Deformation, erosion and natural resources in continental collision zones: Insight from scaled sandbox simulations

Abstract

Bivergent wedges result from the interaction between deformation, flexure and surface processes. Based on 2D sandbox simulations in conjunction with PIV, this study investigates the influence of these processes on the spatio- temporal evolution of strain-partitioning within, and the associated surface uplift of, bivergent wedges. To facilitate interpretation and to successfully communicate results, two new display types, i.e., the surface uplift and the evolution of deformation map are introduced. Experimental results suggest a four-staged evolutionary pathway for bivergent wedges: an initial pop-up (stage I) or backfold is followed by a proto pro-wedge, in which frontal accretion dominates (stage II). Basal accretion commences if a mid-level detachment is present (stage III). Frontal accretion within the retro-wedge occurs during stage IV. Furthermore, a conceptual model of cyclic accretion within bivergent wedges is proposed, whereby each cycle consists of a thrust initiation, an underthrusting and a re-activation phase. The latter determine the location and magnitude of deformation within, and surface uplift of, a bivergent wedge. Therefore, the accretion cycle is considered as an internal clock for wedge-scaled deformation and surface uplift. We also demonstrate that the geometry of the deformation front as well as the spatial distribution of surface uplift are indicative for the currently active phase within an accretion cycle. During the course of an accretion cycle, surface uplift of the axial-zone and the retro-wedge may reach up to 1/2 of the thickness of the incoming layer. Cycle duration is estimated to range between 104 to 105 years and is thus in a similar range as climatic cycles. This conceptual model provides also an explanation for the transient behaviour of deformation and surface uplift and for the discrepancy between geodetic and geologic estimates of fault slip. We found that retro-wedge erosion amplifies the displacement of the basally accreted material, whereas pro-wedge erosion accelerates and additionally redirects the particle flow of the frontally accreted material. Pro- and retro-wedge erosion retard the propagation of deformation into the foreland. This effect is stronger for pro-wedge erosion. Retro-wedge erosion amplifies vertical growth and leads to increased strain accumulation along the retro shear-zone and the mid-level detachment. Thus, cause (retro-wedge erosion) and response (pro-wedge deformation) are significantly offset in space. Since pro-wedge erosion evokes a complete decoupling of the retro-wedge from the pro-wedge, cause and response are spatially more closely related. We also found that more focused erosion is associated with a more focused tectonic response. Implications of these results are finally used to explore the evolution of foreland basins. Thereby, special emphasis is devoted to the Flysch to Molasse transition as well as to the occurrence of hydrocarbon and MVT deposits.

Bivergente Orogene werden durch das Zusammenwirken von Deformation, Isostasie und Oberflächenprozessen kontrolliert. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Einfluss dieser Prozesse auf die räumlich-zeitliche Verteilung von Deformation und Oberflächenhebung, in bivergenten Orogenen, zu analysieren. Dazu werden physikalische (Sand) 2D Simulationen unter Einbindung von PIV genutzt. Experimentergebnisse deuten eine vierphasige Entwicklung von bivergenten Orogenen an, welche durch das Auftreten bestimmter Akkretionsmodi gekennzeichnet ist. Phase I ist durch die Bildung eines pop-up gekennzeichnet, wobei in Phase II frontale Akkretion zur Herausbildung eines Proto-Prokeiles führt. Sofern ein interner Abscherhorizont vorhanden ist, kommt es in Phase III zur basalen Akkretion. Frontale Akkretion im Retrokeil markiert den Beginn der Phase IV. Des Weiteren wird das konzeptionelle Modell für zyklische, frontale Akkretion in bivergenten Orogenen vorgestellt. Demnach besteht jeder Zyklus aus einer Initiierungs-, einer Überschiebungs- und einer Reaktivierungsphase, wobei letztere den Ort als auch die Magnitude von Deformation und Oberflächenhebung bestimmen. Der Akkretionszyklus stellt somit eine interne Uhr für orogene Deformation und Oberflächenhebung dar. Wir postulieren, dass sich die jeweils aktive Phase an Hand der Geometrie der Deformationsfront als auch mittels der Verteilung der Oberflächenhebung erkennen lässt. Dieses konzeptionelle Modell liefert auch eine Erklärung für die oft beobachtete Diskrepanz zwischen geodätischen und geologischen Versatzraten von Störungen. Während eines Zyklus kann die Hebung in der Axialzone als auch im Retrokeil bis zu 50% der Mächtigkeit der Vorlandsequenzen betragen. Die Zyklendauer variiert zwischen 104 und 105 Jahren und beweget sich somit in einem ähnlichen Rahmen wie klimatische Zyklen. Prokeilerosion beschleunigt den Massenfluß der frontalen Akkretion und führt zu einer deutlichen Versteilung der Partikelpfade im Prokeil. Hingegen beschleunigt Retrokeilerosion nur den Massenfluß der basalen Akkretion. Sowohl Pro- als auch Retrokeilerosion verzögern die Propagation von Deformation, wobei dieser Effekt bei ersterer stärker ist. Retrokeilerosion steigert das vertikale Wachstum bivergenter Orogene und führt zu einer erhöhten Akkumulation von Deformation entlang der Retroscherzone und des internen Abscherhorizontes. Somit evoziert Retrokeilerosion eine räumliche Entkoppelung von Ursache (Retrokeilerosion) und Wirkung (Deformation im Prokeil). Da Prokeilerosion den Prokeil vom Retrokeil entkoppelt, stehen Ursache und Wirkung in einer engeren räumlichen Beziehung. Experimentergebnisse zeigen auch, fokussierte Erosion auch eine fokussierte Deformation zur Folge hat. Obige Resultate werden genutzt, um die Entwicklung von Vorsenken zu beleuchten. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Flysch-Molasse Übergang als auch auf der Genese von Kohlenwasserstoff- und MVT-Lagerstätten.