Recent tectonic evolution of the Alboran Ridge and Yusuf regions

Abstract

A comprehensive dataset consisting of single and multichannel seismic profiles, bio-stratigraphic and log information from nearby DSDP, ODP and commercial wells, multibeam bathymetry data, high-resolution acoustic profiles (TOPAS) and hypocentre distribution of seismicity and focal mechanisms have been used to constrain the Late Miocene to present-day evolution of the central and south-eastern parts of the Alboran Sea Basin. The evolution from a Miocene extensional basin to complex, compartmentalized sub-basins dominated by strike-slip and reverse faulting during the Plio-Quaternary is described. This study determines that the ongoing deformation of the basin took place heterogeneously both in space and time. Miocene high-angle normal faults trending NE-SW promoted tilting of basement blocks and associated sedimentary wedges with a maximum thickness of 2.5-3 km. According to their trend and geometry a limited amount of NW-SE extension may be inferred.

During the Messinian salinity crisis, intense erosion and local subsidence resulted in small, isolated, basins with shallow marine and lacustrine sedimentation, comparable to the isolated marginal basins of the Betics. Throughout the Plio-Quaternary, the Alboran Sea Basin underwent complex interplay between tectonics, sediment supply from the surrounding Betic and Rif mountains, residual magmatism and partial inversion of the earlier Miocene structures. During the Plio-Quaternary the prevailing deformation was NW-SE shortening, resulting from convergence between the African and Eurasian plates. This deformation coexisted with thermal subsidence and promoted the inversion of some segments of the Miocene extensional structures that propagated upward in the sedimentary sequences as folds and reverse faults.

Three major phases of shortening affected the basin during the Early Pliocene (~5.33 to 4.57 Ma), the Late Pliocene (~3.28 to 2.45 Ma) and the early Pleistocene (~1.81 to 1.19 Ma). The Alboran Ridge, a linear high trending SW-NE for more than 130 km in the Alboran Sea, accommodated most of the shortening. Its main uplift took place during the Late Pliocene, coinciding with a rotation of the Eurasian/African plate convergence vector from NW-SE to WNW-ESE. The Yusuf fault zone, another major linear feature in the Alboran Sea composed of several WNW-ESE en-echelon fault segments, underwent transtension during these phases of deformation. The right lateral, transtensional slip that occurred in their fault segments is interpreted as having been promoted by their sub-parallel trend in relation to the plate convergence vector at that time.

Partial tectonic inversion took place in the Alboran Sea Basin during the Plio-Quaternary, affecting some of the Miocene NE-SW faults. Those fault segments, oriented perpendicularly to the prevailing trend of plate convergence between the African and Eurasian plates, underwent a greater degree of positive inversion. Tectonic inversion of this type took place, for example, along the western Alboran Ridge. Simultaneously other new, south-dipping reverse faults were formed during the Plio-Quaternary along the north-eastern slope of this ridge, where Miocene magmatic intrusions constituted valuable rheological anisotropies to focus later deformations.

At present, both the Alboran Ridge and the Yusuf faults deform the seafloor of the Alboran Sea. These two fault zones are connected, constituting a wide and geometrically complex deformation zone tens of kilometres across, including different active fault segments and in-relay folds. Reverse faults and associated folds are SW-NE trending along the Alboran Ridge and veer progressively to have a WNW-ESE trend towards the Yusuf fault zone. Present-day, right-lateral transtensive deformation induces faulting and subsidence in the Yusuf pull-apart basin. The entire band of deformation has scattered associated seismicity including some moderate earthquakes (Mw > 4). A narrow, SSW-NNE oriented fault zone cuts across the western Alboran Ridge and continues northwards deforming the Djibouti High. This fault is called the Al-Idirisi fault zone and consists in narrow folds and reverse south-east-dipping faults. This structure concentrates most of the upper crustal seismicity in the region defining a seismogenic, left-lateral fault zone that connects southwards with the Al Hoceima seismic swarm and represents a potential seismic hazard. There are other active faults in the Djibouti High, which form two conjugate strike-slip fault systems and locate at the south-western termination of the Carboneras fault. One system is NNE-SSW trending and has a dominant left-lateral movement, similarly to the Al-Idrisi fault whilst the other system comprises NW-SE faults with a dominant right-lateral component.

