Exhumation Mechanisms of Middle and Lower Crust in the Western Tauern Window, Eastern Alps

Abstract

The Tauern Window, a tectonic window, is subject to research in earth sciences for more than a century. European lower crustal rocks of the western Tauern Window, once buried below 35 km, were uplifted and exhumed to surface level during Cenozoic times. Although it has been studied exhaustively there is a vital discussion which geological processes contributed in which amount to uplift and exhumation and also when and in which temporal succession these processes occurred. The Tauern Window plays a key role and is significantly involved into Eastern Alps tectonics. This work supplies contributions in structural geology and geochronology to this discussion. Comprehensive structural field measurements were performed to determine the dominant structural features. A systematic sampling strategy was performed where highly and almost not deformed samples were collected for microstructural, petrological and geochronological investigations. The highly deformed samples were analyzed with the 40Ar/39Ar in situ technique to obtain deformation ages. The almost not deformed samples were analyzed with the U-Pb apatite geochronometer to contrast the cooling history of the rocks with the timing of localized deformation. The results of this study show that the western Tauern Window was deformed by a transpressive belt consisting of upright folds and sinistral shear zones that has the scale of an orogen. It forms a restraining bend by crustal buckling between two major Alpine fault systems. The obtained cooling pattern from the U-Pb apatite ages indicates a dome structure in agreement with earlier studies. The novel aspect is that an early stage of this cooling event in the Lower Oligocene epoch was dated. Hence, the duration of cooling and the driving processes causing it were substantially extended. The longevity of sinistral shear zones comprises for all dated structures several million years. The termination of those structures was precisely figured out in some cases. Localized deformation initiated within the entire western sub-dome contemporaneously to the cooling mentioned above. It continued until the Upper Miocene and followed the cooling of the dome from the margins to the center. The sinistral shear zones and for this reason the entire transpressive belt dominated the uplift and exhumation of the western Tauern Window.

Das Tauernfenster, ein tektonisches Fensters, ist seit über einem Jahrhundert Gegenstand geowissenschaftlicher Forschung. Im westlichen Tauernfenster wurden während des Känozoikums Gesteine der europäischen Unterkruste, die einst bis in eine Tiefe von >35 km versenkt wurden, durch tektonische Prozesse an die Erdoberfläche gebracht. Trotz eingehender Studien existiert eine lebendige Debatte darüber welche geologischen Prozesse welchen Beitrag zur Hebung und Exhumierung geleistet haben auch darüber wann und in welcher Reihenfolge die geologischen Ereignisse stattfanden. Das Tauernfenster nimmt eine Schlüsselrolle ein, von der die Tektonik der Ostalpen maßgeblich abhängt. Diese Arbeit leistet einen strukturgeologischen und einen geochronologischen Beitrag zu dieser Debatte. Umfangreiche strukturgeologische Messungen wurden durchgeführt um die dominanten tektonischen Strukturen zu erfassen. Systematisch wurden stark und möglichst wenig verformte Proben genommen um mikrostrukturelle, petrologische und geochronologische Untersuchungen durchzuführen. Die stark verformten Proben wurden mit der 40Ar/39Ar in situ Methode datiert um das Alter der Verformung zu erfahren. Die wenig verformten Proben wurden mit Hilfe des U-Pb Apatit Geochronometers datiert um die Abkühlung der Gesteine der lokalisierten Verformung zeitlich gegenüberzustellen. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass das westliche Tauernfenster durch einen transpressiven Gürtel aus aufrechten Falten und sinistralen Scherzonen im orogenen Maßstab verformt würde. Es bildet eine blockierende Krümmung bestehend aus einem Krustenstapel zwischen zwei alpinen Hauptstörungssystemen. Das Abkühlmuster der U-Pb Apatit Alter wiederspiegelt eine Domstrutur im Einklang mit früheren Studien. Neu ist, dass ein frühes Stadium der Abkühlung im Unteren Oligozän datiert wurde. Damit wird die Dauer der Abkühlung, folglich auch die der verursachenden Prozesse, erheblich verlängern. Die Langlebigkeit der sinistralen Scherzonen umfasst für alle datierten Strukturen mehrere Millionen Jahre. Ihr Ende konnte in einigen Fällen genau erfasst werden. Lokalisierte Verformung entlang der sinistralen Scherzonen beginnt im gesamten westlichen Sub-dom zeitgleich mit der oben beschriebenen Abkühlung. Sie dauert bis ins Obere Miozän an und folgt dabei zeitlich der Abkühlung des Doms vom Rand zum Zentrum. Die sinistralen Scherzonen und damit der gesamte transpressive Gürtel des westlichen Tauernfensters dominieren dessen Heraushebung.