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Cainozoic deformation of Iberia: a model for intraplate mountain building and basin development based on analogue modelling

Fernández Lozano, Javier (2012) Cainozoic deformation of Iberia: a model for intraplate mountain building and basin development based on analogue modelling. Tesis PhD.

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Abstract

Long-term topography in Europe results from the interaction between Alpine continental
collision and anomalously raising mantle material. The Alpine belt runs from southern Europe all
the way to the Himalayas along thousands of kilometres. It resulted from the closure of oceanic
realms and subsequent continental subduction and collision (Pyrenees, Alps, Carpathians,
Dinarides, and Himalayas). However, far from the suture zone, little is known about the mountain
building processes within plate interiors. For this reason, new research projects such as Topo-
Europe (see Cloetingh et al., 2011b, in Topo-Europe Tectonophysics volume) and Topo-Iberia
have recently arisen under international cooperation. The aim of these multi-scale investigations
is to add new insights into deep Earth and surface processes.
Following this line of research, this thesis builds on analogue modelling and spectral
analysis of topography and gravity data, aiming to portray and discuss the mechanisms of
mountain building in intra-plate settings. More specifically the research focuses on the evolving
topography and formation of related basins in Iberia, although the results can be extrapolated to
other intra-plate areas where geophysical and geological data are scarce.
As is evident from aerial pictures, western Iberia is characterised by a regular pattern
of topography from the Cantabrian Mountains in the north to the Sierra Morena Mountains in
the south, following E-W to NE-SW trends. This periodic pattern has been linked to large-scale
folds affecting the entire lithosphere. In contrast, in the Eastern part of the Peninsula topography
relief follows E-W, NW-SE and NE-SW trends without any observable regularity. Although many
theories have been formulated to explain these differences, none of them reconcile surface
topography with deep earth processes. Among the questions that have not been answered yet by
previous studies in Iberia the following stand out: what is the nature of the lithosphere in terms
of possible strength variations inherited from different episodes of mountain building (Variscan)
or rifting (Mesozoic); what are the process of intra-plate mountain development and the high
elevation of the Duero Basin, or the Cainozoic influence of pre-existent late-Variscan tectonic
structures over present-day topography.
The models presented in this thesis are based on geological and geophysical data
available from Spain. The first series of models aims to understand the mechanism behind intraplate
mountain building and basin development in Iberia by testing two different lithosphere
set-ups. I describe favourable conditions for the evolution of lithosphere folds that led to presentday
topography. A de-coupled lithosphere where strength resides in the upper crust and mantle
seems to be the key for the evolution of large-scale folds. However, the Iberian lithosphere
is far from being homogenous in terms of lithospheric strength. Inherited structures stemming
from Variscan phases of deformation as well as the weakening of the lithosphere related to
Mesozoic extension possibly affected deformation during Cainozoic times. Therefore, a new set
of experiments was carried out in order to study the mode of deformation under different thermomechanical
conditions prior to the onset of Alpine shortening. Since analogue experiments allow
the direct observation of the lithosphere after deformation, I established a new approach in order
to reconcile surface and deep earth architecture through the study of gravity and topography. Digital elevation models obtained from the model surface, together with the theoretical gravity
data calculated from digitized model cross-sections, were analysed in terms of spectral analysis
and compared with the Moho depth maps. This analysis allowed differentiating between periodic
and non-periodic signals, which may explain the mechanism of mountain building (folding
versus crustal thickening, respectively). Finally, models with heterogeneous lithosphere were
implemented with the addition of pre-existent late-Variscan faults which may have influenced the
position of the lithosphere folds and in turn the final configuration of topography. In order to study
the influence of these tectonic structures, surface particle displacement field techniques were
performed (Particle Image Velocimetry or PIV). PIV, therefore, aimed to discriminate between
re-activation of old structures and neo-formed tectonic structures. The results of analogue models
were compared with fieldwork carried out along the boundary between the Spanish Central
System and the Iberian Range, where interfering structures (E-W to NE-SW oriented) are coeval
with NE-SW, NW-SE and E-W striking structures in Central Spain. Interestingly, field data and
analogue modelling concluded that different topographic trends can be caused by folding of the
lithosphere with laterally different thermo-mechanical conditions under a single N-S stress field
during the Pyrenean stage of the Alpine Orogeny.
Chapter 1 provides a brief introduction of the observed topographic trends and
introduces the main theories concerning mountain building in Iberia. In chapter 2, I summarise
the principal mechanisms for single and multi-layer folding, studying the existing relationships
between faulting and folding at large-scale. Moreover, I review the differences and similarities
between folding of oceanic and continental lithosphere on the basis of areas where lithospheric
folding has been described.
