Recent and active deformation structures in the central-eastern sector of the Betic Cordillera and the Alboran Sea: indentation processes and roll-back
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Tendero Salmerón, Víctor
2023-A
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Resumen
El estudio multidisciplinar que combina geología, geofísica y geodesia e integra datos tierra-mar es crucial para el análisis de las estructuras tectónicas activas y recientes del Mar de Alborán y del sector centro-oriental de las Béticas. Es el caso de esta tesis, que aporta nuevos datos sobre los procesos geodinámicos que afectan al Arco de Gibraltar. La interacción de indentaciones tectónicas debidas a la convergencia Eurasia-África y la extensión y movimiento al oeste relacionadas con la subducción con roll-back controlan la tectónica activa del sector central del Dominio de Alborán. Para su estudio se han combinado métodos geológicos, geofísicos y geodésicos y se han integrado datos marinos y terrestres.
En la indentación del Mar de Alborán, las anomalías magnéticas han revelado la presencia de grandes intrusiones ígneas relacionadas con el rift del Dominio AlKaPeCa, las cuales han condicionado el desarrollo de fallas de salto en dirección y la indentación tectónica. De hecho, esas intrusiones actúan como un tope contra el que colisiona el indentador del sur del Mar de Alborán, generando la Cresta de Alborán. Los resultados también apoyan el carácter heredado de la falla dextra de Yusuf (borde noreste del indentador) y la formación muy reciente de la zona de falla sinistra de Al Idrissi (borde occidental del indentador).
La terminación sur de Al Idrissi en la cuenca transtensiva de Nekor muestra la interacción entre el movimiento al suroeste del Rif y la indentación del centro del Mar de Alborán. Las fallas estudiadas en la Bahía de Alhucemas (cuenca de Nekor) muestran una migración al oeste causada por el movimiento al SO del Rif.
La deformación en el norte de Alborán se caracteriza por dos sets de fallas conjugadas de salto en dirección que se propagan hacia la costa. En el Campo de Dalías, los resultados de medidas de GNSS muestran que los puntos del sur se mueven hacia el ONO, mientras que los del norte se mueven hacia el OSO. En esta zona hay fallas NO-SE normales-dextras. Su componente dextro y los resultados de la red GNSS apuntan a la influencia de ambos procesos (la propagación de la indentación tectónica del Mar de Alborán y la extensión ENE-OSO de las Béticas centrales) en las estructuras activas. Así, se puede definir una zona de transición en los márgenes norte y oeste de la indentación del Mar de Alborán entre los procesos de indentación relacionados con la colisión continental en el centro del Mar de Alborán y el movimiento al oeste debido al roll-back de la zona occidental.
En las Béticas orientales, la tectónica activa está caracterizada por transpresión y las fallas de salto en dirección de la Eastern Betic Shear Zone. Algunas de ellas, como la falla de Palomares, están generadas por la indentación del Arco de Águilas, en la que un fragmento rígido de la corteza argelina colisiona con las deformadas Zonas Internas béticas. Sin embargo, los modelos de gravimetría de las cuencas adyacentes a la falla de Palomares señalan que las cuencas están formadas por sinformes rotados, cuya fragmentación durante la indentación generó la falla de Palomares. Por tanto, la longitud de la falla de Palomares es menor, limitada por la deformación y desplazamiento de los pliegues, y está desconectada de la EBSZ.
Los datos también muestran que la indentación del Arco de Águilas se propaga hacia el NO. Teniendo en cuenta que en las Béticas orientales la corteza ibérica está desconectada del slab y adherida a las Béticas, debe de haber un grado de acoplamiento alto entre ambas que favorece la transmisión de esfuerzos a Iberia. Esto explica la sismicidad con mecanismos focales de salto en dirección en el basamento ibérico de la zona más oriental de la cuenca de antepaís del Guadalquivir. Datos geofísicos, sísmicos y geológicos muestran una falla NNE-SSO sinistra en el basamento que, combinada con las estructuras compresivas localizadas al norte, apoyan la existencia de una indentación incipiente. La compresión y las fallas de salto en dirección del basamento, sumadas a los pequeños desplazamientos al oeste de la superficie, indican una interacción de los procesos de colisión y transpresión que dominan las Béticas orientales y el roll-back en las Béticas centrales.
