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Fundada en 1962

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la serena octubre 2015

Análisis cuantitativo a partir de DEMs, aplicado a la evaluación de los procesos superficiales en un paisaje de

llanura (Pampa Norte, Argentina) Ernesto Brunetto 1*, Maria Cecilia Zalazar 2, Daniela Kröhling 3 y María Candela Francisconi2 1 CICyTTP-CONICET. Materi y España s/n, Diamante, Entre Ríos. Argentina. 2 UNL, Universidad Nacional del Litoral, Santa Fe. Argentina. 3 CONICET & UNL, Universidad Nacional del Litoral, Santa Fe. Argentina. * email: ernestobrunetto@cicyttp.org.ar Resumen. Se aplicó un código de erosión que integra los procesos de incisión de cauces fluviales, difusión de sedimentos y levantamiento del terreno con el fin de evaluar el balance de los procesos modeladores de la superficie en un área de llanura (Pampa Norte, Argentina). Se emplearon datos de modelos digitales de elevación (DEM) para describir la topografía actual y para reconstruir una hipotética superficie inicial. A partir de la estimación de los parámetros para la implementación numérica del modelo se consideró el análisis como problema inverso. Estableciendo restricciones estratigráficas y estructurales se encontró que el mejor ajuste entre el modelo calculado y el medido se logra para un tiempo de 60 ka. y tasas de levantamiento de 0.4 mm/a. Esta tasa de deformación tectónica resulta elevada para un área intracratónica. Sin embargo es compatible con estimaciones realizadas previamente aplicando criterios estratigráficos y estructurales. La estimación de la tasa de incis ión fue de 0.23 mm/a señalando que la morfogénesis endógena domina en la región estudiada. Palabras Claves: geomorfología tectónica, ambientes intracratónicos, modelo de erosión, difusión de sedimentos, incisión fluvial, llanura de la Pampa Norte. 1 Introducción Los estudios de Estratigrafía del Cuaternario en ambientes intracratónicos han estado enfocados principalmente en el análisis de los procesos externos que actúan sobre la superficie, p.e. los controles autocíclicos sobre la sedimentación (velocidad de agentes de transporte fluvial y eólico, y cantidad de material de aporte) y los factores del clima que regulan la erosión de los materiales superficiales. Sin embargo, son crecientes los estudios que reportan evidencias de deformación tectónica cuaternaria (Talwani, 2014), la cual también ha ejercido un control sobre la superficie en estos ambientes geológicos. Por otra parte, se han incrementado las investigaciones de estratigrafía secuencial en ambientes continentales, siendo este enfoque muy importante en la región distal de los grandes sistemas fluviales (Catuneanu, 2006). El desarrollo de modernas técnicas de análisis morfométrico a partir de la exhaustiva cobertura del relieve mediante datos proporcionados por los Modelos Digitales de Elevación (DEM) abre un campo para los estudios de geomorfología

