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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10451/4968

Title: Tectonics of the Gulf of Cadiz : the role of the Gibraltar Arc in the reactivation of the SW Iberia Margin
Authors: Duarte, João Daniel Casal, 1981-
Advisor: Terrinha, Pedro, 1959-
Rosas, Filipe Medeiros, 1970-
Keywords: Tectónica
Geodinâmica interna
Golfo de Cádiz
Teses de doutoramento - 2012
Issue Date: 2011
Abstract: The process of spontaneous subduction initiation at passive margins plays a central role in the plate tectonics theory, in particular in the Wilson Cycle paradigmatic concept, which states that oceans form, evolve and finally close. The Wilson Cycle requires that after a certain time of oceanic drifting passive margins are reactivated and subduction initiates. However, the process of transformation of passive continental margins into active continental margins with subduction zones is still far from understood, and spontaneous transition examples between these two types of margins are not known. In addition, recent works based on theoretical calculations and physical modeling showed that it is mechanically unfeasible to form a new subduction system in isolation from an already existing one, i.e. spontaneous subduction initiation. One way to solve this problem is to consider that subduction initiation may generally be induced by the proximity of another subduction zone or by stress transference from a nearby collision belt, i.e. induced subduction initiation. Therefore, passive margins in the proximity of pre-existing subduction zones would represent preferential sites for the formation of new subduction zones. In this work, the Gibraltar Arc and the Southwest Iberia Margin are used as case studies to investigate the role that the orogenic arcs may have in the formation of new subduction systems at passive margins. The Atlantic margins are generally described as the typical case of passive margins, often termed Atlantic type margins. However, there are at least two regions where the Atlantic oceanic lithosphere is being consumed in subduction zones: in the Scotia and in the Lesser Antilles arcs (in the Southwestern and central West Atlantic, respectively). These subduction zones seem to have been transferred from the Eastern Pacific ocean to the Atlantic domain and potentially represent precursors to a system of convergent zones that might ultimately result in the closure of the Atlantic Ocean. However, in these two systems the oceanic lithosphere has been subducted since at least the Early Cenozoic, without lateral propagation of the subduction zones along the adjacent Atlantic passive margins. The Gulf of Cadiz, i.e. the foreland of the Gibraltar orogenic arc, has been proposed as a potential locus for a subduction zone to propagate into the open Atlantic. On the other hand, the proximity of the Gibraltar collision belt to the Southwest Iberia Margin, together with the existing overall convergence between II Africa and Iberia, induces compressive stresses that, in association with the existence of more than 100 km long active thrusts (e.g. Horseshoe Fault and Gorringe Bank), make this margin a strong candidate for the nucleation of a new subduction zone. In order to better evaluate the post-Miocene tectonics and the main tectonic driving mechanism operating in the Gulf of Cadiz an up-to-date tectonic map of this area was produced. This map was based on the coupled analysis of a multi-survey MCS dataset and the recently compiled high resolution bathymetry dataset (the SWIM bathymetry). The mapping revealed the existence of three main systems of tectonic structures: i) the subduction-related Gulf of Cadiz Accretionary Wedge (CGAW); ii) a set of WNW-ESE striking dextral strike-slip faults (the SWIM fault system); and iii) a group of NE-SW striking northwest-directed thrusts located in the Southwest Iberia Margin (the NE-SW thrust system). The subduction-related accretionary wedge (GCAW) is materialized on the seafloor by a west dipping U-shaped surface and consists in an eastward thickening pile of westwards thrusted sediments. There are evidences that this thrust wedge is active and propagating westward. The SWIM fault system is a group of WNW-ESE striking subvertical strike-slip faults extending from the eastern part of the Gulf of Cadiz, i.e. the northwest Moroccan shelf, to the Horseshoe Abyssal Plain. These faults were interpreted in this work as the Present day dextral reactivation of the old Mesozoic Tethyan plate boundary. The NE-SW striking thrust system is a group northwest directed thrusts located along the Southwest Iberia