Desarrollo de modelos numéricos de flexión litosférica: aplicación a fosas oceánicas y cuencas de antepaís

Abstract

La flexión de la Litosfera es un proceso observado en distintos contextos tectónicos y su estudio tiene especial relevancia para la comprensión de los procesos de formación de cuencas de antepaís y fosas oceánicas. Dicha flexión es consecuencia de la aplicación de cargas superficiales (p. e., apilamiento de mantos de corrimiento) y/o cargas intemas de origen incierto (p.e., deformación intema de la litosfera). Por tanto, la evolución de la deflexión y la consiguiente geometría del relleno sedimentario están relacionados con la evolución de la carga. El objetivo del trabajo que se presenta en esta Memoria es el desarrollo de modelos numéricos de flexión litosférica y su aplicación a la formación de fosas oceánicas y cuencas de antepaís. En la primera parte de la Memoria se describen los modelos conceptuales que relacionan los procesos de carga con la deflexión del basamento y la geometría sedimentaria resultante. Esta relación está basicamente determinada por el comportamiento reológico de la Litosfera y los procesos superficiales de erosión/sedimentación. En la segunda parte, se desarrollan los algoritmos de cálculo de la deflexión que están basados en el modelo de placa delgada y permiten incorporar distintas reologías: elástica, viscoelástica y elastoplástica. Una de las aportaciones de este trabajo es la integración en el modelo de flexión de la cinemática en 2D y 3D del proceso de carga, permitiendo una simulación más rigurosa del emplazamiento de láminas cabalgantes. El tratamiento de los procesos de erosión y sedimentación es distinto en los modelos 2D y 3D. En el primer caso se han considerado los modelos simples de tasa constante y transporte difusivo, mientras que en el segundo caso se ha incorporado el transporte advectivo a través de la red de drenaje. Ambos modelos consideran el efecto de las variaciones eustáticas del nivel del mar y de la paleobatimetría. La versatilidad con que se han diseñado los algoritmos de cálculo ha permitido su aplicación a dos contextos geodinámicos distintos. En primer lugar, el modelo de flexión de placa con diferentes reologías se ha aplicado a las fosas oceánicas de Tonga y Kermadec, permitiendo acotar la estructura de la litosfera en la Placa Pacífica y la magnitud de las fuerzas que actúan sobre la misma. En segundo lugar, el mismo modelo de flexión, conjuntamente con las aproximaciones adoptadas para la formación de la carga y el transporte de sedimentos en 2D y 3D, se ha aplicado a la cuenca de antepaís del Guadalquivir, permitiendo relacionar el movimiento de las Zonas Béticas Externas con la geometría de las unidades sedimentarias. El modelo de placa elástica homogenea no permite reproducir el conjunto de observables (deflexión, arquitectura de la cuenca, etc.) y predice una distribución de esfuerzos en el interior de la placa que es incompatible con el comportarniento reológico de la litosfera. Por el contrario, el modelo de placa viscoelástica permite reproducir geometrías complejas del relleno sedimentario, mientras que el modelo de placa elastoplástica no homogénea predice, además, una distribución mas realista de los esfuerzos generados en el interior de la placa De la aplicación de los modelos a las fosas del Tonga y Kermadec se deduce que es necesario imponer una fuerza horizontal extensiva para ajustar correctamente la deflexión del basamento. Ello implica que el mecanismo preponderante en la subducción de la Placa Pacífica es la contribución gravitatoria del slab que subduce (slab pull), y no el arrastre del manto astenosférico. De acuerdo a los parámetros reológicos escogidos, los resultados obtenidos favorecen el modelo termico de Stein & Stein (1992) frente al de Parsons & Sclater (1977). No obstante, la validez de este resultado debe tomarse con precaución dado el alto grado de incertidumbre en Ia deterrninación de los parámetros reológicos. Del estudio realizado en la Cuenca del Guadalquivir se deduce que la influencia de la carga asociada a las Zonas Béticas Internas es despreciable en el proceso de formación de la Cuenca. La subsidencia de la Cuenca precisa de la concurrencia de la carga topográfica, la carga asociada a la paleobatimetría, la contribución de la deformación cortical y la presencia de una carga de origen subcortical que, de acuerdo con las anomalías gravimétricas y geoidales, debe localizarse en la base de la litosfera. Por otro lado, el retroceso que se observa en los depósitos del Tortoniense y el avance subsiguiente de los depósitos del Mesiniense se han reproducido satisfactoriamente considerando el modelo de placa elastoplástica no homogénea y el modelo de placa viscoelástica. Por tanto, el retroceso de la unidad Tortoniense puede atribuirse a un efecto combinado de variaciones del nivel del mar, relajación viscosa de los esfuerzos y estratificación de la resistencia litosférica. Por último, el modelo elastoplástico permite, además, explicar la existencia de fallas extensionales en el basamento coetáneas al proceso de carga.

