Caracterización de la estructura, espesor de la corteza e isoterma de Curie: implicaciones geodinámicas, en la región entre las provincias de la Mesa Central y Sierra Madre Oriental, México.

Abstract

"En el centro de México se localizan dos importantes provincias fisiográficas; la Mesa Central, una meseta elevada caracterizada por relieve suave; y parte de la Sierra Madre Oriental, un cinturón de pliegues y cabalgaduras del Cenozoico Tardío-Mesozoico Temprano configurado durante la Orogenia Laramide. La región que comprende ambas provincias, tiene un interés geológico particular principalmente asociado a la presencia de elevaciones contrastantes entre ambas; con una elevación promedio de 2088 m.s.n.m., la Mesa Central se localiza a más de 600 metros por encima de las elevaciones promedio en la porción adyacente de la Sierra Madre Oriental. Estas diferencias en elevación han sido explicadas a través de diferentes hipótesis contrastantes, las cuales a su vez son soportadas por mecanismos isostáticos distintos. En este contexto, el modelo más reconocido propone que la región de la Mesa Central constituye un bloque de corteza adelgazada debido a la presencia de un proceso de fusión parcial, que dio como resultado el ascenso de manto astenosférico de menor densidad hasta la base de la corteza. En dicho modelo, la diferencia de elevaciones involucra el modelo de Pratt, donde la presencia de corteza adelgazada y manto de menor densidad (3.1 g/cm3) bajo la Mesa Central la convierte en un terreno elevado. En contraste, bajo la Sierra Madre Oriental se describe corteza comparativamente más gruesa y manto litosférico (3.3 g/cm3). Adicionalmente, este modelo describe la presencia de un alto gradiente en la topografía del Moho en el límite entre ambas provincias, mismo que es representado en la superficie por el Sistema de Fallas Taxco-San Miguel de Allende. De manera opuesta, existen otras reconstrucciones que presentan una corteza más gruesa bajo la Mesa Central respecto a corteza comparativamente más delgada bajo la Sierra Madre Oriental; lo que implica que las diferencias en elevación se asocian al modelo isostático de Airy. Por otro lado, modelos provenientes de la recopilación de datos sísmicos, proponen la presencia de una corteza homogénea bajo ambas provincias, lo que describe un Moho con topografía suave. A través del análisis de las anomalías de los campos magnético y gravimétrico, fue posible obtener una aproximación de la estructura de la corteza en la frontera entre ambas provincias. Primeramente, se caracterizaron los rasgos estructurales principales de la corteza utilizando diferentes técnicas geofísicas, e. g. gradiente horizontal, determinación de valores máximos y deconvolución de Euler. Posteriormente, utilizando técnicas de modelación conjunta, se reprodujeron y probaron 3 diferentes modelos que representan las distintas hipótesis. Así mismo, nuevas estimaciones de profundidad al Moho y profundidad a la isoterma de Curie (CPD), fueron determinadas a través de técnicas de análisis espectral y se analizaron las anomalías isostáticas de Airy. Los resultados describen la presencia de una región extensa de corteza comparativamente más gruesa (40 a 52 km) y fría (-35 a -45 mWm-2), que subyace el este de la de la Mesa Central, comparada con corteza más delgada (34 a <40 km) y caliente (-50 a -85 mWm-2), bajo la Sierra Madre Oriental. Así mismo, las anomalías isostáticas de Airy muestran un dominio de anomalías negativas localizadas en la región de la meseta, en comparación con valores positivos en la Sierra Madre Oriental. Aunque los resultados de la modelación directa permiten descartar el modelo sísmico, estos arrojan valores de error muy similares los dos modelos restantes. No obstante, los cálculos antes descritos son consistentes con un modelo de corteza más gruesa bajo la meseta, donde la presencia de anomalías isostáticas negativas refleja un estado de sobrecompensación asociado a un exceso de masa por una raíz cortical engrosada bajo la meseta. Así mismo, la presencia de bajo gradiente geotérmico bajo la Mesa Central es incongruente con un modelo que describe la localización de manto astenosférico a la base de la corteza bajo la meseta. Por último, el análisis de las discontinuidades geofísicas revela la presencia de sistemas estructurales con posibles implicaciones para la estructura interna de la corteza y en algunos casos en la topografía del Moho. Los resultados muestran que aunque el Sistema de Fallas Taxco-San Miguel de Allende tiene una respuesta profunda con afectación al Moho, el análisis de las diferentes superficies geofísicas describe la presencia de orientaciones noreste como los rasgos estructurales principales en la corteza. Adicionalmente, se localizaron al menos 2 sistemas estructurales con orientaciones noroeste, paralelos al Sistema de Fallas San Luis Tepehuanes. Las respuestas asociadas a estos 3 sistemas sugieren que representan discontinuidades que atraviesan toda la corteza."

