Fábricas magnéticas aplicadas al estudio de zonas de fallaejemplos de la península ibérica

Resumen

Esta tesis es una contribución al estudio tectónico, geométrico, estructural y micro-estructural de zonas y rocas de falla en contextos de deformación frágil. Se presentan los resultados obtenidos en cinco zonas de falla que en conjunto abarcan un amplio rango de características estructurales y cinemáticas: i) en cuanto a condiciones de deformación, desde zonas de falla cercanas a la transición frágil-plástica de deformación, a zonas de falla neotectónicas no exhumadas de comportamiento frágil; ii) en cuanto a cinemática, se han estudiado cabalgamientos, fallas transcurrentes y fallas normales y finalmente, y iii) en cuanto a geometría y características, las estructuras abarcan un abanico que va desde cabalgamientos y fallas de escala cortical (o incluso litosférica) a fallas más someras que probablemente afecten únicamente a la corteza superior. Además, las cinco estructuras estudiadas se ubican en diferentes cadenas de la Placa Ibérica, añadiendo una connotación regional a su estudio. Las estructuras estudiadas en esta tesis son en concreto: el Cabalgamiento de Gavarnie en Pirineos, la falla del Vallès-Penedès en la Cadena Costero Catalana, la falla de Rio Grío en la Cadena Ibérica y las fallas de Alhama de Murcia y de Baza en la Cordillera Bética. Para el estudio de estas zonas de falla se plantea una combinación de métodos clásicos de análisis estructural, de dataciones absolutas de la roca de falla por K-Ar, y de determinación de fábricas magnéticas, incluyendo el estudio de la anisotropía de la susceptibilidad magnética a bajo campo y a temperatura ambiente (RT-AMS) y a baja temperatura (LT-AMS) y de la anisotropía de la remanencia magnética (AARM, AIRM). El estudio de rocas de falla por medio de fábricas magnéticas se basa en la capacidad que tienen éstas para promediar la orientación de los elementos texturales que componen la roca, siendo especialmente útil cuando la petrofábrica no está bien definida o está conformada por poblaciones de granos en diferentes orientaciones (e.g. en rocas de falla). Su aplicación en este contexto viene desarrollándose desde décadas atrás, pero enfocado en contextos de deformación plástica (i.e. milonitas), siendo muy minoritarios en contextos de deformación frágil (i.e. cataclasitas). Ello nos lleva a la segunda contribución de este trabajo, es decir, a la aportación de las fábricas magnéticas en el estudio de cataclasitas. En concreto, se analizan los factores asociados a la deformación y a la mineralogía que controlan la orientación del elipsoide magnético y la magnitud de los parámetros escalares (Pj, T, etc.) en rocas de falla, lo que a su vez aporta información sobre la cinemática de las zonas de falla. El estudio estructural y de fábricas magnéticas en el Cabalgamiento de Gavarnie indica una dirección de transporte de N190E para uno de los principales cabalgamientos que estructuran la Zona Axial de los Pirineos y que además controla tectónicamente la evolución de la cobertera mesozoica en la Zona Surpirenaica. El afloramiento estudiado, en el circo de Barrosa (Comarca del Sobrarbe) se caracteriza por una arquitectura simple de la zona deformada, pero con una distribución heterogénea de la deformación. En este sentido, la deformación está localizada en torno al plano de cabalgamiento principal, en la base de la zona deformada, perdiendo intensidad hacia zonas superiores. Ello conlleva a su vez un diferente desarrollo de las estructuras de deformación, fundamentalmente de estructuras SC, marcado por un cambio en las condiciones de deformación (de plásticas a frágiles) y por diferentes comportamientos reológicos de los materiales involucrados en la deformación (frágil en las filitas vs plástica en los carbonatos). Como resultado, la fábrica magnética evoluciona de base a techo de la zona deformada, con lineaciones magnéticas paralelas a la dirección de transporte en zonas de alta deformación, y con lineaciones magnéticas paralelas a la lineación de intersección entre planos estructurales en zonas demenor deformación asociada a la cizalla. A su vez, se analiza la influencia de petrofábricas heredadas de la roca encajante en la orientación del elipsoide y, fundamentalmente, en los parámetros escalares del elipsoide magnético. Las fallas del Vallès-Penedès y de Rio Grío, pese a ubicarse en zonas distantes, presentan una evolución tectónica similar. Las dataciones absolutas por K-Ar en arcillas neoformadas en la zona de falla revelan cinco episodios térmicos, asociados probablemente a diferentes periodos de actividad de la falla. El origen de ambas se remonta hasta la fracturación tardi-hercínica (~300 Ma.), presentando una dirección NE–SW y NNW–SSE (respectivamente), un elevado buzamiento y magmatismo y mineralizaciones asociadas, características propias de las fallas generadas durante este periodo. Además, ambas estructuras presentan actividad posterior tanto de tipo extensional durante el Mesozoico como de tipo compresivo durante la Orogenia Alpina. Las dataciones, además de su origen tardi-hercínico, sugieren actividad de ambas fallas durante la apertura del rift atlántico (~190 M.a.), durante la