Salt tectonics in the Central Southern Pyrenees: Integrated tectonostratigraphic and numerical modelling study

Abstract

Les evaporites Triàsiques del Keuper han estat reconegudes des de fa temps com el principal nivell de desenganxament de plecs i encavalcaments a les conques d’avantpaís pirinenques. La deformació de les conques entre el Cretaci superior i l’Oligocè mostra evidències de diapirisme, poc estudiat degut a l’empremta més visible que deixen els encavalcaments i plecs de falla. Aquesta tesi presenta un estudi multidisciplinari en el que s’explora el rol de la tectònica salina en el desenvolupament estructural i dels sistemes sedimentaris de la unitat Sudpirinenca central. El treball està centrat en dues zones d’estudi clàssiques dels Pirineus sud, com son 1) el Montsec i les Serres Marginals, i 2) el marge nord de la conca d’Organyà en contacte amb la zona de les Nogueres. Posar en valor el paper de l’halocinesi durant l’orogènia proporciona noves interpretacions amb fortes implicacions per a l’evolució cinemàtica de la compressió i la quantitat d’escurçament orogènic. A les Serres Marginals estructures salines primerenques evolucionaren durant l’etapa precompressiva mesozoica cap a un sistema de diapirs, anticlinals salins i sinclinals. Durant la compressió, els mecanismes de plegament van passar de moviments verticals produïts per la càrrega sedimentaria (bending) a plegament per buckling produït per esforços horitzontals. L’erosió de les crestes de les estructures va dur a l’expulsió de la sal i l’evolució de les estructures salines en encavalcaments. Al marge nord de la conca d’Organyà, durant l’Eocè i Oligocè la migració salina va causar el progressiu cabussament cap al nord de la conca, resultant en l’onlap i la discordança progressiva dels conglomerats de la Pobla i Gurp. Al mateix temps, la migració salina accelerada pel pes de la càrrega sedimentaria va permetre la rotació i enfonsament de les làmines desarrelades de les Nogueres en les evaporites del Keuper. A partir dels estudis de camp i la modelització numèrica, aquesta tesi explora qüestions essencials de la tectònica salina respecte la transició del plegament induït per càrrega sedimentaria al plegament degut als esforços compressius, el rol de la sedimentació i l’erosió sinorogèniques o l’efecte d’estructures diapíriques preexistents en les geometries de deformació dels avantpaïsos.

Las evaporitas triásicas del Keuper han sido reconocidas desde hace tiempo como el principal nivel de despegue de pliegues y cabalgamientos en las cuencas de antepaís pirenaicas. La deformación de las cuencas entre el Cretácico Superior y el Oligoceno muestra evidencias de diapirismo, poco estudiadas debido a la huella más visible dejada por los cabalgamientos y pliegues de falla. Esta tesis presenta un estudio multidisciplinar en el que se explora el rola de la tectónica salina en el desarrollo estructural y de los sistemas sedimentarios de la unidad Surpirenaica central. El trabajo está centrado en dos zonas de estudio clásicas de los Pirineos sur como son 1) el Montsec y las Sierras Marginales, y 2) el margen norte de la cuenca de Organyà en contacto con la zona de las Nogueres. Poner en valor el papel de la halocinesis durante la orogenia proporciona nuevas interpretaciones con fuertes implicaciones para la evolución cinemática de la compresión y la cantidad de acortamiento orogénico. En las Sierras Marginales estructuras salinas tempranas evolucionaron durante la etapa precompresiva mesozoica hacia un sistema de diapiros, anticlinales salinos y sinclinales. Durante la compresión, los mecanismos de plegamiento pasaron de movimientos verticales producidos por la carga sedimentaria (bending) a plegamiento por buckling producido por esfuerzos horizontales. La erosión de las crestas de las estructuras dio lugar a la expulsión de la sal y la evolución de las estructuras salinas en cabalgamientos. En el margen norte de la cuenca de Organyà, durante el Eoceno y el Oligoceno la migración salina causó el progresivo buzamiento hacia el norte de la cuenca, resultando en el onlap y la discordancia progresiva de los conglomerados de La Pobla y Gurp. Al mismo tiempo, la migración salina acelerada por el peso de la carga sedimentaria permitió la rotación y hundimiento de las láminas desraizadas de las Nogueres en las evaporitas del Keuper. A partir de los estudios de campo y la modelización numérica, esta tesis explora cuestiones esenciales de la tectónica salina respecto a la transición del plegamiento inducido por carga sedimentaria al plegamiento debido a los esfuerzos compresivos, el rol de la sedimentación i erosión sinorogenicas o el efecto de estructures diapíricas preexistentes en las geometrías de la deformación de los antepaíses.

The Triassic Keuper evaporites have long been recognized as the main detachment level of the Pyrenean foreland thrust belts and basins. The Cretaceous to Oligocene deformation of the forelands presents evidences of diapirism, comparatively less studied due to the most visible imprint of thrust and fault-related folds. This thesis presents a multidisciplinary study that explores the role of salt in the tectonic style of two classical areas of the southern Pyrenees, as are 1) the Montsec and Serres Marginals, and 2) the northern margin of the Organyà basin and the adjacent Nogueres Zone. The study which emphasizes the role of halokinesis in the structural and sedimentary evolution of the central-southern Pyrenees. Addressing the role of salt diapirism during the orogeny provides new interpretations with strong implications for the kinematics of compressional deformation and the amount of orogenic shortening. In the Serres Marginals, early salt structures developed during the Mesozoic pre-compressional stage into a system of diapirs, anticlines and intervening synclines that were filled. During the Pyrenean compressive stage, the folding mechanisms evolved from predominantly vertical (bending) movements triggered by the sedimentary loading to buckling by horizontal forces. The unroofing of the crests of the structure enhanced salt withdrawal, leading to primary and secondary welding and subsequent syncline imbrication. In the north margin of the Organyà basin, salt migration enabled the northward tilting of the basin during the Eocene and Oligocene, which is reflected in the progressive unconformity and onlap of the La Pobla and Gurp intramontane basins. At the same time, sedimentary load accelerated salt migration, enabling the rotation and overturning of the unrooted leading edge of the Nogueres thrust sheet (têtes plongeantes) into the Keuper evaporites. From the field case studies and numerical modelling, this thesis explores essential questions on salt tectonics, regarding the transition from load-induced bending to compressional buckling, the role of syn-compressional sedimentation and erosion or the effect of pre-existing diapir structures in the structural development of foreland basins.