Estado térmico-reológico de los Andes Centrales y su relación con los procesos de deformación activos

La región de los Andes Centrales en Sudamérica presenta un complejo y
heterogéneo sistema de deformación. La actividad sísmica registrada y las estructuras
neotectónicas mapeadas indican que la deformación de intraplaca se ubica
principalmente sobre los márgenes del orógeno, en las zonas de transición hacia el
retroarco y el antearco. Por otro lado, las regiones con deformación activa en el
antepaís exhiben estilos de deformación característicos que varían a lo largo del
rumbo, así como distintivas distribuciones de sismicidad en profundidad. De norte a
sur, se observa una progresión en el estilo de deformación de piel fina a piel gruesa y
un incremento del espesor de la capa sismogénica. En base a observaciones geológicas
y geofísicas, las causas generalmente invocadas para explicar el carácter heterogéneo
de la región son los cambios en el espesor y composición de los sedimentos, la
presencia de estructuras heredadas y los cambios en el ángulo de subducción de la
placa de Nazca. Sin embargo, no existe aún ningún estudio comprensivo sobre la
relación entre la composición litosférica de los Andes Centrales, su estado reológico y
los procesos de deformación observados. Consecuentemente, el objetivo principal de
esta tesis es explorar la existencia de una posible correlación entre el estado físico de
la litosfera en la región y la ubicación de la deformación activa. El estudio de la
composición litosférica mediante la integración de datos independientes constituye
una base fundamental para la determinación del estado térmico y reológico de los
Andes Centrales, los que a su vez establecen nuevas herramientas para entender los
complejos procesos de deformación de la región. En esta línea, el flujo de trabajo
principal de la tesis consiste en la construcción de un modelo gravimétrico
tridimensional de la litosfera andina basado en datos, seguido de la simulación del
campo termal conductivo en estado estacionario y el cálculo de la distribución de
resistencia a la deformación permanente de las rocas. Adicionalmente, la respuesta
dinámica del sistema orógeno-cuenca de antepaís a compresión de intraplaca es
evaluada mediante el desarrollo de un modelo geodinámico.
Los resultados de los modelos sugieren que la composición litosférica
heterogénea y heredada controla el estado térmico-reológico actual de los Andes
Centrales, que a su vez influye en la ubicación y estilo de los procesos de deformación
activos. La mayor parte de la actividad sísmica y las estructuras neotectónicas se
encuentran espacialmente asociadas a regiones que presentan alto gradiente de
resistencia integrada, en las zonas de transición de la litosfera félsica y débil en el
orógeno, hacia la litosfera más máfica y resistente en el retroarco y antearco.
Asimismo, los resultados de la simulación dinámica muestran una marcada
localización de los segundos invariantes de la tasa de deformación deviatórica a lo
largo de las mismas regiones, sugiriendo que el acortamiento es acomodado en zonas
de transición entre dominios débiles y resistentes. La distribución vertical de la
actividad sísmica parece también estar influenciada por el estado térmico-reológico
de la litosfera. La profundidad a la que la frecuencia de hipocentros comienza a
disminuir en las distintas unidades morfoestructurales presenta una correlación con la
posición de las transiciones frágiles-dúctiles modeladas, en consecuencia, una fracción
de los eventos sísmicos se posiciona dentro del campo de deformación dúctil de la
corteza. Un análisis exhaustivo revela que prácticamente todos los hipocentros de la
región se ubican por encima de la isoterma de 600ºC, coincidiendo con el límite
térmico superior para el comportamiento frágil de la olivina. Por consiguiente, la
ocurrencia de sismos por debajo de las transiciones frágiles-dúctiles modeladas podría
ser explicada por la presencia de rocas máficas resistentes, residuales de pasados
eventos tectónicos. Otra potencial causa de sismos profundos es la existencia de zonas
de cizalla heredadas, en las cuales el comportamiento frágil es favorecido mediante
una reducción en la fricción interna de los materiales. Esta hipótesis es especialmente
adecuada para el antepaís fragmentado del Sistema de Santa Bárbara y las Sierras
Pampeanas, donde estudios geológicos indican una sucesiva reactivación de
estructuras a lo largo del tiempo. Particularmente, en el Sistema de Santa Bárbara los
resultados indican que para explicar la sismicidad profunda es necesario considerar la
presencia de rocas máficas en conjunto con una reducción en la fricción interna.

Los objetivos principales de esta tesis fueron investigar el rol de la estructura y
composición heterogéneas de la litosfera de los Andes Centrales sobre su campo
termal y distribución de resistencia a la deformación permanente, y analizar un
posible control del estado térmico-reológico de la litosfera sobre los procesos de
deformación activos registrados en la región en forma de actividad sísmica y
estructuras neotectónicas. Para ello, se construyó un modelo tridimensional de
densidades para la litosfera de los Andes Centrales, sobre la base del cual se pudo
calcular la distribución de temperaturas y resistencia a la deformación permanente.
