Convulsive Geological Events in the Alborán Sea: Hazardous and Sedimentological Consequences
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Estrada i Llàcer, Ferran
2023-A
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Resumen
El objetivo principal de esta Tesis es el estudio de dos casos de eventos geológicos convulsivos en el Mar de Alborán, uno de tipo tsunamigénico y el otro, la megainundación del Zancliense que puso fin a la Crisis de Salinidad Messiniense (MSC). El estudio, que combina el análisis geológico mediante perfiles sísmicos, sondeos y batimetrías con la modelización matemática, permite caracterizar, cartografiar y discutir las evidencias geológicas y establecer las consecuencias en la peligrosidad y sedimentarias de los mencionados procesos convulsivos.
El estudio del evento convulsivo de tipo tsunamigénico establece que actualmente se está produciendo un proceso de indentación tectónica debido a la aproximación hacia el NO de la placa africana respecto la euroasiática. El bloque indentador de corteza africana es el causante de la mayoría de la actividad tectónica reciente y sísmica de la zona, especialmente en el sector sur. En este sector, se descubre la formación de un nuevo sistema de falla, denominado Incrisis, 10 km al oeste de la falla de Al-Idrisi. La falla Incrisis se prolonga hacia tierra y ha detonado varias crisis sísmicas recientes (1993-1994, 2004 y 2016-2017). El fondo marino presenta además deslizamientos recientes posiblemente provocados por la sismicidad. La coexistencia de terremotos y deslizamientos conlleva la consideración de la zona como potencialmente peligrosa.
El proceso de indentación forma también un sistema conjugado de fallas de dirección. Varias de estas fallas, a pesar de ser fallas de dirección, presentan saltos verticales importantes en sus extremos, como la falla de Averroes (5,4 m), la cual se ha seleccionado para modelizar matemáticamente su potencial tsunamigénico. La modelización indica que para un salto de falla de 5,4 m se produjo un terremoto de magnitud 7 que generó un tsunami con olas de hasta 6 m de altura, con tiempos de llegada entre 21 y 35 minutos. Estos resultados advierten de la necesidad de revisar los planes de alerta temprana en la zona y en otros contextos geológicos similares donde predominen fallas de dirección y de considerar el poco tiempo transcurrido entre el terremoto y la llegada del tsunami a la costa.
Con respecto al proceso convulsivo de la megainundación del Zancliense, el análisis sismoestratigráfico de la transición Messiniense-Plioceno confirma la existencia de la megainundación. Varias son las evidencias. El escaso desarrollo o ausencia en la cuenca de Alborán de las unidades típicas de la MSC (Lower_LU, Mobile_MU, and Upper _UU Units). La caracterización de rasgos erosivos, como terrazas, cañones, superficies erosivas, y la excavación de un gran canal que cruza la cuenca de oeste a este por su parte más profunda, y cuya posición estratigráfica erosionando la UU confirma que se formó tras la MSC. Además, asociados al canal se caracterizan remanentes de depósitos de la megainundación. Otra evidencia de la desconexión Mediterráneo-Atlántico es la ausencia de contornitas durante la MSC, la cual contrasta con su omnipresencia a partir del Plioceno, cuando el Mediterráneo ya estaba conectado el Atlántico.
La modelización matemática de la megainundación indica que ocurrió en cinco fases (0 a 4), siendo las fases 2 a 4 las más significativas para la inundación del Mediterráneo. En la fase 2, el agua atlántica que entra por el Estrecho de Gibraltar se invierte en rellenar la Cuenca Mediterránea Occidental. En la fase 3, el nivel del mar alcanza el umbral de Sicilia y el gradiente hidrológico se mantiene constante en la Cuenca Occidental, ya que el agua de inundación Atlántica es transferida a la Cuenca Oriental. En la fase 4, el nivel del mar asciende sincrónicamente en ambas cuencas mediterráneas hasta nivelarse con el Océano Atlántico. El tiempo estimado para transferir el 90% del agua al Mediterráneo es de 2 años, con un ascenso del nivel del mar de 10 m/día. Debido al enorme caudal generado en el pico de la megainundación se calcula un caudal de 108 m3 s-1 y velocidades alcanzadas de 40 m s-1.
