Crustal architecture and stress partitioning in the Taiwan Orogen

Abstract

[EN] rc-continent collisions are key geodynamic settings that provide insights into the evolution and deformation of the crust during orogenesis. Taiwan, located at the convergent boundary between the Eurasian and Philippine Sea Plates, represents an ideal example for investigating active crustal deformation in an oblique arc-continent collisional system. The orogen is characterised by rapid shortening rates, high seismicity, and significant structural complexity. Although numerous models have been proposed to explain the tectonic evolution of Taiwan, uncertainties remain regarding the crustal configuration and the mechanisms that govern deformation. This thesis addresses these issues through a multidisciplinary approach that integrates potential field analyses and stress inversion to advance our understanding of the crustal architecture and deformation processes in the Taiwan orogen. To investigate the crustal structure, gravity and magnetic anomaly data are analysed using spectral methods and first-order derivatives to estimate the depth to major density and magnetization contrasts. The results reveal a vertically stratified crust comprising three main depth domains: near-surface sources (~1–2 km) associated with local sedimentary basins; intermediate sources (~8–10 km), interpreted as the top of the crystalline basement in western Taiwan; and deeper sources (~23–25 km), corresponding to the top of the lower crust in western Taiwan. Forward gravity modelling, constrained by geological observations and seismic tomography, indicates the presence of a dense, thickened crustal root that deepens to ~45–55 km beneath the Central Range, which accounts for the absence of a Bouguer gravity minimum. In contrast, the Bouguer gravity minima in Taiwan occur in the western foreland and reflect large, shallow pre-orogenic sedimentary sequences filling inherited basins. Importantly, crustal segmentation is evident in the orogen, and major crustal boundaries, such as the Lishan– Chaochou and the Longitudinal Valley left-lateral strike-slip fault systems, are highlighted as first-order structural discontinuities that separate domains with contrasting rheological properties. We further characterise the present-day stress field and mechanical behaviour of the orogen through stress inversion analysis. The directions of the principal stress axes (σ1, σ2, and σ3) are estimated from the inversion of clustered earthquake focal mechanisms, and the orientation of the maximum horizontal stress (SH) is calculated across the island. The most likely fault plane orientations and their kinematics are then inferred for each cluster. The results show strong spatial and depth-dependent variations in the stress regime of the area. Western Taiwan is dominated by transpressional deformation, with NW–SE to WNW–ESE compression and strike-slip faulting. In contrast, the Central Range exhibits orogen-parallel extension in the upper crust, linked to lower crustal flow at depth, characterised by strike-slip and compression. These patterns suggest that Taiwan is undergoing lateral extrusion with free- boundary gravitational collapse in the internal region of the orogen. Integrating the structural and stress results, this thesis defines the Taiwan orogen as a laterally and vertically segmented orogen composed of three main tectonic domains: the External areas, the Central Range, and the Coastal Range. Deformation in the External areas is largely controlled by the inherited architecture of the Eurasian continental margin and is mainly accommodated through thin-skinned deformation, although there is evidence of local thick-skinned deformation. The Central Range forms the key dynamic core of the orogen, where convergence is accommodated by crustal thickening and lateral extrusion expressed by lower crustal flow, and orogen-parallel extension. The Coastal Range records the transpression of the accreted Luzon Volcanic Arc, and exhumation along the subduction channel next to the suture. These findings show an asymmetric orogen dominated by frontal accretion and lateral extrusion rather than by underplating, and provide new insight into how oblique arc-continent collisions evolve and accommodate deformation within young transpressional orogens.

