Changes in sediment flux, architecture, and/or provenance in the infill of peri-orogenic basins have been interpreted to argue for or against tectonic or climatic changes in the hinterland. However, our interpretation of these changes is still hampered because the progradation of such environmental signals in the sediment-routing system from source to sink is still poorly understood. The present work quantifies how quickly tectonic perturbations in the hinterland are recognizable in the sedimentary archive in geological deep-time (>10 Ma) by using several different proxies in the sediment-routing systems of the Oligocene/Miocene European Alps and its foreland basin in Upper Austria. In a first step, the depositional ages of the sediments were constrained. Benthic foraminifera and geochemical analysis were carried out to identify lithostratigraphic boundaries and were combined with calcareous nannoplankton and stable carbon isotopy of bulk sediment analysis for absolute dating. Well-cutting samples were taken from three wells that penetrate the Puchkirchen Group and the overlying Hall Formation. During sedimentation of the Puchkirchen Group (26.9 – 19.6 Ma), eastward transport of sediment via a submarine channel controlled the depositional processes. The Base Hall Unconformity marks the beginning of the Hall Formation (19.6 – 18.1 Ma), in which the channel sedimentation ended at 19 Ma and deposition of northward progradation of clinoforms initiated. Provenance information from the sand-sized sediment fraction in the Upper Austrian Northern Alpine Foreland Basin were gained by a single-grain apatite multi-proxy approach. Twenty-two sandstone samples of the Puchkirchen Group and the overlying Hall Formation were collected and connected with the newly acquired depositional ages. Apatites were analyzed for their trace-element geochemistry, fission track ages (AFT), U-Pb and Sm-Nd isotopic composition. The results revealed a provenance change at 23.3 Ma with increasing input from a late Variscan high-grade metamorphic Upper Austroalpine source with increased eNd values. Accompanied by decreasing AFT lag times after 24 Ma, the data suggest an exhumation event that started around 29-27 Ma in the Eastern Alps. Both findings are attributed to the surface response of the initial exhumation of the Tauern Window which triggered slow exhumation (0.3-0.6 mm/a) of the overlying Austroalpine units before the lateral escape towards the east at 23-21 Ma caused a significant increase in exhumation rates. The provenance of the clay-sized sediment was constrained by Nd isotope analysis on 30 well-cutting samples. In contrast to the single-grain analysis, the bulk-rock clay analysis revealed a stable provenance with eNd values around -9.7 (± 0.5) from 27 to 19 Ma. However, after 19 Ma, the eNd values increased to -9.2 (± 0.5). The interpreted total signal lag time in response to the Tauern Window exhumation from 28 ± 1 Ma onward is significantly shorter (3.4 – 6 m.y.) in the sand-sized apatites compared to in the clay-sized fraction (8.0 – 10.3 m.y.). This delay is due to the different signal recording in the bulk-rock and single-grain methods. Whereas single-grain distributions of orogen-wide sediment-routing systems can be biased towards small source areas with high mineral-fertility and erosion rates, bulk-rock methods dilute such extreme values. This difference in provenance change recording delivers valuable information about the extent of the perturbated source area. This study shows, how tectonic exhumation processes influence sediment architecture, flux, and provenance of a submarine, distal foreland basin over time. Especially the characterization of the same parameter (flux or provenance) of a sediment-routing system with different methods holds great potential for future research. As different methods highlight different characteristics of the same parameter, this combination enables a previously unattained understanding of underlying environmental changes.
