Estructures tectòniques i la seva relació amb la vorticitat cinemàtica: casos reals i models

Abstract

Aquest estudi es centra en temes clàssics de la geologia estructural com són el plegament de capes i la dinàmica de partícules aïllades; malgrat la gran quantitat de treballs sobre aquests temes, mai s'ha plantejat un estudi sobre la mecànica de la transició geomètrica entre capes de gruix homogeni i cossos aïllats. Aquesta transició pot ser visualitzada mitjançant capes amb distribució de gruix no homogeni. <br/>El focus principal d'aquest estudi és identificar els factors que controlen el plegament de capes amb gruix no homogeni i la relació entre l'asimetria d'aquests plecs i la cinemàtica de la deformació. La metodologia de treball consisteix en una combinació entre estudis de detall de camp d'aquestes estructures i la seva simulació mitjançant models teòrics, numèrics i analògics. Cadascun d'aquests mètodes té les seves avantatges i desavantatges, i en conjunt aporten dades diferenciades però compatibles entre elles. <br/>La definició original del treball neix per a donar una explicació coherent a un conjunt d'observacions de camp de la fase de deformació D2 del Varisc de Cap de Creus (Est dels Pirineus). En aquesta zona s'observa una aparent contradicció entre el sentit de cisalla deduït mitjançant els indicadors cinemàtics i l'inferit mitjançat l'evolució de les bandes d'elevada deformació i/o l'orientació dels marcadors planars. Un d'aquests indicadors cinemàtics són un conjunt venes de quars d'gruix molt irregulars i plegades durant la D2, anomenats sigmoidal quartz-rods. Quin és el significat d'aquestes estructures, i com reconciliar la contradicció entre els sentits de cisalla són uns dels darrers objectius de l'estudi. <br/>Primerament és fa una introducció dels aspectes principals de la mecànica de medis continus, juntament amb les teories de plegament i de dinàmica de partícules aïllades. Aquests conceptes són claus per a una comprensió correcte dels aspectes desenvolupats al llarg de tot el treball. Desprès, es realitza una descripció detallada tant de la geometria de les estructures de camp com del seu context estructural, que ens defineixen el marc d'inspiració de la modelització. Aquesta s'ha realitzat amb un increment progressiu de l'escala d'estudi: des de la geometria dels límits de capa fins a sistemes amb múltiples pertorbacions, passant per a situacions amb un única pertorbació aïllada.<br/>Les variables independents del sistema bàsicament es troben relacionades amb aspectes de la geometria inicial, aspectes lligats a les propietats mecàniques del medi i aspectes de la cinemàtica de les condicions de contorn dels models. La investigació s'ha basat en l'anàlisi tant de la variació de les geometries com de la distribució de les components de la cinemàtica dins i al voltant de les pertorbacions. Aquests resultats ens han permès establir la viabilitat de la transició mecànica entre estructures de plegament i dinàmica de partícules. Aquesta és abrupte i asimètrica, amb un domini pels processos de buckling de capes. Els resultats són utilitzats per a definir tres nous mètodes d'anàlisi de la deformació i del grau de no coaxilitat mitjançant dades de camp. Aquests es basen en la combinació de paràmetres geomètrics simples com són l'angle d'inclinació dels flancs, dels boudins o de la foliació externa. Els mètodes són aplicats a l'àrea d'estudi obtenint resultats similars per a tots ells. S'han contrastat els resultats mitjançant altres mètodes d'estimació basats en la geometria de plecs. <br/>Els resultats de camp són compatibles amb les interpretacions prèvies d'un règim transpressiu de la deformació D2, però s'observa un caràcter variable del grau de no coaxilitat de la deformació entre zones de baixa i alta deformació. Finalment, el conjunt de resultats obtinguts són un pas endavant cap una possible unificació de les teories de dinàmica de partícules aïllades i de plegament.

This study is concerning classical themes of structural geology as the folding of competent single-layers and the dynamics of isolated particles. However the large number of previous studies related to these topics, never has been investigated the mechanics of the geometrical transition between layers with homogeneous thickness and isolated inclusions. This transition can be visualized through layers with non homogeneous distribution of the thickness. <br/>The major focus of this study is addressed to recognize the mean factors that govern the folding mechanics of layers with unequal thickness. A second objective is to identify the relationship between fold asymmetry and the kinematics of the deformation. The working methodology consists in a combination between detailed field study of these structures and their simulation using theoretical, numerical and analogue modelling. These methods have advantages and disadvantages and altogether contribute to solve the problem with differentiated data but compatible among them. <br/>The initial definition of this work rise to provide a coherent interpretation to a set of field data associated to the main Variscan phase (D2) of the Cap de Creus (East of Pyrenees, Spain). In this zone, it is possible to observe an apparent contradiction between shear sense deducted from kinematics indicators and the shear sense inferred from the evolution of high strain bands and/or reorientation of structural planar markers (foliations). One of the kinematics indicators used are a set of quartz veins with irregular thickness layer and folded during the D2, called sigmoid quartz-rods. Which is the significance of these structures and how does it reconcile with the apparent contradiction between shear senses are the ultimate purposes of this study. <br/>First of all, the basic concepts of the continuum mechanics are introduced, following with a brief of layer folding and particle dynamic theories. These concepts are fundamentals for a correct acknowledgement of the mean features developed along this thesis. After, an introduction to the field structural geology and a detailed description of the geometry of sigmoidal quartz-rods structures are exposed. These observations represent the reference frame of the subsequent modelling. A progressive dimensional scale of the effects has been used in the simulations: from the geometry of the layer interfaces to systems with a central isolated perturbation, finishing in the interaction of multiple perturbations. <br/>The independent variables of the models are the initial geometry of the layers, the mechanical properties of the medium and the kinematics of the boundary conditions. The study is based on the analysis of variation of fold geometry and the variation of the distribution of the kinematics components inside and around flow perturbations. <br/>Results have validated the viability of a mechanical transition between folded structures and particle dynamics. This transition is sharp and asymmetric, and is widely dominated by buckling process. Three new methods for analysis of strain and kinematical vorticity number from field data have been proposed. These methods are based on the combination of simple geometrical parameters as the fold limb angle, the boudin angle or the orientation of the foliation. The methods have been applied to the field area, obtaining for all methods similar results. The validity of these results has been contrasted with other strain methods based on fold geometry. <br/>Field results are compatible with previous interpretation of D2 deformation as a transpressive strain regime with vertical extension, horizontal area reduction and NNW-SSE bulk shortening. But, deformation has a non-steady character, with variable degree of non-coaxility between low and high strain zones. Finally, these results represent a forward step to a viable unified theory between classical theories of folding and particle dynamics.