault ramp is fully transmitted from the decollement level, being representative of the horizontal contraction accommodated by the thrust fault. Consequently, the regional shortening registered by each fault would be between ∼6 and ∼30% higher than if the shortening is calculated as the heave over a planar fault with a constant dip angle.
Furthermore, the modeling of the Amenthes Rupes thrust fault system has provided mean shortening values for the region that range between 2 and 3 km, increasing up to ∼5.5 km in the southeast part of the system. These estimates imply that the regional contraction of the area, registered by these thrust faults, is between a 60 and 200% higher than previous estimates calculated through the modeling of just the main fault of the system (Amenthes Rupes), showing the importance of including secondary and subsidiary faults.
The obtained results imply that the horizontal contraction related to the thrust faults that underlain the lobate scarps in a particular region can be better constrained and its value would increase substantially considering the listric morphology of the fault planes at depth and the presence of minor faults. This would increase considerably the global shortening estimates related to the period of contraction affecting the martian lithosphere in the Late Noachian/Early Hesperian that is associated with the formation of these thrust faults.