Sequential fluid migration along a fold and thrust belt: SE Pyrenees from Late Cretaceous to Oligocene

Abstract

The south eastern Pyrenees allowed us to study the relationships between fluid flow and deformation in a complete section of a well-preserved fold and thrust belt. Furthermore, this study enables us to decipher the main controls on fluid flow and to perform a conceptual model of fluid migration in fold and thrust belts by comparing the southern Pyrenees with other orogens worldwide.

A combination of field-based and petrographic observations together with geochemical analyses was used to determine the origin of fluids from which these cements precipitated, the conditions of fluid migration and the fluid-rock relationships. These methods were applied to carbonate host rocks and calcite and dolomite cements precipitated in fractures and in intergranular and vug porosities.

The integration of the methodology allowed us to define up to 20 fluid flow events for the Upper Pedraforca thrust sheet, Eight for the Lower Pedraforca thrust sheet, seven for the Vallfogona thrust, which is the southern margin of the Cadí thrust sheet, and two for both the Abocador thrust and the Puig-reig anticline, which are located in the foreland Ebro basin.

During the late foreland stage of the south Pyrenean fold and thrust belt, the Puig-reig anticline formed. Structural and microstructural analysis developed in this fold demonstrate that at outcrop scale fracturing was controlled by rigidity contrasts between layers, diagenesis and structural position within the anticline, whereas grain size, cementation and porosity controlled deformation at the microscopic scale. Petrographic and geochemical studies of calcite precipitated in host rock porosity and fault planes reveal the presence of two migrating fluids, which represents two different stages of evolution of the Puig-reig anticline. During the layer- parallel shortening, hydrothermal fluids with temperatures between 92 and 130 ºC circulated through the main thrusts to the permeable host rocks, reverse and most of strike-slip faults precipitating as cement Cc1. During the fold growth, meteoric waters circulated downwards through normal and some strike-slip faults and mixed at depth with the previous hydrothermal fluid, precipitating as cement Cc2 at temperatures between 77 and 93 ºC. Integration of the results from the Puig-reig anticline in this work and the El Guix anticline indicates that hydrothermal fluids did not reach the El Guix anticline, in which only meteoric and evolved meteoric waters circulated along the fold.

In the south Pyrenean foreland basin, Hydrothermal fluids at temperatures up to 154 °C, migrated from the Axial zone to the foreland basin and mixed with connate fluids in equilibrium with Eocene sea-water during lower and middle Eocene (underfilled foreland basin). As the thrust front progressively emerged, low-temperature meteoric waters migrated downwards the foreland basin and mixed at depth with the hydrothermal fluids from middle Eocene to lower Oligocene (overfilled non-marine foreland basin). The comparison of the fluid flow models from the Southern Pyrenees with other orogens worldwide, seems to indicate that the presence or absence of thick

evaporitic units highly control fluid composition during the development of fold and thrust belts. Whereas in thrusts not detached along thick evaporite units, mixed fluids are progressively more depleted in δ18O and have a lower temperature and lower Fe and Sr contents as the thrust front emerges, in thrust detachments through thick evaporite units, the mixed fluids are enriched in δ18O.

From U-Pb geochronology applied to calcite cements, 47 ages for the South Pyrenean fold and thrust belt are obtained. Results indicate that fluid migration took place during the Pyrenean compression and that deformation migrated from the upper thrust sheets to the lower thrust units and to the foreland from 70.5 ± 1.1 Ma to 25 ± 17 Ma. These U-Pb ages also indicate that each of the thrust sheets registers its own deformational history as well as the history of the underlying thrust units emplaced during tectonic stacking. For instance, the Upper Pedraforca thrust sheet records the entire compressional history of the SE Pyrenees. Likewise, the wide distribution of U- Pb ages within each tectonic unit indicates that deformation was continuous rather than episodic. Calcite veins with Neogene ages ranging from 18.9 ± 0.8 Ma to 2.6 ± 1.3 Ma are interpreted as having been formed during the Neogene rift and post-rift Western Mediterranean events stretching across NE Iberia. These ages are the first evidence demonstrating deformation within the SE Pyrenees during these post-compressional events.