[ES] Las colisiones arco-continente son entornos geodinámicos clave que ofrecen información fundamental sobre la evolución y deformación de la corteza durante la orogénesis. Taiwán, situado en el límite convergente entre la placa Euroasiática y la placa Filipina, representa un ejemplo ideal para investigar la deformación activa de la corteza en un sistema colisional arco-continente oblicuo. El orógeno se caracteriza por rápidas tasas de acortamiento, alta sismicidad y complejidad estructural significativa. Aunque se han propuesto numerosos modelos para explicar la evolución tectónica de Taiwán, aún existe incertidumbre sobre la estructura de la corteza y los mecanismos que controlan la deformación. Esta tesis aborda estas cuestiones mediante un enfoque multidisciplinar que integra análisis de campos potenciales e inversión del campo de esfuerzos, con el objetivo de mejorar la comprensión de la arquitectura cortical y los procesos de deformación en el orógeno de Taiwán. Para investigar la estructura cortical, se analizan datos de anomalía de gravedad y magnetismo mediante métodos espectrales y derivadas de primer orden, con el fin de estimar la profundidad de los principales contrastes de densidad y magnetización. Los resultados muestran una corteza estratificada, compuesta por tres dominios principales en profundidad: fuentes someras (~1–2 km) relacionadas con cuencas sedimentarias; fuentes intermedias (~8–10 km), interpretadas como el techo del basamento cristalino en la parte oeste de Taiwán; y fuentes profundas (~23–25 km), asociadas con el comienzo de la corteza inferior al oeste de Taiwán. La modelización directa de la gravedad, acotada por observaciones geológicas y tomografía sísmica, muestra una raíz cortical densa y engrosada que alcanza profundidades de ~45–55 km bajo el Central Range, lo que explica la ausencia de un mínimo gravimétrico de Bouguer. Por el contrario, los mínimos de Bouguer se encuentran al oeste de Taiwán, en la zona de antepaís y el cinturón de pliegues y cabalgamientos, y reflejan potentes secuencias sedimentarias preorogénicas que rellenan cuencas sedimentarias heredadas poco profundas. A destacar, se observa una clara segmentación cortical, en el que estructuras corticales importantes, como los sistemas de falla de salto en dirección levógiras Lishan–Chaochou y Longitudinal Valley, se presentan como discontinuidades estructurales de primer orden que separan dominios con propiedades reológicas diferentes. Asimismo, se caracteriza el campo de esfuerzos actual y el comportamiento mecánico del orógeno mediante inversión del campo de esfuerzos. Las direcciones de los principales ejes de esfuerzo (σ1, σ2 y σ3) se estiman a partir de mecanismos focales agrupados, y se calcula la orientación del máximo esfuerzo horizontal (SH) para toda la isla. A partir de estos datos, se infieren las orientaciones más probables de los planos de falla y su cinemática asociada para cada grupo. Los resultados muestran variaciones significativas del régimen de esfuerzos tanto en superficie como en profundidad. En el oeste de Taiwán domina una deformación transpresiva, con compresión y cizalla orientadas NO–SE a ONO–ESE. En cambio, el Central Range presenta extensión paralela al orógeno en la corteza superior, vinculada a flujo dúctil de la corteza inferior, caracterizado por regímenes de cizalla y compresivos en profundidad. La coexistencia de extensión paralela al orógeno en la corteza superior con compresión en profundidad respalda un modelo de colapso de una corteza engrosada combinado con extrusión lateral de una corteza inferior dúctil, debido a la ausencia de confinamiento lateral. La integración de los resultados estructurales y de análisis de esfuerzos obtenidos en esta tesis permite definir Taiwán como un orógeno segmentado tanto lateral como verticalmente, compuesto por tres dominios tectónicos principales: las áreas externas, el Central Range, y el Coastal Range. La deformación en las áreas externas está controlada por la arquitectura heredada del margen continental euroasiático y se acomoda principalmente mediante deformación thin-skinned, aunque existen indicios locales de thick-skinned. El Central Range constituye el núcleo del orógeno, donde la convergencia se acomoda mediante engrosamiento cortical, flujo dúctil de la corteza inferior y extensión paralela al orógeno. Asimismo, el Coastal Range registra transpresión y exhumación asociada al canal de subducción en la sutura. En conjunto, estos resultados definen un orógeno asimétrico dominado por acreción frontal y extrusión lateral, más que por underplating, y aportan nuevas perspectivas sobre cómo las colisiones arco-continente oblicuas evolucionan y acomodan la deformación en orógenos transpresivos jóvenes.