Buried slides together with more recent ones along the Alboran Ridge and the Yusuf Escarpment are clear signs of submarine instabilities in these seismically active fault zones. Some mass-transport deposits (MTD) are composed internally of several superimosed lobes of chaotic sediments separated by thin layers of draping hemipelagic sediments. These observations collectively suggest that instability processes have been recurrent throughout the Plio-Quaternary, probably triggered by earthquakes occurring during tectonic pulses of faults that have been active from at least the Pliocene.

The present-day distribution of deformation in the study area resembles that along the Algerian margin. The entire region comprises different shortening segments with NE-SW trend and lengths between 125 and 180 km, which accommodate compressive deformations. These are displaced by a number of NW-SE to WNW-ESE right-lateral, strike-slip fault zones that transfer contractive deformations between the different NE-SW trending segments. All these structures are long-lived fault zones that formed during the Miocene opening of the Algerian and Alboran Sea basins they were later reactivated and locally inverted. The structures and basin geometry inherited from pre-Messinian times has resulted in a partitioning of the subsequent deformation and subsidence and uplift in the Pliocene to Recent basins. Towards the west, some of the inherited Miocene structures, such as the residual normal faults bounding the Djibouti High and the partially reactivated NE-SW structures along the Alboran Ridge, are cut across by the Al-Idrisi fault zone, which is a more recent structure. This fault was formed during the Pliocene and continues being active at the present day. This structure contributes to partition the present-day deformation and its left-lateral strike-slip kinematics promotes the lateral escape of the frontal part of the Gibraltar Arc towards the south-west.

Para caracterizar la evolución de los sectores central y suroriental de la Cuenca del Mar de Alboran se ha usado una extensa base de datos que consiste en perfiles sísmicos monocanal y multicanal, información bioestratigráfica y diagrafías procedentes de pozos cercanos perforados por DSDP, ODP y comerciales. También se han empleado datos de batimetría multihaz, perfiles acústicos de alta resolución (TOPAS), distribución de la sismicidad y mecanismos focales. Se ha documentado la evolución desde una cuenca extensional miocena hasta formar complejas sub-cuencas compartimentadas dominadas por fallas de salto en dirección e inversas durante el Plio-Cuaternario. Este estudio determina que la deformación continua de la cuenca se distribuye heterogéneamente en el espacio y el tiempo. Las fallas normales miocenas de alto ángulo y orientación principal NE-SO, los bloques basculados de basamento y las geometrías de crecimiento en sedimentos formado cuñas, sugieren un rifting con moderadas tasas de extensión y cuya dirección de extensión predominante fue NO-SE. En esta etapa se formaron depocentros miocenos con espesores máximos de unos 2.5 a 3 km.

Durante la crisis de salinidad messiniense, una intensa erosión y subsidencia local dieron lugar a la formación de pequeñas cuencas con sedimentación marina somera y lacustre. Estas cuencas son comparables a las cuencas marginales aisladas durante la misma época que han sido estudiadas previamente en las Béticas. A lo largo del Plio-Cuaternario, la cuenca del Mar de Alborán experimentó una compleja interacción entre la tectónica, el aporte sedimentario desde las montañas Béticas y el Rif que la rodean, las estructuras previas y las intrusiones magmáticas miocenas. Durante el Plio-Cuaternario la deformación predominante fue el acortamiento de dirección NO-SE, que resultó de la convergencia entre las placas Africana y Euroasiática. Esta deformación coexistió con la subsidencia térmica y reactivó algunas de las estructuras extensionales produciendo fallas inversas y pliegues.

Tres fases principales de acortamiento se han reconstruido en esta cuenca, con edades del Plioceno Inferior (~5.33 a 4.57 Ma), el Plioceno Superior (~3.28 a 2.45 Ma) y el Pleistoceno más temprano (~1.81 a 1.19 Ma). La Cresta de Alborán de orientación SO-NE, que es el rasgo más prominente en el Mar de Alborán (>130 km de longitud), acomodó la mayor parte del acortamiento en estas etapas o pulsos de deformación. La mayoría del levantamiento de este relieve ocurrió durante el Plioceno Superior, coincidiendo con una rotación del vector de convergencia de placas entre Eurasia y África que cambió de NO-SE a ONO-ESE. Esta fase también causó transtensión entre algunos segmentos de fallas solapantes a lo largo de la zona de falla de Yusuf, de orientación ONO-ENE, que es sub-paralela al vector de convergencia de placas durante esa época.

