Tesis doctorales de la Escuela Internacional de Doctorado de la URJC desde el curso 2024/25
Estudio estructural y modelización de los sistemas de fallas Penacova-Régua-Verin y Manteigas-Vilariça-Bragança (NW de la Península Ibérica)
Autor
GONZÁLEZ MUÑOZ, SANDRA
Director
MARTÍN GONZÁLEZ, FIDEL
Fecha de defensa
21-03-2025
Calificación
Sobresaliente cum laude
Programa
Ciencias
Mención internacional
No
Resumen
El conocimiento sobre las características y evolución tectónica de las estructuras que se generan durante la Orogenia Varisca y Alpina, son clave para comprender y reconstruir la geodinámica de la placa ibérica. Durante la Orogenia Varisca se formó una compleja red de fallas en dirección y zonas de cizalla, que se convirtió en uno de los sistemas de fallas más significativos del basamento varisco. Éstas fallas han sido reactivadas en varios episodios poliorogénicos y, por tanto, son las estructuras más propensas a reactivarse. Entender las estructuras generadas es importante para la creación de un modelo geodinámico que explique la configuración actual.
El noroeste de la Península Ibérica contiene dos de las fallas más largas de la península: el sistema de fallas intraplaca de Penacova-Régua-Verin (PRV) y Manteigas-Vilariça-Bragança (MVB). Se trata de fallas sinestrales N30˚ con una longitud superior a 200km y que son activas hoy en día. A pesar de ser estructuras que han sido objeto de numerosos estudios, hay ciertas cuestiones que continúan siendo objeto de debate; como son los periodos de actividad de las fallas, sus reactivaciones posteriores y su papel en la evolución tectónica de la Península Ibérica. El origen de ambas se atribuye a las etapas tardía de la Orogenia Varisca (tardi-Varisco). Sus similitudes en la dirección, buzamiento y cuencas sedimentarias asociadas ha llevado a considerarlas dos fallas gemelas con características y edades similares. Su evolución tectónica durante la Compresión Alpina (Cenozoico) es objeto de discusión. Algunos autores sugieren que las fallas de PRV y MVB han actuado como fallas de transferencia de la deformación desde el norte de la Península Ibérica (Cordillera Cantábrica; CM) en su choque con Eurasia y el interior de la Península Ibérica (Sistema Central Portugués; SCP) durante el Eoceno-Oligoceno. Sin embargo, también se ha propuesto que la reactivación de estas fallas está relacionada con deformación intraplaca asociada a la colisión África-Europa durante el Mioceno Superior. Estudios paleosísmicos en trincheras estiman un slip-rate de 0.25-0.5 mm/a y potencial sismogénico de M>7; lo que las hace comparables con las fallas más activas del sureste peninsular.
El objetivo de este estudio es la caracterización de los sistemas de fallas de Penacova-Régua-Verin y Manteigas-Vilariça-Bragança, así como de su compleja actividad tectónica. También se estudia la forma en la que cambia el comportamiento de este tipo de fallas de dirección frente a los contrastes reológicos de los materiales que atraviesan. Para lograr estos objetivos se ha realizado un estudio multidisciplinar en el cual se combina la cartografía de las fallas y contactos desplazados con metodologías de la geología estructural clásica. Además, se han empleado modelos análogos para evaluar el comportamiento de las fallas en dirección ante los cambios reológicos.
Los sistemas de fallas intraplaca PRV y MVB registran una actividad tectónica prolongada y compleja. Además, al situarse sobre el basamento varisco que tiene escasos y dispersos afloramientos de edades recientes (Cenozoico), hace que su estudio es más complejo. Estas características particulares dificultan el análisis y caracterización de estas estructuras especialmente en su actividad posterior a las edades del basamento. Por ello, se ha combinado la cartografía geológica y estructural con técnicas de la geología estructural clásica. Antes de realizar la cartografía y los estudios de campo, se han revisado los trabajos y mapas preexistentes sobre las fallas, los cuales se integraron en los nuevos mapas realizados durante este trabajo. Con la cartografía completada, se procedió al análisis del desplazamiento (horizontal y vertical) utilizando marcadores como contactos litológicos y ejes de pliegues. Se emplearon cuatro tipos de marcadores: (1) Contactos paleozoicos y cabalgamientos variscos (Carbonífero Inferior, 358-346 Ma), (2) granitos sin a tardi-tectónicos (320-305 Ma), (3) granitos post-tectónicos (299-290 Ma), y (4) cuencas de pull-apart y superficies geomorfológicas (Tortoniense-Plioceno, 9-3,6 Ma). El desplazamiento horizontal que registran las cuencas de pull-apart, fue estimado a partir de las ecuaciones que relacionan la geometría de la cuenca y su espesor con el desplazamiento que registra. Por último, para evaluar la evolución tectónica de las fallas durante la Compresión Alpina, se aplicó el método de restauración del área levantada.