The tectonic evolution of the Iberian Peninsula is presented in chapter 3, where
geological and geophysical data has been compiled in order to describe the rheology and
evolution of the Iberian lithosphere. A series of analogue models are shown where I investigate
folding of a de-coupled lithosphere and the associated uplift of the northwestern corner of Iberia
(Galicia Massif) related to the opening of the Kings Trough in the Atlantic offshore.
Chapter 4, addresses the new methodology carried out on the analogue experiments
combining the calculation of the theoretical gravity and spectral analysis of topography from
model cross-sections. The results show differences on mode of deformation between a simple
scenario comprising a homogeneous strong and cold (Variscan in age) lithosphere and a weak
and hot heterogeneous lithosphere, representing lateral variations in strength from western to
eastern Iberia. The results show similar wavelengths of gravity and topography between models
and nature (short ~50 km and long ~250km), indicating the presence of periodic signals to the
west. Therefore, the regular pattern of topography can be related to folding of the Variscan
lithosphere, whereas the lack of hardly any periodicity to the eastern part of Iberia can be related
to other processes like crustal thickening by thrusting and lower crustal flow processes.
Chapter 5 shows the surface particle displacement field analysis carried out on the
analogue experiments comparing the results with the intra-plate configuration of topographic
reliefs in Spain. The influence of lateral lithosphere strength variations and pre-existent tectonic
structures on strain localization and the surface expression of deformation is investigated. The
structural interpretation of modelling results displacement vector field indicates re-activation
of pre-existent structures (NE-SW and NW-SE oriented) during uni-directed N-S compression
illustrating a scenario of strain partitioning that may favour the observed differences of presentday
topographic trends in Iberia.
Finally, in Chapter 6, I provide the summary and conclusions. A brief discussion
between well-known areas affected by lithospheric folding is shown. Moreover, I argue about the connection between regular E-W, NE-SW trends of topography observed in western Spain
with those along the Moroccan Atlas in northern Africa. Similar discussion is focussed on the
area of the Tian Shan and Pamir mountains in Central Asia, where long-term topography has
been linked to lithosphere folds. A synthesis concerning the influence of pre-existent faults on the
final configuration of a deformed intra-plate area is compared with the tectonic structures from
models and the Merida Andes in Venezuela, illustrating the main differences and similarities
related to intra-plate reactivation of inherited tectonic structures.
[RESUMEN]
A largo plazo, la topografía en Europa es el resultado de la interacción entre la colisión
continental Alpina y la presencia de una anomalía mantélica ascendente hacia la superficie
terrestre. El cinturón Alpino se extiende desde el sur de Europa hacia los Himalayas a lo largo de
miles de kilómetros. Esta masa montañosa resulta del cierre de océanos y la posterior subducción
de los mismos, provocando una colisión continental (como por ejemplo, los Pirineos, Alpes,
Cárpatos, Dinarides e Himalayas). Sin embargo, lejos de la zona de sutura, en el interior de las
placas tectónicas, se conoce muy poco sobre los procesos de formación del relieve. Por esta
razón, nuevos proyectos como Topo-Europe (ver Cloetingh et al., 2011b, en el volumen especial
de Tectonophysics) y Topo-Iberia han surgido como resultado de una estrecha colaboración
científica internacional. Los nuevos proyectos surgidos permitirán obtener nuevos conocimientos
sobre el interior terrestre y los procesos que operan en la superficie.
Siguiendo esta linea de investigación, en esta Tesis se establece una relación entre
modelación análoga y análisis espectral de datos de topografía y anomalía de la gravedad,
permitiendo conocer y discutir los mecanismos de formación de relieves montañosos en zonas
de interior de placas. De modo más específico, la investigación se centra en la evolución de la
topografía y la formación de cuencas adyacentes en la Península Ibérica, aunque los resultados
pueden extrapolarse a otras zonas intra-placa, donde la ausencia de datos geológicos y geofísicos
impiden el estudio del interior terrestre.
