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

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

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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.

Resumen (otros idiomas)

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.

Item Type:Thesis
Directors:
DirectorsDirector email
Cloetingh, S.A.P.L
De Vicente, G.
Sokoutis, D.
Willingshofer, E.
Uncontrolled Keywords:Structural geology; Cenozoic; Iberian Peninsula
Subjects:Sciences > Geology > Geodynamics
ID Code:15793
Deposited On:28 Jun 2012 10:06
Last Modified:20 May 2019 10:48

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