Extensional development and contractional reactivation of salt walls: examples from the southeastern Paradox Basin (SW Colorado) and the Eastern Prebetic Zone (SE Spain)

Abstract

[eng] This thesis uses a field-based approach complemented with geophysical and well data to investigate the controlling factors on the geometry and kinematics of salt walls developed above extensional faults whose movement occurs during or after the deposition of salt; and the behavior of these precursor diapiric structures when are involved in a subsequent thin-skinned contractional deformation. This is an investigation that has been carried out by defining the geometric and temporal relationships between the structure of the salt walls and their adjacent strata in two distinct field-work areas: the southeastern Paradox Basin (SW Colorado) and the Eastern Prebetic Zone at the Jumilla region (SE Spain). At the SE Paradox Basin, the analyzed salt wall is the Gypsum Valley Diapir, which was mostly driven by differential sedimentary loading and developed above a pre-existing subsalt fault without significant regional extension or contraction. The early style of diapirism was that of single-flap active NW-trending salt wall, with a thinned roof bounded by a suprasalt counterregional fault over its northeastern edge. Erosion of the thinned diapiric roof triggered the salt breakthrough and the onset of passive diapirism. Subsequent evacuation of deep salt into the growing diapir generated diapir-flanking depocenters with progressive rotation of the southwestern flank into the megaflap geometry and consequent widening of the diapir. Therefore, the present-day structure of the salt wall is characterized by a highly asymmetric stratal architecture on its northeastern and southwestern flanks, with thicker, deeper, gently dipping strata in the depositionally proximal (NE) minibasin and thinned older strata rotated to near-vertical in a megaflap on the distal (SW) side. The megaflap terminates to the SE through a progressive decrease of the bedding dip and ultimately truncation by a pair of radial faults bounding a down-dropped block with lower dips. East of these faults, the salt wall termination is a moderately plunging nose of salt overlain by a gently southeast-dipping strata separated from the down-dropped NE minibasin by a counterregional fault. At the Jumilla region instead, the studied salt walls and salt-related structures correspond to diapirs, made up of pre-kinematic salt, triggered by thick-skinned extension during the development of a passive margin (i.e. the Mesozoic Iberian margin of the Maghrebian Tethys), which was later incorporated into the external part of the eastern Betic foreland fold-and- thrust belt. In this scenario, the initial extension led to a major decoupling of the deformation with planar subsalt extensional faults overlain by monoclinal drape folds and suprasalt faults and extensionally triggered diapirs (salt walls). After extension, this inherited sub- and suprasalt structure together with the formed diapirs controlled the subsequent contractional deformation 3 in such a way that: 1) determined a stepped geometry for the salt and therefore for the future décollement level where the thin-skinned contractional deformation is propagated; and 2) allowed the development of a series of fault-bend folds where the salt walls and salt-related structures concentrated the major part of the thin-skinned contractional deformation. This deformation was resolved first by narrowing and squeezing of the preexisting salt structures (i.e. cryptic shortening) and then, when secondary welds were developed, by the formation of thrust faults at their pedestals. The results of these investigations have permitted to propose a series of simple end- member models addressing the extensional formation and later contractional reactivation of the studied salt walls developed above a thick-skinned extended basement. These simple models together with the discussion conducted in this thesis suggest that the geometry and kinematics of salt walls triggered by thick-skinned extension are strongly controlled by: 1) the geometry of the subsalt faults; 2) the spatial and temporal thickness variations of the overburden; 3) the salt thickness variations and the available deep salt budged to flow into the forming salt walls; 4) the lateral changes in the syn-kinematic sedimentary loading induced by the subsalt fault motion; and, 5) the position of the salt breakthrough and the pre-kinematic salt wall piercement geometry. And, in relation to a later thin-skinned contractional reactivation of these salt walls, this investigation points out that the resulting structure is largely determined by: 1) the subsalt structure defined by the dip, dip direction and the displacement magnitude of the subsalt faults; 2) the thickness/strength and 3) the structure of the pre-contractional overburden adjacent to the contractionally reactivated salt wall; 4) the ratio between amount of shortening and the initial width of the diapir; and finally, 5) other factors like the length, shape and orientation of the precursor salt wall, the possible linkage between adjacent diapiric structures and the lithological composition of the evaporitic sequence

