Burial and exhumation of the Alpine Foreland Basin constrained by low-temperature thermochronometry and stylolite morphology

Frings, Kevin Alexander; Kukla, Peter (Thesis advisor); von Hagke, Christoph (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Vorlandbecken sind von großer Wichtigkeit, da sie Ressourcen wie Kohlenwasserstoffe, ökonomische geothermische Lagerstätten, oder potenzielle Standorte für die Entsorgung radioaktiver Abfälle beinhalten können. Zudem liefert das Verständnis ihrer Versenkungs- und Exhumationsgeschichte Informationen über die zugrundeliegenden Prozesse. Auch nehmen Vorlandbecken Sedimente der angrenzenden Orogene auf, wodurch sie die tektonische Geschichte dieser bezeugen. Die Rekonstruktion der Versenkung und Exhumation von Vorlandbecken ist aufgrund teils erodierter Sedimente schwierig. Das nördliche Vorlandbecken der zentraleuropäischen Alpen ist ein gut untersuchtes Beispiel für ein solches Becken, das späte Exhumation erfuhr. Thermochronometrie ist ein leistungsfähiges Instrument zur Eingrenzung der Magnitude und zeitlichen Abfolge dieser Exhumation, das jedoch mit Unsicherheiten behaftet ist. Daher haben frühere Studien unterschiedliche Werte geliefert. In dieser Arbeit wird ein neuer Apatit-(U-Th-Sm)/He-Thermochronometrie (AHe) Ansatz erzeugt, um eine präzise Eingrenzung zu erzeugen und frühere Studien zusammenzuführen. Darüber hinaus wird der erhaltene thermochronometrische Datensatz auf Faktoren untersucht, die für die beobachtete Altersstreuung und das spezifische Alter-Tiefen-Muster verantwortlich sind. Zudem wird Thermochronometrie durch eine unabhängige Abschätzung der maximalen Versenkungstiefe auf der Grundlage der Morphologie von Stylolithen ergänzt. Die neuen gemessenen AHe Daten aus der Bohrung Bülach-1 zeigen ein Alter von 4 bis 30 Ma in den oberen 500 m und ein Alter von 3 bis 80 Ma unterhalb von 1300 m. Dieses Muster ist kontraintuitiv, da der Tiefentrend der Altersdaten aus den oberflächennahen Proben auf zurückgesetzte Alter in Tiefen von mehr als 600 m hinweist. Mithilfe verschiedener Software wird ein Temperatur-Zeit Modell erstellt, das die Daten erklärt. Insbesondere wird der Einfluss verschiedener thermischer Herkunftsgeschichten mit dem Tool PyBasin getestet, das auch zwischen Änderungen des Wärmeflusses und Änderungen der Exhumation unterscheiden kann. Es wird 1050 m +/- 100 m Exhumation bestimmt, die langsam bei 13 Ma beginnt und sich bei 9 Ma beschleunigt. Ab ca. 9 Ma kommt es zu einem Anstieg des Wärmeflusses, der zu einer maximalen Temperatur bei 5 Ma führt. Die Diskrepanz zwischen dem Beginn der Exhumation und dem Beginn der Abkühlung ist der Hauptgrund für die unterschiedlichen Abschätzungen des Exhumationsbeginns vorheriger Studien. Die Modellierungsergebnisse erlauben außerdem Rückschlüsse auf hydrothermalen Einfluss auf die Sedimente des Beckens und auf die exhumationstreibenden Prozesse. Ein 5-Ma-Klimaereignis kann ausgeschlossen werden und Störungsversätze sind in der Region unbedeutend, sodass manteldynamische Prozesse die Hauptantriebskräfte sind. Eine genaue Analyse des Datensatzes ergründet die Einflussfaktoren, die für die Altersstreuung und das Muster älterer Alter in der Tiefe verantwortlich sind. Mutterisotopenkonzentration ("effective uranium", eU) und das Kornvolumen werden häufig als Gründe für Streuung in AHe-Daten vermutet. Das Altersmuster des Bülach-Datensatzes