Estudios de la deformación cortical de la península ibérica mediante observaciones GPS

Abstract

La península ibérica representa el extremo más occidental del cinturón orogénico Alpino-Himalayo y está caracterizada por la colisión entre la placa africana (Nubia) y la euroasiática. La convergencia entre estas dos placas tiene una orientación oblicua (~NW-SE) respecto al límite de placas con una tasa de aproximadamente 5 mm/año. La sismicidad actual en la península ibérica está concentrada principalmente en la cordillera Bética y en los Pirineos. Esta sismicidad implica la presencia de esfuerzos corticales causados por el movimiento de las placas tectónicas y/o deformaciones corticales locales que se pueden analizar utilizando la metodología de la geodesia espacial, y en particular con las observaciones GPS. Ambas zonas, aunque con regímenes tectónicos muy dispares, han sido analizadas en este estudio a partir de observaciones GPS.

Las técnicas de geodesia espaciales aplicadas al estudio de la deformación cortical en combinación con la modelización numérica nos han permitido abordar los objetivos principales de la tesis: determinar el campo de velocidades GPS para los Pirineos y las Béticas, y configurar un modelo de bloques que explique la cinemática del límite de placas entre África y Eurásica en la región Ibero-Magrebí. Los nuevos datos de la red GPS del proyecto Topo-Iberia, en el cual se enmarca la tesis, han sido incorporados en ambas áreas de estudio.

Para el estudio de la deformación activa de los Pirineos se han analizado 3,5 años de observaciones GPS de 35 estaciones continuas en la región. Se ha encontrado una extensión activa significativa perpendicular a la cordillera de 2,5±0,5 nstrain/año, con una posible tasa de deformación más elevada concentrada en la parte más occidental de la cordillera. Los resultados obtenidos están de acuerdo con los mecanismos focales predominantemente normales que ocurren en la zona y sugieren un intervalo de recurrencia de 2.200-2.500 años para un terremoto de magnitud 6,5. Se sugiere que la extensión obtenida en este estudio probablemente es debida al rebote isostático producido por el levantamiento y erosión de la cordillera y/o por un proceso de relajación causada por colapsos gravitacionales.

Para la modelización numérica de la cinemática del límite de placas de la región Ibero-Magrebí se ha obtenido el campo de velocidades GPS a partir de los campos de velocidades existentes en la región. Se ha construido un modelo de bloques elástico a partir del campo de velocidades obtenido que describe la geodinámica de la zona y muestra que la deformación principal ocurre en el dominio Bético-Rif-Alborán. El modelo propuesto consta de 5 bloques: dos bloques que representan las placas africana y euroasiática respectivamente, un bloque que engloba el Rif y el mar de Alborán, otro bloque con las Béticas Centrales y Orientales, y un bloque con las Béticas más Orientales. Según el modelo propuesto las principales zonas de deformación, correspondientes a las fallas que definen los bloques propuestos por el modelo, son: 1) la falla que se extienden desde el Golfo de Cádiz hasta las Béticas Orientales con orientación aproximadamente E-W caracterizada por un movimiento dextral; 2) las fallas que corresponden a la zona de cizalla Trans-Alboran con orientación NE-SW, caracterizada por un movimiento sinistro con una pequeña componente extensiva; 3) las fallas del sur del Rif y norte de Argelia con comportamiento transpresivo, y 4) la falla que se alinea con las fallas pliocenas y cuaternarias paralelas a la línea de costa andaluza con comportamiento dextral. Basándonos en los resultados obtenidos en esta tesis, proponemos que las velocidades GPS podrían estar justificadas por la subducción aún activa hacia el este bajo el estrecho de Gibraltar de una slab y un roll-back asociado que provocaría la extensión del back-arc, situado en las Béticas Orientales.

Himalayan orogenic belt and is characterized by the collision between the Africa and Nubia plates. The convergence between these plates has a ~NW-SE orientation, oblique to the plate boundary, with a rate of 5 mm/yr. The seismicity of the Iberian Peninsula is mainly concentrated in the Betics and Pyrenees mountain ranges. This seismicity indicates the presence of crustal stresses, which cause the plate tectonics movement and/or local crustal deformations, which could be analyzed using space geodetic techniques, particularly using GPS observations.

The main goals of the given thesis include the determination of the GPS velocity field of the Pyrenees and Betic mountain belts and, the development of a new elastic block model that explains the kinematics of the plate boundary in the Iberian-Maghrebian region. These objectives were achieved using the methodology of space geodesy applied to crustal deformation studies, and using three-dimensional numerical modeling techniques. The data of a new GPS network installed as part of the Topo-Iberia project was included in the study of the Pyrenees and the Ibero-Maghrebian region.

In order to analyze the present day crustal deformations in the Pyrenees, we analyze data from 35 continuous stations located within the mountain range, spanning 3.5-year period. Our results indicate a presence of statistically significant ongoing extension of 2.5±0.5 nstrain/yr perpendicular to the main axis of the Pyrenees, with the possibility of higher strain rates concentrated in the westernmost part of the range. This finding is in agreement with the predominantly normal faulting focal mechanisms of earthquakes that occur in the area. Using the GPS measured extension rates, we estimate that the recurrence time for magnitude 6.5 earthquakes equals 2200–2500 yr. We suggest that the extension obtained in this study could be the result of an isostatic rebound produced by the uplift and erosion of the mountain range or a process of relaxation caused by gravitational collapse, or both.

To study the kinematics of the plate boundary in the Iberian-Maghrebian region, we estimated the velocity field from the combination of all of the published GPS velocities, including the velocity estimates form the Topo-Iberia network. We design a new elastic block model from the velocity field, which explains the geodynamic behavior of this complex plate boundary. The model shows that the principal deformation are concentrate at the Betic-Rif-Alboran domain. The proposed model consists in 5 blocks: two blocks that represents the African and Eurasian plates, a block which includes the Rif and the Alboran sea, a block with the Central and Eastern Betics, and finally a block with the easternmost part of the Betics range. The principal faults which separate blocks are: 1) a right-lateral behavior of the fault with E-W orientation from Gulf of Cadiz to the eastern Betics; 2) the system of faults of Trans-Alboran Shear Zone with a NE-SW orientation has a left-lateral movement with a low extensional component; 3) the transpresive behavior of the Rif and north Argelia faults; 4) the parallel to the Andalusian coast faults have a right lateral movement. Based on the model results, we suggest that GPS velocities support a geodynamic model that supports a continued active slab subduction beneath the Strait of Gibraltar, with a consequent back-arc extension in the eastern Betics.