Margin, comprising the Horseshoe fault, the Marquês de Pombal fault, the Tagus Abyssal Plain fault and the Gorringe northern thrust. This NESW thrust system seems to be the result of the migration of the deformation, in the Pliocene-Quaternary, from the realm of the Gibraltar wedge to the west (onto the Horseshoe fault region) and to the north along the West Portuguese Margin. These structures may be the expression of a new compressive deformation front. Besides these three tectonic systems, other important structures were also promptly recognized such as the ENE-WSW to E-W striking system of thrusts (e.g. the Portimão pop-up and the Coral Patch Ridge), related with the overall Cenozoic NubiaIII Iberia N-S convergence, and NE-SW striking Cadiz fault, a dextral strike-slip fault that probably accommodates part the westward movement of the Gibraltar Arc. The analysis of the multibeam bathymetry data from the northwestern part of the Gulf of Cadiz also revealed the existence of several intriguing kilometric crescentic depressions lying at depths between -4300 m and -4700 m, never before reported to occur at such great depths in the scientific literature. These features are located in the Horseshoe Valley between two major tectonic structures: the GCAW and the Horseshoe fault. Morphological parameterization of these features, coupled with detailed analysis of multi-channel and middle resolution seismic profiles, showed that these crescentshaped features were formed due to the existence of specific interaction between: a) regional active thrusts on top of which most crescentic depressions are carved; and b) tectonically induced scouring comprising localized erosion and simultaneous progradational sedimentation, produced by downslope turbiditic currents. The obtained results also suggest a possible contribution of fluid migration and extrusion processes, such as mud volcanism and associated pockmark formation, besides gravity driven landslides and slumping, in the development of the studied crescentic depressions. The active (mainly blind) thrusts in which the crescentic depressions are carved root in the GCAW décollement layer, to the west of the GCAW deformation front. Therefore, the crescentic depressions are interpreted as the morphological expression of the westward propagation of the deformation related with the GCAW, into the Horseshoe Valley domain. Besides the new produced cartography of the Gulf of Cadiz, the present work also benefited from the instrumental use of analog modeling experiments. Three main different modes of tectonic interference between the SWIM strike-slip fault system (related with the overall Nubia-Iberia convergence) and the GCAW (related with the Gibraltar subduction) were tested through analog sand-box modeling, namely: a) An active accretionary wedge on top of a pre-existent inactive basement fault; b) An active strike-slip fault cutting a previously formed, inactive, accretionary wedge; and c) Simultaneous activity of both the accretionary wedge and the strike-slip fault. The results obtained and the comparison with the natural deformation pattern favor a tectonic evolution comprising two main steps: i) the development of the Gulf of Cadiz Accretionary Wedge on top of inactive, Tethyan-related, basement faults (Middle Miocene to ~1.8 Ma); ii) subsequent reactivation of these basement faults with dextral IV strike-slip motion (~1.8 Ma to Present) simultaneously with continued tectonic accretion in the GCAW. These results exclude the possibility of ongoing active SWIM wrench system cross-cutting an inactive GCAW structure. The results also support a new interpretation of the SWIM wrench system as fundamentally resulting from strikeslip reactivation of an old (Tethyan-related) plate boundary. Detail mapping in the Horseshoe Abyssal Plain also revealed the existence of a new morphotectonic pattern near the intersection (corner zone) of the SWIM 1 fault and the Horseshoe fault. Based on combined analog and numerical experiments this pattern was interpreted as resulting from the (wrench-thrust) tectonic interference between two of the main tectonic systems recognized in the Gulf of Cadiz area: the SWIM faults and the NE-SW thrusts. Finally, the results presented in this work favor a hypothetic scenario in which the Gibraltar subduction is active, but decreasing in activity since the Miocene, at the same time that an incipient subduction zone may be nucleating in the Southwest Iberia Margin. The Gulf of Cadiz may be thus seen as a place where the proximity of a preexistent subduction system could be inducing the formation of a new subduction zone in the Atlantic.