tectónica en ambientes intracratónicos. Por otra parte, es posible realizar aproximaciones independientes para identificar deformaciones recientes a partir de herramientas geodésicas tales como la medición de la dirección y velocidad de desplazamientos de estaciones permanentes de GPS que en la actualidad poseen series de datos significativas. Este enfoque integral ha permitido abordar de una manera original el estudio de la evolución geológica durante el Pleistoceno tardío de la Pampa Norte (Brunetto, 2008; Brunetto et al., 2010, Brunetto et al., 2012; Sobrero y Brunetto, 2015). Estudios geomorfoló-gicos sistemáticos previos reportaron la existencia de deformaciones tectónicas recientes en la llanura pampeana, evidenciadas por la presencia de un sistema de paleocauces modificado por la presencia de fallas inferidas (Pasotti, 1974). Se presenta aquí una modelación geomorfológica aplicando un código de erosión que integra los procesos de levantamiento, generación de escarpas, difusión de sedimentos e incisión de cauces. El objetivo fue obtener una estimación del balance entre los factores intervinientes en el modelado del paisaje en el contexto geotectónico de un área intracratónica. Ambiente geológico La región de la Pampa Norte está localizada en el oeste del Cratón del Río de La Plata. Este sector está constituido por rocas Precámbricas que conforman el basamento cristalino sobre el cual se desarrolló la extensa cuenca intracratónica Chacoparanaense de edad Neopaleozoica (Rapela et al., 2007). Esta cuenca está constituida por una columna de sedimentos de más de 5000 m. Procesos de estructuración posterior por extensión cortical generaron espacios de acomodación y cuencas locales (Mesozoico), y la efusión de potentes mantos de coladas basálticas (Formación Serra Geral). La evolución de la cuenca continuó en el Cretácico tardío- Paleógeno temprano mediante procesos de relleno de cuencas de sag durante la etapa de post-rifting. Durante el Cenozoico, la intensificación de la actividad de estructuración por compresión del margen andino y del sistema de Sierras Pampeanas localizado lejos del margen de la placa Sudamericana, generó el desarrollo de una amplia cuenca de antepaís. La sedimentación en esta región de antepaís muy alejada de la fosa oceánica, está controlada por mecanismos de subsidencia debida a fenómenos flexurales

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y de topografía dinámica asociados a la geometría de la subducción de la losa plana (Dávila et al., 2010). Además de los mecanismos que configuraron la topografía de larga longitud de onda, el paisaje de la Pampa Norte ha sido controlado localmente por deformación tectónica cuaternaria, la cual ha sido responsable de la generación de morfoestructuras de carácter regional. Entre ellas las más importantes son la depresión tectónica de Mar Chiquita y los bloques elevados de San Guillermo (BESG) y San Cristóbal (BSC) (Kröhling 1999; Kröhling e Iriondo 2003; Brunetto, 2008). El BESG conforma una amplia planicie elevada de 400 km de extensión en dirección N-S, limitado en el borde Oeste por el Sistema de Fallas Tostado-Selva (SFTS), la principal estructura reconocida en la región (Pasotti y Castellanos, 1963; Pasotti 1974; Iriondo 1987; Kröhling e Iriondo, 2003; Brunetto, 2008).

Figura 1. Mapa morfoestructural de la Pampa Norte. Fallas: 1. Sistema de fallas Tostado Selva (SFTS); 2. Falla Rafaela 3. Falla Las Palmeras 4. Lineamiento Brinkmann-Sunchales; 5. Falla Lagunilla del Plata; 6. Lineamiento Balnearia; 7. Lineamiento del Río Dulce; 8. Lineamiento de Mar Chiquita. 9. Falla El Trébol. Las fallas Rafaela, El Trébol y lineamientos correlacionables forman el borde oriental del BESG (Kröhling e Iriondo, 2003). Este bloque regional fue estructurado parcialmente por el levantamiento del sector de domamiento periférico de la cuenca de antepaís (forebulge) debido a la flexura generada por la carga tectónica de las Sierras de Córdoba (Dávila et al., 2010; Brunetto, 2008); y por causa del levantamiento generado por desplazamientos acumulados sobre las fallas principales (Brunetto, 2008; Brunetto et al., 2010). Ante la ausencia de rupturas en superficie y evidencias indirectas

