Structural variability and evolution of salt walls: insights from natural examples of the Moroccan High Atlas and the North Sea

Abstract

Les parets salines (salt walls) són una manifestació clara de l’activitat diapírica en conques evaporítiques, i el seu paper en la deformació orogènica ha adquirit un interès creixent en els últims anys. A l’Alt Atlas Central de Marroc, tant les estructures tipus paret salina, com la tectònica salina en general, han tingut una rellevància cada vegada major en les investigacions recents. L’escurçament orogènic cenozoic, que en part ha enmascarat la deformació halocènica adquirida durant el rifting juràssic, així com els desenvolupaments d’aquesta branca de la geologia estructural, han motivat l’estudi i la reinterpretació de l’Atlas. Aquesta tesi aborda qüestions essencials de tectònica salina per comprendre les interaccions entre halocinesi, sedimentació i tectònica regional, especialment pel que fa a la variabilitat de les estructures salines i el seu paper com a anisotropies preexistents que condicionen el desenvolupament estructural de cadenes d’inversió tectònica, com és el cas de l’Alt Atlas. Aquest treball presenta un estudi multidisciplinari orientat a aclarir l’estructura i evolució tectonosedimentària de crestes salines (salt ridges) i miniconques, excepcionalment ben exposades a l’Alt Atlas Central. Aquest anàlisi es complementa amb un estudi de sísmica 3D d’estructures anàlogues en el subsòl del Mar del Nord Central. La investigació se centra en les variacions de l’arquitectura along i across-strike, així com en l’evolució cinemàtica de les parets salines i les miniconques associades. Els resultats obtinguts destaquen el paper de la halocinesi tant en l’evolució estructural com sedimentària, i proposen una reinterpretació de les estructures i l’evolució del Jebel Aberdouz i estructures adjacents, abastant des de l’extensió sindeposicional fins a l’escurçament orogènic. A més, l’estudi destaca la influència de les inclusions intrasalines no evaporítiques, com ara els basalts triàssics, els carbonats juràssics o els cossos de gabre i sienita del Juràssic superior. Aquestes inclusions controlen el tancament dels diapirs i les soldadures (welding) d’aquests, i tenen importants implicacions en l’arquitectura orogènica actual. Durant la fase preorogènica de rifting juràssic, la conca de l’Alt Atlas Central va experimentar el desenvolupament de crestes diapíriques lineals, com el salt wall de l’Aberdouz, o anticlinals salins, els nuclis dels quals estaven constituïts per facies Keuper del Triàsic. La paret salina de l’Aberdouz registra una migració salina prolongada i complexa, i es caracteritza per una asimetria marcada: el seu flanc sud està ocupat per una miniconca relativament homogènia, mentre que el flanc nord presenta una notable variabilitat lateral i migració dels depocentres en aquest sentit. L’Aberdouz constitueix un catàleg natural d’estructures salines, que inclou megaflaps, miniconcques, sobint encavalcants, seqüències halocinètiques, làmines salines i diferents modalitats de terminació de les parets de sal, reflectint tant l’evolució halocinètica com l’escurçament tectònic posterior. El nucli diapíric es troba soldat (welded) en la major part de la seva extensió, tot i que roman parcialment obert on les inclusions intrasalines van impedir el tancament complet. En el seu extrem sud-oest, el salt wall culmina en un stock diapíric caracteritzat per una alta concentració d’inclusions i per la presència d’una miniconca clàstica de l’edat terciària molt singular, que va subsidir dins el diapir. La integració d’observacions sísmiques d’una paret salina amb geometria en zig-zag i marcada variabilitat al Mar del Nord Central, juntament amb l’anàlisi detallada del exemple de camp de l’Atlas, ha permès una comprensió més amplia dels factors de control de les parets salines en diferents contextos tecònics. L’estudi comparatiu mostra que les configuracions estructurals actuals reflexen una evolució complexa i llarga al llarg dels tempe geològics, deguda en parft a la càrrega sedimentària que afavorí i accel·lerà la migració de la sal, aixi com les interaccions sal-sediment, resultant en geometries molt variables tridimensionalment.