In the Lower Pedraforca thrust sheet, during syn-sedimentary hydroplastic normal faulting affecting poorly-consolidated Upper Cretaceous sediments and Eocene syn-orogenic sediments, calcite cements did not precipitate. During the burial and the layer-parallel shortening, however, calcite cements Cc1 to Cc4 precipitated from fluids in a relatively paleohydrological system. Cc3 precipitated from high-salinity fluids (~+5.4 ‰ VSMOW) with 87Sr/86Sr ratios of 0.707922 and at temperatures around 70 ºC. Contrarily, during folding and thrusting, calcite cements Cc5 to Cc8 precipitated in a more open paleohydrological system. Cc6 precipitated from high-salinity fluids (~+5 ‰ VSMOW) with 87Sr/86Sr ratios 0.707817 and at temperatures around 75 ºC. The controls of deformation on the paleohydrological system observed in the Lower Pedraforca thrust sheet have strong similarities with that observed other areas worldwide under both compressional and extensional regimes.

In the Upper Pedraforca thrust sheet, brines at 125 and 145 ºC migrated through fractures during the Early Cretaceous extension. During the Late Cretaceous-Paleocene compression, formation waters at temperatures around 80 ºC and in equilibrium with Late Cretaceous seawater migrated through main thrust fault zones. As the Upper Pedraforca thrust sheet emplaced, the influence of meteoric waters increased, resulting in the slightly decrease of the salinity of migrating fluids. During the Eocene-Oligocene reactivation of this thrust unit, also formation waters at temperatures between 90 and 100 ºC migrated through main thrust fault zones. However, the influence of meteoric waters increased with respect to the Late Cretaceous-Paleocene compression, indicating exhumation of the Upper Pedraforca thrust sheet.

Stable, clumped and strontium isotopes together with elemental composition and rare earths and yttrium analysis indicate that during the emplacement of the Upper and Lower Pedraforca thrust sheets, from Late Cretaceous to middle Eocene, the fluid system was dominated by high- salinity formation fluids and meteoric waters at temperatures ranging between 70 and 90 ºC. In these thrust sheets, fluids migrated above evaporite detachments that acted as barriers for the input of deep sourced fluids. Contrarily, during the emplacement of the Cadí thrust sheet and during the deformation affecting the northern side of the Ebro foreland basin from middle Eocene to Oligocene, high-salinity hydrothermal fluids derived from the deeper parts of the Axial zone and at temperatures between 100 and 177 ºC, migrated through fractures to the thrust front. Hydrothermal fluid flow induced the development of thermal anomalies in the Vallfogonala and Abocador thrusts and in the Puig-reig anticline, which are structures rooted at depth with the basement. These fluid flow patterns observed during the growth of the south eastern Pyrenean fold and thrust belt are similar to that observed in the western side of this orogen.

The evolution of the fluid regime during the growth of the southern Pyrenees has strong similarities to that observed in other orogens worldwide such as the Sevier thrust belt, the western Alps, the Ionian zone in Albania, the Nuncios fold Complex in Mexico as some examples. From these similarities a conceptual model of fluid flow in fold and thrust belts in which the style of deformation is one of the main controlling parameters is performed. In this model, whereas in thin-skinned fold and thrust belts the fluid system is controlled by formation, marine and meteoric waters, in thick-skinned fold and thrust belts the system is controlled by the input of deep-sourced hydrothermal fluids, which induce the formation of thermal anomalies. In both situations, during the layer-parallel shortening stretching thrust sheets, the paleohydrological system was closed and the fluid-rock interaction was low. In contrast, during later folding and thrusting the system opened to the input external fluids and the interaction between fluids and their adjacent host rocks decreased progressively.

