Rift opening and inversion in the Marrakech High Atlas: integrated structural and thermochronologic study

Abstract

El Alto Atlas de Marruecos se formó por la inversión durante el Cenozoico de un rift continental que se formó durante el Triásico-Jurásico. El Alto Atlas de Marrakech, donde afloran principalmente materiales del basamento y del Triásico sinrift, había sido considerado como un alto o zona poco subsidente durante el rifting Triásico-Jurásico. El estudio multidisciplinario presentado en esta tesis, que integra análisis estructural y termocronología de baja temperatura, revela que el rifting Triásico-Jurásico tuvo un desarrollo completo en el Alto Atlas de Marrakech (con espesores de materiales Triásico-Jurásicos de hasta 4.5-6 km) y por tanto, sugiere que el rift del Tethys y del Atlántico estaban conectados durante el Triásico hasta el Jurásico medio-superior. El estudio de las principales cuencas Triásicas y sus fallas limitantes indican un mecanismo de apertura en extensión, siendo los movimientos direccionales menores, lo que difiere de previas interpretaciones que sugerían un modelo de apertura con movimientos direccionales importantes, incluyendo la zona de falla de Tizi n’Test. La buena exposición de las fallas y cuencas Triásicas proporciona buenos análogos de campo para la exploración en el subsuelo de sistemas extensionales de pre-sal. El análisis estructural también muestra que el rift del Alto Atlas de Marrakech fue estrecho, muy segmentado y que se desarrolló en una dirección ortogonal a la dirección de extensión regional de la época (~NW-SE), a diferencia del Alto Atlas central que desarrolló de forma oblicua. Esta diferencia en la orientación del rift la atribuyo a la indentación del macizo precámbrico del Ouzellarh (parte del Cratón Africano), que desvió la dirección general del rift evidenciando el marcado rol que ejerce la anisotropía litosférica heredada en la dirección y evolución del rift. En cuanto a los resultados de termocronología de (U-Th)He, las edades de enfriamiento de zHe del Jurásico medio-superior a Cretácico inferior obtenidas en el Alto Atlas de Marrakech indican que la subsidencia relacionada con el rift cesó en el Jurásico medio tardío, seguida por un periodo de exhumación en el que se erosionaron 2-3 km de roca. Este resultado, conjuntamente con resultados similares obtenidos por autores previos en la Meseta y el Anti-Atlas muestran una amplia área de exhumación durante esa época, siguiendo la orientación del margen Atlántico. Los modelos térmicos basados en los datos de termocronología de zHe y aHe indican que la orogenia Atlásica en las zonas internas de la cordillera empezó en el Cretácico superior. Los modelos muestran que la exhumación relacionada con la compresión se aceleró en el Oligoceno o en el Mioceno, lo cual es coherente con depósitos sinorogénicos datados anteriormente en las cuencas de antepaís periféricas. El acortamiento orogénico en el Alto Atlas de Marrakech se acomodó por pliegues de gran longitud de onda donde el basamento está involucrado, y por la creación de cabalgamientos de tipo shortcut o by-pass. Los indicadores de movimiento direccional en dichos cabalgamientos son menores. Tanto las evidencias estructurales de campo como los datos de termocronología indican que les fallas activas durante la extensión Triásico-Jurásico no fueron reactivadas en la etapa compresiva, actuando como butresses. La comparación entre las secciones estructurales actuales y la reconstrucción de las cuencas Triásicas-Jurásicas apoyada en la termocronología sugiere acortamientos mínimos totales para el Alto Atlas de Marrakech de entre 13 y 14.2 km (21% y 17% respectivamente).

The High Atlas of Morocco is an aborted continental rift developed during the Triassic-Jurassic and moderately inverted during the Cenozoic. The Marrakech High Atlas, with large exposures of basement and Triassic early syn-rift deposits, has been viewed as a morphologic high or a poorly subsiding domain during the Triassic-Jurassic rifting. The multidisciplinary approach presented in this thesis that integrates structural analysis and low-temperature thermochronology reveals that the Triassic-Jurassic rift was well developed in the Marrakech High Atlas (4.5-6 km thickness of Triassic-Jurassic deposits) and suggests that the Tethys and Atlantic rifts were connected in Triassic to Mid-Late Jurassic times. The main Triassic basins and basin-margin faults show a dominant dip-slip opening kinematics with strike-slip playing a minor role, at variance to models proposing a major strike-slip component, including faults belonging to the Tizi n’Test fault zone. Well-exposed fault and graben structures provide good analogues for the exploration of pre-salt systems in the subsurface. This multidisciplinary study also shows that the Marrakech High Atlas was a narrow and highly segmented orthogonal rift (sub-perpendicular to the main regional extension direction which was ~NW-SE), in contrast to the central and eastern segments of the Atlas rift which developed obliquely. This difference in orientation is attributed to the indented Ouzellarh Precambrian salient, part of the West African Craton, which deflected the general rift trend in the area evidencing the major role of inherited lithospheric anisotropies in rift direction and evolution. The Mid-Late Jurassic to Early Cretaceous zHe cooling ages obtained in certain areas indicate that rift-related subsidence in the Marrakech High Atlas finished in late Mid Jurassic times and was followed by a period of exhumation where nearly 2-3 km of rock were eroded. This, together with previous results in the Moroccan Meseta and Anti-Atlas, define a Mid-Late Jurassic to Early Cretaceous exhuming high following the orientation of the current Atlantic margin. Thermal models based on thermochronologic data indicate that Atlas orogeny in the inner parts of the High Atlas started in the Late Cretaceous, and compression-related exhumation accelerated since the Oligocene or Miocene, consistent with dated tectonics-sedimentation relationships elsewhere. Shortening appears accommodated by basement-involved large-scale folding, and by newly formed shortcut or by-pass thrusting, with rare left-lateral strike-slip indicators. Field structural evidence and thermochronology show that Triassic faults were mostly not reactivated, acting as buttresses. The Triassic-Jurassic basins reconstruction assisted by thermochronology and on the constrained tectonic structures, when compared with present-day cross-sections, suggests minimum values of total shortening in the Marrakech High Atlas of 13 to 14.2 km (21% to 17%).