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

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Ibarra, Federico

2023-A
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Resumen

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.



Abstract

The Central Andes region in South America is characterized by a complex and
heterogeneous deformation system. Recorded seismic activity and mapped
neotectonic structures indicate that most of the intraplate deformation is located
along the margins of the orogen, in the transitions to the foreland and the forearc.
Furthermore, the actively deforming provinces of the foreland exhibit distinct
deformation styles that vary along strike, as well as characteristic distributions of
seismicity with depth. The style of deformation transitions from thin-skinned in the
north to thick-skinned in the south, and the thickness of the seismogenic layer
increases to the south. Based on geological/geophysical observations and numerical
modelling, the most commonly invoked causes for the observed heterogeneity are the
variations in sediment thickness and composition, the presence of inherited structures,
and changes in the dip of the subducting Nazca plate. However, there are still no
comprehensive investigations on the relationship between the lithospheric composition
of the Central Andes, its rheological state and the observed deformation processes.
The central aim of this dissertation is therefore to explore the link between the nature
of the lithosphere in the region and the location of active deformation. The study of
the lithospheric composition by means of independent-data integration establishes a
strong base to assess the thermal and rheological state of the Central Andes and its
adjacent lowlands, which alternatively provide new foundations to understand the
complex deformation of the region. In this line, the general workflow of the
dissertation consists in the construction of a 3D data-derived and gravity-constrained
density model of the Central Andean lithosphere, followed by the simulation of the
steady-state conductive thermal field and the calculation of strength distribution.
Additionally, the dynamic response of the orogen-foreland system to intraplate
compression is evaluated by means of 3D geodynamic modelling.
The results of the modelling approach suggest that the inherited heterogeneous
composition of the lithosphere controls the present-day thermal and rheological state
of the Central Andes, which in turn influence the location and depth of active
deformation processes. Most of the seismic activity and neotectonic structures are
spatially correlated to regions of modelled high strength gradients, in the transition
from the felsic, hot and weak orogenic lithosphere to the more mafic, cooler and
stronger lithosphere beneath the forearc and the foreland. Moreover, the results of
the dynamic simulation show a strong localization of deviatoric strain rate second
invariants in the same region suggesting that shortening is accommodated at the
transition zones between weak and strong domains. The vertical distribution of seismic
activity appears to be influenced by the rheological state of the lithosphere as well.
The depth at which the frequency distribution of hypocenters starts to decrease in the
different morphotectonic units correlates with the position of the modelled brittle-
ductile transitions; accordingly, a fraction of the seismic activity is located within the
ductile part of the crust. An exhaustive analysis shows that practically all the seismicity
in the region is restricted above the 600 C isotherm, in coincidence with the upper
temperature limit for brittle behavior of olivine. Therefore, the occurrence of
earthquakes below the modelled brittle-ductile could be explained by the presence of
strong residual mafic rocks from past tectonic events. Another potential cause of deep
earthquakes is the existence of inherited shear zones in which brittle behavior is
favored through a decrease in the friction coefficient. This hypothesis is particularly
suitable for the broken foreland provinces of the Santa Barbara System and the
Pampean Ranges, where geological studies indicate successive reactivation of
structures through time. Particularly in the Santa Barbara System, the results indicate
that both mafic rocks and a reduction in friction are required to account for the
observed deep seismic events.



Índice

Resumen iii
Abstract v
Índice ix
Lista de Figuras xiii
Lista de Tablas xvii
Capítulo 1. Introducción 1
1.1. Tema de investigación e incógnitas a resolver 1
1.2. Flujo de trabajo y estructura de la tesis 5
Capítulo 2. Marco geológico 7
2.1. Evolución tectónica 10
2.2. Compresión andina 13
Capítulo 3. Modelo de densidades de los Andes Centrales en tres dimensiones a
escala litosférica 17
3.1. Introducción 17
3.2. Métodos y datos 21
3.2.1. Geometría del modelo inicial 21
3.2.2. Determinación de densidades corticales 24
3.2.3. Determinación de densidades en el manto 28
3.2.4. Modelado gravimétrico 29
3.3. Resultados 32
3.4. Discusión 38
3.5. Resumen y conclusiones 42

Capítulo 4. Estado térmico de los Andes Centrales 44
4.1. Introducción 44
4.2. Métodos y datos 48
4.2.1. Modelado del campo termal conductivo en estado estacionario 48
4.2.2. Cálculo de profundidad a la base de la capa magnetizada 52
4.2.3. Cálculo de flujo térmico superficial a partir de la base de la capa
magnetizada 55
4.3. Resultados 56
4.3.1. Campo termal conductivo en estado estacionario 56
4.3.2. Profundidad de la isoterma de Curie y flujo térmico superficial asociado 61
4.4. Discusión 63
4.4.1. Validación del campo termal conductivo 63
4.4.2. El rol de la corteza 68
4.4.3. Profundidad a la base de la capa magnetizada y campo termal 69
4.5. Resumen y conclusiones 71
Capítulo 5. Estado reológico de los Andes Centrales 74
5.1. Introducción 74
5.2. Métodos y datos 80
5.2.1. Modelado reológico de la distribución de resistencia a la deformación
permanente 80
5.2.2. Modelado directo del espesor elástico efectivo 82
5.2.3. Determinación del espesor elástico equivalente 84
5.2.4. Modelado geodinámico del sistema orógeno-cuenca de antepaís 85
5.3. Resultados 88
5.3.1. Modelo reológico de distribución de resistencia a la deformación
permanente 88
5.3.2. Espesor elástico 91
5.2.3. Modelo geodinámico del sistema orógeno-cuenca de antepaís 93

5.4. Discusión 95
5.5. Resumen y conclusiones 102
Capítulo 6. Discusión. El estado termo-mecánico de los Andes Centrales y su
relación con la sismicidad y la deformación activa 104
Capítulo 7. Conclusiones 116
Apéndice A 120
Apéndice B 122
Apéndice C 124
Apéndice D 126
Agradecimientos 130
Bibliografía 133



Conclusiones

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.