dc.contributor.author
Hagke, Christoph von
dc.date.accessioned
2018-06-07T22:14:59Z
dc.date.available
2012-08-07T07:06:21.010Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/9045
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-13244
dc.description
Coupling between Climate and Tectonics? 1 Low temperature thermochronology and
structural geology applied to the pro-wedge of the European Alps 1 1
Thermochronological approach to the late stage evolution of the Molasse basin
and the Interaction between climate and tectonics 9 1.1 General Introduction
and Summary 9 1.2 Allgemeine Einführung und Zusammenfassung 12 1.3 The Molasse
Basin 15 1.3.1 Geographic setting 15 1.3.2 Pre-Tertiary Basin Evolution 15
1.3.3 Tertiary Basin Evolution 17 1.3.4 Tectonic Setting 22 1.4 Methods 23
1.4.1 Principles of Thermochronology 23 The concept of closure temperature 23
1.4.2 Fission track formation and fading 26 1.4.3 Fission track age
determination 29 1.4.4 (U-Th-Sm)/He dating 31 2 Resolving the latest uplift
and erosion history of the Northern Alpine Foreland Basin with low temperature
thermochronology 35 2.1 Introduction 35 2.2 Regional geologic context 37
Tertiary basin evolution 38 2.3 The Subalpine Molasse 39 General overview of
the discussed cross sections 41 2.4 Fission Track and (U-Th-Sm)/He Principles
and Methods 42 2.5 Sampling Strategy 43 2.6 Thermal Modelling of the data 45
2.7 Results 46 2.7.1 AFT age distribution 46 Entlebuch horizontal section 46
Entlebuch vertical section 55 Rigi horizontal section 56 Rigi vertical section
58 2.7.2 Comparison of EDM and LA-ICP-MS AFT results 59 2.7.3 (U-Th-Sm)/He age
distribution 61 Entlebuch horizontal section 61 Entlebuch drill hole section
61 Rigi horizontal section 62 Rigi vertical section 63 2.7.4 Comparison of
apatite (U-Th-Sm)/He and AFT results 63 2.7.5 Modelled burial and exhumation
histories 64 2.8 Discussion 69 2.8.1 Thermochronology age pattern across
thrusts 70 2.8.2 Heat flow across active thrusts 72 2.8.3 Tectonics in the
Subalpine Molasse 72 2.8.4 The link to the inner Alps 73 2.8.5 The link to the
Jura Mountains and critical taper theory 75 2.9 Conclusions 76 2.10
Acknowledgements 77 3 Supplementary information to “Resolving the latest
uplift and erosion history of the Northern Alpine Foreland Basin with low
temperature thermochronology” 78 3.1 Density and magnetic separation
techniques applied 78 3.2 Apatite fission track dating and its application 78
3.2.1 Theoretical background 78 3.2.2 Application of the fission track method
79 3.3 Assumption of Ns = 0.5 89 3.4 EDM sampling strategy and age dating
procedure 90 3.5 Differences between LA-ICP-MS and EDM data 90 3.6 Apatite (U
-Th-Sm)/He dating and its application 92 3.6.1 Theoretical background 92 3.6.2
Application of the (U-Th-Sm)/He method 94 3.7 Excluding single (U-Th-Sm)/He
ages 94 3.8 The weighted mean (U-Th-Sm)/He age 95 3.9 Modelling the data 97
3.10 Heat and fluid flow in the NAFB 97 3.11 Glacial erosion in the NAFB 99
3.12 Calculation of shortening based on thermochronology 100 4 Critical taper
analysis of the Central Alps reveals variations in detachment strength. 103
4.1 Introduction 103 4.2 Geological framework 105 4.3 Critical taper analysis
111 4.4 The Central Alpine critical wedge 113 4.5 Correlation of wedge
mechanics and observed geology 119 4.6 Summary and conclusions 121 4.7
Acknowledgements 122 5 Have the Central Alps been in tectonic steady state
since 10 Ma? Results from low temperature thermochronology and critical wedge
considerations 123 5.1 Introduction 123 5.2 Geological framework 125 5.3
Tectonic slices in the Subalpine Molasse 126 5.4 Thermochronological Methods
128 5.5 New thermochronological data 129 5.6 Thermal history 135 5.7
Interpretation of the cooling signals 137 5.8 Lateral correlation of tectonic
events 137 5.9 Post 10 Ma shortening in the Central Alps 139 5.10 Restoration
of Late Miocene wedge geometry 141 5.11 Discussion: Are the Central Alps in
tectonic steady state since 10 Ma? 146 5.12 Conclusions 149 5.13
Acknowledgements 149 6 Conclusions 150 7 References 152
dc.description.abstract
Continental collision results in telescoping of Earth’s crust and the
consequent formation of orogens with a complex internal structure, a
characteristic mechanical configuration and resulting complex kinematics.
