Multi-scale structural study of the Betic metamorphic complexes integrated with petrological and geochronological data

Abstract

The Betic Cordillera in southern Spain records a complex Alpine tectonic evolution derived from the Africa-Iberia convergence and the westward drift of the Alborán Domain. Several aspects concerning the tectonic processes that operated during the development of this mountain belt are still a matter of debate. In order to contribute to a better understanding of these processes, a regional-scale microstructural study of porphyroblast inclusion trails has been performed in the metamorphic complexes of the cordillera. The new data have been combined with metamorphic and geochronological data and outcrop-scale structural observations in order to integrate them in the regional tectonic framework. Inclusion trail data have been collected using 3D images obtained by scanning rock samples using the X-ray Computed microtomography (XCT) technique. This technique allows measuring the orientation of microstructural elements directly in each porphyroblast present in the sample, which supposes a major improvement with respect to traditional methods based on integration of observations made in differently oriented thin sections. A very detailed characterization of porphyroblast inclusion trails, size and shape has been performed in two samples to evaluate the suitable mechanism of porphyroblast growth, being the non-rotation model favoured by the obtained results. In the Nevado-Filábride Complex, 5 samples have been analysed through XCT to complement previous data of porphyroblast inclusion trails in the complex, which were mainly determined with thin section methods. The results confirm the presence of three sets of Foliation Intersection/Inflection Axes (FIA) oriented WNW-ESE, ENE-WSW and NNW-SSE in previously poorly studied areas of the complex. Several sets of foliations and crenulation cleavages have been studied at outcrop-scale to investigate the subdivision and internal structure of the complex on which no consensus exists. Subhorizontal high-strain zones located towards the lower part of the complex have been identified that postdate upright folding of the main foliation. These shear zones usually coincide with the boundaries of the previously defined Veleta-Mulhacén or Ragua-Calar Alto units, supporting the differentiation of these units, but a profound revision of their map-scale geometry is necessary. In the Alpujárride Complex, porphyroblast inclusion trails have been characterized through XCT and thin sections in 60 oriented samples widely distributed throughout the western and central part of the complex. Three FIA sets have been demonstrated in these rocks with similar orientations and temporal relationships (WNW-ESE, ENE-WSW and NNW-SSE) as in the Nevado-Filábride. These FIA developed mainly during the prograde evolution of the complex, but the ENE-WSW set was repeated during a late-metamorphic stage following partial exhumation of the complex. Several generations of latemetamorphic crenulation cleavages have been distinguished and interpreted to reflect alternations of contraction and extension. The regional consistency of FIA orientations in the Internal Zones and evidence for generalized subvertical and subhorizontal preferred orientations of inclusion trails shown in this thesis coincide with similar observations reported previously in other mountain belts. So far, this data has only found explanation in terms of the micro-partitioning of deformation around rigid objects, which allow them to maintain rotationally stable positions during bulk non-coaxial deformation. Crustal shortening directions indicated by the three successive FIA sets distinguished in this thesis according to this 'non-rotational' model coincide well with Paleogene-Neogene vectors of Africa-Iberia convergence and simultaneous westward displacement of the Alborán Domain. This provides an additional argument in favour of the possibility that early tectonic fabrics are preserved with their original orientations by porphyroblasts. The metamorphic conditions (7-9.5 kbar and 600-680 ºC) and age (21-18.5 Ma) of the main foliation in the Alpujárride Complex, which developed or reequilibrated during decompression, have been determined and agree well with previously published data. Microstructural evidences indicate that the WNW-ESE and NNW-SSE FIA sets developed before this foliation, although the NNW-SSE set might have been partially coeval with it. The repeated generation of ENE-WSW FIAs after NNW-SSE FIAs is confirmed by an age of 17.5 Ma obtained for monazite inclusions in garnets. This age coincides with the beginning of continental collision between the Internal and External Zones of the cordillera. In the Nevado-Filábride, a maximum age of 14.5 Ma has been obtained for a garnet porphyroblast hosting an ENE-WSW FIA and confirms a repetition of this set also in this complex. The similar orientations and temporal relationships of FIAs in both complexes suggest an equivalent kinematic evolution despite different paleogeographic positions and later exhumation of the Nevado-Filábrides. All these results demonstrate the potential of a new methodology for reconstructing the tectonic evolution of orogenic belts, whose principle ingredient is the integration of porphyroblast inclusion trails data with petrology, geochronology and outcrop-scale structural observations.