En aquesta tesi s’ha realitzat un estudi de la relació entre la migració de fluids i la deformació en una secció completa del cinturó de plecs i encavalcaments Sudpirinenc. A més a més, en aquest estudi s’han desxifrat els principals paràmetres que controlen la migració de fluids per tal de presentar un model conceptual de circulació de fluids en cinturons de plecs i encavalcaments comparant el sud dels Pirineus amb altres orògens d’arreu del món. Per determinar l’origen dels fluids, les condicions sota les quals van migrar i les relacions fluid-roca, s’han integrat observacions de camp i petrogràfiques amb anàlisis geoquímics. Aquests mètodes s’han aplicat en roques carbonatades i ciments de calcita i dolomita precipitats en fractures i en la porositat intergranular i vacuolar present en les roques encaixants. La integració de la metodologia abans esmentada ha permès la identificació de 20 episodis de migració de fluids en el mantell superior del Pedraforca, vuit en el mantell inferior del Pedraforca, set en l’encavalcament de Vallfogona, que és el marge sud del mantell del Cadí, i dos per l’encavalcament de l’Abocador i l’anticlinal de Puig-reig, els quals estan situats en la conca d’avantpaís de l’Ebre. Durant el darrer estadi d’avantpaís endorreic del cinturó de plecs i encavalcaments Sudpirinenc, es va formar l’anticlinal de Puig-reig. Els anàlisis estructurals i microestructurals desenvolupats en aquest plec demostren que a escala d’aflorament la fracturació és controlada pel contrast de rigidesa entre estrats, la diagènesi de les roques encaixants i la posició estructural de l’anticlinal. Per altra banda, a escala microscòpica, la fracturació és controlada per la mida de gra, la cimentació i la porositat. L’estudi petrogràfic i geoquímic de ciments de calcita precipitats en la porositat de la roca encaixant i entre plans de fractura revela la presència de dos tipus de fluids, els quals representen dos estadis diferents de l’evolució de l’anticlinal de Puig-reig. Durant els estadis inicials de compressió, fluids hidrotermals a una temperatura que varia entre 92 i 130 ºC van migrar des dels encavalcaments principals fins a les roques encaixants més permeables, falles inverses i la majoria de les falles direccionals, i van precipitar com a ciment Cc1. Durant el creixement de l’anticlinal, fluids meteòrics van percolar a través de falles normals i algunes falles direccionals i es van barrejar amb els fluids hidrotermals abans esmentats. El fluid resultant d’aquesta barreja va precipitar com a ciment Cc2 a una temperatura que varia entre 77 i 93 ºC. La integració dels resultats obtinguts a l’Anticlinal de Puig-reig amb els ja obtinguts per altres autors a l’anticlinal del Guix indica que els fluids hidrotermals no van arribar a l’anticlinal del Guix, en el qual només aigües meteòriques i de formació van migrar a través d’aquest plec. En la conca d’avantpaís Sudpirinenca, durant l’Eocè inferior i mig, fluids hidrotermals a una temperatura de fins a 154 ºC van migrar des de la Zona Axial fins a la conca d’avantpaís i es van barrejar amb aigües connates en equilibri amb aigua marina Eocena. A mesura que el front d’encavalcament emergia a partir de l’Eocè superior fins a l’Oligocè, aigües meteòriques de baixa temperatura van percolar fins a les zones més profundes de la conca d’avantpaís i es van barrejar amb els fluids hidrotermals. La comparació dels models de circulació de fluids del sud dels

Pirineus amb altres orògens d’arreu del món, semblen indicar que la presència o absència de potents unitats evaporítiques controlen la composició dels fluids durant el desenvolupament de cinturons de plecs i encavalcaments. En mantells d’encavalcaments no desenganxats sobre unitats potents d’evaporites, els fluids són progressivament més empobrits en δ18O, Fe i Sr i es troben a una menor temperatura a mesura que el front d’encavalcament emergeix. En canvi, en mantells d’encavalcament desenganxats sobre unitats potents d’evaporites els fluids són progressivament més enriquits en δ18O. A partir de geocronologia d’U-Pb aplicada en ciments de calcita, 47 edats s’han obtingut al sud-est dels Pirineus. Els resultats indiquen que la migració de fluids va tenir lloc durant la compressió Pirinenca i que la deformació va migrar des dels mantells superiors cap als inferiors i cap a l’avantpaís des dels 70.5 ± 1.1 Ma als 25 ± 17 Ma. Aquestes edats també indiquen que cadascun dels mantells d’encavalcament Sudpirinencs registra la seva pròpia història de deformació i la dels mantells que té immediatament per sota durant l’apilament tectònic. Per exemple, el mantell superior del Pedraforca enregistra la història compressiva complerta del sud- est dels Pirineus. La distribució de les edats obtingudes per geocronologia d’U-Pb indiquen que la deformació va ser continua en comptes d’episòdica. Les venes de calcita amb edats d’entre 18.9 ± 0.8 Ma i 2.6 ± 1.3 Ma indiquen que es van formar durant els episodis de rift i post rift que van afectar el nord-est de la península ibèrica durant el Neògen, i indiquen per primera vegada deformació en els mantells Sudpirinencs durant aquests episodis post-compressius. En el mantell inferior del Pedraforca, durant l’extensió sinsedimentària afectant sediments poc consolidats del Cretaci superior i de l’Eocè, no hi va haver precipitació de ciments de calcita entre els plans de fractura. Durant l’enterrament d’aquests sediments i la deformació inicial paral·lela als estrats en canvi, els ciments de calcita Cc1 a Cc4 van precipitar a partir de fluids en un sistema paleohidrològic relativament tancat. El ciment Cc3 va precipitar a partir de fluids amb una alta salinitat (~+5.4 ‰ VSMOW), amb relacions 87Sr/86Sr de 0.707922 i a una temperatura d’uns 70 ºC. Contràriament, durant el plegament, els ciments Cc5 a Cc8 van precipitar en un sistema paleohidrològic més obert. El ciment Cc6 també va precipitar a partir de fluids d’alta salinitat (~+5 ‰ VSMOW), amb relacions 87Sr/86Sr de 0.707817 i temperatures al voltant de 75 ºC. Els controls de la deformació sobre el sistema pelohidrològic observats en el mantell inferior del Pedraforca són molt similars als observats en altres àrees d’arreu del món sota deformació compressiva i extensiva. En el mantell superior del Pedraforca, salmorres a temperatures entre 125 i 145 ºC van migrar a través de fractures durant l’extensió del Cretaci inferior. Durant la compressió del Cretaci superior-Paleocè, aigües de formació a una temperatura al voltant de 80 ºC i en equilibri amb aigües marines del Cretaci superior van migrar a través de les principals zones d’encavalcament. A mesura que el mantell superior del Pedraforca s’emplaçava, la influència d’aigües meteòriques augmentava induint la dilució dels fluids que migraven a través de les fractures. Durant la reactivació d’aquest mantell durant l’Eocè i l’Oligocè, aigües de formació a temperatures d’entre 90 i 100 ºC van migrar a través de les principals zones d’encavalcament. Tot i així, la creixent