Orogenic fronts mark the foremost position of active deformation, thus forming
the linkage between the orogen and its foreland basin and therefore
registering the spatiotemporal history of the two. Resolving this history
contributes to our understanding of the kinematic history of orogens and
consequently enables an assessment of the contribution of the driving forces
behind mountain building; the results of which provide insights on the
interactions between climate and tectonics, a topic which has been and
continues to be heavily debated (Molnar and England, 1990; Willett, 1999; e.g.
Beaumont et al., 2001; Whipple and Meade, 2006; Whipple, 2009). A suitable
study area to investigate these interactions between climate and tectonics are
the Central European Alps, due to the unparalleled amount of geological and
structural data and the well studied present day kinematics. Additionally,
countless studies document the uplift and erosion history (e.g. Ratschbacher
et al., 1989; Pfiffner et al., 1990; Lammerer and Weger, 1998; Frisch et al.,
2000; Bistacchi et al., 2001; Malusa and Vezzoli, 2006; Genser et al., 2007;
Kuhlemann, 2007; Champagnac et al., 2009; Vernon et al., 2009a; Norton et al.,
2010b; Glotzbach et al., 2011b). Like the inner Alps, the foreland basin has
been the focus of numerous studies, and so both basin stratigraphy and
tectonic setting are well resolved (e.g. Ganss and Schmidt-Thomé, 1953;
Trümpy, 1980; Homewood et al., 1986; Pfiffner, 1986; Müller et al., 1988;
Schlunegger et al., 1997a; Sinclair, 1997b; a; Sissingh, 1997; Kuhlemann and
Kempf, 2002; Pfiffner et al., 2002; Berge and Veal, 2005; Berger et al.,
2005a; Berger et al., 2005b). Accordingly, the Central Alps can serve as a
natural laboratory for resolving the complex system of coupled processes that
are responsible for deformation and surface response. The potential of similar
coupling processes are reported from other orogens all over the world, for
example the Olympic Mountains (e.g. Montgomery and Brandon, 2002), Taiwan
(e.g. Fuller et al., 2006)and the Himalayas (e.g. Whipple, 2009) and may
therefore be discussed in a similar way. In this thesis I focus on the North
Alpine pro-wedge and scrutinize the potential driving forces of tectonic
activity. The key questions I try to answer are: • Is it possible to constrain
further the timing and amount of deformation (i.e. shortening) in the foreland
fold and thrust belt of the European Alps, in particular in Late Neogene
times? • What does this timing and magnitude of deformation tell us about the
kinematics of late stage exhumation and the relation between the Alps and
their foreland? • Can we evaluate the influence of climate (or climate
changes) on timing and magnitude of deformation within the foreland fold and
thrust belt? To address these questions, I combine low temperature
thermochronology (in particular apatite fission track and apatite (U-Th-Sm)/He
dating) with critical taper analysis and try to extrapolate the present day
kinematic situation into the past; thus providing an instrument to understand
wedge dynamics through time. The following sub-chapters give a general
overview over the working area and the applied thermochronological methods.
Chapter 2 demonstrates the application of low temperature thermochronology to
the foreland basin of the Central Alps and reveals that the Subalpine Molasse
in Switzerland was tectonically active in Neogene times. It is shown that this
tectonic activity is coeval with tectonic activity in internal parts of the
orogen, as well as with the more external Jura Mountains. This chapter was
submitted to Tectonics. Chapter 3 is supplementary information to Chapter 2,
showing methodological details. Chapter 4 focuses on the Alps as an orogenic
wedge and shows that critical taper theory is applicable for the Central Alps.