Los resultados del modelo de densidades muestran que la corteza está dividida
en tres regiones principales correspondientes al antearco, el orógeno y el antepaís, las
cuales están caracterizadas por composiciones máficas, félsicas e intermedias,
respectivamente. La heterogénea distribución de densidades corticales no presenta
correlación aparente con los modelos existentes de acreción de terrenos durante el
Neoproterozoico-Cámbrico; en cambio, es coherente con la evolución tectónica de la
región durante el Fanerozoico. Si se considera una composición inicial intermedia
(independientemente de la presencia de diferentes terrenos), la intensa actividad
magmática máfica en la región del actual antearco durante el Jurásico podría explicar
la composición máfica dominante, la alta velocidad sísmica reportada y las altas
densidades modeladas. En la zona del actual orógeno, procesos de reciclado cortical
tales como engrosamiento cortical, fusión parcial, delaminación y relaminación,
especialmente durante el Paleozoico Temprano y el Cenozoico, podrían explicar la
composición félsica predominante, las bajas velocidades sísmicas y las bajas
densidades.
El campo termal conductivo en estado estacionario exhibe una clara correlación
con la naturaleza heterogénea de la corteza, presentando temperaturas más elevadas
en la corteza espesa y félsica del orógeno que en las regiones circundantes del
antepaís y el antearco, donde la corteza es más delgada y máfica. Por otro lado, la
correlación inversa observada entre el campo termal modelado y la temperatura en la
condición de borde inferior del modelo en el manto, sugiere que la corteza ejerce un
control principal sobre la distribución profunda de temperaturas en la región. A pesar
de que existen procesos advectivos y convectivos activos en los Andes Centrales y que
el equilibrio térmico probablemente aún no haya sido alcanzado, el modelo térmico
presentado reproduce razonablemente bien las mediciones de flujo térmico superficial
y de temperatura de fondo de pozo, particularmente en aquellas regiones donde los
procesos convectivos/advectivos son menos pronunciados.
La distribución modelada de resistencia a la deformación permanente está
gobernada principalmente por el campo termal, observándose una correlación inversa
entre temperatura y resistencia integrada. Las desviaciones de dicha correlación son
explicadas por heterogeneidades composicionales de la corteza. Adicionalmente, la
simulación dinámica del modelo de densidades para compresión de intraplaca
muestra que los segundos invariantes de la tasa de deformación deviatórica más
elevados coinciden espacialmente con zonas de alto gradiente horizontal total de
resistencia integrada. En su conjunto, estos resultados sugieren que la naturaleza
heterogénea de la corteza es el principal factor que controla la distribución de la
resistencia, y que a su vez podría influir sobre la localización del acortamiento.
Al comparar los resultados de los modelos reológico y geodinámico con los
procesos de deformación activos reportados, se observa que la actividad sísmica y las
estructuras neotectónicas se encuentran preferencialmente localizadas en áreas con
alto gradiente horizontal total de resistencia integrada y elevados segundos
invariantes de la tasa de deformación deviatórica, sugiriendo que los modelos son
consistentes con las observaciones y que las heterogeneidades de la corteza ejercen
una fuerte influencia sobre la localización de la deformación.
La distribución en profundidad de los hipocentros muestra también una
correlación con la distribución de resistencia modelada, con la profundidad a la que la
frecuencia de hipocentros comienza a disminuir (Ddec) ubicada al mismo nivel (dentro
del rango de incertidumbre) que las transiciones frágiles-dúctiles modeladas en las
Sierras Pampeanas, el Sistema de Santa Bárbara y la Puna. Los sismos que ocurren
debajo de las transiciones frágiles-dúctiles modeladas podrían originarse en residuos
máficos resistentes de la corteza o en zonas de cizalla en las que el deslizamiento
sísmico es facilitado mediante una reducción del coeficiente de fricción.
Particularmente en el Sistema de Santa Bárbara, la presencia de ambas
perturbaciones locales (litología máfica y zona de cizalla) es requerida para explicar
los eventos sísmicos profundos registrados.
En general, los resultados acumulativos de los modelos indican que el
conocimiento de la estructura y composición de la corteza es crucial para entender
mejor los procesos actuales de deformación en la región. Datos adicionales,
especialmente sobre las propiedades físicas de las rocas y la distribución de
temperatura, podrían ayudar a mejorar los modelos mediante la consideración de
procesos termo-hidráulicos acoplados en los niveles someros de la corteza superior y
la calibración de los resultados con las mediciones.