From orogen to rifted passive margin formation in Brazil: Geodynamic numerical modeling considering the effects of structural inheritance and rheology

• Main Author: Salazar-Mora, Claudio Alejandro
• Other Authors: Egydio-Silva, Marcos, Huismans, Ritske Sipke
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: Portuguese
• Published: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP 2017
• Subjects: Modelagem numérica; Geodinâmica; Herança estrutural; Margens conjugadas; Rifteamento; Reologia; Rifting; Numerical modeling; Conjugate margins,Rheology; Geodynamics; Structural inheritance; Newfoundland; North Atlantic
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/44/44143/tde-10072018-153657/; https://doi.org/10.11606/T.44.2018.tde-10072018-153657

O paralelismo entre antigos cinturões colisionais e sistemas de riftes mais jovens é amplamente reconhecido e especialmente observado ao longo do Oceano Atlântico. A relação entre estruturas litosféricas herdadas e a nucleação de sistemas de riftes tem sido o foco de muitos estudos. Entretanto, a relação entre estruturas herdadas e estruturas neo-formadas (i.e. durante a extensão) e a estruturação de margens passivas conjugadas ainda é pouco entendida. Na presente tese, usamos uma versão muito eficiente do código computacional Lagrangiano- Euleriano de elementos finitos FANTOM para modelar fluxos termo-mecânicos acoplados visco-plásticos de forma a entender a geodinâmica do processo de rifteamento considerando os efeitos das estruturas tectônicas herdadas e da estrutura reológica na litosfera continental. Os modelos consideram quantias variadas de extensão e contração prévios para desenvolver a herança tectônico-estrutural, a qual é ou não reativada durante o desenvolvimento da margem passiva. Nossos resultados mostram que: 1) as primeiras reativações da cunha orogênica ocorrem seguindo zona de cisalhamento principal de escala litosférica (antiga sutura); 2) zonas de cisalhamento crustais (antigos cavalgamentos) são parcial ou totalmente reativadas dependendo da quantia de contração anterior; 3) com pouca contração anterior, os cavalgamentos thick-skin são eficientemente reativados e controlam a formação da margem passiva; 4) maiores quantias de contração prévia permitem que zonas de cisalhamento afastadas da sutura não dão reativadas e preservam a estrutura orogênica; 5) a reativação de zonas de cisalhamento compressivas dominam durante os estágios iniciais do rifteamento, enquanto que em estágios finais e de afinamento crustal, dominam estruturas neo-formadas. Nossos modelos ajudaram a explicar algumas características das margens passivas conjugadas do Espírito Santo - Kwanza no Atlântico Central Sul, e da margem passiva norueguesa no Mar do Norte. Nossos modelos também mostraram que diferenças reológicas entre a crosta superior e a crosta inferior causam um desacoplamento durante subducção e posterior educção. Este último processo, associado ao necking termal da astenosfera ascendente, é responsável por deixar lascas de crosta inferior no canal de subducção-educção no manto litosférico, como é evidenciado por antigas zonas de subdução fósseis associadas à margem conjugada Newfoundland-Iberia. Dessa forma, a remoção de crosta inferior em margens passivas conjugadas pode ocorrer muito antes do processo de rifteamento. The parallelism between older collisional belts and younger rift systems is widely known and particularly portrayed along the Atlantic Ocean. In what follows, the relationship between lithospheric inherited structures and nucleation of rift systems has been focus of many studies. Nevertheless, it is still poorly understood how inherited tectonic and new-formed structures (i.e. during extension) affect the final architecture of rifted conjugate passive margins. In this thesis we use a modified highly efficient version of the Arbitrary Lagrangian-Eulerian finite- element code FANTOM to model thermal-mechanical coupled, plane-strain, viscous-plastic creeping flows to understand the geodynamics of the rifting process considering the effects of tectonic structural inheritance and rheology on the final architecture of rifted conjugate margins. The models consider different amounts of previous extension and contraction to produce the structural inheritance that is reactivated or not during rifting. Our results show that: 1) first reactivations occur along the lithospheric former suture zone; 2) upper crustal thick skinned basement thrusts are partially or fully reactivated depending on the amount of prior contraction and size of the orogen; 3) with a small amount of contraction, thick skinned thrusts are efficiently reactivated in extension and provide the template for rifted margin formation; 4) with larger amounts of precursor contraction, thick skinned thrusts distal to the lithospheric suture zone do not reactivate in extension; 5) reactivation of prior contractional shears dominates during the early stages of rifting, whereas during the final stage of rifted passive margin formation new-formed extensional shears dominate. Models with less precursor extension and more contraction resulted in a rifted conjugate passive margin similar to the Espírito Santo-Kwanza conjugate in the Central South Atlantic, whereas more precursor extension and less contraction, develops into margin showing similar behavior of fault reactivations in the Norwegian margin, North Atlantic. Our models also show that rheological differences between upper and lower continental crusts cause them to decouple both during subduction and subsequent eduction. The latter process, associated to thermal necking of the upwelling asthenosphere, is responsible to leave slivers of previously subducted lower continental crust within the eduction channel in the mantle lithosphere, as it is seismically evidenced under the Newfoundland-Iberia rifted conjugate margins. In what follows, lower continental crust of the former subducting plate can be removed long before depth-dependent extension during magma-poor rifted margin development.