La constatación de la existencia de la megainundación zancliense dirime el debate actual sobre los dos modelos de la MSC, de cuenca profunda desecada y de cuenca profunda no desecada, a favor del modelo de cuenca desecada.
Los resultados del estudio de estos procesos convulsivos de diferente naturaleza ponen de manifiesto que uno de los retos en la investigación futura en geociencias marinas comprende la necesidad de identificarlos, caracterizarlos y analizar sus impactos. Estos impactos afectan a los riesgos geológicos marinos y a la evolución sedimentaría y paleogeográfica de cuencas marinas con implicaciones paleoceanográficas y paleoclimáticas.
The main objective of this Ph. D. Thesis is the study of two cases of convulsive geological events in the Alboran Sea, one of tsunamigenic type and the other, the Zanclean mega-flood that ended the Messinian Salinity Crisis (MSC). The study, which combines geological analysis by means of seismic profiles, cores and bathymetry with mathematical modelling, allows to characterize, map and discuss the geological evidences and to establish the hazard and sedimentary consequences of the mentioned convulsive processes.
The study of the tsunamigenic convulsive event establishes that a process of tectonic indentation is currently taking place due to the NW approach of the African plate with respect to the Eurasian plate. The indenting block of African crust is the cause of most of the recent tectonic and seismic activity in the area, especially in the southern sector. In this sector, the formation of a new fault system, called Incrisis, is discovered 10 km west of the Al-Idrisi fault. The Incrisis fault extends landward and has triggered several recent seismic shocks (1993-1994, 2004 and 2016-2017). The seafloor also shows recent landslides possibly triggered by seismicity. The coexistence of earthquakes and landslides leads to the consideration of the area as potentially dangerous.
The indentation process also forms a conjugate system of strike-slip faults. Several of these faults, despite being strike-slip faults, have significant vertical offsets at their ends, such as the Averroes fault (5.4 m), which has been selected for mathematical modelling of its tsunamigenic potential. The modelling indicates that for a fault offset of 5.4 m, a magnitude 7 earthquake was produced, generating a tsunami with waves up to 6 m high, with arrival times between 21 and 35 minutes. These results warn of the need to review early warning system in the area and in other similar geological contexts where directional faults predominate and to consider the short time elapsed between the earthquake and the arrival of the tsunami to the coast.
Regarding the convulsive process of the Zancliense megaflood, the sismostratigraphic analysis of the Messinian-Pliocene transition confirms the existence of the megaflood. There are several evidences. The scarce development or absence in the Alboran basin of the typical MSC units (Lower_LU, Mobile_MU, and Upper _UU Units). The characterization of erosional features, such as terraces, canyons, erosional surfaces, and the excavation of a large channel that crosses the basin from west to east in its deepest part, and whose stratigraphic position eroding the UU confirms that it was formed at the end of the MSC. In addition, remnants of mega-flood deposits are characterized in association with the channel. Another evidence of the Mediterranean-Atlantic disconnection is the absence of contourites during the MSC, which contrasts with their omnipresence from the Pliocene onwards, when the Mediterranean was already connected to the Atlantic.
Mathematical modelling of the megaflood indicates that it occurred in five phases (0 to 4), with phases 2 to 4 being the most significant for the Mediterranean flood. In phase 2, the Atlantic water entering through the Strait of Gibraltar is reversed to fill the Western Mediterranean Basin. In phase 3, sea level reaches the Sicily threshold and the hydrological gradient remains constant in the Western Basin as Atlantic flood water is transferred to the Eastern Basin. In phase 4, sea level rises synchronously in both Mediterranean basins to level with the Atlantic Ocean. The estimated time to transfer 90% of the water to the Mediterranean is 2 years, with a sea level rise of 10 m/day. Due to the enormous flow generated at the peak of the megaflood, a flow rate of 108 m3 s-1 and velocities of 40 m s-1 are estimated.
