Tectonics of dyke swarms: Insights from case studies and analogue modelling

Abstract

Els patrons d'eixams de dics aporten evidències sobre les condicions de paleoesforços, cinemàtica cortical i règims tectònics. L'objectiu principal d'aquesta Tesi és discernir i caracteritzar en tres dimensions els patrons estructurals d‘eixams de dics magmàtics. Amb aquest objectiu s'ha dut a terme l'estudi de casos de quatre diferents escenaris geològics i dues sèries d'experiments de modelització analògica. La comparació entre els resultats obtinguts a partir dels diferents estudis de camp i de modelització ha permès avançar en el coneixement dels factors mecànics i tectònics associats a l'emplaçament i deformació de dics. Es pot fer una distinció entre patrons simples i més complexos mitjançant la comparació entre contextos geològics i tectònics diferents i mitjançant l'ajut de la modelització analògica. Els casos més simples s'han observat en contextos extensionals en l'escorça mitja-superior. Els eixams es caracteritzen per intrusions paral·leles que es propaguen al llarg de fractures perpendiculars a σ3. No obstant això, les heterogeneïtats presents en les roques encaixants, com ara diàclasis, produeixen modificacions en els patrons d'intrusió, ja que el magma utilitza determinades fractures preexistents per a la intrusió. Aquesta situació caracteritza en diferent grau els eixams d'Aiguablava (Serralada Costanera Catalana) i del SE de Sardenya. Com a conseqüència, en cada situació es dóna un patró de segmentació de dics diferent. Els models analògics reprodueixen aquest tipus de relacions i permeten comprovar aquestes diferències. Els altres dos contextos regionals estudiats (Independence Dyke Swarm a Sierra Nevada, Califòrnia, i diversos eixams de dics màfics de l'Anti-Atlas del Marroc) revelen patrons estructurals més complexos. La seva intrusió en l'escorça mitjana i, sobretot, subsegüent deformació, van tenir lloc durant esdeveniments orogènics sota condicions de major pressió litostàtica i esforços diferencials menors. Tot i que de la mateixa manera que en els casos precedents el mecanisme d'intrusió fonamental va ser la hidrofractura, les condicions tectòniques orogèniques i les propietats mecàniques del sistema dic-roca encaixant (comportament fràgil-dúctil) mostren una influència important en el desenvolupament d'estructures. És relativament comú en aquestes situacions l'aparició de sistemes conjugats de dics híbrids, així com de patrons en echelon. A més, a causa dels contrastos de competència entre dics i roques encaixants, la deformació tendeix a localitzar-se durant i després de l'emplaçament, generant foliacions i zones de cisalla. Aquest fenomen ha estat reproduït en una sèrie d'experiments analògics de deformació fràgil-dúctil al voltant de dics parcialment fosos.

Los patrones de enjambres de diques aportan evidencias sobre las condiciones de paleoesfuerzos, cinemática cortical y regímenes tectónicos. El objetivo principal de esta Tesis es discernir y caracterizar en tres dimensiones los patrones estructurales de enjambres de diques magmáticos. Para ese propósito, se ha llevado a cabo el estudio de casos de cuatro diferentes escenarios geológicos y dos series de experimentos de modelización analógica. La comparación entre los resultados obtenidos a partir de los diferentes estudios de campo y de modelización ha permitido avanzar en el conocimiento de los factores mecánicos y tectónicos asociados al emplazamiento y deformación de diques. Se puede realizar una distinción entre patrones simples y más complejos mediante la comparación entre contextos geológicos y tectónicos distintos y mediante la ayuda de la modelización analógica. Los casos más simples se han observado en contextos extensionales en la corteza media-superior. Los enjambres se caracterizan por intrusiones paralelas que se propagan a lo largo de fracturas perpendiculares a 3. Sin embargo, las heterogeneidades presentes en las rocas encajantes, tales como diaclasas, producen modificaciones en los patrones de intrusión, puesto que el magma utiliza ciertas fracturas pre-existentes para la intrusión. Esta situación caracteriza en diferente grado los enjambres de Aiguablava (Cordillera Costera Catalana) y del SE de Cerdeña. Como consecuencia, en cada situación se da un patrón de segmentación de diques distinto. Los modelos analógicos recrean este tipo de relaciones y permiten comprobar dichas diferencias. Los otros dos contextos regionales estudiados (Independence Dyke Swarm en Sierra Nevada, California, y varios enjambres de diques máficos del Anti-Atlas de Marruecos) revelan patrones estructurales más complejos. Su intrusión en la corteza media y, sobretodo, subsiguiente deformación, tuvieron lugar durante eventos orogénicos bajo condiciones de mayor presión litostática y esfuerzos diferenciales menores. Aunque del mismo modo que en los casos precedentes el mecanismo de intrusión fundamental fue la hidrofractura, las condiciones tectónicas orogénicas y las propiedades mecánicas del sistema dique-roca encajante (comportamiento frágil-dúctil) muestran una influencia importante en el desarrollo de estructuras. Es relativamente común en estas situaciones la aparición de sistemas conjugados de diques híbridos, así como de patrones en echelon. Además, debido a contrastes de competencia entre diques y rocas encajantes, la deformación tiende a localizarse durante y después del emplazamiento, generando foliaciones y zonas de cizalla. Dicho fenómeno ha sido reproducido en una serie de experimentos analógicos de deformación frágil-dúctil alrededor de diques parcialmente fundidos.

Patterns of dyke swarms provide evidences about paleostress, crustal kinematics and geotectonic regimes. The main aim of this Thesis is to discern and characterize the three-dimensional structural patterns of magmatic dyke swarms. For this purpose, case studies on four different field reference areas and two series of analogue modelling experiments have been carried out. Comparison of the results obtained from different field-based and modelling studies has allowed gaining insight into the mechanical and tectonic factors associated with the emplacement and deformation of dykes. A distinction from simple to more complex patterns could be made by comparing different tectonic cases and also with the help of analogue modelling. The simplest cases have been observed in mid- to upper-crustal extensional settings. Swarms are characterized by sub-parallel intrusions which propagate along fractures normal to 3. However, heterogeneities in the granitoid host rocks, as joints, produce modifications in the intrusion patterns, since magma may use these pre-existing anisotropies to intrude. To different extents, this situation characterizes the Aiguablava (Catalan Coastal Ranges) and SE Sardinia cases. In consequence, particular dyke segmentation patterns are characteristic of each region. Analogue models recreate this type of relations and test the differences in segmentation associated with diverse previously fractured basements. More complex structural patterns have been recognized in the other studied dyke swarms (Independence Dyke Swarm in Sierra Nevada, California and various swarms of mafic dykes in the Anti-Atlas of Morocco). Their intrusion into the mid-crust and subsequent deformation took place under higher confining pressures and lower differential stresses during orogenic events. Although the main intrusion mechanism was also hydrofracturing as in the other study cases, the particular orogenic tectonic conditions and mechanical properties of the dyke-host rock system (brittle-ductile behavior) had a large influence on the developed structures. Arrays of conjugate sets of hybrid dykes and en echelon dykes are more common in these cases. Moreover, as an effect of competence contrasts between dykes and host rocks, deformation localization structures (foliations, shear zones) developed during or after the emplacement. This situation has been reproduced in series of analogue experiments of ductile deformation around partially molten dykes in isotropic rocks.