Modelización estructural de grandes fallas inversas en Marte: Implicaciones en el conocimiento de la estructura y contracción de la litosfera

Herrero Gil, Andrea

2021-A
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Resumen

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.

Abstract

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.

Índice

RESUMEN 11

ABSTRACT 13

1. Presentación 15

1.1. Formato de la memoria 18

1.2. Objetivos 20

2. Introducción general 21

2.1. Marco tectónico de Marte 25

2.1.1 Estructuras tectónicas 25

2.1.2. El patrón tectónico de Marte 28

2.2. Escarpes lobulados 33

3. Análisis estructural y modelización 2D de grandes fallas inversas en Marte 39

3.1. Introducción 41

3.2. Structural modeling of lobate scarps in the NW margin of Argyre impact basin, Mars 43

3.2.1. Introduction 44

3.2.2. Geological setting and structural mapping 46

3.2.3. Methods 49

3.2.3.1. Horizontal shortening of deformed craters 50

3.2.3.2. Balanced cross sections method. 52

3.2.3.3. Forward mechanical dislocation method 53

3.2.4. Structural analysis and modeling 54

3.2.4.1. Results of the cross-cut craters 55

3.2.4.2. Results of the balanced cross sections 57

3.2.4.3. Results of the forward mechanical dislocation method 58

3.2.4.4. Displacement-Length relationships 60

3.2.5. Heat flow 61

3.2.6. Discussion and conclusions 62

3.3. Conclusiones Capítulo 3 69

4. Modelización 3D de grandes fallas inversas en Marte 71

4.1. Introducción 73

4.2. 3D modeling of planetary lobate scarps: the case of Ogygis Rupes, Mars 75

4.2.1. Introduction 76

4.2.2. Ogygis Rupes 77

4.2.3. Method 80

4.2.3.1. Geometric parameters of fault planes 80

4.2.3.2. Trishear parameters 81

4.2.3.3. Modeling workflow 82

4.2.4. Results of 3D modeling of Ogygis Rupes 82

4.2.4.1. 3D Restoration 82

4.2.4.2. 3D Forward modeling 85

4.2.5. Discussion 87

4.2.5.1. Implications for Mars tectonics. 91

4.2.6. Conclusions 93

4.3. Conclusiones Capítulo 2 94

Conclusiones

Un total de ocho grandes fallas inversas localizadas en la superficie de Marte, en las regiones de Aonia Terra y Amenthes Region, han sido analizadas y modelizadas en esta tesis doctoral. Para estudiar los relieves topográficos asociados a estas fallas inversas, conocidos como escarpes lobulados, se han aplicado tres métodos de modelización diferentes, que han demostrado ser individualmente un buen enfoque a la hora de estudiar las fallas que subyacen los escarpes lobulados, proporcionando un marco de comparación que ha permitido discutir y constreñir los resultados obtenidos.

Las estructuras analizadas son reflejo de una actividad litosférica dinámica en el Noeico Tardío/Hespérico Temprano, y los resultados obtenidos han permitido interpretar aspectos relacionados con su formación que mejoran la comprensión de la geodinámica del planeta; proporcionando ideas sobre el evento de contracción y los procesos tectónicos asociados, o la estructura interna de la litosfera.

Conclusiones sobre las características geométricas de las fallas.

El análisis y la modelización de la superficie topográfica elevada por el desplazamiento de las fallas inversas han permitido obtener una aproximación a las características geométricas que definen los planos de las fallas en profundidad. Marte es un planeta de tipo terrestre, y como tal sus propiedades no varían sustancialmente de las de la Tierra, pudiendo observar que las grandes estructuras de contracción estudiadas presentan características similares a algunas fallas inversas terrestres.

• Los perfiles longitudinales que reflejan la variación de altura de los escarpes lobulados, y los perfiles de distribución lateral del desplazamiento obtenidos en los modelos 3D, representan que el desplazamiento es generalmente mayor en la zona central de las fallas, disminuyendo de forma progresiva hacia los bordes laterales de las mismas.

• Los valores de buzamiento obtenidos para la mayoría de las fallas inversas modelizadas varían entre 23° y 33°, estando dentro del rango de buzamientos observado para fallas inversas en la Tierra (20°–35°) (e.g., Jaeger y Cook, 1979; Brewer et al., 1980; Stone, 1985; Watters y Nimmo, 2010). Ogygis Rupes presenta un buzamiento ligeramente mayor (35°–39°) correspondiendo con valores obtenidos en estudios previos en escarpes lobulados (20°–40°) (e.g. Egea-González et al., 2017).

• Los resultados de los modelos 3D muestran que estas fallas tienen un buzamiento constante durante los primeros kilómetros que va disminuyendo en profundidad hasta enraizarse en un nivel subhorizontal, dando lugar a una morfología lístrica en profundidad, que responde a la forma que presentan el flanco trasero y el sinclinal trasero de dichas estructuras.

Conclusiones sobre la estructura mecánica de la litosfera en el Noeico Tardío/Hespérico Temprano.

Las profundidades de despegue de las fallas que subyacen los escarpes lobulados modelizados permiten interpretar aspectos de la estructura mecánica que presentaba la parte superior competente de la litosfera en el momento de formación de estas estructuras.