The confirmation of the existence of the Zanclean megaflood settles the current debate on the two models of the MSC, deep basin desiccated and deep basin not desiccated, in favour of the model of the desiccated basin.
The results of the study of these convulsive processes of different nature show that one of the challenges in future research in marine geosciences includes the need to identify them, characterize them and analyse their impacts. These impacts affect marine geological hazards and the sedimentary and paleogeographic evolution of marine basins with paleoceanographic and paleoclimatic implications.
Esta tesis doctoral analiza dos eventos geológicos convulsos, uno de carácter tectónico y el otro de origen sedimentario-oceanográfico, ocurridos en el pasado en el mar de Alborán: el tsunami producido por el terremoto asociado a la actividad de la falla de Averroes y la megainundación atlántica de edad Zancliense. El análisis de la geología de la región nos permite profundizar en el conocimiento de la geodinámica donde se enmarcan ambos eventos convulsivos y comprender mejor su génesis y los peligros geológicos asociados a los mismos. Con este objetivo, se ha planteado un enfoque multidisciplinario basado en la geomorfología, la geofísica, la sedimentología, la tectónica y la modelización matemática que ha permitido reconstruir cómo se desarrollaron estos eventos y cuales fueron sus consecuencias. Por otro lado, también se ha analizado desde un punto de vista conceptual el uso del término evento convulsivo versus catástrofe, llegando a la conclusión de que es preferible el uso del primero por ser un término más aséptico y sin connotaciones filosóficas.
10.1 Principales logros
Las principales contribuciones de esta investigación de doctorado se resumen en los siguientes dos puntos principales:
• Para comprender la génesis y el impacto de los eventos convulsivos es necesario analizar las características de la tectónica activa y los procesos geodinámicos asociados. En esta tesis se define por primera vez el modelo de indentación tectónica que se desarrolla en el Mar de Alborán, en el marco de la colisión de las placas Euroasiática-Nubia. Este modelo contribuye a aumentar la comprensión de la evolución geodinámica reciente de este mar. Los conjuntos de fallas conjugadas NNE-SSO sinistras y ONO-ESE dextras que forman un ángulo de 75 ° rodean el espolón rígido de la placa africana. Hacia el norte, las fallas disminuyen su deslizamiento transcurrente, volviéndose normales cerca del extremo de la falla. La antiforma de la Dorsal de Alborán, por encima de un nivel de desenganche, se vio favorecida por la estratificación cortical. La tectónica de indentación supone la mayor fuente de peligrosidad en relación a los eventos sísmicos convulsivos del Mar de Alborán. Esta tesis también ofrece nuevos conocimientos para la evaluación de los peligros de este tipo de eventos convulsivos, basados en el estudio del crecimiento de fallas activas recientes a través del análisis de una secuencia sísmica de deformación del fondo marino. Los resultados indican que el crecimiento de fallas recientes puede producir sismos de mayor magnitud que los asociados a las fallas ya formadas, incrementando así los eventos sísmicos convulsivos esperados de la zona.
Para una comprensión más detallada de estos eventos, esta tesis evalúa su potencialidad para provocar otro tipo de eventos convulsos en el Mar de Alborán: los tsunamis. En este caso, el estudio se centró en el extremo norte de la falla de dirección de Averroes. Se ha modelizado su potencial tsunamigénico, poiniéndose de manifiesto cómo las olas del tsunami alcanzan sectores muy poblados de la costa española con alturas máximas de llegada de 6 m en un rango de tiempo entre 21 y 35 min. El escaso tiempo transcurrido entre el terremoto y la llegada del tsunami hace que la capacidad de reacción de los sistemas de alerta temprana sea muy reducida. Las características del tsunami y la alta ocupación de las playas y del litoral andaluz, en general, hacen que esta zona sea especialmente propensa a eventos sísmicos convulsivos originados por tsunamis. Estas evidencias tienen importantes consecuencias para los riesgos geológicos en alta mar, con dos implicaciones principales: una relacionada con las fallas sísmicas potencialmente peligrosas que sugieren que el potencial tsunamigénico de las fallas de dirección es más importante de lo que se conocía anteriormente, y la otra está relacionada con los sistemas de alerta temprana de tsunamis, que deben ser considerados para su reevaluación en contextos geológicos similares.
