Desenvolupament de models numèrics de placa prima per a l'estudi de la deformació litosfèrica. Aplicació a la zona Açores-Gibraltar

Abstract

Les observacions, tant geològiques com geofísiques, indiquen que les plaques litosfèriques mostren una deformació considerable, no només als seus contorns, sinó també al seu interior. Estudis recents de laboratori indiquen que les roques es deformen fràgil o ductilment depenent de la seva composició, temperatura i règim d’esforços a les que estan sotmeses. En els darrers anys, s’ha fet un avanç considerable en la modelització numèrica del comportament termomecànic de les roques i, en particular, en la deformació de la litosfera. Degut a l’elevat temps de computació i la complexitat inherents als estudis tridimensionals, els experiments numèrics per a l’estudi de la deformació litosfèrica solen basar-se en certes aproximacions simplificadores. Les aproximacions més utilitzades són les de deformació planar (on el flux de material és sempre paral·lel a un pla que conté dos eixos) i les d’esforç planar (on els gradients verticals de la velocitat són petits comparats amb els horitzontals). L’aplicació d’una o altra aproximació depèn de la zona d’estudi i finalitat de l’estudi. En aquest treball s’ha desenvolupat un model numèric utilitzant l’aproximació d’esforç planar o placa prima. La litosfera és tractada com un fluid viscós, fent una mitjana vertical de la reologia. Això permet fer un tractament quasi tridimensional a expenses de perdre detall sobre la deformació interna de la litosfera. El programa de càlcul numèric desenvolupat en aquest treball utilitza la tècnica de les diferències finites, acoblant les equacions tèrmica i mecànica. S’ha incorporat la producció radiogènica de calor seguint un model de distribució de fonts radiogèniques a l’escorça exponencial i constant. Un estudi detallat de la reologia i la producció de calor ha mostrat que aquest és un paràmetre tèrmic prou important com per que s’hagi de tenir en compte. El model desenvolupat s’ha utilitzat per a fer un estudi de l’evolució de la litosfera en tres contextos compressius i, per a l’estudi neotectònic del límit de plaques entre Euràsia i Àfrica en el segment Açores-Gibraltar. En un model evolutiu de la litosfera, cal que existeixin heterogeneïtats inicials per a localitzar la deformació. Aquestes heterogeneïtats poden ser de diferents tipus: en les condicions de contorn, la geometria, tèrmiques, reològiques, ... Per altra banda, el mode de deformació dependrà dels valors relatius de la viscositat o resistència litosfèrica entre les diferents àrees, més que dels seus valors absoluts. S’ha observat que variacions de gruixos corticals inicials o litosferes amb diferents produccions de calor, actuen com heterogeneïtats reològiques. Per a l’estudi neotectònic de la zona Açores-Gibraltar, s’ha fet una aplicació del model en règim estacionari; és a dir, amb deformadors infinitesimals. L’estructura cortical i litosfèrica, juntament amb el regim tèrmic, s’ha determinat integrant dades d’elevació, flux de calor superficial i gruixos cortical i litosfèric. A partir d’aquesta estructura litosfèrica s’ha determinat les variacions laterals de la resistència litosfèrica o viscositat. La cinemàtica entre les dues plaques està regida per la rotació antihorària de la placa Africana respecte l’Eurasiàtica. La comparació dels resultats del model amb observacions de velocitats de deformació (obtingudes a partir de dades de sismicitat) i direccions d’esforços(a partir de diferents indicadors d’esforços) mostra que, entre tots els pols de rotació publicats, el determinat per Argus et al. (1989) (8.8ºN, 20.3°W i velocitat angular 0.104º/Ma) és el que millor ajusta aquestes dades. El límit de plaques s’ha considerat com una zona amb una viscositat o resistència litosfèrica menor. El límit entre Açores i el Banc de Gorringe és molt marcat obtenint-se una resistència molt baixa (µ~0.06). L’extensió del límit de plaques cap a l’est no és clara, i el model que millor ajusta tots els observables és amb un limit de plaques que es bifurca pel nord d’Àfrica i pel sud de la Península Ibèrica. La debilitat d’aquests límits (µ~0.3) és menor que la de l’oest del límit de plaques i, per tant, la deformació no està tan localitzada. Amb el límit de plaques determinat, les zones amb velocitats de deformació màximes coincideixen amb la distribució regional de la sismicitat observada. També s’obté un bon ajust de les direccions de compressió màxima. L’activitat resultant de les falles de l’interior de la Península Ibèrica és d’un moviment direccional molt poc important comparat amb el del límit de plaques. Per una altra banda, l'Atlas és una zona força activa, amb velocitats de deformació elevades, sent comparables a les del límit de plaques.

