The extensional system of the Granada Basin in the frame of the Betic Cordillera: Structure, activity and geohazard implications

La Cuenca de Granada es la cuenca intramontañosa más significativa de la
Cordillera Bética. Está situada en su zona central y limitada hacia el este por la región más
elevada de la cordillera, Sierra Nevada. Su formación desde el Mioceno temprano-medio
se debe a la actividad de despegues extensionales que exhumaron los complejos
metamórficos. Actualmente, su desarrollo se relaciona principalmente con la actividad de
fallas NO-SE que generan sismicidad recurrente, lo que la convierte en la región con mayor
peligrosidad sísmica de la Península Ibérica. La evolución de la Cuenca de Granada se
enmarca en un contexto extensional que afecta a la Cordillera Bética central casi en su
totalidad. Dicha región contrasta con las zonas circundantes que están afectadas
principalmente por acortamiento. Por un lado, la Cordillera Bética oriental y Mar de
Alborán central sufren acortamiento NNO-SSE, debido al empuje de dos indentores
tectónicos, relacionado a la convergencia Eurasia-Nubia. Por otro lado, la Cordillera Bética
occidental se desplaza hacia el oeste y genera acortamiento en el frente más occidental.

En este complejo contexto de desarrollo actual del Mediterráneo occidental, la
Cordillera Bética central, en general, y la Cuenca de Granada en particular, constituyen un
laboratorio natural excelente para estudiar la causa de procesos de extensión en límites de
placas convergentes. En esta tesis doctoral se combinan técnicas geológicas, geofísicas y
geodésicas para estudiar las principales estructuras activas de la región con el fin de
mejorar el conocimiento de los procesos que intervienen en la extensión de la Cordillera
Bética central, y el desarrollo actual del Arco de Gibraltar.

La Cuenca de Granada oriental, adyacente a Sierra Nevada, está afectada por una
extensión OSO-ENE de hasta 1.3 mm/año según los datos GNSS. El análisis de las
principales estructuras y mecanismos focales de terremotos sugieren que dicha extensión
está acomodada mediante un conjunto de fallas normales de alto ángulo NO-SE
enraizadas en una falla normal de bajo ángulo bajo la cuenca, que constituyen el sistema
extensional de la Cuenca de Granada. Los datos geológicos de campo sugieren una
conexión estructural entre las fallas normales de alto ángulo y los despegues extensionales
Miocenos que actualmente afloran en Sierra Nevada occidental. Así, la falla normal de bajo
ángulo activa actualmente podría tratarse de la continuación hacia el O de los despegues
extensionales antiguos. En este contexto, los perfiles de nivelación de alta precisión
determinan un desplazamiento vertical medio de 0.73 mm/año de la Falla de Granada,
principal falla normal de alto ángulo del sistema. Por lo tanto, esta falla podría acomodar
entre un tercio y potencialmente la totalidad de la extensión en la región, si dicho
desplazamiento se transmitiera a la falla normal de bajo ángulo.

En el sistema extensional de la Cuenca de Granada son recurrentes las series
sísmicas como la ocurrida en Granada durante 2021. Se trata de una serie con
características tanto de terremoto principal y replicas como de enjambre. La relocalización
de la sismicidad dibuja una geometría en forma de chimenea. El análisis geológico y
gravimétrico apunta a la interacción entre un juego de fallas NO-SE activas y otro juego
de fallas NE-SO que funcionan como barreras, segmentan las primeras y confinan la serie.
Así, la longitud y el área de ruptura de los segmentos activados se ven disminuidas, y
limitan la magnitud máxima de los terremotos a Mw 4.5-5.0. De esta manera, los esfuerzos
acumulados en el área se relajan mediante la recurrencia de varios terremotos de magnitud
similar, lo que favorece la característica de enjambre de la serie y disminuye el potencial
sismogénico de las fallas.

Los datos GNSS regionales sugieren que los bordes oeste y suroeste de la Cuenca
de Granada constituyen un frente compresivo. Las observaciones geológicas y geofísicas
muestran que el frente está caracterizado por cabalgamientos ciegos N-S en el norte, que
afectan las Zonas Externas, y la formación de grandes pliegues ONO-ESE en el sur, en la
Zona Interna. La relocalización de la sismicidad apunta a una relación estructural de dicho
frente con el despegue extensional de la Cuenca de Granada. La Falla normal de Ventas de
Zafarraya constituye la principal estructura sismogénica en la región, probablemente
responsable del terremoto de Andalucía de 1884. Los datos de la red GNSS de Zafarraya,
situado junto al límite entre las Zonas Externas e Internas, indican que la actividad de la
Falla de Ventas de Zafarraya está relacionada al desarrollo de la antiforma O-E de Sierra
de Alhama en un contexto de acortamiento local NNE-SSO de hasta 2 mm/año. En este
contexto, se trata de una falla normal que acomoda la extensión relacionada con la flexión
del arco externo de la antiforma de Sierra de Alhama en su segmento occidental.

