Tectonic-sedimentary burial history and exhumation of the Southern sector of the Central-Western Pyrenees, Spain

The main objective of this thesis is the reconstruction of thermal evolution of the stratigraphical-structural units forming the backbones of the central-western Pyrenees, Spain. This study employs an integrated approach to answer questions concerning the thermal and diagenetic history of a foreland basin. In particular, this study focuses on the area comprised between the Axial Zone and External Sierras of the Pyrenees, which comprises both Internal Sierras and Jaca Basin. Due to the type of sedimentary rocks cropping out, the study area represents an ideal natural laboratory where to apply a methodological approach usually pertaining to basin analysis to solve structural problems related to mountain building and exhumation. In fact, the published stratigraphic-structural data concerning the central-western Pyrenees are integrated with paleothermal data obtained in this Ph.D. thesis in order to better constrain both timing and modalities of contractional and extensional deformation. The central-western sector of the Pyrenees chain consists of a doubly-vergent, E-W oriented fold-and-thrust belt which formed, since the Late Cretaceous, as a result of convergence between the European and Iberian plates along a section of previously thinned continental crust. The whole Pyrenean orogen extends, for about 1,500 km, from southern France to the Cantabrian ranges of northern Spain. The range consists of a central Axial Zone of uplifted Variscan basement rocks flanked, both to the north and south, by fold-thrust belts made up of Mesozoic-Cenozoic sedimentary covers. The northern limit of the Axial Zone is marked by the North Pyrenean Fault, which regarded as the Iberian-European plate suture. The thrust belts are, in turn, flanked by foreland basins which consist on the Aquitaine basin to the north and the Ebro basin to the south. The experimental work carried out in this study consists on an integrated analysis of organic and inorganic thermal indicators usually employed in diagenesis and very low grade metamorphism (fluid inclusions microthermometry, Ka'¼bler Index, illite content in mixed layers illite-smectite, vitrinite reflectance and apatite fission tracks). This data, together with mesostrusctural analyses, shed new lights on the thermal and tectonic evolution of studied sedimentary successions of Permian to Oligocene ages. In particular in the Axial Zone (CHAPTER 4), this methodological approach in the Araga'³n-Ba'©arn pull-apart Basin allowed to discriminate between regional and local causes of different thermal signatures throughout the succession. Paleo-temperatures distribution indicates a two-step sequential evolution of the basin. The first stage of strong and localised subsidence ruled by deep rooted strike-slip faults, high heat flux and diffused contact metamorphism records maximum temperatures between 220 and 170°C from bottom to top as detected by vitrinite reflectance (about 2.5%), clay mineral assemblages (KI between 0.44 and 0.54 °2, conversion of mixed layers illite-smectite to discrete illite) and homogenization temperatures from quartz cements. The second stage with transgressive sedimentation overlapping the previous basin limits ruled by shallower strike-slip faults and lower heat flux and contact metamorphism records maximum temperatures between 100 and 150°C as indicated by fluid inclusions in cements, KI between 0.57 and 0.94°Delta2theta and illite content in mixed layers illitesmectite of 85-92%. Local thermal anomalies are the result of the influence of intrusions due to two different magmatic events which affected organic matter and clay minerals both in the lower (Ro%: 4.2-4.7% and KI up to 0.32°Delta2theta) and upper sequence Ro%:2.9%). Whereas, homogenization temperatures of about 110-120°C from calcite veins parallel and perpendicular to bedding and/or foliation trace the last stages of the thermal evolution of the basin. In the Internal Sierras (CHAPTER 5), the comparison among such indicators, together with mesostructural analyses, mainly evidenced that the upper portion of the preorogenic sequence (Alveolina limestones, Paleocene in age) was deformed by two conjugate sets of normal faults and two related sets of en-echelon veins where calcite vein filling records trapping temperatures of primary fluid