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.
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.
