Les Evaporites de la Conca Sud-pirinenca Oriental (Cuisià superior – Lutecià): Sedimentologia i Estructura / The Evaporites of the Southeastern Pyrenean Basin (Late Cuisian – Lutetian):Sedimentology and Structure

Abstract

La successió cuisiana i luteciana de la Conca Sud-pirinenca Oriental (CSO), situada al NE d’Ibèria, mostra un conjunt de sediments carbonatats, evaporítics i detrítics, els quals van ser dipositats en un context compressiu en una conca d’avantpaís. Aquesta compressió es va generar per col•lisió continental de la placa d’Ibèria i l’Europea entre el Cretaci superior i el Miocè inferior. Com a conseqüència de l’escurçament, els sediments es troben distribuïts en tres unitats estructurals: la unitat autòctona de la conca de l’Ebre, localitzada al sud, i les unitats al•lòctones del Serrat i del mantell del Cadí, ubicades al nord, situada la primera per sota de la segona. Encara que molts treballs s’han centrat en l’estudi de l’estratigrafia i l’estructura de la CSO, l’arquitectura estratigràfica i els ambients deposicionals de les evaporites no s’han acabat de resoldre. Les roques evaporítiques dipositades en conques d’avantpaís actuen, en molts casos, com a nivells de desenganxament i, per tant, aquestes roques estan deformades o simplement no afloren. Com a conseqüència, el coneixement d’aquests dipòsits no és molt ampli, i l’estudi d’afloraments i litofàcies resulta un repte. L’objectiu general d’aquesta tesi és millorar aquest coneixement.

En aquesta tesi, a partir de la realització de mapes i talls geològics detallats, i de la correlació de columnes i logs de pous, s’ha establert l’arquitectura estratigràfica de la CSO per als períodes Cuisià superior i Lutecià. Aquesta arquitectura presenta sis seqüències deposicionals, tres de les quals de nova proposta en el present treball. Aquestes tres seqüències corresponen a la seqüència Serrat, formada per les Evaporites del Serrat, i a les seqüències Bellmunt inferior i superior, constituïdes per sediments detrítics. Les Evaporites del Serrat, dipositades per sobre d’una primera seqüència carbonatada (formacions Penya i Armàncies), es caracteritzen per tenir capes de sals i lutites en un depocentre situat actualment en el mantell del Cadí. Aquestes sals estan envoltades per un cinturó marginal anhidrític, localitzat en la conca de l’Ebre. En el centre de la conca, aquestes evaporites estan cobertes per una successió turbidítica atribuïda a la Formació Vallfogona (seqüència Campdevànol) en diferents depocentres. Cap als marges de la conca, aquesta formació canvia lateralment a unitats carbonatades (Calcàries de la Pedra i Calcisiltites). La Formació Guixos de Beuda es troba per sobre de la seqüència Campdevànol, i representa la segona seqüència evaporítica. Les seqüències Bellmunt inferior i superior, caracteritzades per dipòsits d’origen fluviodeltaic (formacions Banyoles, Coubet i Bellmunt), representen les seqüències més modernes d’aquesta arquitectura. Aquestes dues seqüències estan separades per una altra unitat evaporítica, anomenada en el present treball Guixos de Besalú. S’ha reconegut que la potència de les capes d’anhidrites atribuïdes a les Evaporites del Serrat és major en la conca de l’Ebre que en el mantell del Cadí. Per tant, s’ha considerat que aquesta unitat es configura, de la conca de l’Ebre fins al mantell del Cadí, com a un tascó anhidrític que passa a una cubeta salina en el centre de la conca. Per contra, també s’ha reconegut que la potència de la Formació Beuda és menor a la conca de l’Ebre que en el mantell del Cadí.