"In central Mexico there are two prominent physiographic provinces, the Mesa Central, an elevated plateau with low relief; and part of the Sierra Madre Oriental, a late Mesozoic–early Cenozoic fold-thrust belt constructed during the Laramide Orogeny. The region between both provinces is of particular geological interest due to the presence of contrasting elevations between the areas: with a mean elevation of 2088 m.a.s.l., the surface of the Mesa Central is more than 600 m higher than the mean surface elevation of the neighboring portion of the Sierra Madre Oriental. In order to explain these elevation differences, several authors have proposed conflicting models implying contrasting isostatic mechanisms. The most referenced model presents the Mesa Central region as a thinned crustal block caused by partial melting that allowed less dense astenospheric mantle upwelling to the base of the crust. In this model, the elevation differences involve Pratt isostaty, where the plateau´s high elevation is caused by low density (3.1 g/cm3 ) astenospheric mantle located under the plateau. Contrastingly, thicker crust and a higher density lithospheric mantle is presented beneath the Sierra Madre Oriental. In addition, this model describes a steep slope in the Moho at the boundary between the provinces, consistent with the Taxco-San Miguel de Allende fault system. In contrast, other reconstructions present thicker crust beneath the Mesa Central compared to thinner crust under the Sierra Madre Oriental; thus, this model describes an Airy isostatic mechanism. Moreover, seismic data models describe homogeneous crust beneath both provinces, implying the presence of a flat Moho. A new interpretation of the crustal structure in this region was obtained through the analysis of the gravity and magnetic field anomalies. Firstly, the main structural crustal features were recognized using different geophysical techniques, e. g. horizontal gradient, peak or maximum determination, and Euler deconvolution. Afterwards, three different models representing the conflicting hypotheses were produced and tested using forward modelling tools. In addition, new depth to the Moho and Curie point depth (CPD) calculations were obtained through spectral analysis techniques; and Airy isostatic anomalies were analyzed. The results describe the presence of a broad region of thicker (40 a 52 km) and colder (-35 a -45 mWm-2 ) crust beneath the eastern Mesa Central, compared to thinner (34 a <40 km) and hotter crust (-50 a -85 mWm-2 ) under the Sierra Madre Oriental. Also, a negative isostatic anomaly domain is located in the plateau area, while positive anomalies are located at the Sierra Madre Oriental. Although the resulting modelling errors allow the rejection of the seismic model, the errors between the other two reconstructions are very similar. Nevertheless, the other calculations are consistent with the model that describes thicker crust beneath the Mesa Central, were the presence of negative isostatic anomalies exhibit an overcompensation effect related to a mass excess produced by the significant crustal root under the plateau. Moreover, a low geothermal gradient beneath the Mesa Central is inconsistent with a model that describes the presence of astenospheric mantle at the base of the crust under the plateau. Lastly, the analysis of geophysical discontinuities highlightsthe presence of structural systems that have implications on the internal crustal structure, and in some cases on the Moho’s topography. The results show that even though the Taxco-San Miguel de Allende FS exhibits a deep response with influence on the Moho, the analysis of the different geophysical surfaces describes the presence of northeast orientations as the main crustal structural pattern. In addition, at least two more northwest-trending structural systems were identified, with traces parallel to the San Luis-Tepehuanes FS. The responses associated to these 3 systems suggest they represent discontinuities that penetrate the entire crust."