de deformaciones, a partir de la presencia de rasgos rectilíneos con pendientes anómalas y suaves flexuras del terreno se ha propuesto que los desplazamientos cuaternarios sobre fallas son ciegos, de carácter inverso y generan en superficie suaves pliegues por propagación del desplazamiento (Brunetto et al., 2010; Brunetto y Giménez, 2012). 2 Metodología, muestreo, resultados 2.1 Métodos El modelo geomorfológico se basa en la presunción de la existencia de una paleosuperficie de topografía casi plana y de muy baja pendiente (0.2°) con orientaciones dominantes ENE y NE. Esta premisa se basa en la preservación en el paisaje de un sistema co-linear de cañadas (cauces de 200 m de ancho y 20 cm de profundidad) que puede ser asociado a dicha paleosuperficie. En el registro estratigráfico de la región aparecen depósitos cuya arquitectura corresponde a paleocauces de escasa profundidad y corrientes pobremente canalizadas datados en 65 ka. AP (Kröhling, 1999; Kemp et al., 2004). Adicionalmente una topografía plana también puede ser inferida a partir de la existencia de una unidad litológica de extensión regional interpretada como depósitos de lagunas temporarias y datados en 67 ka. AP (Brunetto et al., 2010). Con estas restricciones al modelo se construyó un DEM que fue considerado como la topografía inicial no deformada por actividad sobre las fallas identificadas en el área de estudio. También se consideró que dicha topografía estaba afectada por un escaso grado de incisión fluvial. La topografía inicial así generada (low-elevation DEM; Pelletier, 2008) fue el insumo para la implementación numérica de un código de erosión que integra: difusión por erosión areal, incisión de cauces y levantamiento del terreno. Para obtener el DEM de bajas elevaciones se realizaron varios pasos que permitieron obtener una paleotopografía compatible con el sistema de paleodrenaje de diseño co-linear. Los modelos numéricos para el análisis de los procesos superficiales fueron implementados en Matlab en un Código de Erosión que combina la ecuación de potencia de las corrientes (stream power law - advection equation) y la ecuación de difusión en laderas (hillsope difussion equation) (Kaus y Castelltort, 2013). La resolución numérica de la ecuación de potencia de las corrientes se basa en Braun y Willett (2013) y se adiciona a la ecuación de difusión resuelta con un método de dirección alternada (Alternating Direction Implicit -ADI- method). La ecuación combinada resulta:

donde K es el coeficiente de erodabilidad, A es el área de drenaje pendiente arriba, m n exponentes de potencia de las corrientes, S es la pendiente local (∂h⁄∂x), U es la tasa

𝜕𝜕ℎ𝜕𝜕𝑡𝑡 −𝐾𝐾𝐴𝐴𝑚𝑚𝑆𝑆𝑛𝑛 𝑈𝑈 𝜅𝜅∇ ℎ

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de levantamiento y κ el coeficiente de difusión. Para realizar la estimación de parámetros del modelo se consideró el problema como un caso de problema inverso, donde se buscó el mejor ajuste entre la solución numérica (topografía calculada) y la topografía medida (simulada mediante un DEM). Para evaluar las discrepancias entre las elevaciones teóricas y las medidas, se calcularon perfiles swath (perfiles del relieve en fajas) tanto en el DEM final calculado como en el DEM SRTM 90 m. De este último también se extrajo el perfil longitudinal de la cañada Vila-Cululú (Fig. 2), principal cauce del área de estudio. A partir de estas herramientas se estimó la posición de los puntos de quiebre (knickpoints) como parámetro de ajuste. El punto de quiebre que indica el estadio de evolución del perfil de incisión debido a la erosión retrocedente fue ubicado en el sector del perfil swath donde se observa un cambio abrupto del valor de ΔH. La posición del knickpoint fue identificada también en el perfil longitudinal de la cañada Vila-Cululú. Se consideró como una medida de la incisión de valles la diferencia entre las elevaciones máximas y mínimas (ΔH) para cada punto de los perfiles swath. Otro parámetro de ajuste para la estimación de los parámetros empleados en el código de erosión fue la edad de los sedimentos asociados a la superficie inicial. La estimación de la tasa de levantamiento surgió del mejor ajuste de la implementación numérica. La tasa de incisión de cauce se estimó a partir del (ΔH) máximo del valle fluvial medido (DEM SRTM-90 m) y el tiempo final obtenido en la solución numérica del código de erosión. 2.2 Muestreo Se emplearon datos de elevaciones de un sector de la cuenca alta del Río Salado en la provincia de Santa Fe (Pampa Norte). El cauce elegido para la evaluación fue la cañada Vila Cululú, tributario del Arroyo Cululú (Fig.1). 2.3 Resultados La topografía obtenida de la reconstrucción de la paleosuperficie (t=0 a; slope=0.2◦) asociada al sistema de paleocañadas paralelas posee cotas entre 60 y 84 msnm. La topografía actual del área presenta cotas entre 60 y 114 msnm (Fig. 2). El mejor ajuste para el modelo de incisión que reproduce aproximadamente la topografía actual a partir de una superficie de bajas elevaciones se consigue con los parámetros de la Tabla 1. Las mínimas discrepancias entre el modelo calculado y el medido se lograron cuando el knickpoint del cauce principal se localizó ca. de 60 km de la cabercera (Figs. 2 y 3). El tiempo involucrado en la mejor aproximación numérica fue de 60 ka. Para lograr el ajuste señalado fue necesario fijar una taza de levantamiento de 0.4 mm/a. Considerando un ΔH máximo del valle fluvial de la cañada Vila Cululú de ca. 13,5 m para un tiempo de 60 ka. obtenido del modelo de erosión, se puedo estimar una tasa de incisión de 0.23 mm/a.