Como evidencian las fotos aéreas, la zona occidental de la Península Ibérica se caracteriza
por un patrón regular de la topografía que se extiende desde la Cordillera Cantábrica en el norte,
hacia Sierra Morena en el sur, siguiendo una dirección E-O a NE-SO. Este patrón periódico
ha sido relacionado con la presencia de unos pliegues que afectan a toda la litosfera (corteza
superior, inferior y manto superior litosférico). En cambio, hacia la parte oriental de la Península,
el relieve topográfico sigue un patrón E-O, NO-SE y en algunas ocasiones NE-SO sin que pueda
observarse regularidad alguna. Aunque se han postulado muchas teorías para explicar estas
diferencias, ninguna de ellas establece una relación sostenible entre los procesos de modelado
del relieve superficial y del interior terrestre. Entre algunas de las cuestiones no resueltas, en
la actualidad, destacan: la naturaleza de la litosfera en términos de posibles variaciones de
resistencia, heredados de episodios disferentes de formación de montañas (Orogenia Varisca)
y extensión tectónica (rifting Mesozoico); conocer los procesos intra-placa que dan lugar a la
elevada topografía que se observa en la Cuenca del Duero, así como la influencia de estructuras
tectónicas post-Variscas durante el Cenozoico (Terciario), que podrían haber jugado un papel
importante en la disposición del relieve topográfico Peninsular actual.
Los modelos presentados en esta Tesis Doctoral están basados en un extenso
conocimiento geológico y en los datos geofísicos disponibles en España. La primera serie
de modelos ayuda a comprender el mecanismo que está detrás de la formación del relieve
topográfico y la evolución de cuencas sedimentarias que los acompañan en el interior de placa,
mediante la comparación de dos modelos litosféricos con distintas caracterísitcas de partida. Se
describen las condiciones favorables para la evolución de pliegues litosféricos que llevan a la topografía actual. Una litosfera des-acoplada donde la resistencia reside en la corteza superior y
el manto parece ser la clave para la evolución de grandes pliegues litosféricos. Sin embargo, la
litosfera Ibérica presenta heterogeneidades en términos de resistencia litosférica. La presencia de
estructuras tectónicas heredadas de las fases Variscas de deformación, así como el debilitamiento
de la litosfera relacionado con la extensión litosférica Mesozoica, han jugado un papel muy
importante durante la deformación Cenozoica. Por ello, se realizaron una serie de modelos para
estudiar el modo de deformación bajo condiciones tectono-termales distintas de la litosfera,
anteriores al comienzo del acortamiento Alpino. Como los experimentos análogos permiten la
observación directa de la litosfera tras la deformación, se ha establecido una nueva metodología
que permite el estudio de la litosfera superficial y profunda a través de la comparación de datos
topográficos y de anomalía de la gravedad. Para ello se obtuvieron los Modelos Digitales de
Elevaciones (DEMs) de la superficie de los experimentos, y se calculó la anomalía de la gravedad
teórica a partir de la digitalización de los perfiles obtenidos tras la deformación de los modelos.
Finalmente estos datos se analizaron mediante la obtención del análisis espectral
que se comparó con los mapas de profundidades del Moho. Este análisis sistemático permitió
diferenciar entre señales periódicas y no periódicas, que pudiesen explicar el mecanismo de
formación del relieve (plegamiento litosférico/engrosamiento cortical). Así mismo, los modelos
con una variaciones de resistencia litosférica fueron completados con la presencia de estructuras
tectónicas pre-existentes de edad post-Varisca, las cuales pudieron haber influenciado la posición
de los pliegues que afectan a la litosfera, así como la configuración final de la topografía.
Para estudiar esta influencia, se estudió mediante una nueva técnica, conocida como
“Campo de Velocidades de Partícula en Superficie” (con su acrónimo anglosajón PIV), la
evolución cinemática de las fallas originadas en el modelo. El PIV, por tanto, permitió discriminar
entre re-activación de antiguas estructuras y la neo-formación de estructuras tectónicas. Los
resultados de los modelos análogos fueron comparados con estudios de campo llevados acabo
en la zona de enlace entre el Sistema Central y la Cordillera Ibérica, donde interfieren estructuras
tectónicas con direcciones variadas (E-O y NE-SO, típicas del Sistema Central) coetáneas con
estructuras de dirección NE-SO, NO-SE y E-O Ibéricas. Sorprendentemente, los datos de campo y
la modelación análoga concluyen que los distintos patrones topográficos observados resultan de
una litosfera con diferencias termo-mecánicas laterales intersectada por fallas de orientaciones
diversas que favorece los procesos de plegamiento litosférico y el engrosamiento cortical por
inversión tectónica bajo un campo de esfuerzos N-S Pirenaico, que tuvo lugar durante gran parte
de la Orogenia Alpina.
