Mesozoic extension and Cenozoic contraction in the Eastern Iberian Chain (Maestrat Basin) = Tectònica extensiva mesozoica i contractiva cenozoica a la Cadena Ibèrica oriental

Abstract

The Maestrat basin was one of the most subsident basins of the Iberian Rift System, which experienced two main rifting events: Late Permian-Late Triassic and Late Jurassic-Early Cretaceous. Its inversion during the Cenozoic Alpine orogeny generated the E-W-trending, N-verging Portalrubio–Vandellòs fold-and-thrust belt in the Linking Zone between the NW-SE-trending Iberian Chain, and the NE-SW-trending Catalan Coastal Chain, detached in the Triassic evaporites, while southwards it also involved the Variscan Basement. The study area is located in the central part of the fold-and-thrust belt. The objectives of this thesis are to characterize the structures developed during the different deformation events, as well as to characterize the transition from thin to thick-skinned areas. Finally, it aims to propose a kinematic evolutionary model for the northern margin of the basin based on the interpretation of subsurface data and new field data. During the first stage of extensional activity a high angle normal fault system developed, which fragmented the Variscan Basement into a system of horsts, grabens and half-grabens. Those faults were active during the deposition of the Buntsandstein facies and lasted until the lower part of the Middle Muschelkalk facies was deposited, filling the system of horsts and grabens and generating depositional thickness variations. The fault system was overstepped by the upper part of the Middle Muschelkalk, indicating a decrease in the extensional activity that lasted until the carbonates of the Upper Muschelkalk facies were deposited, as they present nearly constant thickness. During the Keuper facies deposition, the extensional activity of some normal faults in the acoustic basement resumed, triggering the Middle Muschelkalk salt flow, which developed salt anticlines and welds, increasing the thickness variations of this facies. The age of the salt flow is deduced from the Keuper facies reflectors lapping on the folded Upper Muschelkalk above the salt accumulations. Growth-strata above some Upper Muschelkalk forced folds are also recognized, developed above some reactivated normal faults in the basement. During the second stage of extensional activity, a system of segmented listric normal faults, connected by relay ramps developed bounding the different sub-basins. The Maestrat basin filling (Upper Jurassic-Lower Cretaceous) broadly becomes thinner towards the north, towards the northern boundary of the basin, although locally it becomes thicker northwards, towards the hanging wall of the S-dipping main normal faults. Major extension occurred during the Barremian, as units of this age display bigger thickness variations, while the Aptian units show more constant thicknesses. During the Cenozoic Alpine orogeny, the Maestrat basin was inverted. The E-W-trending, N-verging Maestrat Basement Thrust developed, traversing the entire basin, as a result of the inversion of the Mesozoic fault system within the basement. As this thrust reached the Mesozoic cover, it propagated across the Middle Muschelkalk detachment level, transporting the supra-salt cover, and the normal fault segments within it, about 12km towards the North. The basement thrust is deduced to have a ramp-flat geometry, with a low-dip ramp which reaches about 8km depth, rooted in the upper crust. The displacement of the basement in the hanging wall of this ramp generated a 40km-wide uplifted area, in the N-S direction, bounded to the N by the Calders monocline, interpreted as a fault-bend-fold adapted to the ramp to flat transition in the basement thrust. It also indicates the transition from a thick-skinned style of deformation in the S, to a thin-skinned style to the N. The superficial shortening accumulated in the northern margin of the basin, containing the thinnest Mesozoic cover, developing the Portalrubio-Vandellòs fold-and-thrust belt.

La Conca del Maestrat va ser una de les més subsidents del Sistema de Rift Ibèric Mesozoic, el qual va experimentar dos episodis de rift principals: el primer durant el Permià superior-Triàsic i el segon durant el Juràssic superior-Cretaci inferior. La conca del Maestrat es va formar durant el segon episodi de rift, per un sistema de falles normals lístriques que la van dividir en sub-conques. Es va invertir durant l’Orogènia Alpina Cenozoica, formant la Zona d’Enllaç entre la Serralada Ibèrica, d’orientació NW-SE, i la Cadena Costanera Catalana, d’orientació NE-SW. Durant la inversió es va formar, en el marge nord de la conca, el cinturó de plecs i encavalcaments de Portalrubio-Vandellòs, d’orientació predominant E-W i vergència cap al N, desenganxat a les evaporites Triàsiques, però que cap al S passa a involucrar el sòcol Varisc.

