Transition from compression to extension in the Western Mediterranean back-arc: insights from tectonic, sedimentary, and thermochronologic record in NE Iberia

Abstract

Entendre l’evolució completa dels orògens requereix la comprensió de tant els processos que creen les cadenes de muntanyes com els mecanismes responsables del seu desmantellament. Tot i que les fases compressives estan sovint ben caracteritzades, la cronologia i les implicacions de la transició cap a l’extensió postorogènica continuen sent comparativament poc definides. El nord-est de la Península Ibèrica constitueix una zona d’estudi excel·lent per explorar aquesta transició d’escurçament a extensió . En aquesta regió, les cadenes de muntanyes formades durant l’orogènia Alpina van ser posteriorment afectades per tectònica extensional associada a l’obertura del Mediterrani Occidental. Aquesta tesi presenta noves dades del NE d’Ibèria per comprendre millor aquesta fase crítica de transició geodinàmica, incloent-hi anàlisis termocronològiques, datació absoluta, paleotemperatura Raman i anàlisi de procedència de sediments (petrografia i geocronologia detrítica). La termocronologia de baixa temperatura (ZHe i AHe) dels Pirineus Orientals i les Serralades Costero Catalanes septentrionals revela la història tèrmica i d’exhumació de diferents unitats tectòniques. Els resultats indiquen una fase d’exhumació important durant l’Oligocè inferior (35-28 Ma), interpretada com l’episodi compressiu final, seguida per un refredament relacionat amb l’extensió durant el Miocè inferior (24-18 Ma), amb un període intermedi de transició entre 28-24 Ma. Les temperatures màximes durant la fase compressiva varien entre 240-300 °C i s’interpreten com el resultat de un enterrament tectònic i sedimentari d’uns 6-8 km. Per afinar la cronologia absoluta de la deformació, s’ha dut a terme datació U-Pb de venes de calcita associades a estructures tardi-orogèniques i de l’inici de l’extensió, proporcionant un rang d’edat per al final de l’escurçament (31-28 Ma) i l’inici de l’extensió (24-17 Ma). A més, les anàlisis de procedència dels sediments de les conques Sud-pirinenca i de l’Empordà documenten l’erosió progressiva de les àrees font dels Pirineus i les Serralades Costero Catalanes, vinculant els canvis de procedència amb esdeveniments tectònics i d’exhumació. Finalment, la doble datació de zircons detrítics al les conques Cenozoiques del Promontori Balear ha permès caracteritzar les variacions en la procedència dels sediments paleògens i neògens, contribuint amb noves dades a una comprensió més àmplia de l’evolució geodinàmica de la Mediterrània Occidental.

Comprender la evolución completa de los orógenos requiere entender tanto los procesos que crean las cadenas montañosas como los mecanismos responsables de su desmantelamiento. Aunque las fases compresivas suelen estar bien caracterizadas, la cronología y las implicaciones de la transición hacia la extensión postorogénica siguen estando comparativamente poco definidas. El noreste de la Península Ibérica constituye una zona de estudio excelente para explorar esta transición de acortamiento a extensión. En esta región, las cadenas montañosas formadas durante la orogenia Alpina fueron posteriormente afectadas por tectónica extensional asociada a la apertura del Mediterráneo Occidental. Esta tesis presenta nuevos datos del NE de Iberia para comprender mejor esta fase crítica de transición geodinámica, incluyendo análisis termocronológicos, datación absoluta, paleotemperatura Raman y análisis de procedencia de sedimentos (petrografía y geocronología detrítica). La termocronología de baja temperatura (ZHe y AHe) de los Pirineos Orientales y las Cordilleras Costeras Catalanas septentrionales revela la historia térmica y de exhumación de diferentes unidades tectónicas. Los resultados indican una fase de exhumación importante durante el Oligoceno inferior (35-28 Ma), interpretada como el episodio compresivo final, seguida por un enfriamiento relacionado con la extensión durante el Mioceno inferior (24-18 Ma), con un período intermedio de transición entre 28-24 Ma. Las temperaturas máximas durante la fase compresiva varían entre 240-300 °C y se interpretan como el resultado de un enterramiento tectónico y sedimentario de unos 6-8 km. Para afinar la cronología absoluta de la deformación, se ha llevado a cabo datación U-Pb de venas de calcita asociadas a estructuras tardi-orogénicas y al inicio de la extensión, proporcionando un rango de edad para el final del acortamiento (31-28 Ma) y el inicio de la extensión (24-17 Ma). Además, los análisis de procedencia de los sedimentos de las cuencas Surpirenaica y del Empordà documentan la erosión progresiva de las áreas fuente de los Pirineos y las Cordilleras Costeras Catalanas, vinculando los cambios de procedencia con eventos tectónicos y de exhumación. Finalmente, la doble datación de circones detríticos en las cuencas Cenozoicas del Promontorio Balear ha permitido caracterizar las variaciones en la procedencia de los sedimentos paleógenos y neógenos, contribuyendo con nuevos datos a una comprensión más amplia de la evolución geodinámica del Mediterráneo Occidental.

Understanding the evolution of mountain belts requires investigating both the processes driving orogen formation and the mechanisms responsible for their subsequent dismantling, should this has occurred. While the compressional phase is often well understood, the timing and implications of the transition to extensional regimes remain less well constrained. The NE Iberia offers an excellent case study to explore this transition from orogenic shortening to post-orogenic extension. In this region, mountain belts formed during the Alpine orogeny were later affected by back-arc extensional tectonics associated with the opening of the Western Mediterranean. This thesis presents new data from NE Iberia to better understand this critical geodynamic transition phase, including thermochronological analysis, absolute dating, RMSC paleotemperature, and sediment provenance analysis (petrography and detrital geochronology). Low-temperature thermochronology (zircon and apatite (U-Th)/He) from the Eastern Pyrenees and northern Catalan Coastal Ranges reveals the thermal and exhumation history of distinct tectonic units. The results indicate a significant exhumation phase during the early Oligocene (35-28 Ma), interpreted as the final compressional episode, followed by extension-related cooling in the early Miocene (24-18 Ma), with an intervening period of slow-down cooling at 28-24 Ma. Peak temperatures during the compressional stage range between 240-300ºC and are interpreted as the result of tectonic and sedimentary burial of ~ 6-8 km. To refine the absolute timing of deformation, U-Pb dating of calcite veins associated with late orogenic and early extensional structures was conducted, providing chronological constraints for the end of shortening (31-28 Ma) and the onset of extension (24-17 Ma). Additionally, sediment provenance analyses from the South Pyrenean and Empordà basins document the progressive erosion of Pyrenean and Catalan Ranges source areas, linking the provenance shifts to exhumation and tectonic events. Finally, a double-dating approach applied to the Balearic Promontory elucidates the Paleogene Neogene sediment provenance variations north and south of the onshore basins, contributing to a broader understanding of the Western Mediterranean geodynamic evolution.