Figura 2. a) DEM SRTM - 90 m que representa la topografía actual; b) perfil swath de 3200 m de ancho para evaluar la incisión fluvial y posición del knickpoint.

Tabla 1. Parámetros estimados del modelo de erosión 3 Discusión y conclusiones Los resultados de la implementación de un código de erosión en un área de llanura permiten obtener una aproximación cuantitativa que describe los procesos modeladores del paisaje y estimar su magnitud relativa. También permiten un abordaje dinámico para el estudio de los procesos superficiales considerando inclusive la influencia del control tectónico sobre el relieve en ambientes intracratónicos. Se conoce el efecto de la subducción subhorizontal en regiones alejadas de la trinchera oceánica y es de esperar que en la llanura pampeana, situada en el segmento de subducción plana de la Placa de Nazca la deformación sea mayor que en otras áreas cratónicas.

Coeficiente de erodabilidad K 1.e-4Coeficiente de difusión 1.e-9 Exponente Potencia de las corrientes m 0,5Exponente Potencia de las corrientes n 1,0Tasa de levantamiento U 0,4 mm/aNúmero de pasos de tiempo nt 60 ka

parámetros

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Figura 3. a) DEM calculado a partir de la aplicación del código de erosión, para un T= 60 ka. KckC: knickpoint calculado; KckM: knickpoint medido: b) Perfil swath de 3200 m de ancho que permite ver la incisión fluvial en el modelo calculado. Sin embargo, el control de la deformación tectónica cuaternaria parece ser mayor a lo inferido hace algunas décadas. Hay numerosas evidencias de deformación tectónica reciente y que dicha deformación ha sido responsable de la generación de relieves de hasta 30 m de desnivel (Kröhling e Iriondo, 2003) en los últimos 100 ka. (Brunetto 2008). Brunetto et al. (2010) estimaron tasas de desplazamiento en la componente vertical de 0.13 mm/a en el sector norte del SFTS y de 0.34 mm/a en el sector sur del mismo. El modelo desarrollado aquí predice tasas algo mayores aún (0.4 mm/a). En el sector norte del área analizada se observa que la deformación se distribuye entre dos fallas generando tasas de levantamiento de aproximadamente 0.15 mm/a para cada una. En el sector sur, la deformación se concentra en la falla Rafaela, estimándose una tasa de levantamiento mayor a 0.3 mm/a. El balance entre la incisión y el levantamiento señala que la deformación tectónica sería el proceso dominante en la configuración del relieve del Bloque Elevado de San Guillermo y Bloque de San Cristóbal, dos morfoestructuras claramente identificables en la Pampa Norte.

Agradecimientos Al proyecto CAI+D Orientado 2012 de la UNL por el financiamiento recibido para las tareas de campo. Al Ing. E. Alasia (Cooperativa de Provisión de Agua Potable y Otros Servicios Públicos de Sunchales Ltda.), por su participación activa en las tareas del proyecto. Referencias Braun, J.; Willett , S.D. 2013. A very efficient O(n), implicit and

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