La extensión en la Cordillera Bética central está posiblemente asociada al colapso
extensional desde la zona más elevada en la Cordillera Bética, Sierra Nevada, a las zonas
más deprimidas hacía el oeste, suroeste y sur. Este colapso activa el sistema extensional
de la Cuenca de Granada en el borde occidental de Sierra Nevada y determinan el
desarrollo actual de la cuenca. La formación del frente de acortamiento al oeste y suroeste
de la Cuenca de Granada probablemente se debe a la existencia de un cuerpo denso
emplazado en la corteza que actúa como contrafuerte, como indica la fuerte anomalía
gravimétrica positiva. Hacia el sur, el sistema está delimitado por la indentación activa en
el Mar de Alborán central. El levantamiento en la zona de Sierra Nevada podría deberse
tanto a la formación de grandes pliegues E-W debido a la convergencia Eurasia-Nubia
como al rebote isostático relacionado con el slab-tearing. En cambio, las regiones
deprimidas hacia el oeste, suroeste y sur serían resultado tanto de la extensión de retroarco
relacionado con el rollback como de la subsidencia en la Cuenca de Alborán occidental
relacionado con la subducción activa en la Cordillera Bética occidental. El modelo
geodinámico activo propuesto de la Cordillera Bética central, realizado mediante este
estudio multidisciplinar, contribuye a la caracterización de los peligros geológicos en el sur
de la Península Ibérica y podría ser aplicable a otros contextos geodinámicos similares.

La Cordillera Bética se ve afectada por la indentación tectónica en la Cordillera
Bética oriental y la cercana Cuenca de Alborán central, mientras que la Cordillera Bética
occidental sufre subducción con rollback y subsidencia. La Cordillera Bética central,
enmarcada entre los anteriores procesos tectónicos, se deforma por extensión y se
desarrollan fallas normales. Este complejo, pero desafiante escenario geológico ofrece una
notable oportunidad para investigar las causas de la extensión heterogénea en entornos
de convergencia.

La Cuenca de Granada es la principal cuenca neógeno-cuaternaria situada en la
Cordillera Bética central. El sector oriental de la cuenca se caracteriza por fallas normales
activas de alto ángulo NO-SE, probablemente enraizadas en una falla normal de bajo
ángulo entre 10 y 20 km de profundidad que, en conjunto, constituyen el sistema
extensional de la Cuenca de Granada. Este sistema acomoda la mayor parte de la extensión
ENE-OSO de ≈2 mm/año en la Cordillera Bética central, junto con la Falla de Baza en el
noreste. La Falla de Granada desempeña un papel fundamental, y genera una sismicidad
recurrente de baja a moderada magnitud, con magnitudes de hasta Mw 5.1. El aumento
de la actividad durante las series sísmicas, como la ocurrida en 2021, activan fallas normales
NO-SE en el área de Sierra Elvira-Santa Fe. Hacia el sureste, en el extremo sur de Sierra
Nevada, se produce una rotación de la extensión en sentido antihorario, asociada a fallas
normales a normales-dextras.

Los límites occidental y suroccidental de la Cuenca de Granada están conectados
en profundidad con el despegue extensional de la Cuenca de Granada, y forman un frente
de compresión caracterizado por un acortamiento de hasta 2 mm/año. El sector norte,
ubicado en las Zonas Externas, experimenta un acortamiento mediante cabalgamientos en
piggy-back, que dio origen a Sierra Gorda. El sector sur, en las Zonas Internas, está
influenciado por el desarrollo de la gran antiforma WNW-ESE de Sierra Tejeda, cuyo origen
se relaciona con la presencia de un cuerpo denso dentro de la corteza que actúa como
contrafuerte. Entre ellos, se desarrolla la antiforma de Sierra de Alhama en dirección E-O,
que está afectada por fallas normales como la Falla de Ventas de Zafarraya.