El límite entre áreas afectadas por la tectónica de indentación y el roll-back es variable. Mientras en el Mar de Alborán es una zona de transición, en el sector centro-oriental de las Béticas parece ser un límite neto, al oeste de la indentación del Arco de Águilas. Alternativamente, en esa zona podría haber una transición progresiva, como en zonas de la cuenca del Guadalquivir, eventualmente afectada por otros procesos litosféricos relacionados con la ruptura del slab entre las Béticas orientales y occidentales. El avance de la indentación y el desarrollo del Arco de Gibraltar por procesos de roll-back generan una progresiva migración al oeste de este límite entre áreas afectadas por diferentes procesos tectónicos.
A multidisciplinary study that combines geology, geophysics and geodesy in an integrated land-sea approach is crucial for the analysis of the active and recent tectonic structures in the Alboran Sea and central-eastern Betic Cordillera. Such a study, presented in this Ph.D. Thesis, reveals new insights in the geodynamics of the Gibraltar Arc. The interaction between indentation tectonics caused by the Eurasia-Africa convergence and the active extension, and westwards displacement, related to subduction with roll-back, controls the active tectonics of the central Alboran Domain. To study these structures, geological, geodetical and geophysical methods have been applied,
and marine and terrestrial data are integrated.
In the central Alboran Sea indentation, the magnetic anomalies reveal large igneous intrusions related to the AlKaPeCa Domain rift that have conditioned the development of strike-slip faults and the indentation tectonics. In fact, these rigid bodies act as a backstop where the indenter of south Alboran Sea collides and has generated the Alboran Ridge. The magnetic anomalies also point to the inherited origin of the dextral Yusuf fault (north-eastern boundary of the indenter) and a very recent formation of the sinistral Al Idrissi fault zone (western boundary of the indenter). The southern termination of the Al Idrissi fault zone in the transtensional Nekor basin shows the interaction between the southwestwards motion of the Rif Cordillera and the indentation of the central Alboran Sea. The faults studied at the Al Hoceima Bay (Nekor basin) show a westward migration caused by the SW motion of the Rif.
The deformation of the northern Alboran Sea is characterized by two conjugate sets of strike-slip faults that are propagating towards the coast. In the Campo de Dal as zone, the results of GNSS measurements show that the southern points of the GNSS network move WNW, while the northern ones move WSW. This zone is affected by normal-dextral faults with NW-SE orientation. Their dextral component, together with the GNSS results, implicate an influence of both the ENE-WSW extension, which is dominant in the central Betic, combined with the propagation of the tectonic indentation of the Alboran Sea. Thus, a transition zone can be defined in the western and northern boundaries of the Alboran Sea indentation. Such a transition happens between the indentation tectonics related to the continental collision in the central Alboran Sea, and the westwards motion with extension due to roll-back in the west Alboran
Domain.
In the eastern Betic, the active tectonics is marked by the transpressive and strike-slip faults of the Eastern Betic Shear Zone. A few of these faults, such as the Palomares one, are originated by the guilas Arc indentation, where a rigid fragment of the Algerian crust collides with the deformed Betic Internal Zones. The gravity modeling next to the Palomares fault shows that the basin geometries are controlled by rotated synforms, whose fragmentation originated the Palomares fault during the indentation. In addition, the length of the Palomares fault is shorter than previously considered and it is constrained by the folding deformation. Consequently, it disrupts the continuity of the EBSZ.
In addition, the data show a NW propagation of the guilas Arc indentation. The high coupling in the eastern Betics between the Alboran Domain and the underlying Iberian crust favors the stress transmission towards the Iberian
massif. This explains the strike-slip seismicity located inside the Iberian basement of the easternmost Guadalquivir foreland basin. Geophysical, seismological and geological data show a NNE-SSW sinistral fault in the Iberian basement and, combined with the compression structures located northwards, support an incipient indentation tectonics. The compression and strike-slip tectonics in the basement combined with the small westwards displacement at the surface, all point to an interaction between the collision tectonics of the eastern Betics and the roll-back in the central Betics.