El capítulo 1 proporciona una breve introducción a los patrones del relieve observados
y sirve de introducción a las principales teorías propuestas sobre el origen de la formación de las
cadenas montañosas en la Península Ibérica. En el capítulo 2 hago un resumen de los principales
mecanismos de plegamiento para una o múltiples capas, estudiando la relación existente entre
plegamiento y fracturación a gran escala. Además, llevo a cabo una revisión de las diferencias
y similitudes entre el plegamiento de la litosfera oceánica y la continental, en base a las zonas
donde se ha descrito el proceso de plegamiento litosférico en nuestro planeta.
La evolución tectónica de la Península Ibérica se presenta en el capítulo 3, donde se
han recogido datos geológicos y geofísicos para describir la reología y evolución de la litosfera
Ibérica. Una serie de modelos análogos donde se investiga el plegamiento de una litosfera
des-acoplada, así como el origen del levantamiento propuesto en la zona noroccidental de
España (Macizo Galaico), como consecuencia de la apertura del Surco de King en la plataforma
Atlántica.
En el capítulo 4, se recoge una nueva metodología llevada a cabo en la modelación análoga, que combina el cálculo de la anomalía de la gravedad teórica y el análisis espectral
junto con la topografía, a lo largo de perfiles tomados de los modelos tras la deformación.
Los resultados muestran diferentes modos de deformación entre un escenario de escasa
complejidad que comprende una litosfera homogénea y resistente (de edad Varisca) y una
litosfera heterogénea, caliente y débil, que representan las variaciones laterales en resistencia
litosférica encontradas en la parte occidental y oriental, respectivamente en la Península Ibérica.
Los resultados indican longitudes de onda para la gravedad y la topografía muy similares entre
los modelos y la naturaleza (una corta ~50 km y una larga ~250 km), indicando la presencia de
un patrón periódico hacia el oeste peninsular (Macizo Ibérico). Por tanto y como sugieren los
modelos, este patrón regular de la topografía parece estar relacionado con el plegamiento de una
litosfera estable, Varisca, mientras que la falta de periodicidad hacia el este penínsular podría
estar relacionado con otros procesos como engrosamiento cortical por inversión tectónica (a
través de cabalgamientos que engrosan la corteza), y por un proceso de flujo en la corteza
inferior.
El capítulo 5, muestra el análisis llevado a cabo sobre la superficie de los modelos,
basado en el estudio del campo de desplazamiento de partículas, que permitió la comparación
de los resultados en la zona central de España. La importancia de esta zona reside en los distintos
patrones observados en la topografía, los cuales reproducen, en una pequeña área, la multitud
de orientaciones observadas, en general, en toda la Península. Se investiga la influencia de los
cambios laterales de resistencia litosférica, así como la presencia de estructuras tectónicas preexistentes
y su influencia en la localización de la deformación y en la expresión final en superficie
de dicha deformación. La interpretación estructural de los vectores de campo de partículas
en superficie indican la reactivación de dichas estructuras pre-existentes con orientaciones
principales NE-SO y NO-SE bajo un acortamiento dirigido N-S, mostrando un escenario de
partición de la deformación que podría haber favorecido la formación de este patrón singular
observado en la topografía actual de la Península Ibérica.
Finalmente, en el capítulo 6, proporciono un resumen y las conclusiones. Una breve
discusión entre zonas donde se ha reconocido la presencia de pliegues litosféricos. Además,
argumento sobre la conexión existente entre los patrones regulares E-O y NE-SO observados en
la zona occidental de España y los relieves que forman el Atlas marroquí en el norte de África.
Una discusión similar es propuesta para el área del Tien-Shan y la Cordillera del Pamir en Asia
Central, donde la topografía a largo plazo ha sido relacionada con pliegues litosféricos. Una
sintesis sobre la influencia de las fallas pre-existentes en la configuración final de la deformación
de áreas intra-placa se presenta mediante la comparación de estructuras tectónicas de los
modelos y un ejemplo en los Andes de Merida, Venezuela, mostrando las principales diferencias
y similitudes en la reactivación de estructuras tectónicas heredadas en un entorno intra-placa.

Item Type:Thesis (PhD)
Directors:
DirectorsDirector email
Cloetingh, S.A.P.LUNSPECIFIED
De Vicente, G.UNSPECIFIED
Sokoutis, D.UNSPECIFIED
Willingshofer, E.UNSPECIFIED
Uncontrolled Keywords:Structural geology; Cenozoic; Iberian Peninsula
Subjects:Sciences > Geology > Geodynamics
ID Code:15793
Deposited On:28 Jun 2012 10:06
Last Modified:06 Feb 2014 10:31

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