Exhuming the core of collisional orogens, the Tauern Window, (Eastern-Alps): A geochronological, modelling and structural study

Abstract

Exhumation of the Eastern Alps was largely localized within the Tauern Window, a thermal and structural dome located north of the Dolomite indenter and formed from the Oligocene to the Late Miocene times. The Tauern Window is composed by two main sub-domes that are dominated by upright folds. In particular, the western sub-dome is marked by upright folds, which reconstructed amplitudes attained more than 30 km. The western and eastern margins are delimited by the major Brenner and Katschberg normal fault systems, respectively. The presence of the upright folds in the internal parts of the Tauern Window and of the major normal faults at its borders suggest that both N-S shortening and E-W extension played an important role during the exhumation history of the Tauern Window. This study attempts to assess the relative contribution of folding and erosion and of orogen-parallel extension during exhumation by a combined analysis of (1) the spatial and temporal evolution of late cooling of the Tauern Window, using apatite and zircon fission track ages; (2) the late, brittle deformation structures of the Tauern Window, providing new investigations of fault analyses and paleostress fields; and (3) the modelled, thermal evolution of a folded lithosphere based on 2D- thermal modelling, which predicts the surface distribution of fission track ages as a function of uplift rate and initial thermal state. Cooling-age distribution based on previous and new apatite and zircon fission track ages indicate a heterogeneous cooling history along the Tauern Window. In general, ages of the western sub-dome are younger than ages in the eastern Tauern Window. Zircon fission track ages indicate that the eastern and western sub- dome were exhumed at similar rates between 22 and 12 Ma while apatite fission track ages indicate that after 12 Ma, the western sub-dome was exhumed at higher rates compared to the eastern sub-dome. Apatite and zircon fission track ages show elongate, concentric distribution following the map trace of the main axial planes of the folds, with younger ages in the core of the western sub-dome and more heterogeneous distributions in the eastern sub-dome. These distributions suggest that folding and erosion were responsible for the exhumation of the Tauern Window. Brittle inversion and paleostress fields reveals a zoning within the Tauern Window with predominant strike-slip states of stress in the core of the investigated area, while the eastern and western margins of the dome are dominated by extensional regimes, with E-W to WNW-ESE extensional direction. Little evidence of compressive stress field has been highlighted, suggesting that brittle compressive structures that formed during folding have been eroded since. During Late Miocene times, exhumation of the Tauern Window was mainly driven by E-W extension taking place along the Brenner and Katschberg normal fault systems and accommodated in the central part of the Tauern Window by major conjugate strike-slip faulting that was yielding N-S shortening. Furthermore, results of 2D-thermal models that describe the thermal evolution of a crustal lithosphere undergoing folding and erosion indicate that a two-stage deformation history lead to a belle shape of low thermochronometer ages with younger ages where the maximum of exhumation exists. The first stage is marked by high uplift rates (2 mm.yrs-1), lasting for ca. 10 Myrs, and bringing deep hot material to the surface, while the second event is marked by lower uplift rates (0,325 mm.yrs-1), lasting from 20 Myrs, allowing the re-equilibration of the previous folded isotherms. This two-stage deformation history would explain both the fission track data results and the brittle deformations structures found in the Tauern Window. Formation of upright folds and deformation of the isotherms occurred during the first stage of deformation, which is mainly driven by folding and erosion and substantial extension along the Brenner and Katschberg normal fault systems. Brittle N-S compressive structures that were associated to the folding event were eroded since. The second stage is mainly driven by orogen- parallel extension and strike-slip faulting. During this second stage, equilibration of the isotherms occurred providing the present-day cooling pattern observed in the Tauern Window. Brittle extensional and strike-slip fault measured in the field witness this second event and show that E-W to WNW-ESE extension mainly occurred along the Brenner and Katschberg normal fault systems while strike-slip faulting consistent with N-S shortening accommodated the deformation in the central Tauern Window.