O processo de iniciação espontânea de novas zonas de subducção ao longo de margens passivas tem um papel central na teoria da tectónica de placas, em particular no conceito paradigmático de Ciclo de Wilson, que afirma que os oceanos formam-se, evoluem e finalmente acabam por fechar. O Ciclo de Wilson requer que após um determinado tempo de evolução de um oceano as suas margens passivas sejam reactivadas e que uma nova zona de subducção se inicie. No entanto, o processo de transformação de margens continentais passivas em margens continentais activas com zonas de subducção é praticamente desconhecido, sendo que não se encontra documentado nenhum caso de transição espontânea entre estes dois tipos de margens. Acresce ainda que, trabalhos recentes de modelação numérica e cálculos teóricos mostraram que é fisicamente implausível a formação de novos sistemas de zonas de subducção isolados de zonas de subducção pré-existentes, isto é subducção espontânea. Uma forma de ultrapassar esta inconsistência é considerar que a iniciação de novas zonas de subducção é em geral induzida pela proximidade de outras zonas de subducção ou por compressão induzida a partir de um orógeno próximo, isto é, subducção induzida. Deste modo, as margens passivas próximas de zonas de subducção préexistentes podem ser vistas como os locais preferenciais para a formação de novas zonas de subducção. No presente trabalho, usa-se o Arco de Gibraltar e a Margem Sudoeste Ibérica como casos de estudo na tentativa de abordar a temática do papel que os arcos orogénicos podem ter na formação de novas zonas de subducção ao longo de margens passivas. As margens Atlânticas são geralmente descritas como o caso típico de margens passivas, pelo que estas são comummente denominadas de margens do tipo Atlântico. No entanto, há pelo menos dois locais na Terra onde litosfera oceânica Atlântica é consumida em zonas de subducção: no arco Scotia e no arco das Pequenas Antilhas (no Sudoeste Atlântico e no Atlântico Oeste central, respectivamente). Estes dois casos de zonas de subducção parecem ter sido transferidas do Oceano Pacífico oriental para o domínio Atlântico e podem ser vistos como os precursores do desenvolvimento de um novo limite de placas convergente que poderá em última instancia levar ao fecho do Oceano Atlântico. Porém, a litosfera oceânica tem vindo a ser subductada nestes dois VI sistemas desde pelo menos o Cenozóico inferior, sem ter ocorrido a propagação da subducção ao longo das margens passivas atlânticas adjacentes. O Golfo de Cádis, isto é, a bacia de ante-país do arco orogénico de Gibraltar, tem sido descrito como o terceiro local na Terra onde existe o potencial para uma zona de subducção pré-existente propagar-se para domínio Atlântico. Por outro lado, a proximidade do Arco de Gibraltar em relação à Margem Sudoeste Ibérica, em conjunto com a existência de convergência generalizada entre as placas tectónicas África e Ibéria, induz tensões compressivas nesta margem o que, em associação com a existência de cavalgamentos activos de largura superior a 100 km (por exemplo a Falha da Ferradura e o Banco Gorringe), a tornam numa forte candidata ao processo de nucleação de uma nova zona de subducção. Com o objectivo de melhorar a compreensão da tectónica pós-miocénica e dos principais mecanismos tectónicos forçadores a actuar no Golfo de Cádis foi elaborado um mapa tectónico actualizado à escala do golfo. Este mapa foi preparado com base na análise conjunta de dados de diversas campanhas de sísmica de reflexão multi-canal e de dados de batimetria multi-feixe de alta resolução recentemente compilados (batimetria SWIM). A cartografia mostrou a existência de três sistemas de estruturas tectónicas principais: i) o Prisma Acrecionário do Golfo de Cádis (PAGC); ii) um grupo de falhas de desligamento direito com a direcção WNW-ESE (sistema de falhas SWIM) e; iii) um grupo de cavalgamentos com a direcção NE-SW, vergentes para noroeste, localizados ao longo da Margem Sudoeste Ibérica (sistema de cavalgamentos NE-SW). O prisma acrecionário (PAGC) destaca-se no fundo do mar pela presença de um relevo morfológico positivo em forma de U que consiste na expressão superficial do empilhamento de sedimentos cavalgados para oeste. Este prisma gerou-se como resultado da existência da referida zona de subducção mergulhante para Este sob o Arco de Gibraltar. Existem evidências de que este prisma acrecionário ainda está activo e a propagar-se para oeste. O sistema de falhas SWIM constitui um grupo de falhas de desligamento direito, sub-verticais, que se estendem desde a área mais oriental do Golfo de Cádis, na plataforma continental do noroeste de Marrocos, até à Planície Abissal da Ferradura. Estas falhas foram interpretadas neste trabalho como tendo resultado da reactivação direita da fronteira de placas Mesozóica do Tétis. VII O sistema de cavalgamentos NE-SW é constituído por um grupo de cavalgamentos com direcção NE-SW, vergentes para noroeste localizados ao longo da Margem Sudoeste Ibérica que compreende a falha da Ferradura, a falha do Marquês de Pombal, a falha da Planície Abissal do Tejo e o cavalgamento norte do Gorringe. A deformação pliocénica-quaternária deste sistema é interpretada como a expressão da migração da deformação da frente de deformação do PAGC