formación de cuencas mesozoicas a finales del Jurásico y comienzos del Cretácico (~160 M.a.), durante la rotación de Iberia (~80 M.a.) y finalmente su inversión positiva durante la orogenia alpina (~40 M.a.). Sin embargo, otra de las características comunes de ambas fallas es la obliteración de todos los eventos de deformación previos por la última inversión positiva de la estructura. Por ello, la roca de falla presenta indicadores cinemáticos y petrofábricas asociadas exclusivamente a ésta última, de ahí también la importancia de las dataciones absolutas en el estudio tectónico de las fallas. La falla del Vallès-Penedès es una de las principales estructuras que controlan la geometría de la Cadena Costero Catalana, con segmentos en dirección NE–SW y E–W. Los resultados obtenidos indican el desarrollo de una foliación pervasiva y de estructuras SC con movimientos mayoritariamente sinistros, aunque también dextros, en cizallas NE–SW y NW–SE respectivamente. A su vez, la presencia de numerosas cizallas inversas con dirección de transporte hacia el NNW sugiere una cinemática transpresiva durante la compresión Alpina. Adicionalmente, la reactivación extensional de la falla durante el Neógeno controla la subsidencia en la cuenca del Vallès-Penedès y sobreimpone al conjunto de foliación y cizallas anteriormente mencionadas un sistema de bandas de cizalla normales intensamente localizadas y que terminan por configurar una compleja petrofábrica de la roca. En este contexto, la interpretación de las fábricas magnéticas es compleja, pero en conjunto mimetizan los planos de foliación a escala de afloramiento, mientras que la lineación magnética, muy variable, se distribuye en torno a dos máximos: el primero, horizontal y paralelo a la dirección de transporte transcurrente, y el segundo paralelo a la máxima pendiente de la foliación, es decir, paralelo tanto a la dirección de transporte de la cizalla inversa como a la intersección entre planos S y C de las cizallas direccionales. A nivel tectónico y arquitectónico, la estructura es compatible con una estructura transpresiva, particionada entre el cabalgamiento del frente de la Cadena sobre la Cuenca del Ebro y la zona de falla direccional del VallèsPenedès. La falla de Rio Grío es una de las principales estructuras que controla el margen norte de la Rama Aragonesa de la Cadena Ibérica. Con una dirección NNW–SSE y un alto buzamiento, la estructura fue reactivada durante la compresión cenozoica como una estructura transpresiva, predominantemente direccional dextra, a tenor del análisis tectónico, estructural y cinemático realizado en este trabajo. Se ha estudiado un total de 4 afloramientos a lo largo del sector N de la estructura, con especial énfasis en el afloramiento de Los Abuelos, en donde la zona deformada está expuesta espectacularmente. A lo largo desu traza, la geometría de la deformación varía en función de los materiales a los que afecta. En el sector más meridional del tramo estudiado (i.e. afloramiento de Los Abuelos), la falla afecta fundamentalmente a materiales del zócalo paleozoico, desarrollándose geometrías en flor positiva, con localización de la deformación en torno a núcleos de falla anastomosados de unos 50 m de espesor y anchura total de la zona deformada de unos 200-300 m. Esta localización está controlada por la presencia de lentículas de arcillas triásicas de comportamiento dúctil en el interior de la zona deformada. Hacia el N, la falla afecta únicamente a materiales de cobertera y la deformación se distribuye a lo ancho de zonas de falla que alcanzan los 2.000 m de espesor, sin que se identifique un núcleo de falla como tal. Las foliaciones magnéticas en las rocas de falla mimetizan la débil foliación generada en las fault gouge, mientras que la lineación magnética presenta una gran variabilidad en su orientación, condicionada por: i) las diferentes cinemáticas particionadas en los afloramientos acomodando el movimiento transpresivo de la falla y ii) por la coexistencia de lineaciones magnéticas paralelas tanto al transporte tectónico como a la lineación de intersección (perpendicular al transporte). Las fallas de Alhama de Murcia y Baza, ambas estructuras ubicadas en la Cordillera Bética, son estructuras neotectónicas y con actividad desde el Mioceno y Plioceno, respectivamente. El movimiento de ambas estructuras está asociado no obstante a procesos tectónicos distintos y coetáneos en la Cordillera Bética. Por una parte, la convergencia entre placas Europea y Africana produce la neoformación e inversión positiva de estructuras de alto buzamiento y dirección NE–SW y NNE–SSW, presentando cinemática inversa y direccional y dando lugar al Sistema de Cizalla Bético. Dentro del este último, la falla de Alhama de Murcia es una de las principales fallas direccionales, con una longitud próxima a los 100 km. Por otra parte, y coetáneamente a la compresión, se produce una extensión paralela a la dirección del orógeno y el desarrollo de cuencas intramontañosas, como las de Granada o Guadix-Baza, controladas por fallas normales de dirección N-S, como es el caso de la falla de Baza. Otra característica común de ambas fallas es su carácter sismogénico, siendo responsables de terremotos