Los modelos análogos se organizaron en 4 series de experimentos en los que se aplicó una cizalla simple de tipo sinestral, estando constituidos por arena de cuarzo y granos de microbeads. Los primeros modelos se realizaron con un tipo de material (cuarzo o microbeads) para observar la orientación y evolución de las fallas, simulando un medio homogéneo. En los experimentos consecutivos se introdujo una banda de uno de los materiales (por ejemplo: cuarzo-microbeads-cuarzo y viceversa), para simular un medio heterogéneo como son los cambios litológicos y observar cómo afecta dicha variación a la evolución de las fallas en dirección. Además, se probaron 3 orientaciones diferentes de estas anisotropías reológicas respecto de la dirección de cizalla y al borde de la sand-box el cual se tomó de referencia como norte: (1) N-S; (2) NE-SO; y (3) NW-SE. La elección de los materiales radica en las diferencias significativas en cuanto a su cohesión y ángulo de fricción interna, permitiendo que el modelo presente zonas con propiedades diferentes. La novedad de los modelos es la disposición del material granular en secciones verticales, en vez de un modelo organizado en capas horizontales. Los experimentos fueron analizados mediante imágenes fotográficas y Velocimetría de Imágenes de Partículas (PIV).
Los resultados de la cartografía muestran que se tratan de dos fallas N30˚ sinestrales. La falla de MVB muestra una actividad relacionada con las etapas de compresión varisca (Misisipico Inferior-Medio 355–340 Ma) con un desplazamiento de ~10km en su segmento norte. Para este momento la falla de PRV no tiene registros de actividad y; por tanto, el momento de formación de ambas fallas no es coetáneo. La falla de MVB habría registrado una actividad previa a la fracturación frágil que se identifica al final de la orogenia. Tras la intrusión de los granitos sin/tardi-tectónicos (320-305 Ma), la falla de MVB es reactivada con desplazamiento mayor en la sección central (~8km). En cambio, la falla de PRV muestra un desplazamiento continuo a lo largo de toda su traza de ~4km. La intrusión de los granitos post-tectónicos (299-290 Ma) pone fin a la actividad de estas estructuras hasta la compresión Alpina.
Durante la compresión Alpina las estructuras se reactivan. Prueba de ello es la formación, vinculadas con las fallas, de cuencas de pull-apart con sedimentación asociada (Tortoniense-Plioceno) y el desplazamiento vertical de las superficies geomorfológicas (pertenecientes al Mesozoico, Cenozoico superior y del Plioceno – Pleistoceno Inferior). El desplazamiento horizontal medido en las cuencas es de 1300m-1600m para la falla de MVB y 600-1400m para la falla de PRV. El desplazamiento vertical, en la Superficie Fundamental del Plioceno - Pleistoceno Inferior es de 150-200 m y 140-300 m para las fallas de PRV y MVB, respectivamente. El desplazamiento vertical es siempre del bloque oeste, lo que junto al buzamiento hacia el NW entorno a 80º y a estrías de falla con un cabeceo de 30˚, indica que las fallas han sido reactivadas como sinestrales con una ligera componente inversa (ratio H/V de 25/1).
Se ha calculado el slip-rate neto para la actividad más reciente de las fallas. Para una edad de sedimentos sintectónicos de las cuencas pull-apart asociadas a las fallas de 9 Ma sería de 0,1 - 0,2 mm/a para ambas fallas; y 0,2 - 0,5 mm/a para una edad de los sedimentos sintectónicos de 3,6 Ma. Considerando que (1) el desplazamiento vertical completo de la falla tuvo lugar después del desarrollo de la Superficie Fundamental (Plioceno - Pleistoceno Inferior) y (2) las tasas de deslizamiento estimadas en este trabajo para los últimos 3,6 Ma (0,2-0,5 mm/a) son consistentes con las obtenidas en estudios paleosísmicos previos de 0,3 - 0,5 mm/a (falla MVB) y las estimadas con marcadores cuaternarios de 0,2 - 0,5 mm/a; se puede concluir que las fallas fueron reactivadas durante el Plioceno (3,6Ma)-presente.