inclusions never exceeding 70°C. They are dramatically lower than maximum paleo-temperatures (up to 189°C) experienced by younger syn-orogenic deposits (Hecho Group, Lower Eocene in age)and older pre-orogenic units (Marbora'© Fm, Maastrichtian in age) where field evidences of extension due to flexure are not preserved. Thus, through basin modelling, fluid inclusion constraints allowed to record the maximum depths of 2-3 km extensional deformation that affected the peripheral bulge; whereas vitrinite reflectance, XRD on clay minerals assemblages and apatite fission tracks allowed to define the amount of subsequent sedimentary and/or tectonic burial and exhumation in the syn-orogenic succession of the Hecho Group (CHAPTER 6), in the Jaca Basin, with amounts decreasing from hinterland to foreland from 9 km to 2.5 km. In this chapter higher values of thermal maturity are shown. They are concentrated along the inner outcrops of the Hecho Group (Ro% between 1.90 and 1.12%; I-S mixed layers stacking order long range R3; percentage of illite in I-S between 90 and 85%; KI between 0.57 and 0.80°Delta2theta) with lower values recorded only along the Araga'³n valley (Ro% between 0.45 and 0.4%; I-S mixed layers stacking order short range R1; percentage of illite in I-S between 77 and 73%; KI between 0.67 and 0.83°Delta2theta), mainly suggesting a contribution of sedimentary burial with respect to tectonics load along the strike of the chain. Finally, the distribution of paleothermal and structural features throughout the sedimentary succession cropping out in the Internal Sierras and inner portion of Jaca Basin helped to provide a quantitative contribution for further speculations on the geometry, kinematics and dynamics of the Iberian Plate flexure in Cenozoic times. L'obiettivo principale di questa tesi e' la ricostruzione dell'evoluzione termica delle unita' stratigrafiche e strutturali che formano la dorsale dei Pirenei centro-occidentali, in Spagna. Questo studio e' finalizzato a rispondere alle domande relative alla storia termica e diagenetica di un bacino di avanfossa. In particolare, il lavoro svolto in questa tesi si concentra nella zona compresa tra la Zona Assiale e la Sierras Esteriores dei Pirenei, all'interno della quale si trovano la dorsale Meso-Cenozoica della Sierras Interiores e il bacino di avanfossa Eocenico di Jaca. In virtu' del tipo di rocce sedimentarie che affiorano, l'area di studio rappresenta un laboratorio naturale ideale in cui applicare un approccio metodologico multidisciplinare, di solito appartenente all'Analisi di Bacino, per risolvere i problemi strutturali legati alla formazione degli orogeni e alla loro esumazione. Inoltre, la presenza di dati stratigrafico-strutturali, relativi al settore centro-occidentale dei Pirenei e disponibili in letteratura, vengono integrati con i dati ottenuti in questa tesi di dottorato, al fine di vincolare quantitativamente sia i tempi che le modalita'  di deformazione ed esumazione delle unita'  sedimentarie studiate. Il settore centro-occidentale dei Pirenei e' costituito da una serie di thrust e pieghe doppio-vergenti orientati E-W che, a partire dal Cretaceo sup., si sono sviluppati a causa della collisione continentale tra le placche Iberica ad Europea L'intero orogene, che si estende per circa 1,500 km dalla Francia meridionale fino alla Cantabria nel nord della Spagna, e' costituito da una Zona Assiale centrale, caratterizzata da rocce di basamento Varisico affiancate, sia a nord che a sud, dalla copertura sedimentaria meso-cenozoica piegata. Il limite settentrionale della Zona Assiale e' segnato dalla faglia Nord-Pirenaica, considerata la sutura della collisione continentale iberico-europea. L'intera catena e' limitata da due bacini di avanfossa, il bacino di Aquitania a nord e il bacino dell'Ebro a sud. Il lavoro sperimentale, condotto in questo studio, e' costituito da un'analisi integrata di indicatori termici organici e inorganici (studio microtermometrico delle inclusioni fluide, contenuto di Illite negli strati misti Illite-Smectite, cristallinita'  dell'Illite tramite l'indice di Ka'¼bler, riflettanza vitrinite e tracce di fissione in apatite) che, di solito, sono utilizzati nel campo della diagenesi e del metamorfismo di grado molto basso. Questi dati, insieme ad un'analisi mesostrutturale, fornicono nuova luce sull'evoluzione termica e tettonica, dal Permiano all'Oligocene, delle successioni sedimentarie studiate. In particolare nella Zona Assiale (Capitolo 4), questo approccio metodologico, focalizzato nel bacino di pull-apart di Araga'³n-Ba'©arn (Carbonifero Sup.