• La megainundación del Zancliense representa un gran e inusual evento convulsivo con implicaciones sedimentarias y oceanográficas a escala de la cuenca mediterránea. Con esta Tesis doctoral se han determinado con mayor precisión los límites cronoestratigráficos y sus características. El estudio del registro sedimentario y su relación cronoestratigráfica ha permitido constatar que se produjo una gran inundación al final del Messiniense que puso fin a la MSC. Un elemento clave de esta afirmación es el llamativo canal E-W de grandes dimensiones (el canal Zancliense, de hasta 600 m de relieve y 250 km de largo) que erosiona los depósitos de la unidad superior (UU) que cierra la trilogía de la MSC. Además, la aparición de características sedimentarias posteriores a la inundación, como varias terrazas submarinas a diferentes profundidades, y el desarrollo de cañones subaéreos, revelan que la megainundación de agua atlántica se produjo en varias etapas. Estos resultados arrojan luz al debate actual sobre los tres modelos de MSC: de cuenca desecada profunda, de cuenca no desecada profunda y de modelo mixto, en favor de los modelos de cuenca desecada y mixto porque considera tanto la exposición subaérea como la posterior inundación atlántica de la cuenca de Alborán.
Para obtener una visión más detallada de la magnitud y la duración de este extraordinario evento convulsivo, se modeló matemáticamente la megainundación zancliense. El modelo determina que este evento convulsivo ocurrió cinco fases, de la 0 a la 5, siendo las fases 2 y 3 las de carácter convulsivo, debido a su corta duración desde un punto de vista geológico. La fase 0 corresponde a un período de larga duración donde la reducida entrada de agua del Atlántico genera una erosión poco significativa. En la fase 1, el Estrecho de Gibraltar se vuelve más profundo y ancho, aumentando exponencialmente su tasa de erosión y el flujo de agua del atlántica. En la fase 2, se produce una reducción del gradiente hidrológico entre el Océano Atlántico y el Mediterráneo occidental, lo que se traduce en una disminución de la velocidad del flujo y la descarga de agua, así como una disminución de la tasa de erosión. Durante esta fase, toda el agua atlántica que entra por el Estrecho de Gibraltar se invierte en rellenar la cuenca del Mediterráneo Occidental. En la fase 3, el nivel del mar alcanza el umbral de Sicilia y el gradiente hidrológico se mantiene constante en la cuenca occidental, ya que el agua que entra por el Estrecho de Gibraltar se traslada a la cuenca oriental, produciéndose un rápido ascenso del nivel del mar en esta última. Finalmente, en la fase 4, el nivel del mar sube de forma sincronizada en ambas cuencas mediterráneas hasta nivelarse con el Océano Atlántico. El tiempo estimado para trasvasar el 90% del agua a la cuenca mediterránea es de dos años, provocando una subida del nivel del mar de 10 m por día. Debido al enorme caudal generado en el pico de la megainundación (108 m3 s-1), y las altas velocidades alcanzadas (v=40 m s-1), es muy probable que la imagen de una cascada llenando la cuenca mediterránea no sea correcta y probablemente se produjo mediante una rampa de inundación.
10.2 Cuestiones pendientes
La investigación llevada a cabo en esta tesis pone de manifiesto varias cuestiones no completamente resueltas que requieren de futuras investigaciones. Estas cuestiones son relevantes para comprender mejor como funcionan los eventos convulsivos, no solo en el Mar de Alborán, sino también extrapolables a otras zonas.
En relación con eventos convulsivos peligrosos: la generación de tsunamis de origen sísmico en el Mar de Alborán sigue siendo prácticamente desconocida. Hay muchas fallas potencialmente sísmicas que pueden desencadenar tsunamis que deben ser modeladas matemáticamente, especialmente fallas de dirección que no fueron consideradas previamente como fuente de riesgo. El análisis detallado de estas fuentes potenciales permitirá en el futuro la realización de un mapa mucho más detallado de las zonas costeras que pueden verse afectadas por tsunamis y en qué medida, y así, mejorar los planes de alerta temprana y mitigación. Lo anterior es extrapolable a otras áreas ubicadas en contextos tectónicos similares.
