Seismic Characterization of the Central Iberian Zone from the Surface to the Upper Mantle

Abstract

The multi-seismic experiments carried out under the ALCUDIA research initiative include a normal incidence and a wide-angle seismic reflection datasets. These constrain the internal architecture, the detailed crustal and lithospheric structure and, provide the necessary knowledge on physical properties across the Central Iberia Zone. The normal incidence seismic images from south to north: the suture zone of Ossa-Morena Zone (the Central Unit), the undulating Central Iberian domain, the intruded granitic bodies (the Mora Granite, the Toledo Anatectic complex, etc) up to the Toledo Fault, just south of the Tajo Basin. The study area is characterized by undulating topography characterized by a series of synclines and anticlines. The image shows a weakly reflective upper crust, ~13-18 km thick. The sinusoidal topography reflects the folding, the imbricate thrust systems, and listric extensional faults imaged by the normal incidence data. At deeper levels the image reveals arcuate and laminated events suggesting boudinage like structures. These features are disrupted in the south most probably due to the existence of the suture zone. The deep expression of the outcropping suture zone, is slightly displaced to the north with respect to its surface position and, it is imaged as an under-thrusting of a thin slice of lower crust. Towards the northern end of the transect, beneath the Toledo fault, a north dipping band of reflectivity suggest a significant thinning of the lower crust to the north. The Mohorovicic discontinuity is delineated as a sharp decrease in reflectivity at the base of the lower crust, located at ~31-33 km depth (10.5 s two-way travel-time).

The wide-angle seismic reflection data acquired in early May 2012, was aimed to provide the distributions of the physical properties (P- and and S-wave velocities, densities, and Poisson’s ratio) of the crust beneath the study area. It was designed to be nearly coincident with the normal incidence profile. The obtained P- and S- wave velocity models reveal significant lateral velocity variations in the upper crust, which are consistent with the observation from the surface outcrops. The lower crust is identified by a sharp increase in velocity at ~13 km and ~20 km beneath the Central Iberian Zone and the Tajo Basin, respectively. The base of the crust is strongly constrained by the high amplitude PmP and SmS arrivals and it is located at ~31 km in the southern end and at ~35.5 km below the northern end of the wide-angle transect. The wide-angle was also used to produce low-fold P- and S-wave wide-angle stacks. This was done to take a closer look to the Moho discontinuity, and to be able to estimate the internal structure and generate synthetic seismograms in which the PmP and SmS would be qualitatively comparable to the phases observed in the shot records. This place key constraints on the structure of the Moho discontinuity beneath the Central Iberian Zone and the Tajo Basin in the Variscan orogen of the central Iberian Massif. The images reveal gradual deepening from ~31 km (10.2 s) in the Central Iberian Zone to ~35.5 km (11.8 s) beneath the Tajo Basin for the Moho discontinuity. The wide-angle seismic data and the results derived from it are compatible with the normal incidence images.

Los experimentos de multi-sísmicas realizados en el marco de la iniciativa del proyecto ALCUDIA incluyen una incidencia normal y sísmica gran angular de los conjuntos de datos de reflexión sísmica. Estos limitan las estructuras internas, la estructura detallada de la corteza y litosfera y, proporcionan el conocimiento necesario de las propiedades físicas a lo largo de la Zona Central Ibérica. Las imágenes sísmicas de incidencia normal se presentan de Sur a Norte: las estructuras de la Zona Ossa-Morena (Unidad Central), el ondulante domino Ibérico Central, los cuerpos intrusivos graníticos (Granitos de Mora, complejo Anatético de Toledo, etc.) hasta la falla de Toledo, justo al Sur de la cuenca del Tajo. La zona de estudio está caracterizada por una topografía ondulada debido a una serie de sinclinales y anticlinales. La imagen muestra una corteza inferior débilmente reflectante, ~13-18 km de espesor. La topografía sinodal refleja los pliegues, los sistemas de cabalgamientos imbricados, y fallas extensionales lístricas observados por los datos de sísmica de incidencia normal. A niveles más profundos las imágenes revelan estructuras arqueadas y laminares que sugieren estructuras como boundinage. Estas características son interrumpidas hacia el Sur, muy probablemente debido a la existencia de la zona de sutura. La expresión más profunda del afloramiento de la zona de sutura, está ligeramente desplazada hacia el Norte con respecto a su localización en superficie y, esta es vista como un cabalgamiento profundo de una fina capa de corteza inferior. Hacia el límite norte del perfil, debajo la falla de Toledo, una banda de reflectividad buzando hacia norte sugiere un adelgazamiento de la corteza inferior hacia el Norte. La discontinuidad de Mohorovicic se delimita como una fuerte disminución de la reflectividad a la base de la corteza inferior, localizada a unos ~31-33 km de profundidad (10.5 s tempo doble).

Los datos de gran ángulo de sísmica de reflexión adquiridos a principios de mayo de 2012, tenían como objetivo proporcionar las distribuciones de las propiedades físicas (velocidades P y S, densidades, y el coeficiente de Poisson) de la corteza bajo la zona de estudio. Este perfil fue diseñado para ser casi coincidente con el perfil de incidencia normal. Los modelos de velocidad de P y S obtenidos revelan importantes variaciones laterales de velocidad en la corteza superior, que son coherentes con la observación de los afloramientos en superficie. La corteza inferior se identifica por un fuerte aumento de la velocidad a ~13 km y ~20 km de profundidad en Zona Central Ibérica y en la Cuenca del Tajo, respectivamente. La base de la corteza está fuertemente limitada por grandes amplitud de las llegadas de PmP y SmS y se encuentra a ~31 km en el extremo sur y a ~35,5 km por debajo del extremo norte del perfil de sísmica de gran ángulo. La sísmica de gran ángulo también se utilizó para producir low-fold stacks para las ondas P y las S. Esto se hizo para tomar una mirada más cercana a la discontinuidad de Moho, y para ser capaces de estimar la estructura interna y generar sismogramas sintéticos donde las fases PmP y SmS serían cualitativamente comparables a las fases observadas en los registros sísmicos. Esto dio lugar restricciones clave en la estructura de la discontinuidad de Moho bajo la Zona Central Ibérica y la Cuenca del Tajo en el orógeno Varisco del Macizo Central Ibérico. Las imágenes revelan una profundización gradual de ~31 km (10,2 s) en la Zona Central Ibérica a ~35,5 km (11,8 s) debajo de la cuenca del Tajo para la discontinuidad de Moho. Los datos sísmicos de gran ángulo y los resultados derivados de ellos son compatibles con las imágenes de incidencia normal.