En la Cuenca del Mar de Alborán ocurrió una inversión tectónica de edad fundamentalmente Plio-Cuaternaria. Este proceso fue parcial y afectó sólo a algunas de fallas miocenas de dirección NE-SO que tenían una orientación sub-perpendicular respecto a la convergencia entre las placas Africana y Euroasiática y cuya orientación predominante durante el Plio-Cuaternario fue NO-SE. Por ejemplo, una inversión tectónica positiva ocurrió a lo largo del sector occidental de la cresta de Alborán. Al mismo tiempo, se generaron otras fallas inversas nuevas y buzantes al sur en el talud nororiental de la cresta, donde las intrusiones magmáticas previas (miocenas) parecen haber constituido dominios competentes y de mayor resistencia, favoreciendo que las deformaciones se concentraran allí.

En la actualidad, las zonas de falla de la Cresta de Alborán y Yusuf deforman el fondo marino del Mar de Alborán. Estas dos zonas de falla están conectadas, formando una amplia zona de deformación de decenas de kilómetros de anchura que muestra una geometría compleja con distintos segmentos de falla activos y pliegues en relevo. Las fallas inversas y los pliegues asociados tienen orientación SO-NE a lo largo de la cresta de Alborán y cambian progresivamente de orientación hasta adquirir dirección ONO-ESE hacia el Escarpe de Yusuf. Las deformaciones transtrensivas dextras allí producen actualmente fallamiento y subsidencia en la cuenca pull-apart de Yusuf. Toda esta banda de deformación tiene asociada una sismicidad dispersa incluyendo algunos terremotos de magnitud moderada (Mw > 4). La zona de falla de Al-Idrisi se ha identificado como una banda estrecha de orientación SSO-NNE con pliegues y fallas inversas, que corta el extremo occidental de la Cresta de Alborán y continúa hacia el norte deformando el Alto de Djibouti. Esta estructura concentra la mayor parte de la sismicidad de la corteza superior en la región, definiendo una zona de falla sismogénica con movimiento sinistro, que conecta hacia el sur con el enjambre sísmico de Alhucemas y representa un potencial riesgo sísmico. En el Alto de Djibouti existen otras fallas activas que forman dos sistemas de fallas conjugados localizados en la terminación suroccidental de la falla de Carboneras. Un sistema tiene orientación NNE-SSO y movimiento predominantemente izquierdo, similarmente a la falla de Al-Idrisi. El otro sistema comprende fallas de orientación NO-SE con una componente dextra dominante.

Los deslizamientos enterrados y recientes que han sido encontrados a lo largo de la Cresta de Alborán y el Escarpe de Yusuf son signos claros de inestabilidades submarinas en estas zonas de falla sísmicamente activas. Algunos depósitos transportados en masa (mass-transport deposits, MTD) están compuestos internamente por varios lóbulos de facies caóticas superpuestos y separados por capas de sedimentos hemipelágicos que los recubren. Estas observaciones indican conjuntamente que los procesos de inestabilidad son recurrentes a lo largo del Plio-Cuaternario y fueron probablemente desencadenados por terremotos ligados a pulsos tectónicos de fallas activas, al menos desde el Plioceno.

La distribución actual de la deformación en el área de estudio se asemeja a aquella existente a lo largo del margen argelino. Toda la región comprende diferentes segmentos en acortamiento de orientación NE-SO, con longitudes entre 125 y 180 km, que son desplazados por varias fallas transfer de salto en dirección dextras y orientación NO-SE a ONO-ESE. Estas estructuras de salto en dirección transfieren las deformaciones compresivas entre los distintos segmentos NE-SO. Todas estas estructuras son zonas de falla con una larga historia que se formaron durante la apertura miocena de las cuencas Argelina y de Alborán y que después fueron reactivadas y localmente invertidas. La estructuras y la geometría de las cuencas heredadas de épocas pre-messinienses ha dado lugar a una partición de la deformación posterior y ha controlado la subsidencia y el levantamiento en las cuencas desde el Plioceno a la actualidad. Hacia el Oeste, algunas de las estructuras Miocenas heredadas, como las fallas normales residuales que limitan el Alto de Djibouti y las estructuras NE-SO parcialmente reactivadas a lo largo de la cresta de Alborán, son cortadas por la falla de Al-Idrisi que es más reciente. Esta falla se formó durante el Plioceno y continuó siendo activa hasta la actualidad. La falla de Al-Idrisi contribuye a particionar la deformación actual y su cinemática de salto en dirección izquierda favorece el escape lateral de la parte frontal del Arco de Gibraltar hacia el Suroeste.