-Permiano), ha consentito di discriminare le cause regionali da quelle locali che hanno prodotto anomalie termiche in tutta la successione. La distribuzione delle paleotemperature ottenute indica due fasi evolutive del bacino. La prima fase, caratterizzata da una forte e localizzata subsidenza, e' governata da faglie trascorrenti profonde che hanno prodotto un flusso di calore elevato e un metamorfismo di contatto diffuso. Questa fase registra, dal basso verso l'alto, temperature massime tra i 220 e i 170 °C, come rilevato dallo studio della riflettenza della vitrinite (Ro circa 2.5%), dalla mineralogia delle argille (I% fino al 99% e KI tra 0.44 e 0.54°Delta2theta) e dalle temperature di omogeneizzazione nelle inclusioni fluide nei cementi silicatici. La seconda fase, con sedimentazione trasgressiva che si sovrappone in discordanza sulle unita' precedentemente deposte, e' governata da faglie trascorrenti poco profonde che hanno prodotto un flusso di calore inferiore e metamorfismo di contatto. Le temperature massime registrate vanno da 100 ai 150 °C come indicato dalle inclusioni fluide nei cementi, dal KI tra 0,57 e 0,94°Delta2theta e dal contenuto dell'Illite negli strati misti I-S del 85-92%. La presenza di anomalie termiche locali, invece, sono il risultato dell'influenza di intrusioni causati dai due eventi magmatici che hanno interessato la materia organica e minerali argillosi sia nella parte inferiore (Ro% compreso tra 4,2 e 4,7% e KI fino a 0,32°Delta2theta) che nella parte superiore del bacino (Ro% di 2,9%). Infine, le temperature di omogeneizzazione, ottenute dall'analisi delle inclusioni fluide nelle vene parallele e/o perpendicolari alla stratificazione/foliazione, mostrano valori tra 110-120°C indicando una fase tardiva dell'evoluzione termica del bacino. Nella Sierras Interiores (Capitolo 5), il confronto tra i vari indicatori termici ha evidenziato soprattutto che la parte superiore della sequenza pre-orogenica, caratterizzata da calcari Paleocenici ad Alveolina, e' deformata da due sistemi di faglie normali coniugate e due sistemi di vene en-echelon correlate ad essi. Lo studio microtermometrico delle inclusioni fluide, effettuato nel riempimento calcitico delle vene, registra temperature non superiori ai 70°C. Questi valori di temperatura sono assai inferiori rispetto a quelli riscontrati sia nella successione pre-orogenica Cretacica sottostante (Formazione di Marbora'©) che in quella sin-orogenica Eocenica del Gruppo dell'Hecho sovrastante (fino a 189°C). Cosi', grazie ad un'analisi strutturale delle successioni affioranti, lo studio microtermometrico delle inclusioni fluide ha permesso di registrare la profondita' massima della deformazione estensionale di 2-3 km che ha interessato il peripheral bulge durante l'Eocene inferiore. Lo studio della riflettenza della vitrinite, della mineralogia delle argille negli strati misti I-S e delle tracce di fissione nelle apatiti hanno, invece, consentito di definire la quantita' di carico sedimentario e/o tettonico presenti nella successione sin-orogenia del Gruppo dell'Hecho (Capitolo 6), nel bacino di Jaca, con contributi di circa 9 km di spessore decrescenti dalla parte interna fino a 2,5 km nella parte esterna. In questo capitolo vengono presentati sia gli alti valori di maturita' termica dei sedimenti concentrati nella parte interna della successione torbiditica, lungo le valli dell'Hecho e della Tena (Ro% compresi tra 1.90 e 1.12%; % dell'Illite negli strati misti I-S tra 90 e 85%; KI compresi tra 0.57 e 0.80 °Delta2theta), che i bassi valori registrati lungo la valle dell'Araga'³n (Ro% compresi tra 0.45 e 0.4%; % di Illite in I-S tra 77 e 73%; KI tra 0.67 e 0.83 °Delta2theta). Questi valori differenti, riscontrati longitudinalmente in tutta l'area di studio, suggeriscono un diverso contributo del carico sedimentario rispetto a quello tettonico. Infine, la distribuzione dei dati paleotermici e strutturali presenti in tutte le successione sedimentarie studiate, tra le Sierras Interiores e la parte interna della Bacino di Jaca, ha permesso di dare un contributo quantitativo per ulteriori studi sulla geometria, la cinematica e la dinamica della flessurazione della placca iberica durante il Cenozoico.