Detailed analysis of surface and detachment slopes reveals variations in
effective coefficient of friction of the basal detachment between the foreland
and the more internal parts of the orogen. Exceedingly weak detachments are
found also within pelitic horizons, which cannot be solely attributed to
elevated pore pressures. Chapter 5 combines the two approaches (low
temperature thermochronology and critical wedge analysis) in order to
constrain Alpine wedge dynamics through time. Additional thermochronological
data from a profile crossing the Subalpine Molasse east of the Jura Mountains
show that the Neogene tectonic activity is a regional feature. Shortening
rates in the west and the east of the Central Alps have been similar since at
least the Late Miocene. I combine the thermochronological data from the
Subalpine Molasse with data from the External Crystalline Massifs and restore
the Late Miocene wedge geometry of the Central Alps. It becomes obvious that
the taper of the Central Alps has not changed significantly since 10 Ma.
Accordingly, the Central Alps have been in steady state since then.
Consequently, this study shows the tectonic contribution to the Late Miocene-
to-present orogenic evolution. This thesis shows that we have no evidence that
Miocene to Pliocene climatic events influenced the wedge stability and
kinematics on the northern flank of the Central Alps, and therefore primarily
plate boundary or mantle-induced processes controlled the tectonics of the
Neogene-to-Recent foreland thrusting. Chapter 6 summarizes the results of the
individual chapters.
de
dc.description.abstract
Die Kollision zweier Kontinente führt zur Bildung von Gebirgen mit einer
komplexen internen Struktur, einem individuellen mechanischen Bau und daraus
resultierender komplexer Kinematik. Orogenfronten bilden den äußersten Rand
aktiver Verkürzung und gleichzeitig die Verbindung zwischen dem Gebirge und
seinem Vorland. Sie archivieren deswegen deren raumzeitliche Entwicklung.
Erkenntnisse über die Entwicklung von Orogenfronten tragen maßgeblich zum
Verständnis der Kinematik von Gebirgen bei und erlauben Rückschlüsse auf die
Kräfte, die für Gebirgsbildung verantwortlich sind. Deswegen bieten sich
Orogenfronten auch für die Untersuchung von potentiellen Wechselwirkungen
zwischen Klima und Tektonik an – eine Fragestellung, über die bereits seit
über 20 Jahren heftig diskutiert wird (Molnar and England, 1990; Willett,
1999; e.g. Beaumont et al., 2001; Whipple and Meade, 2006; Whipple, 2009). Die
europäischen Zentralalpen sind ein geeignetes Untersuchungsgebiet, um
unterschiedlich gesteuerte Prozesse zu verstehen, da es aus diesem Raum eine
beispiellose Menge an geologischen und strukturellen Daten vorhanden ist und
die Kinematik bereits detailliert beschrieben wurde. Zusätzlich dokumentieren
zahllose Studien die Hebungs- und Abtragungsgeschichte der Zentralalpen (z.B.
Ratschbacher et al., 1989; Pfiffner et al., 1990; Lammerer and Weger, 1998;
Frisch et al., 2000; Bistacchi et al., 2001; Malusa and Vezzoli, 2006; Genser
et al., 2007; Kuhlemann, 2007; Champagnac et al., 2009; Vernon et al., 2009a;
Norton et al., 2010b; Glotzbach et al., 2011b). Wie die Alpen selbst, so ist
auch das Vorland im Detail untersucht worden und die Stratigraphie des Beckens
sowie der derzeitige tektonische Aufbau sind gut bekannt (z.B. Ganss and
Schmidt-Thomé, 1953; Trümpy, 1980; Homewood et al., 1986; Pfiffner, 1986;
Müller et al., 1988; Schlunegger et al., 1997a; Sinclair, 1997b; a; Sissingh,
1997; Kuhlemann and Kempf, 2002; Pfiffner et al., 2002; Berge and Veal, 2005;
Berger et al., 2005a; Berger et al., 2005b).Die europäischen Zentralalpen sind
also ein „natürliches Versuchslabor“, das sich in besonderem Maße für die
Untersuchung der mutmaßlichen Kopplung von klimatischen und tektonischen
Prozessen eignet, welche für Deformation sowie die daraus resultierenden
Reaktionen des Gebirgskörpers verantwortlich sein könnte. In dieser
Doktorarbeit wird der Pro-Keil der nördlichen Alpen betrachtet und Kräfte, die
für die Gebirgsbildung verantwortlich sein können, eingegrenzt. Die
Schlüsselfragen sind: • Kann man den Zeitpunkt und die Magnitude der
Deformation (Verkürzung) im Vorlandüberschiebungsgürtel der Europäischen Alpen
genauer bestimmen, insbesondere die Verkürzung vom Neogen bis heute? • Was
sagt das Ergebnis dieser Bestimmung bezüglich der Gebirgskinematik während der
späten Exhumierungsgeschichte aus und was können wir für Rückschlüsse
bezüglich der Verbindung zwischen Alpen und Vorland ziehen? • Was ist der
Einfluss des Klimas (bzw. von Klimaschwankungen) auf den Deformationszeitraum
und -magnitude? Um diese Fragen zu beantworten wird
Niedrigtemperatur—Thermochronologie (genauer Apatit Spaltspur und (U-Th-Sm)/He
Datierung) mit der Theorie der kritischen Keilform kombiniert und die heutige
kinematische Situation in die Vergangenheit extrapoliert. Dabei werden
Verfahren entwickelt, mit denen es gelingt, Gebirgsbildung und deren
Entwicklung über die Zeit besser zu verstehen. Die vorgestellte Methodik ist
für alle ähnlich strukturierten Gebirge anwendbar, in denen ebenso potentielle
Interaktionen zwischen Oberflächenprozessen und Tektonik beschrieben wurden,
wie z.B. den Olympic Mountains (USA) (z.B. Montgomery and Brandon, 2002),
Taiwan Fold and Thrust Belt (z.B. Fuller et al., 2006) oder im Himalaya (z.B.