Die Exhumierung der Ostalpen, lokalisiert im Tauernfenster, erfolgte vom Oligozän bis zum späten Miozän. Das Tauernfenster ist ein thermischer und struktureller Dom, der nördlich des Dolomiten Indenters und südlich der Nördlichen Kalkalpen liegt. Ost-West gerichtete Extension ist entlang dem westlichen (Brenner Abschiebung) und östlichen Ende (Katschberg Abschiebung) des Fensters dokumentiert. Gleichzeitig zu der Ost-West Extension erfolgte eine Nord-Süd gerichtete Kompression, die sich durch einen intensiven Faltenbau im Inneren des Tauernfensters widerspiegelt. Im westlichen Bereich des Fensters erreichten die aufrechten Falten eine Amplitude von mehr als 20 km. Das gleichzeitige Vorkommen der Falten im inneren und der Abschiebungen entlang des äusseren Tauern Fenster suggeriert, dass die N-S gerichtete Verkürzunng und die E-W gerichtete Extension einen wesentlichen Beitrag zur Exhumierung des gesamten Fensters mit Beitragen hat. Das Ziel dieser Dissertation ist den relativen Beitrag von Faltung, Erosion und der orogen- parallelen Extension mithilfe einer Kombination von Methoden zu bestimmen. Folgende methodische Ansätze wurden in dieser Arbeit verfolgt: (1) Die räumliche Anordnung und die zeitliche Entwicklung der Miozänen Abkühlung des Tauernfensters, basierend auf Apatit- und Zirkonspaltspuralter; (2) Die Analyse von späten spröden Strukturen im Tauernfensters mit Hilfe neuer tektonischer Analyseverfahren und Paläostress Inversion; (3) Durch numerischer Modellierung der 2D-thermischen Entwicklung der verfalteten Lithosphäre. Diese Modellierung prognostiziert die Verteilung der Spaltspurdaten an der Oberfläche mit Berücksichtigung von Hebungsrate und Initiale thermischen Bedingungen. Das Abkühlaltermuster, aufbauend auf bereits existierenden und eigenen Spaltspuraltern, enthüllt eine heterogene Abkühlungsgeschichte des Tauernfensters. Die Abkühlung des westlichen Tauernfensters ist überwiegend jünger und erfolgte bei größeren Hebungsraten als im östlichen Tauernfensters (Hochalm Dom). Zirkonspaltspuralter zeigen, dass zwischen 22 und 12 Myrs das westliche und östliche Tauernfester mit ähnlichen Hebungsraten exhumiert wurde. Apatitspaltspuralter zeigen, dass vor 12 Myrs das westliche Tauernfester mit höheren Hebungsraten exhumiert wurde. Die Abkühlaltermuster zeigen längliche, konzentrische Muster, parallel zur axialen Ebene der Tauern Dome, mit jüngeren Altersgruppen in den Kern der westlichen Tauernfenster und einer homogeneren Verteilung in den östlichen Tauernfester. Dieses Muster verursacht überwiegend durch Faltung und Erosion waren für Exhumierung des Tauernfensters verantwortlich. Sprödstrukturenanalysen und Inversion von Paläostressdaten im Tauernfenster zeigen ein zoniertes Muster. Im Inneren des Fensters herrschen überwiegender seitverschiebende Strukturen vor, im Gegensatz zu den westlichen und östlichen Rand des Fensters, dort dominieren orogen-parallele extensionelle Strukturen. Die Tatsache dass kaum spröde kompressionelle Strukturen aufgenommen werden konnte, ist ein Hinweis für die Erosion der zuvor durch Faltung entstanden Strukturen. Die Miozäne Exhumierung im Tauernfenster wurde hauptsächlich durch den Ost-West gerichtete Extension entlang der Brenner- und Katschberg Abschiebung aufgenommen. Der zentrale Bereich des Fensters ist charakterisiert durch Blattverschiebungen, einhergehend mit dem Nord-Süd gerichtete Verkürzung. Ergebnisse der 2D- thermischen Modellierung der krustalen Lithosphäre zeigen, dass eine zweiphasige Verformungsgeschichte mit einel glockenartigen Muster der Spaltspurabkühlalter erzeugt wird, wobei die jüngere Alter im Bereich der maximalen exhumiering zu finden sind. Die Erste Phase (10 Myrs) ist geprägt durch hohe Hebungsraten (2 mm.yrs-1) das tiefes und heißes Gestein nahe an die Oberfläche exhumiert. Gefolgt von der Zweiten Phase mit geringeren Hebungsraten (0,325 mm.yrs-1 während 20 Myrs). Aufgrund der geringeren Hebungsrate konnten sich die vorher verfalteten Isothermen äquilibrieren. Existierenden und neuen Spaltspuralten und Sprödstrukturen, deutet auf eine zweiphasige Miozäne Verformungsgeschichte im Tauernfenster hin, was im Einklang mit meiner Modellierung ist. Die Bildung der vertikalen Falten und die Verformung der Isothermen erfolgte während der Ersten Phase, verursacht überwiegend durch Faltung und Erosion, sowie substantieller Extension am westlichen und östlichen Ende des Tauernfensters. Die zweite Phase, mit geringeren Hebungsraten, resultiert aus der orogen-parallelen Extension und den konjugierten Blattverschiebung. Während dieser Phase äquilibrierten die Isothermen und es wurde das heutige Muster der Spaltspurabkühlalter generiert. Gemessene extensionelle und blattverschiebende Sprödstrukturen sind Zeuge der Zweiten Exhumierungsphase und unterstreichen das orogen-parallele Extension hauptsächliche an den Rändern des Tauernfensters aufgenommen wurde. Nord-Süd- gerichtet Verkürzung, im zentralen Bereich des Fensters, wurde durch die konjugierten blattverschiebenden Strukturen aufgenommen.