The boundary zone between areas affected by indentation tectonics and roll-back has variable features. Whilst in the Alboran Sea it is a transition zone, in the central-eastern Betics it manifests as a sharp boundary located west of the guilas Arc indentation. Alternatively, in the Betic Cordillera, the boundary zone could be an area of progressive transition, eventually affected by other lithospheric processes related to the rupture of the slab between the western and eastern Betics. In the Guadalquivir foreland basin, transitional areas are also observed. The advancement of indentation, and the development of the Gibraltar Arc by roll-back processes, produces a progressive westwards migration of the boundary of the areas affected by these tectonic processes.
Abstract i
Resumen iii
Part I
1. Introduction, aims and outlines 3
1.1. Aims and outlines 5
2. Regional setting 9
2.1 Models of the geodynamic evolution of the Betic and Rif Cordilleras 9
2.2 Geological setting 12
2.3 Previous geophysical and geodetical data 25
3. Methods 33
3.1 Geological methods 33
3.2. Geophysical methods 33
3.2.1 Gravity prospecting 33
3.2.2 Magnetic prospecting 36
3.2.3 Electric resistivity Tomography 37
3.2.4 Seismic reflection profiles 39
3.2.5 Throw Backtstripping 40
3.3 Geodetical methods 41
Part II
4. New insights on the Alboran Sea basin extension and continental collision from magnetic anomalies related to magmatism (western Mediterranean) 45
4.1 Introduction 47
4.2. Regional setting 48
4.3 Materials and methods 54
4.4 Results 58
4.4.1 Magnetic anomalies and igneous rocks 58
4.4.2 Forward modeling of magnetic anomalies 61
4.5 Discussion 64
4.5.1 New insights on the geometry and nature of the crustal igneous bodies 64
4.5.2 Geodynamics implications 67
4.6 Conclusions 71
References 73
5. Application of Automated Throw Backstripping Method to Characterize Recent Faulting Activity Migration in the Al Hoceima Bay (Northeast Morocco): Geodynamic Implications 81
5.1 Introduction 83
5.2 Geological setting 85
5.3 Data and methods 90
5.3.1 Data 90
5.3.2 Methods 90
5.4 Results 94
5.4.1 Deformation distribution through time 94
5.4.2 Deformation rate on the main fault zones 97
5.5 Discussion 99
5.5.1 Migration of deformation in Al Hoceima Bay 99
5.5.2 Local deformation into the westernmost Mediterranean geodynamics 102
5.6 Conclusions 105
References 106
6. The Campo de Dal as GNSS network unveils the interaction between roll-back and indentation tectonics in the Gibraltar Arc 113
6.1 Introduction 115
6.2 Geological setting 116
6.3 GNSS equipment and data processing 119
6.4 GNSS network results 120
6.5 Recent offshore active tectonic deformations west of the Campo de Dal as 122
6.6 Discussion 124
6.7 Conclusions 128
References 128
7.Shearing in an indenter boundary: the evolution of the guilas Arc and itsaccommodation along the PFZ (Betic Cordillera, Spain) 133
7.1 Introduction 135
7.2 Geological setting 137
7.3 Data and methods 142
7.4 Results 144
7.4.1 Anomaly maps 144
7.4.2 Residual gravity anomaly models 145
7.5 Discussion 147
7.5.1 The Palomares fault zone 147
7.5.2 Geodynamic implications 150
7.6 Conclusions 151
References 152
8.Seismicity in Strike-Slip Foreland Faults (Central Betic Cordillera Front): Evidenceof Indentation Tectonics 159
8.1 Introduction 161
8.2 Geological and seismic setting 164
8.3 Methods 167
8.3.1 Seismicity analysis 167
8.3.2 Gravity prospecting 169
8.3.3 Electric resistivity tomography 169
8.4 Seismicity 170
8.5 Deep structures of the southeastern Guadalquivir Basin and the Cazorla Mountain Front 171 8.6 Shallow recent tectonic structures of the Guadiana Menor seismic zone 175
8.7 Discussion 176
7.7.1 Cazorla Mountain Front and T scar Fault 176
7.7.2 Guadiana Menor valley and related seismicity 178