Veränderungen in sedimentären Akkumulationsraten, Architektur und/oder Herkunft in der Verfüllung von Vorlandbecken sind in der Vergangenheit dafür benutzt worden, für oder gegen tektonische oder klimatische Veränderungen im Liefergebiet zu argumentieren. Jedoch ist unser Verständnis dieser Veränderungen immer noch unvollständig, da die Weiterleitung dieser Signale von der Quelle bis zur Senke immer noch unvollständig verstanden ist. Diese Arbeit quantifiziert, wie schnell sich tektonische Hebungsereignisse im Hinterland in den Sedimenten des Vorlandes widerspiegeln. Dabei werden verschiedene Methodiken benutzt und das sedimentäre Verteilungssystem der Oligozänen/Miozänen Europäischen Alpen und ihres Vorlandes in Oberösterreich untersucht. In einem ersten Schritt wurden die Ablagerungsalter der Sedimente bestimmt. Dafür wurden Analyse der benthischen Foraminiferen und der Gesamtgesteinsgeochemie durchgeführt und um Analysen des kalkigen Nannoplanktons und stabiler Kohlenstoffisotope ergänzt. Spülproben aus drei Bohrungen, die die Puchkirchen Gruppe und die darüber liegende Hall Formation durchschlagen, wurden beprobt. Während der Ablagerung der Puchkirchen Gruppe (26.9 – 19.6 Ma) war die Sedimentation im Becken durch den ostwärts gerichteten Sedimenttransport in einem submarinen, turbiditischen Kanal dominiert. Die Basale Hall Diskordanz markiert den Beginn der Hall Formation (19.6 – 18.1 Ma), in welcher die Sedimentation durch den turbiditischen Kanal endete (19 Ma) und die Progradation von Klinoformen nach Norden begann. Die Herkunft der Sedimente der Sandkorngröße in der Oberöstereichischen Molasse wurde durch eine multimethodische Analyse der Apatiteinzelkörner bestimmt. 22 Sandsteinproben wurden dafür aus der Puchkirchen Gruppe und der Hall Formation entnommen und diese mit den neuen Ablagerungsaltern verknüpft. Die Apatite wurden auf ihre Spurenelementzusammensetzung, Spaltspuren (AFT), U-Pb und Sm-Nd Isotopie untersucht. Anhand dieser Ergebnisse konnte gezeigt werden, dass sich der Eintrag aus einer spätvariszischen, hochgradig metamorphen oberaustroalpinen Quelle mit erhöhten eNd Werten um 23.3 Ma erhöht. Dieser erhöhte Eintrag geht einher mit einer Verkürzung der AFT Latenzzeit, was zusammen darauf hindeutet, dass es von 29-27 Ma an zu einer schnelleren Exhumation in den Ostalpen kam. Die Ergebnisse werden als Resultat der Initiierung der langsamen Exhumierung (0.3-0.6 mm/a) des Tauern Fensters interpretiert. Die Herkunft der Sedimente der Tonkorngröße wurde anhand von Nd Isotopenmessungen an 30 Spülproben bestimmt. Im Gegensatz zu den Apatitkörnern zeigen die Gesamtgesteins-messungen der Tonkorngröße eine stabile Herkunft zwischen 27 und 19 Ma mit einem eNd Wert um -9.7 (± 0.5). In den Proben mit Ablagerungsaltern <19 Ma steigen die eNd Werte auf -9.2 (± 0.5). Die totale Signallaufzeit in Reaktion auf die Tauernfensterexhumierung ab 28 ± 1 Ma ist sehr viel kürzer (3.4 – 6 m.y.) in den sandkorngroßen Apatiten, verglichen mit der Tonfraktion (8.0 – 10.3 m.y.). Diese Verspätung wird auf die unterschiedliche Signalübertragung zwischen der Gesamtgesteins- und Einzelkornmethodik zurückgeführt. Während Einzelkornverteilungen von gebirgsweiten Sedimentverteilungssystemen kleine Gebiete mit hoher Erosions- und Mineralfertilitätsrate überproportional abbilden, werden diese in Gesamtgesteinsmethodiken unterrepräsentiert und Extremwerte verwässert. Diese Unterschiede liefern wertvolle Informationen über die Größe des gestörten Quellengebiets. Die vorliegende Studie zeigt, wie tektonische Exhumierungsprozesse sich in sedimentären Akkumulationsraten, Architektur und Herkunft eines tiefmarinen, distalen Vorlandbeckens widerspiegeln. Besonders die Bestimmung des gleichen Parameters (Akkumulationsraten oder Herkunft) eines Sedimentverteilungssystemen mit unterschiedlichen Methodiken hat großes Potential. Die verschiedenen Methodiken stellen unterschiedliche Aspekte des gleichen Parameters heraus, was ein zuvor unerreichtes Verständnisniveau der zugrundeliegenden Umweltveränderung ermöglicht.