L’anàlisi de mostres d’afloraments i de testimonis de pous ha permès interpretar els models sedimentaris de les unitats evaporítiques més representatives. En les Evaporites del Serrat, s’han distingit tres paleoambients, de marge a centre de conca: plataforma sulfatada, constituïda per anhidrita nodular i pseudomòrfica (de selenites); talús, format per guix secundari (anhidrita en profunditat) amb litofàcies laminada, de caràcter detrític; i conca profunda, constituïda per capes de sal i lutites reconegudes només en el subsòl. En canvi, en la Formació Beuda només s’ha reconegut un únic paleoambient, corresponent a un sistema de conca sulfatada situat en el mantell del Cadí. Aquest paleoambient està representat per cicles de guix secundari (anhidrita en profunditat) amb litofàcies massives i nivells pseudomòrfics (de selenites). De tota manera, l’existència d’àrees amb litofàcies bandades i laminades, atribuïdes a ambients més profunds, indiquen l’existència de petites zones més deprimides en la conca. La composició isotòpica (delta-34S, delta-18O; 87Sr/86Sr) de mostres de guix i anhidrita indiquen un origen marí per aquestes unitats i, a més, processos de dissolució/reprecipitació dels sulfats. A partir de l’anàlisi estructural de les correlacions estratigràfiques, dels mapes i talls geològics, de la interpretació de perfils sísmics reprocessats i de noves dades gravimètriques s’ha deduït que la sedimentació durant el Cuisià superior i Lutecià va tenir dues etapes tectòniques: una primera etapa extensiva, coetània amb la sedimentació de les Evaporites del Serrat i la Formació Vallfogona, i caracteritzada per falles normals produïdes per flexió extensional; i una segona etapa compressiva, sincrònica a la sedimentació fluviodeltaica, i caracteritzada per encavalcaments i plecs, i falles transversals de tipus strike-slip. Durant la primera etapa, les falles normals van tenir direccions obliqües i perpendiculars respecte l’escurçament pirinenc (N-S). Durant la segona etapa, les falles de strike-slip van estar generades per la reactivació de falles normals preexistents. A més, les Evaporites del Serrat van actuar com a nivell de desenganxament del mantell del Cadí i de la Unitat Serrat. Finalment, en aquesta tesi, s’han realitzat models sandbox per tal de millorar el coneixement del paper de l’arquitectura estratigràfica d’una successió dúctil (en aquest cas, evaporites) sobre l’evolució estructural. A partir d’una sèrie d’experiments, s’ha observat que l’existència de discontinuïtats geomètriques en els materials anàlegs a les litologies evaporítiques generen zones de deformació preferencial. Comparant els resultats d’aquests experiments amb els trets estructurals de la CSO, s’ha interpretat que l’evolució i estil estructural d’aquesta conca va estar controlada per l’existència de discontinuïtats litològiques –com el canvi de gruix de les anhidrites entre la plataforma evaporítica i la conca profunda– en les Evaporites del Serrat. L’existència d’aquestes discontinuïtats litològiques va generar encavalcaments fora de seqüència, contribuint a la generació d’una conca de piggyback.

The Cuisian and Lutetian succession of the Southeastern Pyrenean Basin (SePB), NE of Iberia, shows an assemblage of carbonate, evaporite and detrital sediments, deposited under a compressional context in a foreland basin. The compression was generated by continental collision of the Iberian and the European plates during the time span comprised between the Upper Cretaceous and the Lower Miocene. As a consequence of the shortening, these deposits were distributed in three structural units: the autochthonous unit of the Ebro Basin, located to the south; and the allochthonous units of the Serrat Unit (below) and the Cadí thrust sheet (above), placed to the north. Despite many studies have been focused on the stratigraphy and the structure of the SePB, the stratigraphic framework and the depositional environments of the evaporites remain poorly understood. In foreland basins, the evaporite rocks usually act as décollement levels, so they are deformed or simply are not outcropping. As a consequence, the knowledge of these deposits is limited, and the study of outcrops and lithofacies is a challenge. The general aim of the present Ph.D. Thesis is to improve this knowledge.