Los nuevos datos geológicos, geofísicos y geodésicos de la Cordillera Bética central,
presentados en esta tesis doctoral, respaldan la propuesta de un colapso orogénico activo
que se origina en la región más elevada, Sierra Nevada, y se extiende hacia las áreas más
hundidas en el oeste, suroeste y sur. El despegue extensional, expuesto en Sierra Nevada
occidental y activo bajo la Cuenca de Granada, se conecta con cabalgamientos ciegos
activos en los límites occidental y suroccidental de la cuenca. Este mecanismo de colapso,
limitado al norte por la corteza más gruesa de la Cordillera y al sur por la indentación activa
en el Mar de Alborán central, está dirigido por procesos litosféricos típicos en orógenos
arqueados. Por un lado, el levantamiento de Sierra Nevada parece estar vinculado al rebote
isostático posterior al slab-tearing y la formación de grandes pliegues en dirección E-O
desde el Tortoniense, como consecuencia de la convergencia Eurasia-Nubia. Por otro, el
colapso se dirige hacia las regiones más hundidas en el oeste debido al adelgazamiento
por la extensión de retroarco durante el Mioceno de la corteza en las cuencas de Granada
y Alborán y la subsidencia relacionada con la subducción activa con rollback en la Cuenca
de Alborán occidental.

Las principales estructuras tectónicas activas han sido caracterizadas para
determinar la actividad geodinámica. a) La Falla de Granada representa un componente
significativo del sistema extensional de la Cuenca de Granada y ha sido estudiada en
detalle. Se trata de una falla normal de alto buzamiento, vinculada a una sismicidad
recurrente de baja a moderada magnitud. Los perfiles de nivelación de alta precisión han
determinado una tasa de desplazamiento vertical promedio de 0.73 mm/año. La actividad
de esta falla representa al menos un tercio de la totalidad de la extensión registrada en la
Cuenca de Granada. b) Hacia el noroeste, esta extensión es acomodada por las fallas
normales de alto ángulo de Sierra Elvira. Estas fallas son las responsables de las series
sísmicas recurrentes en el área. Las fallas oblicuas intersecan y segmentan las fallas
activadas, lo que conduce a la disipación de los esfuerzos acumulados a través de varios
terremotos menores y contribuye a que la serie tenga un carácter de enjambre. c)
Finalmente, la Falla normal de Ventas de Zafarraya es la principal estructura activa en el
borde suroeste de la Cuenca de Granada. La red local GNSS de Zafarraya, calcula un
acortamiento de hasta 2 mm/año, lo que facilita el desarrollo de la antiforma de Sierra de
Alhama. En este contexto, la Falla Ventas de Zafarraya acomodaría la extensión asociada a
la flexión del arco externo del pliegue.

Los resultados presentados en esta tesis doctoral también tienen implicaciones en
cuanto a peligrosidad geológica. Los estudios realizados abordan el potencial sísmico en
tres aspectos. a) La existencia de fallas que actúan como barreras, segmentan las fallas
normales de alto ángulo activas y disminuyen su potencial sismogénico. La longitud de
ruptura de cada evento se limita a 2 km, por lo que se reduce la probabilidad de eventos
que superen Mw 4.5-5.0 y, en consecuencia, disminuye la peligrosidad en la región. b) Las
fallas normales de bajo ángulo bajo la Cuenca de Granada han generado terremotos de
hasta Mw 4.0, pero no se puede descartar la posibilidad de eventos más grandes en el
futuro, debido a la implicación de fluidos o largos periodos de recurrencia. Por lo tanto,
estas estructuras también deben considerarse en los estudios de evaluación de peligro
sísmico. c) La Falla de Ventas de Zafarraya parece ser la estructura responsable del
terremoto de Andalucía de 1884. La actividad conjunta de la antiforma de Sierra de Alhama
y la falla sugiere que esta última acomoda la extensión asociada a la flexión en el arco
externo del pliegue mediante terremotos de hasta Mw 6.0-7.0. Por lo tanto, las fallas
relacionadas al plegamiento representan una fuente sísmica significativa y debe
considerarse en los estudios de evaluación de peligros geológicos.

CONCLUSIONS

The Betic Cordillera is affected by tectonic indentation in the eastern Betic
Cordillera and nearby central Alboran Basin while the western Betic Cordillera, undergoes
subduction with rollback and subsidence. The central Betic Cordillera, frames between the
former tectonic processes deformed by extension developing normal faulting. This
complex but challenging geological setting offers a remarkable opportunity to investigate
the causes of heterogeneous extension in convergence settings.