La Cordillera Bética, situada en el sur de España, registra una compleja evolución tectónica Alpina derivada de la convergencia entre África e Iberia y el desplazamiento hacia el oeste del Dominio de Alborán. Varios aspectos relativos a los procesos tectónicos que han actuado durante el desarrollo de este cinturón montañoso son todavía cuestiones debatidas. Para contribuir a un mejor entendimiento de estos procesos, se ha realizado un estudio microestructural a escala regional de foliaciones internas de porfiroblastos en los complejos metamórficos de la cordillera. Los nuevos datos han sido combinados con datos metamórficos y geocronológicos y con observaciones estructurales a escala de afloramiento para integrarlos en el contexto tectónico regional. Los datos de foliaciones internas han sido obtenidos usando imágenes 3D adquiridas mediante la técnica de microtomografía computerizada de rayos-X (XCT). Esta técnica permite medir la orientación de elementos microestructurales directamente en cada porfiroblasto presente en la muestra, lo que supone una gran mejora respecto a métodos tradicionales basados en la integración de observaciones hechas en láminas delgadas con diferente orientación. Una caracterización muy detallada de foliaciones internas, tamaño y forma de porfiroblastos se ha realizado en dos muestras para evaluar el mecanismo de crecimiento de porfiroblastos más probable, siendo el modelo de no-rotación favorecido por los resultados obtenidos. En el Complejo Nevado-Filábride, 5 muestras han sido analizadas mediante XCT para complementar datos previos de foliaciones internas de porfiroblastos en el complejo, que fueron principalmente determinados con métodos de láminas delgadas. Los resultados confirman la presencia de tres sets de Ejes de Intersección/Inflexión de Foliación (FIA) orientados WNW-ESE, ENE-WSW y NNW-SSE en áreas del complejo escasamente estudiadas con anterioridad. Varios sets de foliaciones y clivajes de crenulación han sido estudiados a escala de afloramiento para investigar la subdivisión y estructura interna del complejo, respecto a lo cual no hay consenso. Zonas de alta deformación subhorizontales localizadas hacia la parte baja del complejo han sido identificadas y se desarrollan con posterioridad a un plegamiento vertical de la foliación principal. Estas zonas de cizalla normalmente coinciden con los límites de las unidades Veleta-Mulhacén o Ragua-Calar Alto, definidas previamente, apoyando la diferenciación de estas unidades, aunque una profunda revisión de su cartografía es necesaria. En el Complejo Alpujárride, las foliaciones internas de porfiroblastos han sido caracterizadas con XCT y láminas delgadas en 60 muestras orientadas ampliamente distribuidas en los sectores occidental y central del complejo. Tres sets de FIA han sido obtenidos en estas rocas, con orientaciones y relaciones temporales similares (WNWESE, ENE-WSW y NNW-SSE) a las del Nevado-Filábride. Estos FIA se desarrollaron principalmente durante la evolución metamórfica prograda del complejo, pero el set ENEWSW se repitió durante una etapa tardimetamórfica después de la exhumación parcial del complejo. Varias generaciones de clivajes de crenulación tardimetamórficos han sido distinguidas e interpretadas como resultado de alternancias de eventos contractivos y extensionales. La consistencia regional de las orientaciones de FIA en las Zonas Internas, y evidencias de una generalizada orientación preferente subvertical y subhorizontal de las foliaciones internas, coinciden con observaciones similares hechas previamente en otros cinturones montañosos. Estos datos solo han sido explicados en términos de micropartición de la deformación alrededor de objetos rígidos, lo que les permite mantener posiciones estables durante una generalizada deformación no-coaxial. Las direcciones de acortamiento cortical indicadas por los tres sucesivos sets de FIA distinguidos en esta tesis de acuerdo con este modelo no-rotacional, coinciden con los vectores de convergencia entre África e Iberia durante el Paleógeno-Neógeno, y el simultáneo desplazamiento hacia el oeste del Dominio de Alborán. Esto proporciona un argumento adicional en favor de la posibilidad de que fábricas tectónicas tempranas sean preservadas con su orientación original en los porfiroblastos. Las condiciones metamórficas (7-9.5 kbar y 600-680 ºC) y edad (21-18.5 Ma) de la foliación principal en el Complejo Alpujárride, que se desarrolló o reequilibró durante la descompresión, han sido determinadas y coinciden con datos previamente publicados. Evidencias microestructurales indican que los sets de FIA WNW-ESE y NNW-SSE se desarrollaron con anterioridad a esta foliación, aunque el set NNW-SSE podría haber sido parcialmente coetáneo a esta. La generación repetida de FIAs ENE-WSW después del NNW-SSE se confirma con una edad de 17.5 Ma obtenida para inclusiones de monacita en granates. Esta edad coincide con el comienzo de la colisión continental entre las Zonas Internas y Externas de la cordillera. En el Nevado-Filábride, una edad máxima de 14.5 Ma ha sido obtenida para un porfiroblasto de granate que incluye un FIA ENE-WSW y confirma la repetición de este set también en este complejo. La similitud en las orientaciones y relaciones temporales de FIAs en ambos complejos sugieren una evolución cinemática equivalente a pesar de sus diferentes posiciones paleogeográficas y posterior exhumación del Nevado-Filábride. Todos estos resultados demuestran el potencial de una nueva metodología para reconstruir la evolución tectónica de cinturones orogénicos, cuyo principal ingrediente es la integración de datos de foliaciones internas de porfiroblastos con petrología, geocronología y observaciones estructurales a escala de afloramiento.