para oeste (até à zona da falha da Ferradura) e para norte ao longo da Margem Oeste Portuguesa. Estas estruturas parecem corresponder a uma nova frente de deformação compressiva, afastada do Arco de Gibraltar, que eventualmente poderá resultar na nucleação de uma nova zona de subducção na margem Sudoeste da Ibéria. Para além destes três sistemas tectónicos, foram reconhecidas outras estruturas importantes como é o caso dos cavalgamentos com direcção ENE-WSW a E-W (e.g. Banco de Portimão e Crista Coral Patch), relacionados com a convergência N-S generalizada entre as placas Núbia e Ibéria no Cenozóico, e a falha de Cádis que corresponde a um desligamento direito de direcção NE-SW e que acomoda parte do movimento para oeste do Arco de Gibraltar e da deformação limítrofe da margem sul portuguesa. Os dados de batimetria multi-feixe da área noroeste do Golfo de Cádis revelaram ainda a existência de um conjunto de intrigantes depressões em forma de crescente com dimensões quilométricas, localizadas entre os -4300 m e os -4700 m de profundidade. Objectos morfológicos com estas características nunca haviam sido identificados a tão grandes profundidades. Estas depressões estão localizadas no Vale da Ferradura entre duas estruturas tectónicas importantes: o PAGC e a falha da Ferradura. A análise morfológica destas formas, em conjunto com a análise detalhada de perfis de reflexão sísmica multi-canal e de média resolução, revelou que estas estruturas em crescente se formaram como resultado da interacção entre: a) actividade de falhas de cavalgamento que geram degraus tectónicos no topo dos quais os crescentes estão encaixados e b) erosão e re-deposição simultânea de sedimentos produzidos pela acção de correntes de fundo, provavelmente de origem turbidítica, que interagem com estes degraus tectónicos. Os resultados obtidos sugerem também uma contribuição de processos de migração e extrusão de fluidos, como vulcanismo de lama e formação de pockmarks, para além de movimentos de massa, no desenvolvimento das depressões em forma de crescente estudadas. Os cavalgamentos (essencialmente cegos) no topo dos quais os VIII crescentes estão encaixados enraízam ao nível do descolamento basal do PAGC, a oeste da sua frente de deformação morfológica. Deste modo, estas depressões em forma de crescente são também interpretadas como a expressão da migração da deformação relacionada com o PAGC para oeste, em direcção à área do Vale da Ferradura. Para além da nova cartografia tectónica do Golfo de Cádis, sustentada na interpretação de dados de sísmica multi-canal e batimetria multifeixe, este trabalho beneficiou ainda do uso instrumental de modelação análoga. Três modos de interferência tectónica entre o sistema de desligamentos SWIM (relacionado com a convergência generalizada entre a Núbia e a Ibéria) e o PAGC (relacionado com a zona de subducção do Arco de Gibraltar) foram testados através de modelação análoga, usando ”caixas de areia”, compreendendo: a) a formação de um prisma acrecionário sobre uma falha basal inactiva pré-existente; b) a actividade de uma falha de desligamento afectando um prisma acrecionário inactivo previamente formado; e c) a actividade simultânea de um prisma acrecionário e de uma falha de desligamento. Os resultados obtidos e a comparação com o padrão de deformação natural observado favorecem um cenário de evolução tectónica que compreende duas etapas principais: i) o desenvolvimento do PAGC sobre falhas basais inactivas, relacionadas com a abertura do Tétis (entre o Miocénico Médio e os 1,8 Ma); ii) subsequente reactivação destas falhas com movimento de desligamento direito (~1,8 Ma até ao presente) ao mesmo tempo que o PAGC se continuava a desenvolver. Os resultados excluem a possibilidade de existência de um sistema de desligamentos (SWIM) a cortar um prisma acrecionário inactivo (PAGC). Estes resultados suportam ainda uma nova interpretação do sistema SWIM, na qual estes desligamentos resultam fundamentalmente da reactivação direita da antiga fronteira de placas do extremo ocidental do oceano Tétis Alpino. A cartografia detalhada realizada na região da Planície Abissal da Ferradura permitiu também reconhecer um novo padrão morfo-tectónico existente na zona de intersecção (zona de canto) da falha SWIM 1 com a falha da Ferradura. Com base no uso conjunto de modelação análoga e numérica este padrão foi interpretado como tendo resultado da interferência tectónica (desligamento-cavalgamento) entre dois dos principais sistemas tectónicos activos no Golfo de Cádis: as falhas SWIM e os cavalgamentos NE-SW. IX Por último, os resultados apresentados neste trabalho favorecem um cenário tectónico hipotético no qual a actividade da zona de subducção presente sob o Arco de Gibraltar tem vindo a decrescer desde o Miocénico, ao mesmo tempo que uma zona de subducção incipiente poderá estar a desenvolver-se na Margem Sudoeste Ibérica. O Golfo de Cádis pode assim ser visto como um local onde a proximidade de uma zona de subducção pré-existente poderá estar a induzir a formação de uma nova zona de subducção no Atlântico.
Description: Tese de doutoramento, Geologia (Geodinâmica Interna), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2012
URI: http://hdl.handle.net/10451/4968
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