La zona d’estudi es situa al marge nord de la Conca del Maestrat, a la part central del cinturó de plecs i encavalcaments de Portalrubio-Vandellòs, i inclou la zona de trànsit d’un estil de deformació de pell fina (N) a un de pell gruixuda (S). Els principals objectius d'aquesta tesi s6n caracteritzar les estructures formades durant l'extensi6 Mesozoica i durant la contracci6 Cenozoica, i la influencia de les primeres en la formació de les darreres, així com caracteritzar com es produeix el trànsit d’una zona amb deformació de pell fina a una de pell gruixuda. Finalment, preten proposar un model d'evoluci6 cinematica del marge nord de la conca i una reconstrucció de la geometria de l’Encavalcament de Sòcol del Maestrat. Aquest estudi està basat en la interpretació de dades de subsòl (sísmica 2D i sondeigs d’exploració) i dades noves de camp.

Pel que fa a l’estructura Mesozoica, durant la primera etapa de rift (Permià superior-Triàsic superior) es va formar un sistema de falles normals d’alt angle que va fragmentar el sòcol Varisc en un sistema de horsts, grabens i semi-grabens. Aquestes falles foren actives durant el depòsit de la fàcies Buntsandstein, fins que es va dipositar la part inferior de la facies Muschelkalk mitja, reomplint el sistema de horst i grabens i donant lloc a diferències de gruix deposicionals en aquesta unitat evaporítica. La part alta del Muschelkalk mitjà va sobrepassar i cobrir el sistema de falles, indicant una disminució de l’activitat extensiva, que va durar fins que es van dipositar els carbonats de la facies Muschelkalk superior, que presenta un gruix quasi constant a tota la conca. Mentre es dipositava la fàcies Keuper es va reactivar l'activitat extensiva d'algunes falles normals del socol acustic o infra-salf, desencadenant el flux de la sal del Muschelkalk mitjà, que va formar anticlinals de sal i welds, incrementant les diferències de gruix d'aquesta facies. L'edat del flux de sal es dedueix a partir dels reflectors sfsmics del Keuper, que es disposen en onlap a sobre del Muschelkalk superior plegat sobre les acumulacions de sal. Alguns ventalls de capes també es poden reconèixer sobre plecs forçats del Muschelkalk superior a sobre d’algunes falles normals reactivades en el sòcol acústic. La càrrega diferencial exercida pel Keuper hauria incrementat o afavorit el flux de sal.

Durant el segon episodi de rift (Juràssic superior- Cretaci inferior) es va formar un sistema de falles normals lístriques segmentades i connectades per rampes de relleu, que separaven les diferents sub- conques, tal i com suggereix la distribució de les roques del Cretaci inferior i de les estructures extensives en la zona d’estudi, que presenten diverses orientacions. El rebliment de la conca del Maestrat a grans trets s’aprima cap al Nord, cap al marge de la conca. Tot i això, el Cretaci inferior de la sub-conca de la Selzedella – la més extensa de la conca del Maestrat – presenta una geometria de tascó que s’engruixeix progressivament cap al Nord, de 350m a 1100m, cap al bloc superior del sistema de falles normals inclinades cap al S. Durant el Barremià, l’activitat extensiva va ser major que durant l’Aptià, ja que les unitats barremianes presenten variacions de gruix més acusades, mentre que les aptianes presenten gruixos més constants.

Durant l’orogènia alpina cenozoica, la conca del Maestrat es va invertir. La inversió del sistema de falles normals Mesozoiques, en el seu segment a través del sòcol acústic, va generar l’Encavalcament de Sòcol del Maestrat, d’orientació aproximadament E-W i vergència cap al N, que travessa tota la conca. Al rerepaís de la Zona d’Enllaç es pot observar una extensa zona elevada, d’uns 40km d’amplada en direcció N-S, que conté roques del Cretaci superior i del Cenozoic poc deformades i sub-horitzontals, que es situen a cotes entre 1400 i 2000m. A la zona d’estudi, aquesta zona elevada està limitada al nord pel Monoclinal de Calders, d'orientaci6 E-W i vergencia cap al N, que te un flanc basculat cap al N uns 5º amb una amplada màxima d’uns 13km a la part central, i que genera un esglaó tectònic vertical de 800-1200m. Aquest monoclinal s’interpreta com un plec d’adaptació, a partir del qual se’n dedueix una geometria de replà-rampa-replà per a l’Encavalcament de Sòcol del Maestrat. La xarnera sinforme septentrional del Monoclinal de Calders coincideix a grans trets amb el pas d’un estil de deformació de pell gruixuda al Sud, a un estil de deformaci6 de pell fina al Nord.

