GPS present-day kinematics of the eastern Betics, Spain

Abstract

The eastern Betic Cordillera, south-eastern Spain, is one of the most seismically active area within the Iberian Peninsula. The Eastern Betic Shear Zone (EBSZ) in the Betic Cordillera absorbs part of the convergence between the Eurasia and African (Nubia) plates, stretching for aprox. 250 km from Alicante to Almeria. The EBSZ is a NE-SW transpressive left-lateral trending fault-system that is composed by several individual faults. Listed from south to north: Carboneras, Palomares, Alhama de Murcia, Carrascoy and Bajo-Segura. The CuaTeNeo GPS network was installed in 1996 in the eastern Betics with the main goal of determining the ongoing activity of the EBSZ (specifically of the Carboneras, Palomares and Alhama de Murcia faults). The network consists of 15 highly stable monuments, covering an area of 120x50 km in Murcia and Almeria. The network has been observed five times in 1997, 2002, 2006, 2009 and 2011. The results presented here are based on the analysis of the data of these five campaigns, spanning 15 year long time period and the data from continuous GPS stations of various public networks, such as REGAM, MERISTEMUM, IGN and RAP. In addition, several stations specially designed to detect tectonic crustal deformations have also been included: GATA station from Cabo de Gata and four Topo-Iberia network stations located within the study area. The most prominent feature of the GPS velocity field is the NW oriented motion of the majority of the stations at rates ranging from 0.5 to 3 mm/yr in a western Europe reference frame. This type of deformation indicates that the main driving force responsible for the observed velocities is related to the on-going convergence between Nubia and Eurasia plates.

The calculated deformation field shows evidence for localized deformation related to active faults within the area. Most of the observed deformation is concentrated in the area delimited by the Alhama de Murcia (AMF) and Palomares (PF) faults. Here the maximum shear strain rates are observed. An estimated geodetic slip rate of the AMF-PF fault system is 1.5±0.3 mm/yr, oriented obliquely to the strike of the fault and indicating a combination of reverse and sinistral type of motion. We attribute this maximum slip rate to AMF since PF is currently either inactive or is slipping very slowly, at rates that are undetectable by the current GPS station spatial-temporal coverage. The installation of the GATA GPS station at Cabo de Gata has enabled us to obtain continuous observations from both sides of the Carboneras fault zone (CFZ) in the southern part of the study area. For the first time, it was possible to quantify the slip rate of the CFZ: a maximum left-lateral strike slip motion of 1.3±0.2 mm/yr. The coincidence of the geologic and geodetic strike-slip rates along the CFZ, illustrate that during Quaternary the northern segment of the CFZ has been tectonically active and has been slipping at a constant rate ranging from 1.1 to 1.5 mm/yr. GPS velocities and the derived strain rate field suggest a dominant NW-SE oriented compression, with a SW-NE extension in the south-western part of the study area, west of Almeria. In this SW sector the dominance of Erna., indicate a presence of a thinning or extensional kinematics, related to the block escape tectonics and possibly a slab rollback.

This work demonstrates the current continuing tectonic activity of the eastern Betics and determines that Alhama de Murcia and Carboneras left-lateral faults are the most active faults. These two faults play an important role in the regional plate convergence kinematics.

La serralada de les Bètiques orientals, al sud-est d'Espanya, és una de les àrees sísmicament més actives de la península ibèrica. El sistema de Cisalla de les Bètiques orientals (EBSZ) absorbeix part de la convergència entre les plaques Eurasiàtiques i Africana (Nubia). L'EBSZ és un sistema de falles transpressives senestres format per diverses falles, que de sud a nord són: Carboneras, Palomares, Alhama de Murcia, Carrascoy i Bajo-Segura.

La xarxa de GPS CuaTeNeo es va instal•lar l'any 1996 a les Bètiques orientals amb l'objectiu de determinar l'activitat tectònica de l'EBSZ (específicament de les falles de Carboneras, Palomares i Alhama de Murcia). La xarxa està formada per 15 monuments altament estables localitzats a les províncies de Murcia i Almeria. La xarxa s'ha observat cinc vegades: en el 1997, 2002, 2006, 2009 i 2011. Els resultats presentats en aquesta tesi es basen en l'anàlisi de les mesures d'aquestes cinc campanyes (per un període de 15 anys) així com mesures d'estacions GPS contínues de diverses xarxes públiques com la xarxa REGAM, MERISTEMUM, IGN i RAP. A més, s'han inclòs algunes estacions dissenyades especialment per a la detecció de deformacions corticals: l'estació GATA, emplaçada al Cabo de Gata i quatre estacions de la xarxa Topo-Iberia.

El tret més important del camp de velocitats GPS obtingut és l'orientació cap al NW de la majoria d'estacions, amb unes taxes de desplaçament de 0,5 a 3 mm/a (respecte Europa occidental). Aquest tipus de deformació indica que la principal força responsable de les velocitats obtingudes està relacionada amb l'actual convergència entre les plaques de Nubia i Euràsia.

El camp de deformació obtingut mostra evidències de deformació relacionada amb falles actives dins l'àrea d'estudi. La major part de la deformació es concentra en l'àrea delimitada per les falles d'Alhama de Murcia (AMF) i Palomares (PF), on s'han observat les màximes deformacions per cisalla. La taxa de lliscament horitzontal geodèsica estimada d'1,5±0,3 mm/a pel sistema AMF-PF i orientat oblic a la traça de la falla, indica una combinació de moviment invers i levògir. Aquesta taxa de lliscament màxima s'atribueix a AMF degut a que PF és actualment inactiva o presenta taxes de lliscament molt lentes, imperceptibles en aquest estudi GPS. La instal•lació de l'estació GATA ens ha permès disposar d'observacions continues als dos costats de la zona de falla de Carboneras (CFZ). Per primera vegada, ha estat possible la quantificació geodèsica de la taxa de lliscament de CFZ: una taxa màxima en direcció senestra d'1,3±0,2 mm/a. La coincidència de les taxes geològiques i geodèsiques al llarg de la CFZ, posen de manifest que durant el Quaternari el segment nord de la CFZ ha estat tectònicament actiu i ha estat lliscant a una taxa constant d'1,1 a 1,5 mm/a. Les velocitats GPS obtingudes i el camp de deformació derivat d'aquestes suggereixen una compressió dominant orientada NW-SE, amb una extensió SW-NE en la part SW de l'àrea d'estudi. En aquest sector del SW, prop d'Almeria, la predominança d'émax indica la presència d'una cinemàtica d'aprimament o extensional, relacionada a una tectònica d'escapament de blocs i possiblement a un slab rollback.

Aquest treball posa de manifest l'activitat tectònica continua en l'actualitat a les Bètiques orientals i determina que les falles senestres d'Alhama de Murcia i Carboneras són les més actives. Ambdues falles juguen un paper important en la cinemàtica de la convergència de plaques regional.