influència de fluids meteòrics al llarg del temps va augmentar respecte a la compressió de Cretaci superior indicant l’exhumació del mantell superior del Pedraforca. La integració de dades d’isòtops estables i d’estronci, clumped isotopes, així com el contingut elemental i de terres rares indica que durant l’emplaçament del mantell superior i inferior del Pedraforca, des del Cretaci superior fins a l’Eocè mig, el sistema de fluids estava dominat per iagües de formació i fluids meteòrics a una temperatura d’entre 70 i 90 ºC. En aquests mantells d’encavalcament els fluids migraven per sobre de nivells de desenganxament formats per evaporites que van actuar com a barreres per a l’entrada de fluids profunds. Contràriament, des de l’Eocè mig fins a l’Oligocè, durant l’emplaçament del mantell del Cadí i durant la deformació que va afectar el marge nord de la conca d’avantpaís de l’Ebre, fluids hidrotermals d’alta salinitat i una temperatura d’entre 100 i 177 ºC van migrar a través de fractures des de zones profundes de la Zona Axial fins al front d’encavalcament Sudpirinenc. La migració de fluids hidrotermals va afavorir el desenvolupament d’anomalies tèrmiques a l’encavalcament de Vallfogona i de l’Abocador i a l’anticlinal de Puig-reig, estructures que estan arrelades amb el basament. Els patrons de migració de fluids observats el sud-est dels Pirineus són molt similars als que s’observen al sud-oest d’aquest orogen. L’evolució del règim de fluids durant el creixement del cinturó de plecs i encavalcaments Sudpirinenc té moltes similituds amb els patrons de migració de fluids en altres orògens d’arreu del món, tals com el cinturó d’encavalcaments de Sevier, el sud-oest dels Pirineus, la zona Iònica d’Albània i el complex de plecs de Nuncios de Mèxic, com a alguns exemples. A partir d’aquestes similituds es presenta un model conceptual de migració de fluids en cinturons de plecs i encavalcaments en el qual l’estil de deformació és un dels principals paràmetres de control. En aquest model, mentre que en zones de tectònica epitelial el sistema de fluids està controlat per aigües de formació, marines i meteòriques, en zones afectades per deformació de pell gruixuda el sistema està controlat per fluids profunds que afavoreixen la el desenvolupament d’anomalies tèrmiques. En les dues situacions durant l’inici de la deformació el sistema paleohidrològic està relativament tancat i la interacció fluid-roca és baixa. En canvi, durant els últims estadis de deformació aquest sistema s’obre a l’entrada de fluids externs, induint la disminució de la interacció entre fluids i el seu encaixant.