El baix angle del flanc inclinat del Monoclinal de Calders, i la gran extensi6 de la zona aixecada suggereixen un baix angle per a l’encavalcament basal en el sòcol, que estaria arrelat a l’escorça superior. Aquest encavalcament tindria una rampa de baix angle (~9º), que es propagaria més de 40km cap al S, arribant a una profunditat d’uns 7.5km sota el nivell del mar. Quan aquest encavalcament va arribar a la cobertora Mesozoica cap a l’avant-país, es va propagar a través del nivell de desenganxament del Muschelkalk mitjà salí, generant un short-cut quasi horitzontal que va transportar la cobertora supra- salina i els segments de les falles normals a través d’aquesta uns 12km cap al NNE. El desplaçament del sòcol en el bloc superior de la rampa de baix-angle va generar l’extensa zona aixecada, d’uns 40km d'amplada, mentre que l'escur,:ament en superffcie es va acumular a la zona externa de la conca, situada al N, que conté la cobertora Mesozoica més prima, formant el cinturó de plecs i encavalcament de Portalrubio-Vandellòs.

L’estructura del cinturó de plecs i encavalcament de Portalrubio-Vandellòs presenta, a la zona d’estudi, una geometria arquejada, convexa cap a l’avantpaís, cap al NNE, en el sentit del transport. La formació d’aquesta geometría es pot atribuir a diversos factors: a la presència d’un nivell de desenganxament salí (Muschelkalk mitjà) que acaba lateralment, cap a l’Oest; a un alt de basament (Anticlinal de Montalbán) que hauria interactuat amb la propagació cap al Nord del front d’encavalcaments d’orientació E-O, a l’oest de la zona estudiada, i per últim a l’herència de l’orientació de les falles normals Mesozoiques.

La Cuenca del Maestrat fue una de las más subsidentes del Sistema de Rift Ibérico mesozoico, el cual experimentó dos episodios de rift principales: el primero durante el Pérmico superior-Triásico y el segundo durante el Jurásico superior-Cretácico inferior. La Cuenca del Maestrat se formó durante el segundo episodio de rift, por un sistema de fallas normales lístricas que la dividieron en sub-cuencas. Se invirtió durante la Orogenia Alpina cenozoica, formando la Zona de Enlace entre la Cadena Ibérica, de orientación NW-SE, y la Cadena Costera Catalana, de orientación NE-SW. Durante la inversión, se formó en el margen norte de la cuenca el cinturón de pliegues y cabalgamientos de Portalrubio-Vandellòs, de orientación predominante E-W y vergencia hacia el N, despegado en las evaporitas triásicas, que hacia el S pasa a involucrar el zócalo varisco.

La zona de estudio se sitúa en el margen norte de la cuenca del Maestrat, en la parte central del cinturón de pliegues y cabalgamientos de Portalrubio-Vandellòs, e incluye la zona de tránsito de un estilo de deformaci6n de piel fina (N) a piel gruesa (S). Los principales objetivos de esta tesis son caracterizar las estructuras formadas durante la extensión mesozoica y durante la contracción cenozoica, y la influencia de las primeras en la formaci6n de las segundas, asf como caracterizar c6mo se produce el transito de una zona con deformaci6n de piel fina a una de piel gruesa. Finalmente, se pretende proponer un modelo de evolución cinemática del margen norte de la cuenca y una reconstrucción de la geometría del Cabalgamiento de Zócalo del Maestrat. Este estudio está basado en la interpretación de datos de subsuelo (sísmica 2D y sondeos de exploración) y de nuevos datos de campo.

En cuanto a la estructura Mesozoica, durante la primera etapa de rift (Pérmico superior-Triásico superior) se formó un sistema de fallas normales de alto ángulo que fragmentaron el zócalo varisco en un sistema de horsts, grabens y semi-grabens. Estas fallas fueron activas durante el depósito de la facies Buntsandstein, hasta que se depositó la parte inferior de la facies Muschelkalk medio, rellenando el sistema de horsts y grabens, y dando lugar a diferencias de espesor deposicionales en esta unidad evaporítica. La parte superior de la facies Muschelkalk medio sobrepasó y cubrió el sistema de fallas, indicando una disminución de la actividad extensiva, que duró hasta que se depositaron los carbonatos de la facies Muschelkalk superior, que presentan una potencia casi constante en toda la cuenca. Mientras se depositaba la facies Keuper, se reactivó la actividad extensiva de algunas fallas normales en el zócalo acustico o infra-salino, desencadenando el flujo de la sal del Muschelkalk medio, que form6 anticlinales de sal y welds, incrementando las diferencias de espesor de esta facies. La edad del flujo de sal se deduce a partir de los reflectores sfsmicos del Keuper, que se disponen en onlap sobre el Muschelkalk superior plegado sobre las acumulaciones de sal. Algunos abanicos de capas también pueden reconocerse sobre pliegues forzados del Muschelkalk superior sobre algunas fallas normales reactivadas en el zócalo acustico. La carga diferencial ejercida por el Keuper habrfa incrementado o favorecido el flujo de sal.