Otro aspecto importante para futuros estudios sería profundizar en la comprensión de los eventos convulsivos en cascada. Por ejemplo, a partir de una fuente sismogénica inicial, se pueden desencadenar otros terremotos en áreas altamente estresadas, que a su vez pueden generar deslizamientos de tierra que pueden dar lugar a tsunamis. En este sentido, el proyecto CASCADE, presentado en la convocatoria de la Agencia Estatal de Investigación (AEI) de proyectos de investigación I+D+i PID2021 española y en el que participo, (codirigido por el Dr. Casas D. y la Dra. Ercilla G. del ICM-CSIC y el Dr. Galindo J. de la UGr-IACT), abordará este tema con el fin de mejorar la comprensión y el impacto de los procesos en cascada en áreas de indentación tectónica.
Como se ha visto a lo largo de esta tesis, el Mar de Alborán es una zona propensa a la ocurrencia de deslizamientos submarinos, algunos considerados como eventos convulsivos. Esta cuestión, que està poco investigada, es un elemento de suma importancia si queremos desarrollar una estrategia que sirva para los sistemas de alerta temprana y para las medidas de mitigación. Una gran incógnita en el Mar de Alborán es la posibilidad de que se desarrollen megadeslizamientos. Existen algunas evidencias que ocurrieron en el pasado, como el deslizamiento de Nerja del Pleistoceno Inferior, de 35 km de ancho y 20 km de largo, con un espesor máximo de 221 m (Belzuz, 1999). La cabecera de este deslizamiento se encuentra en el talud continental superior de Nerja (Málaga) a 472 m de profundidad y se desconocen sus implicaciones en términos de riesgos geológicos. De hecho, el impacto potencial de un evento de esta magnitud podría ser enorme.
En lo que concierne a la megainundación convulsiva del Zancliense y su relación con la crisis de salinidad del Messiniense quedan varios aspectos sin resolver: ¿qué provocó la megainundación de Zancliense?; ¿cuál era la paleotopografía del Mar de Alborán durante la MSC?; o ¿qué nos dicen los depósitos messinienses sobre la MSC y su influencia en el clima global? Para responder a la pregunta de qué provocó el evento convulsivo de la megainundación de Zancliense, se requiere un análisis más detallado del registro de estratigrafía sísmica a ambos lados del Estrecho de Gibraltar, ya que muchas de las hipótesis sobre su génesis son especulativas debido a falta de estudios detallados.
Para comprender mejor la evolución de la MSC en el Mediterráneo y sus implicaciones ambientales, es importante conocer cuál era la paleotopografía de una zona tan sensible a la MSC como es el Mar de Alborán. Actualmente, estoy colaborando con investigadores del Instituto GEO3BCN-CSIC en la reconstrucción paleogeográfica del Mar de Alborán durante el Messiniense que aportará información esencial para comprender mejor cómo se desarrolló la MSC.
Las implicaciones paleoambientales del MSC y su impacto en el clima global es un tema de debate actual. Las puertas de enlace marinas juegan un papel fundamental en el intercambio de agua entre océanos y mares que influyen en la circulación termohalina. El papel de los estrechos, como el Estrecho de Gibraltar, en los modelos matemáticos del clima es fundamental porque los modelos existentes utilizan celdas de un tamaño que supera las dimensiones del propio estrecho, lo que provoca un sesgo significativo en la predicción del clima. Para comprender mejor este sesgo participo en la propuesta IMMAGE 895-ADP (Flecker, 2020) que se presentó al International Ocean Discovery Program (IODP). Esta propuesta llevará a cabo a finales del 2023 varias perforaciones a ambos lados del Estrecho de Gibraltar, con el fin de recuperar un registro completo del intercambio Atlántico-Mediterráneo desde el Mioceno Superior hasta la configuración actual.