Flexure of the lithosphere is a widely observed process in different tectonic settings. Its study is particularly relevant to understand the formation of foreland basins and oceanic trenches. The lithosphere bends in response to external loads (e.g., thrusts) and/or hidden Loads (e.g., lithospheric deformation). Thereby, the evolution of the deflection and the basin infill geometry are directly related to loading processes. The main goal of this work is to develop numerical models of lithospheric flexure and their application to the study of oceanic trenches and foreland basin formation. The first part of this Thesis deals with the conceptual models that link loading processes to basement deflection and basin infill geometry. This relationship is mainly controlled by the rheological behavior of the litosphere and by surface processes such as erosion and sedimentation. The second part includes the development of thin plate model based algorithms with different rheologies: elastic, viscoelastic, and elastoplastic. A relevant contribution of this work is the integration in the flexural model of a 2D and 3D fully kinematic approach which realistically simulates thrust emplacement. Erosion and sedimentation processes are treated distinctly in the 2D and 3D approaches. The 2D approach considers either a constant erosion/sedimentation rate or a diffusive model, whereas the 3D can also incorporate advection through a drainage network. Both approaches include eustatic sea level variations and paleobathymetry. Elastic and homogeneous elastoplastic plate models do not account for the observed deflection and basin architecture. Moreover, these models predict an unrealistic lithospheric stress distribution. In contrast, the viscoelastic plate model permits to reproduce complex infill geometries, whereas the non-homogeneous elastoplastic plate model predicts, in addition, a more realistic stress distribution. The application of the 2D algorithms to the Tonga and Kennadec trenches has allowed to constrain the lithospheric structure of the Pacific Plate and the magnitude of the forces acting on the subducting slab. The most outstanding result is the necessity to impose a horizontal extensional force to fit the deflection of the basement. This implies that the driving mechanism is mainly governed by slab pull rather than mantle drag. Results also favour the half plate cooling model proposed by Stein & Stein (1992) instead of that proposed by Parsons & Sclater (1977), although the uncertainties on the rheological parameters do not allow for firm conclusions. The application of the 2D and 3D algorithms to Southern Spain reveals that the Internal Betics play a negligible role in the formation of the Guadalquivir foreland basin. The basement deflection can only be explained considering the topography and paleobathymetry loads, the Load associated with crustal deformation, and a hidden or extra load seated at subcrustal

levels. The analysis of gravity and geoid anomalies suggests that the hidden load is likely related to lithospheric thickening beneath the Betics. The complex stratigraphy of the Guadalquivir basin, particularly during Tortonian and Messinian times, is successfully reproduced by the viscoelastic and the non-homogeneous elastoplastic plate models suggesting that the basin infill resulted from the combination of eustatic sea-level variations, viscous stress relaxation, and layered lithospheric strength. Furthermore, the non-homogeneous elastoplastic plate model accounts for the presence of basement extensional faults that developed during thrusting.