Durante el segundo episodio de rift (Jurásico superior-Cretácico inferior) se formó un sistema de fallas normales lístricas segmentadas y conectadas por rampas de relevo, que separaban las diferentes sub-cuencas, tal y como sugiere la distribución de las rocas del Cretácico inferior y de las estructuras extensivas en la zona de estudio, que presentan diversas orientaciones. El relleno de la cuenca del Maestrat, a grandes rasgos se adelgaza hacia el norte, hacia el margen de la cuenca. Aun así, el Cretácico inferior de la sub-cuenca de la Salzedella – la más extensa de la cuenca del Maestrat – presenta una geometría de cuña que se engrosa progresivamente hacia el norte, de 350m a 1100m, hacia el bloque superior del sistema de fallas normales inclinadas hacia el S. Durante el Barremiense la actividad extensiva fue mayor que durante el Aptiense, ya que las unidades barremienses presentan variaciones de espesor más acentuadas, mientras que las aptienses presentan espesores más constantes.

Durante la Orogenia Alpina cenozoica la cuenca del Maestrat se invirtió. La inversión del sistema de fallas normales mesozoicas, en su segmento a través del zócalo acústico, generó el Cabalgamiento de Zócalo del Maestrat, de orientación aproximadamente E-W y vergencia hacia el N, que atraviesa toda la cuenca. En el postpaís de la Zona de Enlace se puede observar una extensa zona elevada, de unos 40km de anchura en dirección N-S, que contiene rocas del Cretácico superior y del Cenozoico podo deformadas y sub-horizontales, que se sitúan en cotas entre 1400 y 2000m. En la zona de estudio, esta zona elevada está limitada al norte por el Monoclinal de Calders, de orientación E-W y vergencia hacia el N, que tiene un flanco inclinado hacia el N unos SQ, con una anchura maxima de unos 13km en su parte central, y que genera un escalón tectónico vertical de 800-1200m. Este monoclinal se interpreta como un pliegue de adaptación, a partir del que se deduce una geometría de rellano-rampa-rellano del Cabalgamiento de Zócalo del Maestrat. La charnela sinforme septentrional del Monoclinal de Calders coincide, a grandes rasgos, con el paso de un estilo de deformación de piel gruesa al Sur, a un estilo de deformación de piel fina al Norte.

El bajo angulo del flanco inclinado del Monoclinal de Calders, y la gran extensi6n de la zona levantada sugieren un bajo ángulo para el cabalgamiento basal en el zócalo, que estaría enraizado en la corteza superior. Este cabalgamiento tendría una rampa de bajo ángulo (~9º), que se propagaría más de 40km hacia el S, alcanzando una profundidad de unos 7,5km bajo el nivel del mar. Cuando este cabalgamiento llegó a la cobertera mesozoica hacia el antepaís, se propagó a través del nivel de despegue del Muschelkalk medio salino, generando un short-cut casi horizontal, que transportó la cobertera supra-salina y los segmentos de las fallas normales a través de ésta unos 12km hacia el NNE. El desplazamiento del zócalo en el bloque superior de la rampa de bajo ángulo generó la extensa zona elevada, de unos 40km de ancho, mientras que el acortamiento en superficie se acumul6 en la zona externa de la cuenca, situada al N, que contiene la cobertera mesozoica más delgada, formando el cinturón de pliegues y cabalgamientos de Portalrubio-Vandellòs.

La estructura del cinturón de pliegues y cabalgamientos de Portalrubio-Vandellòs presenta, en la zona de estudio, una geometría arqueada, convexa hacia el antepaís, hacia el NNE, en el sentido del transporte. La formación de esta geometría se puede atribuir a varios factores: a la presencia de un nivel de despegue salino (Muschelkalk medio) que termina lateralmente, hacia el Oeste; a un alto de basamento (Anticlinal de Montalbán) que habría interactuado con la propagación hacia el norte del frente de cabalgamientos E-W, al oeste de la zona estudiada, y por último a la herencia de la orientación de las fallas normales mesozoicas.