Según algunos autores, estas estructuras han jugado un papel importante en el levantamiento del Sistema Central Portugués (SCP) transfiriendo la deformación desde la Cordillera Cantábrica (CC), pero el desplazamiento necesario para compensar el área levantada es de 4000-9000m y estas fallas sólo registran un desplazamiento máximo 1600m. Además, las edades de levantamiento de CC no coinciden con la de reactivación de las fallas que es mucho más reciente (Plioceno-Pleistoceno) y; por tanto, no estarían relacionadas con el levantamiento de la CC. Sin embargo, la reactivación de las fallas comenzaría a partir del Plioceno (3.6Ma) cuando la colisión se produce con la placa Africana, por tanto, se trataría de fallas intraplaca que habrían participado parcialmente en la deformación intraplaca que afecta a los Montes Galaico-Leoneses (MGL). Estas altas tasas de activad confirman la peligrosidad sísmica de la región, que a pesar de ser una zona intraplaca, los valores de slip-rate son comprables con las tasas de actividad de las fallas de borde de placa del suroeste de la Península Ibérica.
La modelización análoga realizada mostró que uno de los factores que puede influir a la hora de estudiar el comportamiento de fallas en dirección, es el factor de los cambios de reología que atraviesa una falla de gran longitud y su posición respecto a la dirección de cizalla sinestral simple aplicada. Los experimentos en los que sólo se empleó un tipo de arena, las fallas formadas eran principalmente sintéticas (sinestrales), pero sus orientaciones dependían de si el modelo era sólo de cuarzo o solo de microbeads. En este caso el ángulo de ruptura estaría condicionado por el criterio de fracturación de Mohr-Coulomb. Al introducir el contraste central, el patrón de fallas resultante difiere al observado en los experimentos anteriores con un tipo de material. El mayor o menor grado de diferencia en el patrón de fallas depende de la orientación de los dominios verticales y de si éstos están constituidos por un material más resistente (arena de cuarzo) o débil (microbeads) en la sección central. Estos modelos inicialmente tienen una forma rectangular y constarían de dos dominios laterales y uno central. Los resultados muestran que en aquellos casos en los que el contacto del dominio central está orientado N-S o NE-SO se favorece que las primeras fallas en formarse sean las antitéticas (dextrales) y no se observa un patrón de crecimiento en echelon. Al progresar la deformación, se forman fallas sintéticas que quedan restringidas a los dominios laterales. El resultado final muestra un aumento de fallas sintéticas en los dominios exteriores, o fallas sintéticas que son segmentadas debido a la presencia de un dominio central con una reología diferente.
En comparación con los modelos anteriores, los modelos con el contraste central orientado NO-SE genera un patrón de fallas sintéticas similar al de los primeros experimentos con un tipo de material. La orientación de las fallas sintéticas sinestrales que se forman en los dominios exteriores refleja el criterio de Mohr-Coulomb, es decir, si los dominios exteriores consisten en microbeads, con un ángulo de fricción interna de 22°, la orientación de las fallas sintéticas es N79°E; y cuando los dominios exteriores consisten en arena de cuarzo, con un ángulo de fricción interna de 36°, la orientación de las fallas sintéticas es N72°E. A pesar de que las orientaciones estarían en concordancia con los primeros experimentos, los segmentos que se forman muestran una longitud mayor. Exceptuando en las secciones centrales en donde las fallas sintéticas muestran un cambio de dirección. Esto podría deberse a la diferencia entre los ángulos de fricción interna entre los materiales que intersecta la falla.
La comparación de los resultados de los modelos con el patrón de fallas actual del noroeste de la península, muestra ciertos aspectos en común con los modelos como la existencia de un sistema de fallas predominantemente sinestrales con fallas dextrales, que podrían considerarse antitéticas. Estas fallas antitéticas no se encuentran en posición conjugada y están confinadas entre las fallas sinestrales, o adquieren forma sigmoidal como en los experimentos con el contraste vertical. El aspecto más destacable es que la traza principal de las fallas sinestrales no es completamente recta y sufre pequeños cambios observables a mayor escala. Estos cambios en la dirección coinciden siempre con el paso de un dominio litológico a otro, y es observable a lo largo de los más de 200km de ambas fallas.