Geophysical and geological observations show an important deformation of the lithospheric plates, not only at their boundaries, but also at their interior. Recent studies show that rocks can deform in a brittle or ductile manner depending on its composition, temperature and stress regime. During the last few years, there have been important advances on numerical modelling of the thermo-mechanical behaviour of rocks, and its application to lithospheric deformation. Owing to the high time of computing and the complexity of the three-dimensional studies, numerical experiments to study the lithospheric deformation usually are based on some simplified approximations. The more common approximations are either plane strain (where the flux of material is parallel to a plane) or plane stress (where the vertical gradient of the velocity is small in front the horizontal). The approximation used will depend on the zone and goal of the study. In this work the numerical model has been developed using the plane stress or thin sheet approximation. The lithosphere is treated like a viscous fluid, with a vertical averaged rheology. This allows doing a quasi 3-D treatment, loosing details about the internal deformation of the lithosphere. The numerical code developed in this work uses the finite difference method, coupling the thermal and mechanical equations. The radiogenic heat production has been incorporated with models using both exponential and constant distribution of radiogenic sources in the crust. A detailed study of the rheology and heat production shows that heat production plays a majar role in lithospheric deformation. The code has been used to study: I) the lithospheric evolution in three theoretical compressive tectonic settings, and II) the neotectonics at the boundary between the Eurasia and Africa plates, along the Azores-Gibraltar segment. I) In this part of the thesis we show that lithospheric dynamic modelling needs of initial heterogeneities to localise deformation. These heterogeneities can affect the boundary conditions, the initial geometry, the temperature distribution, rheological behaviour and many other conditions. The mode of deformation will depend on the relative lateral variations of viscosity or lithospheric strength rather than on their absolute values. Initial crustal thickness variations and radiogenic heat production can act as rheological heterogeneities. II) A steady state model has been applied to study the neotectonics of the Azores­ Gibraltar region. The crustal and lithospheric structure and the lithospheric thermal regime have been calculated by integrating elevation, surface heat flow; and crustal and lithospheric thickness. The resulting lithospheric structure has allowed us to calculate the lateral variations of viscosity and the strength of the lithosphere. The kinematics of the two plates is governed by the counterclockwise rotation of Africa relative to Eurasia. The comparison between results of the model and the observations of strain rate (from seismic data) and stress orientation (from various stress indicators) suggests that the rotation pole proposed by Argus et al. (1989) (located at 18.8"N, 20.3"W. with an angular velocity of 0.104º/Ma) is the best fit. The plate boundary has been modelled as a weak zone with a lower viscosity or lithospheric strength. The plate boundary between Azores and Gorringe Bank is well defined and the estimated strength very low (µ-0.06). The extension of the plate boundary lo the east is not so well defined, and the model which provides the best fit to the observations is considering a double plate boundary, with one of the branches striking along north Africa and the other one along the southern part of the Iberian Peninsula. The relative weakness of this double boundary (µ-0.3) is lesser than at the west plate boundary, and therefore deformation is not so localized. The maximum strain rates and stress orientations resulting from this plate boundary geometry fits considerably well with the observations. The tectonic regime obtained from the model in the Iberian Peninsula is mainly characterised by strike-slip deformation with relatively low strain rates. In contrast, the tectonic activity of the Atlas region is noticeably higher, with strain rates similar to the ones obtained along the Eurasian-African plate boundary.