In this Ph.D. Thesis, on the basis of geological maps, cross-sections, and sections and welllogs correlations, a stratigraphic framework of the SePB was established for the Late Cuisian and Lutetian times. This framework considers six depositional sequences, and three of them are newly proposed. These three sequences correspond to the Serrat sequence, formed by the Serrat Evaporites, and the Lower and Upper Bellmunt sequences, constituted by detrital sediments. The Serrat Evaporites, deposited on a previous carbonate sequence (Penya and Armàncies formations), are characterized by salt – shale layers in a depocenter located basinward (nowadays in the Cadí thrust sheet). These salt layers are surrounded by an anhydrite marginal belt, placed in the Ebro Basin. In the basin center, these evaporites are covered by turbidite successions attributed to the Vallfogona Formation (Campdevànol sequence) in different depocenters. To the margins, this formation changes laterally to carbonate deposits (Pedra Limestones and Calcisiltites). The Beuda Gypsum Formation is overlying the Campdevànol sequence, and represents the second evaporite sequence. The Lower and Upper Bellmunt sequences, characterized by fluvio-deltaic deposits (Banyoles, Coubet and Bellmunt formations), are the youngest sequences of this succession. These two sequences are divided by another evaporite unit, called Besalú Gypsum in the present work. The anhydrite layers attributed to the Serrat Evaporites were recognized to be thicker in the Ebro Basin than in the Cadí thrust sheet. Thus, the stratigraphic framework of this unit is characterized, from the Ebro Basin to the Cadí thrust sheet, by an anhydrite wedge which changes to a salt deposit in the basin center. By contrast, the Beuda Formation was recognized to be thinner in the Ebro Basin than in the Cadí thrust sheet.

The analysis of samples and well-cores allowed to interpret the sedimentary models of the most representative evaporite units. Three paleoenvironments were distinguished in the Serrat Evaporites, from the margin to the basin center: sulphate platform, constituted by anhydrite nodules and pseudomorphs (after selenite gypsum); slope, formed by secondary gypsum (anhydrite in the subsurface) with laminated, detrital lithofacies; and deep basin, constituted by salt and shale layers, only recognized in the subsurface. On the other hand, in the Beuda Formation, only one paleoenvironment, characterized by a sulphate basin, was recognized in the Cadí thrust sheet. This paleoenvironment is represented by cycles of secondary gypsum (anhydrite in the subsurface) with massive and pseudomorphic (after selenite gypsum) lithofacies. However, the existence of areas with banded and laminated lithofacies, attributed to deeper environments, indicates the occurence of small troughs in the basin. The isotopic composition (delta-34S, delta-18O; 87Sr/86Sr) of gypsum and anhydrite samples indicates a marine origin of these units and, also, dissolution/re-precipitation processes of the sulphates.

On the basis of the structural analysis of the stratigraphic correlations, the geological maps, the cross-sections, the interpretation of reprocessed seismic profiles and new gravity data, it was deduced that the sedimentation during the Late Cuisian and Lutetian had two tectonic stages: a first extensive stage, coeval to the sedimentation of the Serrat Evaporites and the Vallfogona Formation, and characterized by normal faults generated by flexural extension; and a second compressional stage, coeval to the fluvio-deltaic sedimentation, and characterized by fold-and-thrust and transverse strike-slip faults. During the first stage, the normal faults had oblique and perpendicular directions with respect to the Pyrenean shortening (N-S). During the second stage, the strike-slip faults were generated by reactivation of pre-existing normal faults. Also, the Serrat Evaporites acted as the décollement level of both the Cadí thrust sheet and the Serrat Unit.

Finally, in this Ph.D. Thesis, in order to improve the knowledge about the role of the stratigraphic framework of a ductile succession (evaporites, in this case) on the structural evolution, sandbox models were developed. On the basis of a series of experiments, it was observed that the existence of geometrical discontinuities, located in materials analogue of the evaporites, generates zones of preferential deformation. Comparing the results of these experiments with the structural features of the SePB, it was interpreted that the evolution and the structural style of this basin was controlled by the existence of lithological discontinuities –as the case of the thickness change of the anhydrites between the evaporite platform and the deep basin– in the Serrat Evaporites. The existence of these lithological discontinuities generated out of sequence thrusts, contributing to the development of a piggyback basin.