Salt sheet emplacement in fold-and-thrust belts: contributions from the Les Avellanes Diapir (South-Central Pyrenees)

Abstract

[eng] This PhD Thesis presents the Les Avellanes Diapir (Serres Marginals, South-Central Pyrenees) as a field analogue of subaerial (extrusive) salt sheets in orogenic settings by understanding the emplacement mechanism, internal structure, kinematics, and timing of this diapir. To reach this main objective, this thesis has a multidisciplinary approach combining a field-based study focused on the structural, stratigraphical, sedimentological, and petrographical investigation of the diapir and its surrounding area, with an analogue modelling experiment to relate the internal deformation with the salt flow dynamics. The diapir is in a complex tectonic area where the Late Triassic to Eocene salt-decoupled cover from the Serres Marginals Thrust Sheet is deformed in a thin-skinned style, displaying imbricated synclines separated by thrusts and back-thrusts, which evolved from tight, salt-cored anticlines during early Eocene times. The diapir is bounded to the north by two sets of NW-SE and WSW-ENE extensional faults, which together with the NW and NE parts of the diapir body, are postdated by late Eocene-Oligocene conglomerates. By contrast, the diapir southern boundary exhibits its allochthonous emplacement over a syn-orogenic, late Eocene-Oligocene succession. Considering the sedimentary environments, stratigraphical architectures, and paleocurrent data, a salt sheet was sourced in the northern part of the diapir exposure and advanced southwards, downhill towards adjacent structural depocenters. The Les Avellanes Diapir exposure is formed of a caprock created by the dissolution of salt. This caprock is composed of a softer dissolution residue, named caprock matrix that embeds tabular, thick, and laterally extensive carbonate stringers from the M3 Muschelkalk facies, as well as layered mudrocks and dolerite bodies. The internal structure of the diapir body is hinted by the structural configuration of the M3 stringers, which present three structural domains: 1) in the northern domain, steeply dipping M3 stringers subparallel to the diapir walls change to a subhorizontal orientation southwards, 2) in the central domain, M3 stringers form juxtaposed stack-like sets of subhorizontal to subvertical stringers and, 3) in the southern domain, M3 stringers form imbricated, nappe-style sets parallel to the southern boundary. 4 To discuss the origin and timing of the salt sheet associated with the Les Avellanes Diapir, a cross-section spanning from the Serres Marginals thrust front to the Montsec is restored, constrained by surface data. A main salt migration episode is linked with the tectonic and sedimentary loading and the subsequent expulsion of salt forelandwards, induced by tectonic contraction during Eocene to Oligocene times. The gradual shortening of the inflated structures in the Serres Marginals Thrust Sheet during this time is related to the expulsion of the salt towards the surface. Shortening increased the salt supply overcoming the sedimentary rate, thus triggering the salt sheet advance. Although the origin of the feeder diapir is probably associated with the Pyrenean contraction during Eocene times, the existence of a pre-contractional precursor, relative to the position of the Serres Marginals Thrust Sheet, cannot be entirely ruled out. From the study of the Les Avellanes Diapir, discussions are upscaled to a more global perspective regarding the stratigraphical record of a salt sheet and the factors that control the kinematics of the allochthonous emplacement and associated internal deformation. The stratigraphical and sedimentological data are used to build a conceptual model to evaluate how the syn-kinematic stratigraphy next to an extrusive advancing salt sheet in continental orogenic settings responds to advance, stagnation and retreat phases in terms of progradation, aggradation and retrogradation of proximal vs. distal facies. Finally, by comparing the analogue experimental data with the Les Avellanes Diapir natural prototype, the kinematics of an extrusive salt sheet are associated with its internal structure, which in turn, results from salt flow dynamics. The structural configuration of the stringers is associated with the salt sheet geometry: 1) the northern domain is associated with the feeder, where the ascending flow carried steeply-dipping stringers from the diapir stem; 2) the central domain is associated with the salt sheet domain, where recumbently folded stringers are divided and rotated into juxtaposed subvertical and subhorizontal stack-like accumulations by the subhorizontal flow; and 3) the southern domain is associated with the salt sheet front, where contraction induced by the decelerating flow imbricated the stringers towards the direction of advance. Finally, viscous drag along the base of the salt sheet concentrates ductile deformation creating a shear zone, discussed with respect to the nature and deformation of the megabreccia that characterizes the base of the diapir body.