7.7.3 Geodynamic implications 180
8.8 Conclusions 183
References 184
Part III
9.General discussion 193
9.1 Strike-slip fault systems and indentation tectonics in the Alboran Sea evolution 193
9.2 Active and incipient indentation tectonics in the central-eastern sector of the Betic Cordillera 195
9.3 Current roll-back influenced zones vs. indentation tectonics zones in the Betic Cordillera and the Alboran Sea: geodynamic implications 197
10.Conclusions 201
10.Conclusiones 205
References 209
Appendix
Appendix A. Supplementary files of Chapter 4 229
Appendix B. Supporting information of Chapter 8 233
El Arco de Gibraltar es un orógeno alpino formado por las Cordilleras Béticas y el Rif que rodean del Mar de Alborán y desarrollado en el contexto de la convergencia Eurasia-África. Es un excelente lugar para estudiar la interacción de los procesos de slab roll-back con el reciente desarrollo de indentaciones tectónicas debidas a la colisión continental. El Dominio de Alborán se ha desplazado al oeste como consecuencia de la subducción con slab roll-back desde la apertura de la cuenca argelina en el Oligoceno-Mioceno Inferior. Este movimiento causa extensión ENE-OSO a la vez que el Dominio de Alborán experimenta compresión asociada a la convergencia oblicua Eurasia-África y colisiona con
los márgenes de Iberia y África. Desde el Tortoniense, la compresión llevó a la inversión de la cuenca de Alborán y la elevación de los principales relieves de las cordilleras Bética y del Rif. Aunque la compresión NO-SE con extensión perpendicular han sido constantes desde el Tortoniense con pequeñas variaciones, la tectónica activa de las Béticas orientales y el centro del Mar de Alborán se caracterizan por fallas de salto en dirección, mientras que la Bética central presenta actividad fundamentalmente en fallas normales y grandes pliegues de escala kilométrica. Esta diferencia puede explicarse por los diferentes procesos litosféricos que las afectan. La slab oceánica se fue rompiendo y separando de la corteza ibérica y africana de este a oeste, así que en las Béticas orientales la corteza de Iberia está ya separada y quedó acoplada a la base del Dominio de Alborán. En cambio, las Béticas occidentales y el Rif aún experimentan ese movimiento hacia el oeste debido al hundimiento de la slab oceánica que sigue unida a África e Iberia en esta zona.
En las Béticas orientales, el alto grado de acoplamiento entre ambas cortezas en las Béticas orientales, combinado con la reducción del movimiento hacia el oeste, dio lugar a transpresión a lo largo de la Eastern Betic Shear Zone y plegamiento. Además, tuvo lugar la indentación tectónica del Arco de Águilas, como resultado de la compresión ejercida por la corteza argelina, que es rígida y que colisionó con los pliegues E-O de las Béticas, que se convirtieron en pliegues NE-SO mientras aún eran activos. La rotación y fragmentación de estos pliegues generó la zona de falla de Palomares. A diferencia de otras indentaciones tectónicas, la PFZ está restringida a las rotaciones de los pliegues y no se han formado grandes fallas de salto en dirección que acomoden el desplzamiento del indentor, ni están conectadas con las fallas de salto en dirección generadas en el bloque indentado. Recientemente, la transmisión de la
compresión al frente bético alcanzó el basamento ibérico de la cuenca de antepaís del Guadalquivir, aunque el área todavía experimenta desplazamientos hacia el oeste en superficie. La nucleación de fallas de salto en dirección en la corteza ibérica muestra la propagación de estos esfuerzos a la misma, mientras que los pliegues y cabalgamientos de las Zonas Externas de la Sierra de Cazorla presentan poca o nula actividad.