[cat] Aquesta tesi doctoral utilitza treball de camp complementat amb dades geofísiques i de pous d’exploració per tal d’investigar els factors que controlen la geometria i la cinemàtica de les parets salines desenvolupades a sobre de falles extensionals –el moviment de les quals ocorre durant i després la deposició de la sal. Així mateix, també analitza el comportament d’aquestes parets salines preexistents quan es sotmeten a una deformació contractiva posterior de pell fina. Per tant, aquesta és una investigació que s’ha dut a terme definint la geometria i les relacions temporals entre l’estructura de les parets salines analitzades i els estrats adjacents en dos zones de camp situades a: la regió sud-est de la Conca de Paradox (SW del Colorado) i a la part est del Prebetic a la zona de Jumilla (SE d’Espanya). Al sud-est de la Conca de Paradox, la paret salina analitzada és el Gypsum Valley Diapir, el qual es va formar principalment per diferència de càrrega sedimentaria a sobre d’una falla subsalt preexistent. Una falla que no va tenir moviment extensiu o contractiu significatiu durant la formació de la paret salina. L’estil inicial de diapirisme va ser del tipus actiu i single-flap, caracteritzat per un sostre aprimat delimitat al nord-est per una falla de tipus counterregional i suprasalt. L’erosió d’aquest sostre diapiric desencadenà la perforació de la sal i l’inici del diapirisme passiu. Posteriorment, l’evacuació de la sal cap al diapir va generar la formació de depocentres sedimentaris flanquejant la paret salina. Durant aquest procés, els estrats localitzats al flanc sud-oest del diapir van anar rotant progressivament, formant així una geometria en forma de megaflap, al mateix temps que l’amplada la paret salina anava incrementant. Per tant, l’estructura actual de la paret salina es caracteritza per ser asimètrica i per tenir: un costat nord-est amb una successió sedimentaria potent, profunda i amb cabussaments suaus; i un costat sud-oest amb una successió sedimentaria aprimada, somera i amb cabussaments que progressivament es van verticalitzant per tal de formar un megaflap. Cap al sud-est, aquest megaflap desapareix a mesura que el seu cabussament va disminuint on finalment queda trucat per un parell de falles radials que delimiten un graben situat al límit sud de la paret salina. Finalment, a l’est de les falles radials, la paret salina presenta una terminació de sal recoberta per estrats sedimentaris descrivint conjuntament cabussaments graduals cap al sud-est. Una terminació, que està separada del costat nord-est, per una falla de tipus counterregional i suprasalt. Per altra banda, a la regió de Jumilla, les parets y altres estructures salines estudiades corresponen a diapirs constituïts per salt pre-cinemàtica. Aquestes es van desenvolupar a partir de l’extensió de pell gruixuda de l’escorça continental durant la formació d’un marge passiu, concretament el marge Ibèric del Tethys magrebí durant el Mesozoic. Posteriorment, aquest marge va ser incorporat en un sistema de plegament formant així la part externa i més oriental de la Serralada Bètica. En aquest sentit, l’extensió inicial donà lloc a un desacoblament de la deformació tectònica amb falles planars i extensionals de tipus subsalt recobertes per una cobertora sedimentaria deformada per plecs monoclinals, per falles de tipus suprasalt i per diapirs i parets salines. Després d’aquesta etapa d’extensió, l’estructura heretada conjuntament amb els diapirs desenvolupats varen controlar la deformació contractiva posterior de manera que: en primer lloc, van determinar una estructura esglaonada del nivell salí i per tant del futur nivell de desenganxament on la deformació contractiva de pell fina es podia propagar; i en segon lloc, van facilitar el desenvolupament d’una sèrie de plecs de tipus fault-bend a la cobertora sedimentaria on les parets i les altres estructures salines van concentrar la major part de la deformació de pell fina. Concretament, aquesta deformació es va resoldre amb l’escanyament de les estructures salines preexistents (escurçament críptic), la formació de cicatrius salines secundaries pel tancament de les tiges d’aquests diapirs, i finalment, amb la formació d’encavalcaments la seva base. Els resultats d’aquestes investigacions han permès proposar una sèrie de models geològics que tenen com a objectiu abordar la formació extensiva i la posterior deformació contractiva de les parets salines estudiades. Aquest models, conjuntament amb la discussió inclosa en aquesta tesi, suggereixen que la geometria i la cinemàtica de parets salines desenvolupades a partir de l’ extensió de pell gruixuda estan controlades per: 1) la geometria de les falles subsalt; 2) les variacions en l’espai i el temps del gruix de la cobertora sedimentaria; 3) les variacions de gruix del nivell salí i la quantitat de sal disponible per tal de fluir cap a la paret salina en formació; 4) els canvis laterals en la diferencia de càrrega sedimentaria sin-cinemàtica promoguda pel moviment de la falles de tipus subsalt; i finalment 5) la posició al llarg del sostre del diapir aprimat on té lloc la extrusió de la sal i la geometria pre-cinemàtica prèvia a la perforació del diapir. A més a més, aquesta investigació indica que la posterior reactivació contractiva de pell fina de parets salines preexistents ve determinada per: 1) l’estructura subsalt, la qual està definida pel cabussament, la direcció de cabussament i la magnitud de desplaçament de les falles subsalt; 2) el gruix/resistència i 3) l’estructura pre-contractiva de la cobertora sedimentaria adjacent a les parets salines reactivades; 4) la relació entre la quantitat d’escurçament de pell fina i l’amplada inicial del diapir; i finalment, 5) altres factors de control com la longitud, la forma i orientació de la paret salina precursora, així com la interconnexió amb altres parets salines veïnes i la composició litològica de la seqüència evaporítica involucrada durant el diapirisme.