• Los resultados de profundidad obtenidos para las grandes fallas modelizadas concuerdan con resultados previos obtenidos al modelizar fallas inversas en Marte, apoyando un nivel de despegue profundo que sugiere la presencia de una importante discontinuidad mecánica global en la litosfera. Esta discontinuidad mecánica ha sido relacionada con la profundidad de la transición frágil-dúctil en el Noeico Tardío/Hespérico Temprano. El dominio frágil en la corteza se extiende hasta una profundidad de 17.2–25 km en la zona de Aonia Terra y hasta 20–24 km de profundidad en la región de Amenthes

• Las fallas subsidiarias y secundarias modelizadas presentan profundidades de 2.3–5.6 km en la zona de Aonia Terra, y 9.5–13 km en la región de Amenthes, lo cual refleja la posible presencia de discontinuidades mecánicas regionales dentro del dominio frágil en la corteza.

Conclusiones sobre la influencia de las grandes provincias tectónicas en la formación de las fallas inversas estudiadas.

Las grandes provincias tectónicas presentes en la superficie de Marte crean una serie de variaciones laterales de espesor cortical que condicionan los campos de esfuerzos presentes cuando se formaron las grandes fallas inversas que forman los escarpes lobulados estudiados en el Noeico Tardío/Hespérico Temprano. La presencia de estas grandes provincias condiciona la orientación de estas estructuras de contracción y, aunque aparentemente no son la causa de su formación, sí pueden influir en los resultados obtenidos.

• La orientación de las grandes fallas inversas estudiadas entre los Montes de Thaumasia y la cuenca de impacto de Argyre, y de otras estructuras de contracción paralelas presentes en la zona, parece responder a un campo de esfuerzos compresivo que formó estas estructuras en el Noeico Tardío/Hespérico Temprano, cuya orientación estaba controlada por el campo gravitacional de Tharsis, y, en menor medida, por la presencia de la cuenca de impacto de Argyre.

• Las profundidades de las grandes fallas estudiadas entre los Montes de Thaumasia y la cuenca de impacto de Argyre sugieren que el dominio frágil se encuentra engrosado bajo el anillo principal de la cuenca de Argyre. Sin embargo los valores de flujo térmico obtenidos no apoyan este engrosamiento y parece ser la presencia del relieve del anillo previo a la deformación que formó las grandes fallas inversas estudiadas, el que condiciona los resultados de profundidad altos obtenidos para Bosporos Rupes.

• El sistema de fallas inversas de Amenthes presenta una orientación paralela a la dicotomía que también se observa en otras fallas localizadas en áreas adyacentes. Este sistema de fallas se ha modelizado siguiendo una dirección media de acortamiento N36.6°E, perpendicular a la orientación general del sistema de fallas, lo que sugiere que existen variaciones laterales de las propiedades litosféricas asociadas a la dicotomía que condicionaron la orientación del campo de esfuerzos regional de la época en la que se formó el sistema de fallas hace 3600–3700 Ma.

Conclusiones respecto al episodio de contracción global que generó estas estructuras.

La distribución global de las grandes fallas inversas sobre la superficie de Marte junto con las características topográficas similares que presentan y las dataciones realizadas en trabajos previos, que sitúan la formación de estas grandes estructuras de contracción en el Noeico Tardío/Hespérico Temprano, sugieren que su génesis está relacionada. La formación de estas estructuras se ha relacionado con un evento de contracción global, relacionado con un pulso de enfriamiento del planeta en esta época, por lo que el análisis de cómo se acomoda esta contracción en las grandes fallas inversas nos ayuda a entender este evento de deformación.

• La forma lístrica que presentan los planos de falla al llegar al nivel de despegue implica que el acortamiento regional acomodado por esta falla es transmitido por completo desde el nivel de despegue, siendo su valor igual al desplazamiento total sobre el plano de falla. Esto incrementa la estimación del acortamiento asociado a estas grandes fallas entre un ∼6% y un ∼30% más (dependiendo del ángulo de buzamiento de la misma) con respecto a cálculos previos en los que las fallas eran modelizadas como estructuras que presentan un buzamiento constante en profundidad. Esto supondría un aumento importante en las estimaciones de acortamiento acomodadas por las fallas que subyacen los escarpes lobulados si se confirmase que el acortamiento asociado a la falla es transmitido desde el nivel de despegue.

• Al modelizar el sistema de fallas de Amenthes en conjunto se ha obtenido un valor medio del acortamiento regional de entre 2000 y 3000 m, que aumenta hasta un máximo de ∼5450 m en la zona sur. Este valor de acortamiento supone un incremento respecto al valor de acortamiento regional calculado previamente de entre un 60% y un 200%, debido principalmente a que en el cálculo se han incluido fallas secundarias y menores. Por lo tanto, las estimaciones de acortamiento global acomodado por las grandes fallas inversas están sesgadas por el detalle de la cartografía estructural usada en el cálculo, que a su vez depende de la resolución de los datos planetarios disponibles en el momento. La mejora de la cartografía estructural a nivel global conllevaría la incorporación de las fallas secundarias y menores a los cálculos de acortamiento, lo que supondría un aumento significativo en los cálculos de contracción asociada al pulso de enfriamiento del Noeico Tardío/Hespérico Temprano y, como consecuencia, a la contracción global de Marte.