The Granada Basin is the main Neogene-Quaternary basin located in the central
Betic Cordillera. The eastern sector of the basin characterises by NW-SE high-angle active
normal faults probably rooted in a low-angle normal fault between 10-20 km depth that
all together constitutes the extensional system of the Granada Basin. This system
accommodates most of the ≈2 mm/year ENE-WSW extension in the central Betic
Cordillera, together with the Baza Fault in the northeast. The Granada Fault is considered
one of the main faults in the system. It generates recurrent low-to-moderate seismicity
reaching magnitudes up to Mw 5.1. This seismicity is increased during seismic sequences,
which activate the NW-SE normal faults in the Sierra Elvira-Santa Fe area, as occurred
during 2021. To the southeast, in the southern limb of Sierra Nevada, the extension rotates
anticlockwise and is accommodates by normal to normal-dextral faults.

The west and southwest boundaries of the Granada Basin are connected in depth
by the extensional detachment of the Granada Basin. They constitute a compressional front
where up to 2 mm/year shortening occurs. The northern sector, in the External Zones, is
characterized by westward piggy-back thrusting that generated Sierra Gorda. The southern
sector, in the Internal Zone, is deformed by a large WNW-ESE Sierra Tejeda antiform
triggered by buttressing due to the presence of dense bodies embedded in the crust.
Between them, the E-W Sierra de Alhama antiform developed affected by normal faults,
such us, the Ventas de Zafarraya Fault.

The new geological, geophysical and geodetic data from the central Betic Cordillera
presented in this PhD thesis support the active orogenic collapse from the most uplifted
region in Sierra Nevada, towards the most depressed regions in the west, southwest and
south. The extensional detachment outcropping in the western Sierra Nevada, and active
bellow Granada Basin, connects with active blind thrusts in the west and southwest
boundaries of the Granada Basin. The collapse does not occur towards the north because
it is the sector with the thickest crust of the Cordillera and is constrained from the south
by the active indentation in central Alboran Sea. This collapse is driven by usual lithospheric
processed in arcuate orogens. On the one hand, the uplift of Sierra Nevada would respond
to the isostatic rebound following the tearing of the subducting slab and the formation of
large E-W folds since the Tortonian due to the Eurasia-Nubia convergence. On the other
hand, collapse would be directed towards the more depressed areas in the west caused by
crustal thinning in the Granada and Alboran basins triggered by back-arc extension during
the Miocene and subsidence in the western Alboran Basin related to active subduction
with rollback

The main active tectonic structures have been characterized to constrain the active
geodynamics. a) Firstly, the Granada Fault, one of the main structures of the extensional
system of the Granada Basin, has been monitored. It is a high-angle normal fault with
associated recurrent low-to-moderate seismicity. High-precision levelling lines have
determined an average vertical slip rate of 0.73 mm/year. The activity of this fault would
account at least one-third of the extension in the Granada Basin. b) To the northwest this
extension is accommodated by the Sierra Elvira high-angle normal faults. They are
responsible for generating the concurrent seismic sequences in this area. Oblique faults
segment active faults, which have to accommodate stresses through several earthquakes
and they give to the sequences their “swarmy” character. c) Finally, the Ventas de Zafarraya
normal Fault is the main active structure on the southwestern edge of the Granada Basin.
The near-field Zafarraya GNSS network calculates, however, a shortening of up to 2
mm/year that facilitates the development of the Sierra de Alhama antiform. In this context,
the Ventas de Zafarraya Fault would accommodate the bending-moment extension of the
fold.

The results presented in this PhD thesis also have geohazard implications. The
studies carried out discuss the seismic potential in three topics. a) The existence of faults
acting as barriers, segmenting the active high-angle normal faults, decreases their seismic
potential. The rupture length of each event is reduced to 2 km and, therefore, events
greater than Mw 4.5-5.0 are unlikely to occur, reducing the hazard in the region. b) Lowangle
normal faults in the Granada Basin generated earthquake up to Mw 4.0 but the
occurrence of larger events in the future cannot be ruled out, given the rapid shear heating
of pore fluids or long recurrence period. Therefore, these structures should also be
considered in hazard assessment studies. c) The Ventas de Zafarraya Fault may be the
structure responsible for the 1884 Andalusian earthquake. The joint activity of the Sierra
de Alhama antiform and this fault suggests that it accommodates the bending-moment
extension through earthquakes up to Mw 6.0-7.0. Therefore, fold-related faulting
constitutes important seismogenic source to be considered in geological hazard
assessment studies.