[cat] Aquesta Tesi Doctoral presenta el Diapir de les Avellanes (Serres Marginals, Pirineus Sud-Centrals) com un anàleg de camp de salt sheets subaeris (extrusius) en entorns orogènics, mitjançant la caracterització del mecanisme d'emplaçament, estructura interna, cinemàtica i cronologia d’aquest diapir. Per assolir aquest objectiu principal, aquesta tesi té un enfocament multidisciplinari que combina un estudi de camp centrat en la investigació estructural, estratigràfica, sedimentològica i petrogràfica del diapir i la seva àrea circumdant, amb un experiment de modelització analògica per relacionar la deformació interna amb la dinàmica de flux de la sal. El diapir es troba a una zona tectònica complexa on la cobertora desenganxada sobre el Triàsic salí de la làmina d´encavalcament de les Serres Marginals es deforma d´acord a un estil de “pell fina”, mostrant sinclinals imbricats separats per encavalcaments i retro-encavalcaments, que van evolucionar a partir d’anticlinals amb nuclis de sal durant l'Eocè inferior. El diapir està limitat al nord per dos conjunts de falles extensionals NO-SE i OSO-ENE, que juntament amb les parts NO i NE del cos del diapir, estan postdatades per conglomerats de l'Eocè tardà-Oligocè. Per contra, el límit sud del diapir mostra el seu emplaçament al·lòcton sobre una successió sinorogènica de l'Eocè superior-Oligocè. Considerant els ambients sedimentaris, les arquitectures estratigràfiques i els paleocorrents, el salt sheet es va originar a la part nord de l'aflorament diapíric i va avançar cap al sud vessant avall cap als depocentres de les subconques estructurals. L'aflorament del Diapir de les Avellanes està format per un caprock creat per la dissolució de la sal. Aquest caprock està compost per un residu de dissolució tou anomenat caprock matrix, que engloba stringers de carbonat, tabulars, gruixuts i lateralment extensos de la fàcies Muschelkalk M3, així com lutites estratificades i cossos de dolerita. L'estructura interna del cos del diapir es pot inferir gràcies a l'estudi de la configuració estructural dels stringers del M3, que presenten tres dominis estructurals: 1) al domini septentrional, els stringers del M3 presenten un cabussament pronunciat i una orientació subparal·lela a les parets del diapir, canviant a una orientació subhoritzontal cap al sud, 2) al domini central, els stringers del M3 formen conjunts de stringers juxtaposats subhoritzontals a subverticals i, 3) al domini meridional, els stringers del M3 formen conjunts imbricats paral·lels al límit meridional. 8 Per discutir l'origen i la cronologia del salt sheet associat al Diapir de Les Avellanes es restitueix una secció estructural des del front d’encavalcament de les Serres Marginals fins al del Montsec, elaborada a partir de dades de superfície. L´episodi principal de migració salina està vinculat amb la càrrega tectònica i sedimentària i la posterior expulsió de la sal cap a l’avantpaís, induïda per la contracció tectònica de l'Eocè a l'Oligocè. L'escurçament gradual de les estructures salines a la làmina de les Serres Marginals durant aquesta època està relacionat amb l'expulsió de la sal cap a la superfície. L'escurçament va augmentar el flux de la sal superant la taxa de sedimentació, produint així l'emplaçament del salt sheet. Tot i que l'origen del diapir d’on va emanar la sal (feeder) està probablement associat a la contracció pirinenca durant l'Eocè, no es descarta l'existència d'un precursor precontractiu, relatiu a la posició de l’Encavalcament de les Serres Marginals. A partir de l'estudi del Diapir de les Avellanes, les discussions s'amplien a una perspectiva més global en relació amb el registre estratigràfic d'un salt sheet i els factors que controlen la cinemàtica de l'emplaçament al·lòcton i la deformació interna associada. Les dades estratigràfiques i sedimentològiques s'utilitzen per construir un model conceptual que permeti avaluar com l'estratigrafia sincinemàtica propera a un salt sheet que avança de forma subaèria en entorns orogènics continentals respon a les fases al·lòctones d'avanç, estancament i retrocés en termes de progradació, agradació i retrogradació de les fàcies proximals respecte a les distals. Finalment, comparant les dades experimentals anàlogues amb el prototip natural del Diapir de les Avellanes, s'associa la cinemàtica d'un salt sheet extrusiu amb la seva estructura interna, que resulta de la dinàmica del flux salí. La configuració estructural dels stringers està associada a la geometria de la làmina de sal: 1) el domini septentrional està associat al feeder, on el flux ascendent transporta els stringers subverticals des del stem del diapir, 2) el domini central està associat al domini del salt sheet, on els stringers plegats i tombats són dividits i rotats en conjunts subverticals i subhorizontals pel flux salí, i 3) el domini meridional està associat al front del salt sheet, on la contracció induïda per la desacceleració del flux imbrica els stringers cap a la direcció d'avançament. Finalment, el fregament al llarg de la base de la làmina salina concentra la deformació dúctil creant una zona de cisalla basal, la posició de la qual (intrasalina vs. subsalina) es discuteix des de la interpretació de la naturalesa de la megabretxa que caracteritza la part inferior del cos del diapir.