erklären diese Faktoren nicht hinreichend. Stattdessen ist die Vermischung verschiedener Populationen verantwortlich. Diese Populationen beruhen auf unterschiedlichen thermischen Geschichten der Körner in ihren Herkunftsgebieten, weshalb sie unterschiedlich auf die Temperaturgeschichte des Beckens reagieren. Demzufolge werden Variationen der Schließtemperaturen (Tc) zwischen den verschiedenen Populationen erwartet. Durch die Untersuchung von eU und Tc wird in dieser Arbeit eine Trennung solcher Populationen erreicht und individuelle Werte für Tc der einzelnen Populationen werden berechnet. Anhand dieser können konsistente Exhumationsszenarien aus dem kontraintuitiven Datensatz abgeleitet werden. Ergänzend zu AHe wird eine Analyse der Versenkungstiefe bei der Entstehung von Stylolithen durchgeführt. Dazu werden Stylolithe aus den Karbonaten der 800 m langen mesozoischen Sequenz der Bohrung analysiert. Neben makroskopischer, mikroskopischer und 3-D Charakterisierung der Stylolithe und ihrer Wirtsgesteine, werden für die Analyse der Tiefenabhängigkeit der Stylolithmorphologie zwei komplementäre Ansätze gewählt. Beim ersten Ansatz werden die Wellenlänge und die Amplitude von mehr als 150 Stylolithen entlang des Bohrkerns gemessen, um einen großen statistischen Datensatz zusammenzustellen. Die Ergebnisse und der Vergleich mit Eigenschaften des Wirtsgesteins zeigen, dass der Stylolith-Typ und der Anteil der nicht-Karbonat-Minerale im Wirtsgestein keine Rolle spielen, während eine zunehmende Porosität offenbar zu geringeren Amplituden führt. Die Tiefe und die Lithologie beeinflussen die Korrelationen zwischen Wellenlänge und Amplitude, aber die Ergebnisse sind nicht eindeutig, sodass es nicht möglich ist, die Auswirkungen zu quantifizieren. Für den zweiten Ansatz werden Frequenzspektren einzelner Stylolithe auf eine Änderung der Skalierung von Wellenlänge und Amplitude hin analysiert, wobei eine in früheren Studien eingeführte Methode verwendet wird. Mit diesem Ansatz kann die maximale Spannung bei der Stylolithbildung und folglich die entsprechende maximale Versenkungstiefe berechnet werden. Der erhaltene Wert deutet jedoch auf eine Versenkung von etwa 700 m seit der Stylolithbildung hin und liegt im Durchschnitt 1700 m unter den AHe-Ergebnissen. Die Methode ist mit einigen Unsicherheitsfaktoren behaftet, von denen einige anfällig für systematische Fehler sind. Darunter die große Variabilität der Stylolithe und Wirtsgesteine, das notwendige Kartieren der Stylolithe, Unsicherheiten der gesteinsmechanischen Parameter und Instabilitäten des verwendeten Algorithmus. Darüber hinaus ist fraglich, ob die Stylolith-Morphologie tatsächlich von der Spannung bei maximaler Versenkung kontrolliert wird. Zusammenfassend präsentiert diese Arbeit einen einzigartigen AHe Datensatz und verwendet eine neue Methode zur erfolgreichen Bestimmung der thermischen Geschichte, und liefert neue Einblicke in das AHe-System und dessen Beeinflussung durch Populationen. Die Bestimmung der maximalen Versunkungstiefe mithilfe der Morphologie von Stylolithen zeigt großes Potenzial. Die Beseitigung und Quantifizierung systematischer Fehler und von Unsicherheiten ist jedoch unumgänglich, um zu robusten Ergebnissen zu gelangen.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Geowissenschaften und Geographie [530000]
• Lehrstuhl für Geologie und Paläontologie und Geologisches Institut [531110]