En el Mar de Alborán, la cuenca se invirtió y se formó una indentación tectónica en el sector central, al menos, desde el Plio-Cuaternario. El bloque del sur de Alborán se adhirió a la corteza africana y colisionó y desplazó a las intrusiones ígneas generadas durante el rift del Dominio AlKaPeCa. La indentación tectónica se acomoda por la falla dextra de Yusuf, que probablemente es una estructura heredada de la falla de STEP asociada al desplazamiento hacia el oeste del Dominio de Alborán, y por la falla sinistra de Al Idrissi, que se formó por la propia indentación durante el Pleistoceno. La interacción entre el proceso de indentación, relacionada con una fase de colisión continental, y el desplazamiento hacia el oeste asociado con el roll-back, puede observarse en el margen occidental del indentador, donde condiciona el desplazamiento al oeste de las estructuras activas. Los resultados de esta Tesis destacan esta interacción de la tectónica activa en el Campo de Dalías, donde los datos de GNSS muestran una interferencia entre el patrón radial causado por una indentación con el desplazamiento al OSO de la Bética central. La interacción de ambos procesos también determina la migración al oeste durante el Pleistoceno de la actividad de las fallas de la Bahía de Alhucemas, que constituyen la terminación sur de la falla de Al Idrissi. La migración está causada probablemente por el movimiento hacia el suroeste del Rif.
En conjunto, se puede definir una zona de transición donde la influencia del desplazamiento hacia el oeste causado por el roll-back y la tectónica de indentación y/o la transpresión controlan las fallas y pliegues activos; concretamente, a lo largo del borde occidental y septentrional de la indentación del Mar de Alborán. Sin embargo, esta zona no queda bien caracterizada en el sector centro-oriental de las Béticas, donde puede haber un contacto neto entre ambos dominios. Alternativamente, podría haber un área de transición muy progresiva, eventualmente afectada por procesos litosféricos relacionados con la ruptura del slab entre las Béticas orientales y occidentales.
Perspectivas futuras
La definición de una zona de transición controlada tanto por el desplazamiento al oeste debido al slab roll-back y la tectónica de indentación relacionada con un alto acoplamiento de las cortezas ibéricas y de Alborán en las Béticas orientales permanece abierta. Aunque de las alternativas presentadas en el capítulo previo se argumenta la ausencia de una zona de transición, junto con otras explicaciones alternativas, es preciso una discusión más detallada integrando datos previos e investigación geológica y geofísica adiconal en las estructuras activas y recientes de estas áreas. Con respecto a ello, la instalación de redes locales de GPS podría ser muy útil para conocer mejor el movimiento real y actual de las mismas, como ha ocurrido en otros casos como la falla de Balanegra.
Además, en áreas en las que el movimiento de las placas es lento, los modelos geodinámicos de migración de las fallas han probado ser útiles para comprender mejor la posición de las fallas sismogénicas, como se muestra en esta Tesis para la Bahía de Alhucemas. El movimiento lento de las placas también supone una oportunidad para estudiar las diferentes etapas de la orogenia que afectan simultáneamente a amplias áreas de estos orógenos arqueados. Eso permite conocer mejor cómo la influencia de los diferentes procesos litosféricos cambia a medida que los laterales del orógeno chocan con los márgenes continentales, mientras que el frente del arco continúa su desplazamiento debido al slab roll-back. Futuras investigaciones que combinen datos geofísicos, geodéticos y geológicos con esta perspectiva podrían revelar aspectos signficativos de la evolución geodinámica de este tipo de orógenos.
Por último, esta tesis resalta la importancia de la integración de datos marinos y terrestres, especialmente en contextos en los que el mismo dominio cortical constituye la cuenca de back-arc y parte del orógeno arqueado. Los resultados presentados muestran que las estructuras marinas y terrestres están normalmente relacionadas y, por ejemplo, en zonas como el Campo de Dalías o el Arco de Águilas se necesita investigación en tierra y mar para comprender por completo su historia geodinámica y su posible evolución. Las futuras investigaciones en regiones deformadas y tectónicamente activas que incluyen orógenos costeros o cuencas marinas invertidas deberían ser multidisciplinares e involucrar técnicas marinas y terrestres para proporcionar una visión completa de las estructuras tectónicas activas y los procesos geodinámicos asociados con implicaciones en la gestión de riesgos naturales.