Whipple, 2009). Die Doktorarbeit ist wie folgt gegliedert: Kapitel 2
beschreibt die Anwendung von Niedrigtemperatur-Thermochronologie auf das
Vorland der Zentralalpen und zeigt dass, entgegen vorheriger Theorien, die
Subalpine Molasse auch im Neogen aktiv deformiert wurde. Es wird aufgezeigt,
dass diese Deformation zeitgleich mit Deformation im gebirgsinneren und im
externen Jura Überschiebungsgürtel stattfand. Dieses Kapitel wurde bei
Tectonics zur Veröffentlichung eingereicht. Kapitel 3behandelt methodische
Details, die als zusätzliche Informationen für Kapitel 2 dienen. Kapitel 4
betrachtet die Alpen als kritischen Keil und stellt dar, dass die Theorie des
kritischen Keils auf das Untersuchungsgebiet anwendbar ist. Eine detaillierte
Analyse des basalen Abscherhorizonts und des Oberflächenwinkels zeigt variable
Reibungskoeffizienten entlang des Décollements. Extrem niedrige
Reibungskoeffizienten können nicht nur in salz-, sondern auch in tonreichen
Einheiten nachgewiesen werden. Es kann gezeigt werden, dass dies nicht
ausschließlich auf überhöhte Porendrücke zurückzuführen ist. Dieses Kapitel
wurde bei G³ zur Veröffentlichung eingereicht. Kapitel 5 kombiniert die beiden
Ansätze (Thermochronologie und Theorie des kritischen Keils). Zusätzliche
thermochronologische Daten von einem Profil über die Subalpine Molasse zeigen
dass die tektonische Aktivität, die im Schweizer Teil des Beckens entdeckt
wurde, kein lokales Phänomen ist. Die Verkürzungsraten im Westen und im Osten
der Zentralalpen sind seit mindestens dem späten Miozän vergleichbar. Die
gesamten thermochronologischen Daten aus dem Vorland werden mit Daten aus den
Externen Massiven verglichen. Es zeigt sich, dass der Orogenkeil sich seit
etwa 10 Millionen Jahren nicht verändert hat und sich die Zentralalpen im
kinematischen Gleichgewicht befinden. Diese Doktorarbeit zeigt dementsprechend
den tektonischen Anteil an der Gebirgsbildung. Diese Doktorarbeit zeigt dass
keine offensichtliche Korrelation zwischen klimatischen Ereignissen und
tektonischer Aktivität besteht. Deswegen werden Plattentektonik oder
Mantelprozesse als treibende Kraft der Überschiebungsaktivität postuliert.
Kapitel 6 fasst die Ergebnisse zusammen.
en
dc.format.extent
171, [16] S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Thermochronology
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie
dc.title
Coupling between climate and tectonics?
dc.contributor.inspector
Ed Sobel
dc.contributor.inspector
Christoph Heubeck
dc.contributor.firstReferee
Onno Oncken
dc.contributor.furtherReferee
Mark Handy
dc.date.accepted
2012-06-27
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000038131-2
dc.title.subtitle
Low temperature thermochronology and structural geology applied to the pro-
wedge of the European Alps
dc.title.translated
Rückkopplung zwischen Klima und Tektonik?
de
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000038131
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000011576
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