destructivos, tanto históricos como recientes, como fueron los terremotos de Baza de 1531 (Ms 6.0; VIII-IX) o de Lorca de 2011 (Mw 5.2; VIII). En la falla de Alhama de Murcia, el estudio de fábricas magnéticas se centra en el estudio de la roca de falla del afloramiento de La Torrecilla. Teniendo en cuenta que es una de las fallas más y mejor estudiadas de Iberia, fundamentalmente por su carácter sismogénico, el trabajo realizado se centra en el análisis detallado de la mineralogía magnética, la neoformación de minerales para- y ferromagnéticos s.l. y la determinación de sub-fábricas magnéticas, incluyendo medidas de RT-AMS, LT-AMS, AARM y (p)AIRM. En la fault gouge desarrollada en el núcleo de la falla, se han observado dos fábricas magnéticas diferentes: i) una fábrica paramagnética dominante en la zona central del núcleo de falla y asociada a la presencia de ankerita, con el eje kmax perpendicular a la foliación estructural (i.e. fábrica inversa) y ii) una fábrica ferromagnética s.l. dominante en las zonas externas del núcleo, con el kmin perpendicular a la foliación estructural (i.e. fábrica normal) y ejes kmax paralelos a la dirección de transporte. La presencia de ankerita en la zona de falla se ha interpretado por dos procesos: una incorporación mecánica desde el protolito, y fundamentalmente, por una masiva cementación de la roca de falla por carbonatos como consecuencia del paso de fluidos hidrotermales. A pesar de ser portadora de fábricas inversas, la orientación de la fábrica magnética está en clara relación con la cinemática de las estructuras (i.e. kmin paralelo a la dirección de transporte), por lo que interpretamos que su neoformación es sincrónica con el movimiento de la estructura. Además, se ha evidenciado una fuerte alteración de la propia ankerita y desulfuros de hierro (pirita, fundamentalmente) a goetita y hematites en las zonas externas del núcleo, con evidencias de alteración sub-aérea de la roca de falla. Interpretamos que la alteración de la ankerita a fases ferromagnéticas s.l. conlleva una reducción de la contribución paramagnética en la roca de falla, dando lugar a la aparición de fábricas ferromagnéticas s.l. en las zonas externas del núcleo de falla. En la falla de Baza, se han analizado cinco afloramientos para determinar: i) la cinemática de las estructuras y su relación con los diferentes grados de segmentación de la falla y las diferentes arquitecturas de su zona deformada y ii) la correlación entre estructuras e intensidad de la deformación con el variable desarrollo de las fábricas magnéticas. La variable intensidad de la deformación conlleva el desarrollo de diferentes orientaciones de la lineación magnética: a mayor intensidad de la deformación, mayor predominio de lineaciones magnéticas paralelas a la dirección de transporte normal de la estructura. Por el contrario, las lineaciones de intersección entre planos S y C dominan en rocas de falla menos deformadas. Además, se analiza en detalle la fábrica magnética obtenida en una trinchera en la cual dos ramas principales de la estructura tienden a unirse, formando una rampa de relevo entre ambas. En el interior de dicha rampa, interpretamos una dirección de extensión local paralela a la pendiente de la rampa, lo que produce una modificación en la orientación de los ejes de deformación y lineaciones magnéticas paralelas a la estructura. Por último, la integración de los resultados obtenidos en las cinco fallas permite esclarecer qué factores afectan a la orientación de la fábrica magnética en rocas de falla, con especial atención a la lineación magnética. Recopilando los datos presentados en este trabajo y sumados a los obtenidos por el grupo de investigación Geotransfer (U. de Zaragoza) en el proyecto CGL2013-42670-P, se observa cómo la lineación magnética tiende a agruparse en torno a dos máximos: paralela a la dirección de transporte y paralela a la lineación de intersección entre planos estructurales. Estas orientaciones están condicionadas en concreto por los siguientes factores: i) diferentes mecanismos de deformación (i.e. estiramiento de granos minerales en deformación plástica), ii) la intensidad de la deformación y su traducción a diferentes tipos de petrofábricas, iii) la influencia de petrofábricas del protolito en la roca de falla, iv) la sobreimposición de cizallas y v) la mineralogía magnética. Pese a la relativa complejidad de los resultados, se demuestra que el estudio de las fábricas magnéticas es una técnica totalmente viable y válida para la evaluación de la petrofábrica en zonas de falla frágiles. Entre sus aplicaciones más destacadas podemos señalar que: i) ofrece orientaciones de planos estructurales difícilmente obtenibles por medios convencionales en rocas de falla frágiles, ii) aporta criterios cinemáticos, una vez que se consigue discernir entre lineaciones paralelas al transporte o a la intersección entre planos, iii) permite estimar la intensidad de la deformación y iv) en ciertas circunstancias, el estudio de la mineralogía magnética de subfábricas permite esclarecer la neoformación de ciertos minerales en rocas de falla, los cuales pueden asociarse a unas determinadas condiciones de P -T y a eventos de mineralización cosísmicos.