Las paredes salinas (salt walls) son una manifestación clara de la actividad diapírica en cuencas evaporiticas, y su papel en la deformación asociada a la formación de cinturones orogénicos ha cobrado un interés creciente en los últimos años. En el Alto Atlas Central de Marruecos, tanto las estructuras como las paredes salinas como la tectónica salina en general han adquirido una relevancia cada vez mayor en las investigaciones recientes. El acortamiento cenozoico que en parte a enmascarado la deformación halocinetica adquirida durante el rifting jurásico, así como el reciente desarrollo de esta rama de la geología estructural, han motivado el estudio y reinterpretación del Atlas. Esta tesis aborda cuestiones esenciales de la tectónica salina para comprender las interacciones entre halocinesis, sedimentación y tectónica regional, especialmente en lo que respecta a la variabilidad de las estructuras salinas y su papel como anisotropías preexistentes que condicionan el desarrollo estructural de cinturones montañosos de inversión tectónica, como es el caso del Alto Atlas. Este trabajo presenta un estudio multidisciplinar orientado a esclarecer la estructura y evolución tectonosedimentaria de crestas salinas (salt ridges) y minicuencas (minibasins) excepcionalmente bien expuestas en el Alto Atlas Central. Este análisis se complementa con un estudio de sísmica 3D de estructuras análogas en el subsuelo del Mar del Norte Central. La investigación se centra en las variaciones de la arquitectura along y across-strike, así como en la evolución cinemática de un sistema de salt walls y las minicuencas asociadas. Los resultados obtenidos resaltan el papel de la halocinesis tanto en la evolución estructural como sedimentaria, y proponen una reinterpretación de las estructuras y la evolución del Jebel Aberdouz y estructuras adyacentes, abarcando desde la extensión sin-deposicional hasta el acortamiento orogénico. Además, el estudio destaca la influencia de inclusiones intrasalinas no evaporíticas, como basaltos triásicos, carbonatos jurásicos y cuerpos de gabros y sienitas. Estas inclusiones controlan el cierre de los diapiros y las soldaduras (welding) de éstos y tienen importantes implicaciones en la arquitectura orogénica actual. Durante la fase preorogénica de rifting jurásico, la cuenca del Alto Atlas Central experimentó el desarrollo de crestas diapíricas lineales, como el salt wall del Aberdouz, o anticlinales salinos, cuyos núcleos estaban constituidos por facies Keuper del Triásico. El salt wall del Aberdouz registra una migración salina prolongada y compleja, y se caracteriza por una marcada asimetría: su flanco sur está ocupado por una minicuenca relativamente homogénea, mientras que su flanco norte presenta una notable variabilidad lateral y migración de los depocentros along-strike. Este salt wall constituye un catálogo natural de estructuras salinas que incluye megaflaps, minicuencas cabalgantes, secuencias halocinéticas, láminas salinas y diferentes modalidades de terminación de paredes de sal, reflejando tanto la evolución halocinética como el posterior acortamiento tectónico. El núcleo diapírico se encuentra soldado (welded) en la mayor parte de su extensión, aunque permanece parcialmente abierto donde las inclusiones intrasalinas impidieron el cierre completo. En su extremo suroccidental, el salt wall culmina en un stock diapírico caracterizado por una alta concentración de inclusiones y por la presencia de una rara minicuenca clástica de edad terciaria, que subsidió directamente en el diapiro. La integración de observaciones sísmicas de una pared de sal con geometría en planta en zig-zag y marcada variabilidad along y across-strike en el Mar del Norte Central, junto con el análisis detallado del ejemplo de campo del Alto Atlas Central, permite una comprensión más amplia de los factores que controlan la evolución de las paredes salinas en contextos tectónicos diferentes. El estudio comparativo revela que la configuración actual refleja una evolución compleja a lo largo del tiempo, resultando en geometrías altamente variables tridimensionalmente.

Linear salt walls are an important expression of diapirism in salt-bearing basins, and their deformation as they are incorporated into orogenic belts has received much attention in recent years. Salt walls and salt tectonics in general have only recently been highlighted in the Central High Atlas of Morocco, primarily due to the Cenozoic shortening that partly obliterates the halokinetic deformation acquired during the Jurassic rifting, and also due to the relatively novel development of this branch of the structural geology. This thesis explores essential questions of salt tectonics to understand the interactions between halokinesis, sedimentation, and regional tectonics, particularly regarding the variability of salt structures and their influence as pre-existing anisotropy on the structural development of an inversion mountain belt like the Moroccan Atlas. The thesis presents a multidisciplinary study aimed at elucidating the structure and tectonosedimentary evolution of particularly well exposed salt ridges and minibasins in the Central High Atlas (Jebel Aberdouz area), complemented with a 3D seismic study of an analogue structures in the subsurface of the Central North Sea. The study focuses on the variations of the along and across-strike architecture and the kinematic evolution of salt wall system and associated minibasins. The results emphasize the role of halokinesis in both structural and sedimentary evolution and proposes a reinterpretation of the structures and evolution for the Aberdouz area, addressing from the syndepositional extension to the orogenic shortening. This work also highlights the influence of non-evaporitic intrasalt inclusions, such as Triassic basalts, Jurassic carbonates, and gabbro-syenite bodies, in controlling the variability of diapir squeezing and welding, with strong implications for the present-day orogenic architecture observed. During the pre-orogenic Jurassic rifting phase, the Central High Atlas basin experienced the development of linear diapiric ridges, such as the Aberdouz salt wall, or salt anticlines, all cored by Keuper. The Aberdouz salt wall records protracted, complex salt migration and displays a marked asymmetry: its southern flank is a relatively homogeneous synformal minibasin, while its northern flank exhibits significant lateral variability and along-strike depocenter migration. The Aberdouz salt wall provides a natural catalog of salt structures that include megaflaps, upthrust minibasins, halokinetic sequences, salt sheets, and different modalities of salt wall termination, reflecting both the halokinetic phase and the subsequent shortening. The diapiric core is welded along most of its extent, but remains partially open where intrasalt inclusions prevented complete welding. On the SW side, the salt wall ends with a terminal diapiric stock characterized by concentration of inclusions and a rare clastic secondary minibasin that subsided into the diapir. The integration of the seismic observations from a salt wall with a planview zig-zag shape and a marked along and across strike variability from the CNS and the field case provides a broader understanding of the controls that influence salt wall evolution in tectonically contrasting settings. The comparative study demonstrates that the present-day structure reflects a complex evolution through time due to sediment loading that accelerated salt migration, and salt-sediment interactions, resulting in highly variable three-dimensional geometries